正常的水土流失野外調查技術已難以滿足現階段區域水土流失監測工作的需求。
為探索高效、精準、高品質的水土流失資料采集技術，作者以山東沂蒙山泰山國家級重點治理區蒙陰縣為例，以小流域或公裡網格為調查單元，通過分析外業精靈的技術優勢，針對區域水土流失監測野外調查工作中導航找點難、資訊采集過程繁瑣、拍照定位精準度低等系列問題，探索了外業精靈app【各大手機市場下載下傳】與GIS結合在水土流失野外調查工作中的應用，包括基礎資料源處理與導入、路線導航、點位查找、資訊采集、位置共享以及内業成果處理等;提出了較為系統高效的“無紙化”水土流失野外調查技術與方法，并結合應用實踐，對外業精靈應用中存在的不足提出了建議。研究成果可為區域水土流失監測、水土流失綜合治理、生産建設項目水土保持監測及監督管理等野外調查環節提供技術參考。
區域水土流失監測是通過對影響水土流失發生發展過程的自然、人為因素的調查與分析，綜合評價水土流失現狀與治理狀況。目前區域水土流失監測中，常用的方法主要有抽樣調查法、綜合評判法、經驗模型法(USLE、WEQ和CSLE)等，采用上述方法開展區域水土流失監測工作時，野外調查是必須的環節;是以，野外調查工作的品質與效率直接關系到區域水土流失狀況評價的成效。
正常手段的不足
正常水土流失野外調查多采用“底圖制作及列印―野外調查圖表填繪―底圖矢量化及資料錄入整理”流程，一般方式為“圖紙+GPS導航”，但紙質圖易破損丢失資訊，且受圖幅限制，内容檢視及顯示效果不佳；GPS導航雖能實時顯示位置，但其地圖資訊不能滿足野外調查需要，特别是偏遠山區道路資訊少，難以精準、快速的完成路線導航；且正常的水土流失野外調查方式費時費力、勞動強度大、定位精準度低且品質保障度不高。
如何高效、精準、高品質地采集野外水土流失相關資料已成為區域水土流失監測中亟待解決的問題。
随着遙感(ＲS)、地理資訊系統(GIS)、全球定位系統(GPS)等技術的發展，數字化軟體、新型移動終端裝置的優勢日益突顯，基于遙感可實作定位及地理資訊的精準采集。GoogleEarth、圖新地球LSV等地圖軟體在各行各業中的應用越來越廣泛，
GoogleEarth雖可實作位置實時顯示、曆史影像縮放檢視、路線導航等功能，但僅能允許矢量資料導入，野外調查中仍然需要紙質圖輔助，難以滿足水土流失監測野外調查工作需求。外業精靈支援多源、多格式，可加載矢量、栅格等多種資料，不受專業GPS終端限制，可在普通智能手機、平闆電腦上使用。
目前，外業精靈app在森林資源調查、地質勘查、管道及道路等工程規劃設計領域已有少量探索與實踐;但多是單純利用導航、定位标簽、軌迹記錄及矢量資料導入，未能全面系統地結合自定義地圖、測量、圖形編輯、拍照等進行綜合應用，尤其是在水土流失監測方面尚未見到相關技術方法的探索與應用。
筆者在分析外業精靈特點及優勢的基礎上，針對區域水土流失監測野外調查工作中面臨的導航找點難、資訊采集過程繁瑣及拍照定位精準度低等系列問題，以沂蒙山泰山國家級重點治理區蒙陰縣為例，以簡化流程、提高效率為目的，探索外業精靈與GIS聯用技術在區域水土流失監測野外調查工作中的應用，以期實作高效、精準、高品質的野外資料資訊采集技術，為區域水土流失動态監測提供技術支撐。
1外業精靈在野外調查中的技術優勢
外業精靈是一款支援多源、多格式的地圖工具，支援Android、Windows和Web端3大平台，是基于GoogleAPI、BaiduAPI和SogouAPI的跨平台地圖浏覽器，具有實時定位、檢視、跟蹤、位置分享、資訊傳遞、語音導航、軌迹記錄、測距及面積等多種功能，技術優勢主要展現在以下幾方面。
