三维电子罗盘（在水土流失监测野外调查工作中的应用）

常规的水土流失野外调查技术已难以满足现阶段区域水土流失监测工作的需求。

为探索高效、精准、高质量的水土流失数据采集技术，作者以山东沂蒙山泰山国家级重点治理区蒙阴县为例，以小流域或公里网格为调查单元，通过分析外业精灵的技术优势，针对区域水土流失监测野外调查工作中导航找点难、信息采集过程繁琐、拍照定位精准度低等系列问题，探索了外业精灵app【各大手机市场下载】与GIS结合在水土流失野外调查工作中的应用，包括基础数据源处理与导入、路线导航、点位查找、信息采集、位置共享以及内业成果处理等;提出了较为系统高效的“无纸化”水土流失野外调查技术与方法，并结合应用实践，对外业精灵应用中存在的不足提出了建议。研究成果可为区域水土流失监测、水土流失综合治理、生产建设项目水土保持监测及监督管理等野外调查环节提供技术参考。

区域水土流失监测是通过对影响水土流失发生发展过程的自然、人为因素的调查与分析，综合评价水土流失现状与治理状况。目前区域水土流失监测中，常用的方法主要有抽样调查法、综合评判法、经验模型法(USLE、WEQ和CSLE)等，采用上述方法开展区域水土流失监测工作时，野外调查是必须的环节;因此，野外调查工作的质量与效率直接关系到区域水土流失状况评价的成效。

常规手段的不足

常规水土流失野外调查多采用“底图制作及打印―野外调查图表填绘―底图矢量化及数据录入整理”流程，一般方式为“图纸+GPS导航”，但纸质图易破损丢失信息，且受图幅限制，内容查看及显示效果不佳；GPS导航虽能实时显示位置，但其地图信息不能满足野外调查需要，特别是偏远山区道路信息少，难以精准、快速的完成路线导航；且常规的水土流失野外调查方式费时费力、劳动强度大、定位精准度低且质量保障度不高。

如何高效、精准、高质量地采集野外水土流失相关数据已成为区域水土流失监测中亟待解决的问题。

随着遥感(ＲS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等技术的发展，数字化软件、新型移动终端设备的优势日益突显，基于遥感可实现定位及地理信息的精准采集。GoogleEarth、图新地球LSV等地图软件在各行各业中的应用越来越广泛，

GoogleEarth虽可实现位置实时显示、历史影像缩放查看、路线导航等功能，但仅能允许矢量数据导入，野外调查中仍然需要纸质图辅助，难以满足水土流失监测野外调查工作需求。外业精灵支持多源、多格式，可加载矢量、栅格等多种数据，不受专业GPS终端限制，可在普通智能手机、平板电脑上使用。

目前，外业精灵app在森林资源调查、地质勘查、管道及道路等工程规划设计领域已有少量探索与实践;但多是单纯利用导航、定位标签、轨迹记录及矢量数据导入，未能全面系统地结合自定义地图、测量、图形编辑、拍照等进行综合应用，尤其是在水土流失监测方面尚未见到相关技术方法的探索与应用。

笔者在分析外业精灵特点及优势的基础上，针对区域水土流失监测野外调查工作中面临的导航找点难、信息采集过程繁琐及拍照定位精准度低等系列问题，以沂蒙山泰山国家级重点治理区蒙阴县为例，以简化流程、提高效率为目的，探索外业精灵与GIS联用技术在区域水土流失监测野外调查工作中的应用，以期实现高效、精准、高质量的野外数据信息采集技术，为区域水土流失动态监测提供技术支撑。

1外业精灵在野外调查中的技术优势

外业精灵是一款支持多源、多格式的地图工具，支持Android、Windows和Web端3大平台，是基于GoogleAPI、BaiduAPI和SogouAPI的跨平台地图浏览器，具有实时定位、查看、跟踪、位置分享、信息传递、语音导航、轨迹记录、测距及面积等多种功能，技术优势主要体现在以下几方面。

1.1 跨平台服务且多源数据兼容

1)支持多种操作平台。外业精灵可在普通智能手机、平板电脑上使用，因此，水土流失野外调查工作可不再受限于专业的GPS终端，手机或平板电脑即可获取空间位置信息。

2)支持多种数据格式且兼容性好。外业精灵可加载矢量(shp、kmz)、栅格(JPG、PNG)等多种数据，兼容性能优异，能够将ＲS、GIS和GPS整合于一体，基于ＲS实现定位及地理信息的精准采集，开放的操作平台及数据兼容模式优于其他同类地图软件。

