多任務模式的溼地數據採集系統的製作方法

2023-07-21 20:34:36

專利名稱：多任務模式的溼地數據採集系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及信息系統技術領域，具體涉及一種多任務模式的溼地數據採集軟 硬體平臺，特別適用於溼地保護工作中野外調查時同步採集多種類空間數據、圖像數據、屬 性信息、實現數據遠程上傳、實時更新等多任務模式的溼地數據採集工作。
背景技術：
國際溼地公約對溼地定義是「溼地是指不論其為天然或人工、常久或暫時性的沼 澤地、溼原、泥炭地或水域地帶，帶有或靜止或流動、或為淡水、半鹹水或鹹水水體，包括低 潮時水深不超過六米的水域」。同時又規定「可包括鄰接溼地的河湖沿岸，沿海區域以及溼 地範圍的島嶼或低潮時水深不超過六米的區域」。溼地是自然界最富生物多樣性的生態景 觀和人類社會賴以生存和發展的環境之一，是地球上具有多種功能的獨特生態系統；擁有 豐富的動植物資源，相當於一個大的天然基因庫，對生物物種多樣性的保護具有十分重要 的意義；溼地不僅為人類提供大量的食物、原料和水資源，而且在維護生態平衡、調節氣候、 保護生物多樣性和珍稀物種資源以及涵養水資源、蓄洪防旱、降解汙染，防止自然災害等方 面具有其它生態系統不可替代的作用；此外，人類開發溼地的歷史悠久，世界許多重要古文 明和現代文明都是靠溼地這類特殊的自然地域綜合體孕育的。因此，溼此被人們譽為「物種 基因庫」「地球之腎」、「生命搖籃」、「文明發源地」，對人類生存和發展有著十分重要的作用。溼地範圍廣闊、數據具有多樣性和複雜性的特點，管理內容豐富，涉及多個方面。 溼地交通不便，野外調查交通工具主要是船隻，一次全面的野外調查工作需要花費大量時 間，所以工作人員希望能同時調查多種數據。目前溼地野外調查主要有兩種工作方式一種 是調查工作開始前，先將調查範圍的現狀圖列印成紙質地圖，調查人員拿著紙質圖到現場 標記、勾畫，同時在另外的紙上記錄屬性信息，調查工作結束後回到室內再整理調查成果， 輸入計算機製圖。這種工作方式非常落後，工作效率低，因溼地範圍大，廣闊的水域中缺少 明顯地理標記，調查人員經常弄不清當前所在位置對應的地圖位置，所以調查成果的精度 很低，同時調查工作需要多種現狀圖做參考，紙質地圖不能實現疊加分析，給調查工作帶來 不便。另一種方法是近年來發展起來的常用野外數據調查技術，它利用市面上現有的帶數 據採集功能的GPS手持機，現場定位測量，進行數據採集，並且提供屬性數據錄入和圖像採 集功能，此類產品具有體積小、重量輕、攜帶方便的特點。但是，溼地調查需要同時採集多個 方面的空間數據、圖像數據，需要及時錄入大量的屬性信息，另外需要調用參照的數據也很 多，包括不同年代不同解析度的多種衛星航片數據、不同介質不同比例的數字線劃圖、溼地 行政區劃、水系、道路網、溼地保護站、植被分布圖、鳥類分布圖、魚類分布圖、水文水質監測 數據、樣方採集點等空間數據及圖像、錄像等多媒體數據等。並且在調查過程中需要反覆的 調用和卸載這些海量空間數據、即時做疊加分析、參照利用，目前GPS手持機或PDA產品很 難完成這些工作。溼地野外數據調查工作需要一個圖形處理速度快、運行穩定、存儲空間足 夠大、操作方便的多任務模式的數據採集系統。目前已申請中國專利的有關數據採集系統實用新型有5項一是喬彥友實用新型