1.1 跨平台服務且多源資料相容
1)支援多種操作平台。外業精靈可在普通智能手機、平闆電腦上使用，是以，水土流失野外調查工作可不再受限于專業的GPS終端，手機或平闆電腦即可擷取空間位置資訊。
2)支援多種資料格式且相容性好。外業精靈可加載矢量(shp、kmz)、栅格(JPG、PNG)等多種資料，相容性能優異，能夠将ＲS、GIS和GPS整合于一體，基于ＲS實作定位及地理資訊的精準采集，開放的操作平台及資料相容模式優于其他同類地圖軟體。
1.2 導航與通信內建共享
1)資訊及時共享。在野外調查過程中，通過對空間位置、調查内容(标簽、照片、圖斑、軌迹等)定位、存儲資訊可在不同終端間傳送，實作定位資訊與通信的內建共享。
2)導航自由便捷。既能檢索地名也可進行自定義标簽導航，通過自定義标簽可對不具備詳細地名的調查點實作路線規劃與導航，縮減了野外調查點位查找的時間及人員配備。
1.3 野外資訊采集高效
位置實時顯示，可快速擷取所處位置，對圖斑現狀做出精準判斷；地圖縮放，即便較小地物亦能清晰顯示，效果明顯優于紙質圖;地圖編輯，可現場對圖斑勾繪、定位拍照及資訊記錄，記錄采集資訊以空間點位的形式存儲；所調查的内容可自由切換檢視及編輯，減少紙質圖作業及資料矢量化環節的工作，提高了調查效率與品質。
2 水土流失野外調查工作中面臨的問題
2.1 水土流失野外調查主要内容
野外調查工作主要是以小流域或公裡網格單元—圖斑為基本機關，重點圍繞地形、土壤、植被、土地利用、水土保持措施等方面采集資訊與資料，調查内容及名額詳見表1。
表1 野外單元調查内容及名額
2.2 野外調查中面臨的問題
在正常水土流失野外調查中，多采用“底圖制作及列印―野外調查圖表填繪―底圖矢量化及資料錄入整理”作業流程。随着資訊技術的發展，正常野外調查工作流程暴露出越來越多的問題。
2.2.1 調查底圖制作
- 1)底圖制作過程煩瑣且耗時。為達最佳出圖效果，需反複調試遙感影像及疊加矢量圖的顔色顯示效果以及線型、經緯網格粗細、疏密等，此過程耗時、工作量大且重複性工作多。
- 2)紙質圖顯示效果差。一般以A4紙列印，圖上需要疊加調查的内容多，緻使出圖顯示效果混亂，一些局部細節不能達到清晰顯示，在現場讀圖時會有困擾。
- 3)圖紙類型多而亂。為避免多項内容疊加導緻的顯示效果混亂，一般根據不同内容制作多張調查底圖，在調查過程中翻閱、檢視和對比時極不友善。
2.2.2 野外調查環節
- 1)調查點位查找效率低。一般是借助當地向導，結合地圖、GPS及圖紙輔助完成路線導航和調查點位查找，因受限于向導對調查區域熟悉程度以及調查人員讀識圖的能力，經常因繞路或走錯路導緻調查進度緩慢，找點耗時且效率低。
- 2)圖斑勾繪不精準。結合土地利用現狀在圖紙上修正圖斑邊界時，受紙質圖幅及比例的限制，勾繪的圖斑誤差大、精度低。
- 3)拍攝照片與資訊對應不精确、記錄過程繁瑣。拍照時需将位置坐标、編号、角度、方向和調查現狀資訊等填寫到調查表中；從GPS上讀取坐标、檢視相機讀取編号的過程耗時且繁瑣，無法確定每一張照片都有坐标資訊，後續的成果展示效果不佳。
2.2.3 内業整理階段
内業整理包括調查單元底圖、調查資訊表、現狀照片及其他相關調查資料。整理過程繁瑣且重複性工作多，例如調查單元底圖掃描配準的矢量化、調查記錄内容整理并錄入電子文檔等。野外調查和内業整理環節資料銜接不流暢，整體工作效率低。
