手持GPS在草原調查與制圖中的應用

王大為，趙 軍，付 鵬，師銀芳，楊東輝

(西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070)

草原是溫帶半干旱氣候地區旱生或半旱生的多年生草本植物群落，主要生長草本植物，或兼有灌叢和稀疏喬木，可以為家畜和野生動物提供食物和生產場所，可為人類提供優良生活環境、其他生物產品等多種功能的土地-生物資源和草業生產基地[1]。草原調查與制圖是草原科學研究、草原規劃、草原生產管理的基礎性工作，也是表達草原空間性和時間特征的有效方法，因此得到重視[2-4]。

隨著現代空間信息技術的日益成熟，遙感技術(Remote Sensing，RS)、全球定位系統(Global Positioning System，GPS)和地理信息系統(Geographic Information System，GIS)等技術逐漸被引入草原建模和動態監測工作之中[5-10]，但是目前關于資源調查的方法研究主要集中在林、農、牧以及國土、地質等行業[11-14]，草原調查和制圖方法研究主要側重于數據分析[15]。鑒于此，本研究以Trimble Juno SB手持機為例，系統介紹GPS在草原調查與制圖中的具體應用。

1 Juno SB手持機概述

Trimble Juno SB手持機是美國Trimble導航公司于2008年研發的GPS數據采集器，具有堅固、耐用，信號接受快，續航時間長的特點。在野外可以用整合的利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強系統(Satellite Based Augmentation Systems，SBAS)進行實時差分改正，獲得2～5 m的定位精度；TerraSync外業操作軟件和GPS pathfinder Office內業管理軟件之間的數據無縫傳輸，確保數據在格式轉換過程中的準確完整；將電子地圖通過影像配準后作為背景圖傳入手持機，可以在數據采集過程中實時對照，及時采集、更新和校正；在定位的同時記錄和修改所需的相關屬性，同時還可以采集影像數據，使得GIS數據信息更加豐富，便于以后數據的管理和維護。鑒于以上特點，Trimble Juno SB手持機可以滿足草原調查與制圖的要求。

2 Juno SB草原調查與制圖的程序

草地資源調查需要調查草原地區或單位的社會情況、自然環境條件、植被、野生動物和家畜、草原生產現狀以及草原類型的確定、劃分與記述。主要有省(自治區)全國一級的中小比例尺(1/10萬～1/25萬)草原資源調查，地(州)縣以及鄉(鎮)級大比例尺(1/2.5萬～1/5萬)草原資源利用調查及局部地區大比例尺草原資源規劃建設調查[2]。其中，縣級草原資源利用調查是我國草原資源調查的基礎。

2.1準備工作 草原調查的準備工作分為兩部分(圖1)：資料搜集分析與調查計劃，組織與后勤準備工作。

資料搜集分為圖件資料和文字資料與圖紙兩類。在圖件資料搜集方面，將作為對調查地區總體認識依據的1/25萬地形圖，用于實地調查和規范制圖底圖的1/2.5萬或1/5萬地形圖以及航空像片、衛星像片、已有草原類型分布地圖作為背景圖，用USB數據線通過GPS pathfinder Office軟件上傳到Juno SB手持機內，在調查過程中可隨時顯示所需背景圖。調查人員可利用以往的調查結果，在室內勾繪出草原類型調查路線，上傳到Juno SB手持機內供調查時使用。

圖1 Juno SB草原調查與制圖工作流程

在文字資料與圖紙搜集中，應用手持機的Window Mobile系統，將搜集到的資料轉換為Word或Excel格式加以保存。利用搜集到的有關草地、土壤、植物、植被、氣候、水文及地質等方面的資料，使用GPS Pathfinder Office的數據字典功能，創建與草原調查相關的數據字典，以便在現場調查中對定位數據進行屬性的創建與編輯。根據調查區域特征，選擇中央經線、長半軸、曲率和參數，建立所需的坐標系統，與數據字典通過GPS pathfinder Office軟件上傳至手持機內。

2.2草原現場調查 草原現場調查根據調查內容可分為草原自然環境條件調查、草原類型調查、草原植物飼用價值調查、水土資源調查、草地利用現狀調查、社會概況和生產現狀調查，根據調查方法可分為現場調查和路線調查[2]。本研究以草原類型調查為例，分析Juno SB手持機在草原現場調查和路線調查中的應用。草原類型調查的方法與步驟包括踏查、詳查、訪問和制圖。

2.2.1踏查 踏查，又稱概查，是對調查地區進行一次全面的概括了解。在踏查時，根據踏查范圍大小，將1/10萬或1/25萬地形圖作為調查底圖存儲在手持機中。在“數據”界面使用“新建”功能創建“草原踏查”數據文件，使在踏查過程中的數據均記錄在該文件內，便于編輯和整理(圖2a)。在“圖形”界面點擊“創建要素”功能創建線要素，采用5秒間隔采集調查人員位置，記錄踏查路線。在勾繪草地邊界時，在“圖形”界面點擊“創建要素”功能創建面要素，5秒間隔采集位置，沿邊界步行至閉合(圖2b)；對于邊界較長的區域，在“圖形”界面選擇“數字化”功能，在底圖上勾繪出邊界(圖2c)。在記錄路線和勾繪邊界時，通過更新要素的功能，使兩方面工作同時進行。使用在準備工作時制作的數據字典，對草原邊界等數據記錄屬性。對于草原類、亞類，季節牧場和圍欄的范圍，也可以使用此方法進行調查。