3的「基於PDA、GPS、GIS和GPRS的野外調查系統」，二是吳衝龍、劉剛等人實用新型的「基於 便攜機的計算機輔助地質調查系統」，三是王慶、王慧青等人實用新型的「土地調查的全數 字化野外信息採集、記錄與處理方法」，四是楊貴軍、黃文江等人實用新型的「一種基於PDA 和3S結合的土地利用變更調查方法及系統」，五是王慶、於冠男等人實用新型的「一種用 於土地監測的電子信息化系統及其方法」。它們與本實用新型的區別在於前者主要是採 用PDA做為數據採集系統的硬體平臺，圖形處理能力和內存空間有限，不能處理海量空間 數據，且屬性信息採集功能不強，不能同時採集空間數據和圖像數據，不適合多任務模式的 溼地數據採集工作。本實用新型採用可攜式計算機做為硬體平臺，提供了強大的圖型處理 能力和海量空間數據存儲能力，並且可以提供方便快捷的多種數據採集方式和屬性錄入方 式，並且採集到的數據可以通過3G上網實現數據實時遠程上報到管理部門的伺服器，比已 有實用新型更適合溼地裡野外調查和數據採集工作。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是解決上述現有技術存在的缺陷，而提供一種 新型、高效、穩定、多任務模式的溼地數據採集系統，解決溼地保護工作中數據採集難、更新 難的實際問題。本實用新型採用的技術方案是這種多任務模式的溼地數據採集系統，包括便攜 式計算機、GPS模塊、圖像採集模塊、紅外測距儀、無線通訊模塊硬體設備，可攜式計算機、 GPS模塊、紅外測距儀和圖像採集模塊的硬體設備之間採用藍牙無線通訊連接和數據傳輸， 可攜式計算機還通過無線通訊模塊無線上網。本實用新型以可攜式計算機為平臺，結合GPS模塊、圖像採集模塊、紅外測距模 塊、無線通訊模塊等硬體設備和數據採集軟體，採用藍牙通訊技術、3G網絡、GPS技術、空間 資料庫技術，具備有強大的圖形處理、空間數據採集、圖像採集和屬性信息錄入能力的綜合 軟、硬體系統。本系統可實現溼地野外調查無紙化現場作業，避免了室內內業處理的重複勞 動，提高了數據採集的工作效率。系統具有快速的圖形處理能力和海量空間數據存儲能力， 在採集多類空間數據同時採集圖像信息、錄入屬性信息，並可方便疊加調用現有數據成果 進行分析，操作方便、工作能力強，非常適合溼地保護區野外現場調查工作，如調查溼地植 被分布、動物資源分布、水質檢測、水力設施、更新溼地數據、項目普查等。本實用新型的多任務模式的溼地數據採集系統，可攜式計算機、GPS模塊、紅外測 距儀和圖像採集模塊的這些硬體之間都採用藍牙無線通訊連接和數據傳輸，很好地解決了 眾多硬體設備之間通過數據線互連錯綜複雜的局面。本實用新型的多任務模式的溼地數據採集方法，具體有兩種一種是直接用GPS 絕對定位來進行採集，點對象可以單點實測，線和面對象可以圍繞目標航行一圈，通過獲取 一連串點自動生成線和面對象，對於無GPS信號或弱信號區域單點測量可採用系統的幾何 輔助測量模塊進行數據採集。另一種方法是通過導航定位得到當前所在位置，結合高分辨 率衛星遙感影像識別、肉眼觀察，利用強大的圖元繪製功能勾畫出地理空間對象，也可以利 用柵格數據擴展模塊對衛片進行解譯，設有全自動解譯、半自動解譯和手工解譯三種模式， 可大大提高數據採集工作效率。如果對數據精度要求較高，系統支持採用GPS實時差分處 理辦法來提高坐標信息的精度，差分信號通過3G無線網絡從差分伺服器直接傳輸到可攜式計算機。空間數據採集的同時，利用圖像採集模塊進行現場取證，數據採集軟體為圖像生 成唯一的編碼，並自動將圖像與空間對象建立關聯，一個空間對象可以關聯一個或者多個 圖像信息，採集現場可以刪除、修改和重新採集圖像信息。數據採集軟體充分利用可攜式計 算機方便的鍵盤輸入功能，設有拼音首字母輸入、數字代碼輸入、滑鼠選擇輸入等多種屬性 信息輸入機制，可以方便快捷地進行屬性錄入。