1.2 导航与通信集成共享

1)信息及时共享。在野外调查过程中，通过对空间位置、调查内容(标签、照片、图斑、轨迹等)定位、存储信息可在不同终端间传送，实现定位信息与通信的集成共享。

2)导航自由便捷。既能检索地名也可进行自定义标签导航，通过自定义标签可对不具备详细地名的调查点实现路线规划与导航，缩减了野外调查点位查找的时间及人员配备。

1.3 野外信息采集高效

位置实时显示，可快速获取所处位置，对图斑现状做出精准判断；地图缩放，即便较小地物亦能清晰显示，效果明显优于纸质图;地图编辑，可现场对图斑勾绘、定位拍照及信息记录，记录采集信息以空间点位的形式存储；所调查的内容可自由切换查看及编辑，减少纸质图作业及数据矢量化环节的工作，提高了调查效率与质量。

2 水土流失野外调查工作中面临的问题

2.1 水土流失野外调查主要内容

野外调查工作主要是以小流域或公里网格单元—图斑为基本单位，重点围绕地形、土壤、植被、土地利用、水土保持措施等方面采集信息与数据，调查内容及指标详见表1。

表1 野外单元调查内容及指标

2.2 野外调查中面临的问题

在常规水土流失野外调查中，多采用“底图制作及打印―野外调查图表填绘―底图矢量化及数据录入整理”作业流程。随着信息技术的发展，常规野外调查工作流程暴露出越来越多的问题。

2.2.1 调查底图制作

1)底图制作过程烦琐且耗时。为达最佳出图效果，需反复调试遥感影像及叠加矢量图的颜色显示效果以及线型、经纬网格粗细、疏密等，此过程耗时、工作量大且重复性工作多。2)纸质图显示效果差。一般以A4纸打印，图上需要叠加调查的内容多，致使出图显示效果混乱，一些局部细节不能达到清晰显示，在现场读图时会有困扰。3)图纸类型多而乱。为避免多项内容叠加导致的显示效果混乱，一般根据不同内容制作多张调查底图，在调查过程中翻阅、查看和对比时极不方便。

2.2.2 野外调查环节

1)调查点位查找效率低。一般是借助当地向导，结合地图、GPS及图纸辅助完成路线导航和调查点位查找，因受限于向导对调查区域熟悉程度以及调查人员读识图的能力，经常因绕路或走错路导致调查进度缓慢，找点耗时且效率低。2)图斑勾绘不精准。结合土地利用现状在图纸上修正图斑边界时，受纸质图幅及比例的限制，勾绘的图斑误差大、精度低。3)拍摄照片与信息对应不精确、记录过程繁琐。拍照时需将位置坐标、编号、角度、方向和调查现状信息等填写到调查表中；从GPS上读取坐标、查看相机读取编号的过程耗时且繁琐，无法确保每一张照片都有坐标信息，后续的成果展示效果不佳。

2.2.3 内业整理阶段

内业整理包括调查单元底图、调查信息表、现状照片及其他相关调查资料。整理过程繁琐且重复性工作多，例如调查单元底图扫描配准的矢量化、调查记录内容整理并录入电子文档等。野外调查和内业整理环节数据衔接不流畅，整体工作效率低。

2.3 外业精灵与常规调查技术对比与分析

与常规调查技术相比，基于外业精灵的野外调查技术实现了“无纸化”作业模式，导航精确且方式灵活，信息采集快速、准确，极大的优化了调查流程；水土流失调查内容指标可全部整合于平台中，实现了快速空间定位存储、信息传输及共享。从工作效率、成果质量看，都明显优于常规调查技术，具有较强的实用性。对比分析外业精灵与常规野外调查技术优缺点，

3 外业精灵在水土流失野外调查工作中的应用

3.1 基础数据源处理与导入

基于ArcGIS平台，对野外调查工作中所需要的基础数据(表3)进行坐标、格式转换等处理。外业精灵采用的是WGS84坐标系，野外调查单元的数据是CGCS2000坐标系，将其统一转换为WGS84坐标系;将栅格数据转换为JPG格式并在图新地球电脑客户端www.tuxingis.com中配准，矢量数据则统一转换为kmz格式。处理后的基础数据，拷贝到外业精灵的data文件路径下，野外调查时根据实际调查内容切换显示即可。

3.2 在野外调查工作中的应用

外业精灵在水土流失野外调查工作中的应用主要体现在路线导航、点位查找、信息采集、位置共享4个方面。

3.2.1 路线导航与轨迹记录

根据蒙阴县野外调查单元分布情况，结合乡镇行政边界、地形特征及交通，将全县分成若干个片区，并对路线进行规划。通过外业精灵的导航、轨迹记录功能，辅助调查人员快速、准确到达预定位置。