2.3 外業精靈與正常調查技術對比與分析
與正常調查技術相比，基于外業精靈的野外調查技術實作了“無紙化”作業模式，導航精确且方式靈活，資訊采集快速、準确，極大的優化了調查流程；水土流失調查内容名額可全部整合于平台中，實作了快速空間定位存儲、資訊傳輸及共享。從工作效率、成果品質看，都明顯優于正常調查技術，具有較強的實用性。對比分析外業精靈與正常野外調查技術優缺點，
3 外業精靈在水土流失野外調查工作中的應用
3.1 基礎資料源處理與導入
基于ArcGIS平台，對野外調查工作中所需要的基礎資料(表3)進行坐标、格式轉換等處理。外業精靈采用的是WGS84坐标系，野外調查單元的資料是CGCS2000坐标系，将其統一轉換為WGS84坐标系;将栅格資料轉換為JPG格式并在圖新地球電腦用戶端www.tuxingis.com中配準，矢量資料則統一轉換為kmz格式。處理後的基礎資料，拷貝到外業精靈的data檔案路徑下，野外調查時根據實際調查内容切換顯示即可。
3.2 在野外調查工作中的應用
外業精靈在水土流失野外調查工作中的應用主要展現在路線導航、點位查找、資訊采集、位置共享4個方面。
3.2.1 路線導航與軌迹記錄
根據蒙陰縣野外調查單元分布情況，結合鄉鎮行政邊界、地形特征及交通，将全縣分成若幹個片區，并對路線進行規劃。通過外業精靈的導航、軌迹記錄功能，輔助調查人員快速、準确到達預定位置。
- 1)地名與自定義标簽導航。在明确要到達的調查單元後，在外業精靈通過搜尋目的地名稱，自動規劃相應路線及導航。
若調查點位偏僻，且附近沒有詳細的村、鎮地名作參考時，使用自定義标簽進行導航，在地圖合适位置添加定位标簽作為導航目的地實作路線導航。
比較上述2種導航方式，自定義标簽導航更加靈活、精準、實用，建議野外調查中采用自定義标簽導航方式。
- 2)軌迹記錄。在調查行進過程中，利用外業精靈記錄行駛軌迹并儲存，可輔助對工作情況的回顧。能為後續開展長序列的動态監測提供參考，對調查的連續性、精确性起到了重要的作用，還可結合軌迹提取拍照點位空間位置資訊。
外業精靈軌迹記錄
圖1 檢索地名導航(a)、自定義标簽導航(b)
3.2.2 點位查找
到達調查單元後，結合土地利用圖斑、等高線及遙感影像，通過地圖縮放快速浏覽調查區域，明确調查内容順序後，利用外業精靈的GPS定位、電子羅盤實時顯示功能，快速直覺的判斷出與調查點的方位及距離。根據方向訓示資訊迅速到達調查點，實作精準調查(圖2所示)。此方法節省了調查人員讀圖時間，大幅提高了實地踏勘工作的效率。
3.2.3 資訊采集
野外調查工作所涉及的内容多，調查前預先在建資訊分類檔案，便于存儲及管理野外采集的資訊。主要包括土地利用、地形、植被、水土保持措施、土壤、照片、錄音等檔案。
1)土地利用。基于蒙陰縣2016年調查單元矢量化成果，結合現場狀況對發生變化的地塊進行核實及必要修改。按照SL592—2012《水土保持遙感監測技術規範》的要求，圖斑勾繪控制最小上圖的面積應不小于0.1hm2。
核實土地利用時，在外業精靈中切換到GF-1(2016.03)影像下，疊加顯示土地利用及等高線。縮放地圖檢視詳細圖斑核實邊界，檢視圖斑屬性并核實預判成果。發現有誤圖斑時，在其位置添加定位标簽，并備注原因及必要的現狀資訊。