2.2.2詳查 詳查是用現場調查與訪問相結合的方法，以野外現場調查為主要工作內容。詳查分定性與定量測定調查。定性測定時根據草地植被組成的均勻與稀密程度以及分布面積的不同，選擇10 m×10 m或10 m×20 m確定樣地面積，在植被稀疏的荒漠和灌叢草地，樣地面積擴大到10 m×100 m或10 m×150 m。樣地選擇在該草原類型分布的中心地段，每一類型記載樣地的數量，根據該類型分布的面積和均勻程度的不同，在同一條調查路線上設置1～3個。對樣地數據進行采集時，創建面要素，5秒間隔采集樣地邊界，并在“數據”界面記錄該樣地草原植被的特征，以及周邊的環境條件。必要時對具有代表性的草原植被類型或周邊環境條件拍照，作為其中的一條屬性與數據的位置信息一同保存。

定量測定工作在測產樣方內進行。測產樣方分散分布于樣地內，面積為1 m×1 m，在草叢稀疏時為2 m×2 m或2.0 m×2.5 m，極稀疏時擴大為2 m×5 m或5 m×10 m，每一樣地布置測產樣方3～5個。在“圖形”界面點擊“創建要素”功能創建點要素，1秒間隔采集樣方中心，并記錄該草地類型分布區內不同地形部位和草叢的發育狀況，以及產草量的差異，采集植物標本并拍照。

圖2 草原踏查界面示意圖

對于草地復合體，要調查其組成比例?？梢赃x擇典型地段，穿過復合體的各組成部分，用創建線要素的方法，5秒間隔采集出它們各自的長度和復合體總長度，從而計算出各組組成成分的比例。復合體特征的記載，以各組成草地類型為單位，用樣地記載的方法分別調查，總產量由各組成草地類型的單產乘以它們在復合體中所占的面積比例，然后各型相加求得。相關計算在Juno SB手持機上使用計算器完成。

采用路線詳查進行草原類型定名、記載測定、勾繪分布界線的同時，對草原區內農田、林區、積雪區、無效利用區等地段的界線特征點坐標數據進行采集和界線勾繪。對草原利用和草原建設現狀，如季節牧場界線、居民點、生產點、畜群點、水利建設設施等的位置進行采集。對于其他調查內容，均可按上述調查方法進行采集。針對不同的數據屬性，可以分別創建數據字典做相應的記錄。

2.2.3訪問 訪問調查是向調查地區或單位有經驗的干部、技術人員與生產者進行口頭調查。預先將調查表格上傳至手持機內，訪問調查時，使用內置的Excel軟件打開需要調查的表格，在訪問的同時進行記錄。將訪問調查收集到的電子數據保存到手持機內。

2.3草原調查制圖 草原調查制圖是草原調查內業工作的主要組成部分，也是調查工作重要的總結成果。草原調查制圖主要有兩種，即草原類型圖和草原利用現狀圖。將踏查和詳查時采集的草原類型邊界和樣地、樣方數據，利用GPS pathfinder Office軟件，通過USB數據線從手持機導出到計算機上，使用GPS pathfinder Office軟件導出功能將數據轉為Arc/Info、Auto CAD或MapInfo等GIS專業制圖軟件的數據格式，在GIS軟件中檢查、連接未閉合的草原類型邊界，補充調查地區的范圍邊界和其他非草原區、無效利用區邊界，以及道路、水系等地物的位置。設定比例尺、代號、圖例，制作草原類型圖和草原利用現狀圖。

3 Juno SB草原調查與制圖的優勢與不足

GPS技術現已應用到許多行業，與傳統的調查方法比較，可以說是調查與制圖技術上的一次革命。傳統方法以羅盤儀和紙質地圖作為主要調查工具，需要攜帶大量的資料和儀器用品[3]；采集數據時工序復雜，野外調查進度緩慢，調查者勞動強度大；制圖時需要進行清圖、著色、轉繪等復雜工序。新型草原調查法以GPS手持機(如Juno SB)為調查工具，只需將調查資料傳入手持機中，攜帶方便；野外調查時在手持機上完成特征點采集、勾繪邊界和其他專業數據采集，操作簡單，最大限度地提高現場調查進度；內業工作中將調查獲得的坐標數據和相關屬性數據直接上傳至電腦，并在不同數據格式之間進行轉換，節省電腦二次繪圖的工序。使用Windows Mobile操作系統中自帶的Word和Excel軟件查閱和編輯調查資料，真正做到無紙化作業。

由于Juno SB手持機自身的GPS定位精度限制，還達不到局部地區大比例尺草原資源規劃建設調查的要求，只能適用于比例尺在1/2.5萬以下的草原調查與制圖。受顯示屏大小的限制，在使用背景圖時，只能顯示出部分區域，在勾繪時需要拖動背景圖才能完成勾繪工作，雖然定位精確，但耗時較多。

4 結論

合理開發利用草原，無論是全國或一個地區、一個生產單位，都必須首先進行草原調查規劃工作，而“3S”技術的引入是草原調查工作中的重大技術革命。隨著高精度手持GPS接收機技術的發展，能夠滿足精度要求較低、調查范圍較大的資源調查，改進傳統的調查模式。在草原調查中將資料收集與錄入、數據采集與界線勾繪、成果輸出與制圖等一系列過程集成在Juno SB手持機上完成，能有效地節省工作時間，加快工作進程，為草原數字化、信息化調查提供了重要手段。但在應用中也需要注意GPS衛星信號的接收效果，盡量避免在天空遮蔽和信號接收較弱的情況下操作，以保證數據采集的精度。

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