這些工作完成後，數據採集軟體將空間數 據、圖像數據、屬性信息自動保存到資料庫，同時將它們生成標準格式的數據包，遠程上報 到伺服器。本實用新型提供一種幾何輔助測量方法，用於解決單點測量時，捕獲衛星顆數小 於3顆時，GPS信號非常弱或者沒有信號的測量環境。解決方法是通過任意兩個有GPS信 號的測量點和這兩點到目標點的距離，運用幾何求解的辦法求出目標點的坐標。本實用新型利用3G無線通訊技術實現隨時隨地無線上網，實時將採集系統生成 的標準數據包遠程上報到管理部門的數據伺服器，以便管理部門提供最新的數據服務。技術效果本實用新型提供一種新型、高效、穩定、多任務模式的溼地數據採集系統，有利於 提高溼地管理部門野外調查工作效率，解決數據採集、更新難的實際問題。本實用新型成本低，普通的可攜式計算機就可以實現，價格比GPS手持機還要便且。本實用新型圖形處理速度外、存儲空間大、繪圖方面、操作簡單，適合於多任務模 式的溼地野外數據採集工作。本實用新型實現了野外調查工作無紙化辦公，現場成圖、實時更新。
圖1本實用新型系統框圖圖2本實用新型硬體設備通訊圖圖3溼地數據採集流程圖圖4幾何輔助測量原理圖
具體實施方式
以下結合附圖及實施用例對本實用新型作進一步說明。(1)數據採集器。溼地範圍廣闊、數據具有多樣性和複雜性的特點，管理內容豐富，涉及多個方面。 溼地交通不便，野外調查交通工具主要是船隻，一次全面的野外調查工作需要花費大量時 間，所以工作人員希望能同時調查多種數據。目前，其它行業常用的野外調查工具是帶數據 採集功能的GPS手持機，現場定位測量，進行數據採集，且能提供屬性數據錄入和圖像採集 功能，此類產品具有體積小、重量輕、攜帶方便的特點。但是，溼地調查需要同時採集多個 方面的空間數據、圖像數據，需要調用參照的數據也很多，包括不同年代不同解析度的多 種衛星航片數據、不同介質不同比例的數字線劃圖、溼地行政區劃、水系、道路網、溼地保護 站、植被分布圖、鳥類分布圖、魚類分布圖、水文水質監測數據、樣方採集點等空間數據及圖 像、錄像等多媒體數據等。調查前期先將這些數據裝入系統，用於導航定位，調查過程中需要反覆的調用和卸載這些數據、即時做疊加分析、參照利用，並且有大量的數據需要及時錄 入。溼地野外數據調查工作需要一個圖形處理速度快、運行穩定、存儲空間足夠大、操作方 便的多任務模式的數據採集系統。傳統的基於PDA或GPS手持機的數據採集器顯得無能為 力，而可攜式計算機卻能很好地解決這些問題。系統總體框圖如圖1所示。(2)硬體設備之間的通訊方式。野外數據採集系統涉及硬體設備較多，包括可攜式計算機、GPS模塊、紅外測距儀、 圖像採集模塊，為解決這些硬體之間便捷的連接和數據傳輸，採用藍牙無線通信無疑是最 好的手段。藍牙是一種短距離(一般是IOm之內)、最廉價的無線通訊技術，支持點對點及 點對多點通信方式。通過使用高速跳頻(FH，Frequency Hopping)和時分多址(TDMA，Time DivesionMuli-access)技術，透過晶片上的無線接收器，使配有藍牙模塊的硬體設備能呈 網狀連結起來，傳輸速度可以達到每秒鐘1兆字節，能有效地解決各設備之間通過數據線 互連錯綜複雜的局面。一般的可攜式計算機都自帶有藍牙模塊，也可以花費幾十元購買一 個USB接口的藍牙模塊，GPS模塊、紅外測距儀、圖像採集模塊等硬體也具備藍牙通信模塊。 藍牙連接十分簡單，可攜式計算機開啟藍牙服務後，可以自動搜索服務範圍內的有效的藍 牙設備，找到設備後，給每個設備各分配一個專用COM接口進行連接，連接成功硬體設備就 可以當做普通文件一樣進行數據讀取操作了。