1)地名与自定义标签导航。在明确要到达的调查单元后，在外业精灵通过搜索目的地名称，自动规划相应路线及导航。

若调查点位偏僻，且附近没有详细的村、镇地名作参考时，使用自定义标签进行导航，在地图合适位置添加定位标签作为导航目的地实现路线导航。

比较上述2种导航方式，自定义标签导航更加灵活、精准、实用，建议野外调查中采用自定义标签导航方式。

2)轨迹记录。在调查行进过程中，利用外业精灵记录行驶轨迹并储存，可辅助对工作情况的回顾。能为后续开展长序列的动态监测提供参考，对调查的连续性、精确性起到了重要的作用，还可结合轨迹提取拍照点位空间位置信息。

外业精灵轨迹记录

图1 检索地名导航(a)、自定义标签导航(b)

3.2.2 点位查找

到达调查单元后，结合土地利用图斑、等高线及遥感影像，通过地图缩放快速浏览调查区域，明确调查内容顺序后，利用外业精灵的GPS定位、电子罗盘实时显示功能，快速直观的判断出与调查点的方位及距离。根据方向指示信息迅速到达调查点，实现精准调查(图2所示)。此方法节省了调查人员读图时间，大幅提高了实地踏勘工作的效率。

3.2.3 信息采集

野外调查工作所涉及的内容多，调查前预先在建信息分类文件，便于存储及管理野外采集的信息。主要包括土地利用、地形、植被、水土保持措施、土壤、照片、录音等文件。

1)土地利用。基于蒙阴县2016年调查单元矢量化成果，结合现场状况对发生变化的地块进行核实及必要修改。按照SL592—2012《水土保持遥感监测技术规范》的要求，图斑勾绘控制最小上图的面积应不小于0.1hm2。

核实土地利用时，在外业精灵中切换到GF-1(2016.03)影像下，叠加显示土地利用及等高线。缩放地图查看详细图斑核实边界，查看图斑属性并核实预判成果。发现有误图斑时，在其位置添加定位标签，并备注原因及必要的现状信息。

现场做修改或勾绘图斑时，利用编辑工具结合影像及现状进行勾绘编辑(图3(a)、3(b)所示)，在图形详细信息里查看勾绘图斑的面积(图4(a)所示)，判断是否符合最小图斑上图要求，备注图斑土地利用类型、变化方向、变化原因等信息(图4(b)所示)，将采集信息保存于土地利用文件夹中。这种基于外业精灵的无纸化作业可操作性强，可减少后续内业矢量成果的工作量，提高工作效率。

2)地形及植被。在外业精灵中通过自定义地图切换显示相应的栅格图层，定位查看其提取值，并与实地测量值进行对比，可精准地验证相应的提取结果，能较好地结合现状对提取结果的精度做合理的评价。

野外调查中确定典型地块，进行实地测量(坡度、坡长或植被盖度、郁闭度)定位查看测量位置的提取值并进行对比，添加定位标签记录实测值以及相关的地形或植被特征及指标，并对比结果做合理评价。其中坡长调查时可结合定位借助编辑功能绘制出其空间位置。

3)水土保持措施。结合已搜集的资料及询问当地人员，对水土保持措施开展典型调查。措施调查中根据蒙阴县区域特点有针对地开展，在外业精灵中结合土地利用及遥感影像，对措施分布进行空间定位及必要的实地测量。

工程措施重点调查坡面梯田和沟道治理工程。区域内以水平梯田为主，包括土坎梯田和石坎梯田。结合现状在外业精灵上勾绘梯田措施面积，实地测量梯田坡度、田面宽度、田坎高度，对梯田整体质量的优劣做出评判，并对其进行定位及备注说明。调查沟道治理措施时实地踏勘谷坊、小型蓄水工程，对其建筑材料、质量、数量、分布定位并备注。生物措施、耕作措施结合土地利用现状，进行空间定位记录相关的指标信息，统计空间分布情况。

4)土壤。以土壤类型图为基础，明确调查单元的主要土壤类型及要采集的土壤样品。在外业精灵中对采样点定位并记录样品编号、土壤类型、土地利用等内容。

5)拍照及录音。照片是检验野外调查工作质量的重要依据，也是野外调查的重要电子档案，在信息采集每个环节里，都起到了重要的记录作用。拍摄点的位置、时间、拍摄方向与照片之间的精确对应，可通过外业精灵拍照、轨迹与数码相机结合2种方法实现。

①外业精灵拍照：踏勘现场充分考虑取景要素后，选取最佳的拍摄点位及拍摄角度和方向；在外业精灵中对位置进行定位(图5(a)所示)，通过系统相机完成拍照，系统自动生成定位标签，位置信息自动添加到照片中，添加必要的信息备注(图5(b)所示)。②外业轨迹与数码相机结合：调查中确保外业精灵与数码相机的系统时间一致。调查行进的过程中轨迹记录保持开启状态，根据调查情况及采集信息的需要拍摄照片即可；内业整理时通过外业精灵相册管理系统管理照片(详见3.3)。