硬體設備連接如圖2所示。(3)坐標轉換及定位導航。GPS是全球性的定位系統，定位測量得到的位置結果是全球通用的Wgs84坐標下 的經緯度坐標，而我國測繪成果大多採用國家坐標系統，最常用的是西安80和北京54兩 種，因此需要將Wgs84坐標轉換到國家坐標系統。為避免過多計算影響處理器運行，提出較 少硬體資源開支的坐標轉換模型，採用最小二乘法進行了坐標轉換參數的求取和平差。首 先，將目標坐標系下的大地坐標(B1, L1, H1)根據高斯投影原理轉換為目標坐標下的高斯坐 標，其次將控制點WGS84大地坐標(B2，L2, H2)根據高斯投影原理轉換成WGS84高斯平面坐 標。然後將控制點WGS84高斯平面坐標與控制點在目標坐標系的高斯坐標一一對應，根據 四參數平面轉換模型求取平面轉換參數，然後將參數應用到調查範圍的其它點坐標轉換。 轉換過程中還涉及到中央子午線的問題，一般我們可以在調查範圍內，近中心位置實測一 點，取與該點經度最近的被3整除的經線為中央子午線。溼地範圍通常比較大，沒有明顯地理標識，在水域中行駛很容易迷失方向，本實用 新型的GPS模塊具有快速、準確定位的優點，並且定位數據每秒刷新一次，通過解譯GPS坐 標信息，將坐標信息以一個點對象顯示在地圖窗口中，結合衛星遙感影像就可以快速定位， 為數據採集提供導航定位功能。(4)數據採集軟體本實用新型系統的數據採集軟體採用C#. Net和國產GIS平臺SupermapObjects 開發，具有強大的圖形繪製、編輯、空間數據管理、分析能力。系統由地圖導航模塊、數據編 輯模塊、數據管理模塊、數據檢查模塊、統計分析模塊和數據上傳模塊組成。地圖導航模塊 為工作人員提供方便的導航功能，將導航點保存到專門的導航路徑數據層，根據需要可以 設置1秒、2秒或者5秒記錄一次，每個導航點包括編號，X坐標、Y坐標、高程、速度等屬性， 這樣就可以清楚的表達已經走過的地方，有利於合理安排調查路線和方便日後數據整理工 作；數據編輯模塊提供多種基本矢量元素繪製、地理要素繪製和圖元的修改，基本矢量元素包括點、線、面、圓、矩形、橢圓等，而地理要素包括道路、房屋、植被、河流等，圖元修改包括 圖元選擇、刪除、節點編輯、移動、節點捕捉、數據複製等；數據管理模塊利用SDX空間數據 庫引擎來解決關係型資料庫存儲空間數據的問題，提供對海量空間數據、非空間數據進行 高效率操作的資料庫服務。數據檢查模塊設有多種數據檢查機制，檢查調查數據的合理性， 並審核入庫；統計分析模塊提供多種查詢和專題分析功能，可使用各種圖形風格符號來表 達屬性信息某方面特徵，表示現象的現狀和分布規律及其聯繫，且能指出這些現象的動態 變化和發展規律；數據上傳模塊將採集的數據生成標準數據包，並利用無線通訊方式將數 據包實時發送到遠程伺服器。(5)數據採集本實用新型系統提供兩種空間數據採集辦法，一種是直接用GPS絕對定位來進行 採集，點對象可以單點實測，對於無(弱)GPS信號區域單點測量可採用系統的幾何輔助測 量模塊進行數據採集，線和面對象可以圍繞目標航行一圈，通過獲取一連串點自動生成線 和面對象。另一種方法是通過導航定位得到當前所在位置，結合高解析度衛星遙感影像識 別、肉眼觀察，利用強大的圖元繪製功能勾畫出地理空間對象，也可以利用柵格數據擴展模 塊對衛片進行解譯，設有全自動解譯、半自動解譯和手工解譯三種模式，可大大提高數據採 集工作效率。如果對數據精度要求較高，系統支持採用GPS實時差分處理辦法來提高坐標 信息的精度。實時差分是指通過建立一個基準站，由基準站向用戶站實時發送差分信號，用 戶站根據差分信號來消除誤差，能提高GPS測量與導航的精度，系統的GPS差分信號通過3G 無線網絡從差分伺服器傳輸到可攜式計算機。空間數據採集的同時，利用圖像採集模塊採 集圖像進行現場取證，數據採集軟體為圖像生成唯一的編碼，並自動將圖像與空間對象建 立關聯，一個空間對象可以關聯一個或者多個圖像信息，採集現場可以刪除、修改和重新採 集圖像信息。數據採集軟體充分利用可攜式計算機鍵盤設有拼音首字母輸入、數字代碼輸 入、滑鼠選擇輸入等多種屬性數據輸入機制，可以方便快捷地進行屬性錄入。這些工作完 成後，數據採集軟體將空間信息、圖像信息、屬性信息自動保存到資料庫，同時將它們生成 標準格式的數據包，準備遠程上報到服務。溼地數據採集流程如圖3所示。(6)幾何輔助測量模塊工作步驟。單點測量時，有些測量點(如建築物的牆角、蔭蔽樹冠下的測量點)的GPS信號非 常弱(捕獲衛星顆數小於3顆)或者沒有信號，這時可以採用幾何輔助測量模塊進行測量。 如圖4，A，B兩點是有GPS信號的兩點，P是無GPS的測量點，也就是待求點。首先，我們可 以先利用GPS模塊測量出點A和點B的坐標，再用紅外測距儀測出點A到目標點P的距離 Li，點B到目標點P的距離L2，然後，利用藍牙無線通信技術將A，B，L1，L2自動傳輸到模塊 的數據輸入接口，運行幾何求解的辦法計算出目標點坐標，適用於無(弱)GPS信號測量區 內定點測量任務。幾何求解方法以A點為圓心Ll為半徑畫一個圓Cl，以B點為圓心L2為 半徑畫另一個圓C2，這時這兩個圓有兩個交點Pl，P2，再根據A，B，P的旋轉方向來確定Pl， P2哪個為真正的P。(7)數據遠程上傳。3G全稱3rd-generati0n，中文含義是第三代移動通信技術，是指支持高速數據傳 輸的蜂窩移動通訊技術，具有提供高速數據業務特徵。3G上網是繼GSM、GPRS、EDGE後新的 快速無線上網技術，可攜式計算機可以通過擴展3G無線網卡來實現。首先需要購買一個接口即插即用的3G無線網卡模塊，然後到營業廳申請一個3G號碼，中國移動、中國電 信、中國聯通都有3G業務供選擇，開通後並可實現較低成本的隨時隨地無線上網業務。有 了如此高速、便捷的數據傳輸通道，就可以像在辦公室發E-Mail —樣將數據包實時遠程上 報到伺服器，以便提供最新的數據服務。
權利要求一種多任務模式的溼地數據採集系統，其特徵在於包括可攜式計算機、GPS模塊、圖像採集模塊、紅外測距儀、無線通訊模塊硬體設備，可攜式計算機、GPS模塊、紅外測距儀和圖像採集模塊的硬體設備之間採用藍牙無線通訊連接和數據傳輸，可攜式計算機還通過無線通訊模塊無線上網。
專利摘要一種多任務模式的溼地數據採集系統，包括可攜式計算機、GPS模塊、圖像採集模塊、紅外測距儀、無線通模塊硬體設備，可攜式計算機、GPS模塊、紅外測距儀和圖像採集模塊的硬體設備之間採用藍牙無線通訊連接和數據傳輸，可攜式計算機還通過無線通訊模塊無線上網，本系統可實現溼地野外調查無紙化現場作業，提高數據採集的工作效率。並可方便疊加調用現有數據成果進行分析，本實用新型，高效、穩定，解決了溼地保護工作中數據採集難、更新難的實際問題。
文檔編號G01S7/48GK201681156SQ200920299038
公開日2010年12月22日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者周立波, 曹永卿, 譚獻良, 趙運林, 黃田 申請人:湖南城市學院