以上2种方法可确保在不同的年份，准确的拍摄到同一点位、同一方向、同一角度的“三同一”的照片。可形象直观展示出同一位置的不同时期的对比照片，调查质量的可信度更高、效果更具说服力。

在野外调查中为了全面的了解调查区现状，结合区域概况针对农业耕作措施和水土资源利用等相关情况，询访当地水保行政部门管理人员或当地居民。通过外业精灵录音可将访问的内容及详细位置、时间精准地记录。空间位置及录音直观的显示，对调查内容整理与回顾起到了很大的帮助。

拍照点位信息记录

3.3 内业成果整理

为确保野外调查采集的数据质量，调查结束后将调查信息包括轨迹、图斑、照片、定位信息等进行分类整理，便于管理及后续的检索查阅。

3.3.1 数据整理

将外业精灵中存储的轨迹、图斑、定位信息，按预先分类导出，在AcrGIS平台中进行必要的编辑、整理，过程简洁、快速且节省大量的内业工作时间。

轨迹整理：按照调查轨迹、拍照轨迹两类进行整理，分类导出即可，调查轨迹可以辅助我们回顾调查过程及内容的整理，同时对调查工作量能起到直观的体现;图斑整理：将现场勾绘及修改的图斑，在预判的土地利用图层上更新，不仅精准度高还省去了大量的图斑再矢量的时间；定位信息整理：对土地利用、地形、植被、水土保持措施、土壤等定位信息，按分类信息汇总合并，信息以空间点位的形式显示，属性表里可查看详细的坐标、时间日期、备注信息。

3.3.2 照片整理

借助外业精灵相册管理系统对照片进行管理，照片按调查单元编号、地块图斑号、土地利用类型等信息在属性里进行添加，可实现照片的精确快速的检索。

外业精灵拍摄照片整理：照片的属性中可查看到经纬度坐标、拍照时间，只需在属性自定义中按调查单元编号、地块图斑号、土地利用类型等分类备注。数码相机照片整理：在相册管理系统中从拍照轨迹中自动提取并添加照片经纬度坐标，再对照片进行自定义分类备注即可。

整理后的照片配合图新地球电脑客户端联用，系统可自动读取照片坐标跳转到地图相应的空显示。实现照片、坐标点位及遥感影像3者的精准对应，展示效果形象直观。

4 讨论与结论

外业精灵技术适于调查范围广、地形地貌复杂、数据精度要求高的野外调查工作。在森林资源调查中，利用位置共享、记录轨迹考核护林员日常巡护工作的完成情况；在地质勘查中，是将地质、矿产、物探、化探等矢量数据信息通过图新地球集中显示，方便信息查找以节约工作成本;在管道及道路等工程规划设计中，则是通过导入CAD设计方案，现场踏勘复核并在其平台中对选线方案不合理之处进行调整。

在上述各领域的应用已证实其能显著提高野外调查的精度和工作效率，但这只是基于外业精灵、导入外部矢量数据，实现了空间位置的定位及采集。而在水土流失野外调查工作中，其应用特点如下:

1)系统遥感影像时存在不一致问题，其仅能用于导航环节，在水土流失现状调查及变化监测时，需导入多时相高分辨率遥感影像，以实现实时查看及对比;2)水土流失野外调查不仅需要矢量数据，更需要多种栅格图层，借助外业精灵自定义地图等功能，将相同时间节点的遥感影像、土地利用、植被覆盖度、土壤侵蚀等多种栅格图层整合于平台中，实现矢量数据与栅格图层之间的自由叠加及切换，通过定位显示功能，基于土地利用图斑对各类信息进行复核，可对提取的栅格数据精度做合理评价；3外业精灵精准定位可拍摄与图斑坐标一致的照片，相册管理系统实现照片的多属性分类、整理及快速检索，保障了照片、坐标点位在遥感影像的精准对应，展示效果更加直观。

笔者通过在沂蒙山泰山国家级重点治理区蒙阴县野外调查工作中的应用，验证了其在水土流失野外单元调查中应用的可行性及高效、精准性，实现了调查信息的精准快速查阅及“无纸化”作业模式。

该技术不但适用于区域水土流失监测工作，也对生产建设项目水土保持、小流域综合治理、水土保持规划等工作的野外调查具有较好的适用性;但在一些定位精度要求高、调查面积较小的区域及点状生产建设项目应用中，仍需要通过GPS采集控制点辅助校正完成调查。