現場做修改或勾繪圖斑時，利用編輯工具結合影像及現狀進行勾繪編輯(圖3(a)、3(b)所示)，在圖形詳細資訊裡檢視勾繪圖斑的面積(圖4(a)所示)，判斷是否符合最小圖斑上圖要求，備注圖斑土地利用類型、變化方向、變化原因等資訊(圖4(b)所示)，将采集資訊儲存于土地利用檔案夾中。這種基于外業精靈的無紙化作業可操作性強，可減少後續内業矢量成果的工作量，提高工作效率。
2)地形及植被。在外業精靈中通過自定義地圖切換顯示相應的栅格圖層，定位檢視其提取值，并與實地測量值進行對比，可精準地驗證相應的提取結果，能較好地結合現狀對提取結果的精度做合理的評價。
野外調查中确定典型地塊，進行實地測量(坡度、坡長或植被蓋度、郁閉度)定位檢視測量位置的提取值并進行對比，添加定位标簽記錄實測值以及相關的地形或植被特征及名額，并對比結果做合理評價。其中坡長調查時可結合定位借助編輯功能繪制出其空間位置。
3)水土保持措施。結合已搜集的資料及詢問當地人員，對水土保持措施開展典型調查。措施調查中根據蒙陰縣區域特點有針對地開展，在外業精靈中結合土地利用及遙感影像，對措施分布進行空間定位及必要的實地測量。
工程措施重點調查坡面梯田和溝道治理工程。區域内以水準梯田為主，包括土坎梯田和石坎梯田。結合現狀在外業精靈上勾繪梯田措施面積，實地測量梯田坡度、田面寬度、田坎高度，對梯田整體品質的優劣做出評判，并對其進行定位及備注說明。調查溝道治理措施時實地踏勘谷坊、小型蓄水工程，對其建築材料、品質、數量、分布定位并備注。生物措施、耕作措施結合土地利用現狀，進行空間定位記錄相關的名額資訊，統計空間分布情況。
4)土壤。以土壤類型圖為基礎，明确調查單元的主要土壤類型及要采集的土壤樣品。在外業精靈中對采樣點定位并記錄樣品編号、土壤類型、土地利用等内容。
5)拍照及錄音。照片是檢驗野外調查工作品質的重要依據，也是野外調查的重要電子檔案，在資訊采集每個環節裡，都起到了重要的記錄作用。拍攝點的位置、時間、拍攝方向與照片之間的精确對應，可通過外業精靈拍照、軌迹與數位相機結合2種方法實作。
- ①外業精靈拍照：踏勘現場充分考慮取景要素後，選取最佳的拍攝點位及拍攝角度和方向；在外業精靈中對位置進行定位(圖5(a)所示)，通過系統相機完成拍照，系統自動生成定位标簽，位置資訊自動添加到照片中，添加必要的資訊備注(圖5(b)所示)。
- ②外業軌迹與數位相機結合：調查中確定外業精靈與數位相機的系統時間一緻。調查行進的過程中軌迹記錄保持開啟狀态，根據調查情況及采集資訊的需要拍攝照片即可；内業整理時通過外業精靈相冊管理系統管理照片(詳見3.3)。
以上2種方法可確定在不同的年份，準确的拍攝到同一點位、同一方向、同一角度的“三同一”的照片。可形象直覺展示出同一位置的不同時期的對比照片，調查品質的可信度更高、效果更具說服力。
在野外調查中為了全面的了解調查區現狀，結合區域概況針對農業耕作措施和水土資源利用等相關情況，詢訪當地水保行政部門管理人員或當地居民。通過外業精靈錄音可将通路的内容及詳細位置、時間精準地記錄。空間位置及錄音直覺的顯示，對調查内容整理與回顧起到了很大的幫助。
拍照點位資訊記錄
3.3 内業成果整理
為確定野外調查采集的資料品質，調查結束後将調查資訊包括軌迹、圖斑、照片、定位資訊等進行分類整理，便于管理及後續的檢索查閱。
3.3.1 資料整理
将外業精靈中存儲的軌迹、圖斑、定位資訊，按預先分類導出，在AcrGIS平台中進行必要的編輯、整理，過程簡潔、快速且節省大量的内業工作時間。
- 軌迹整理：按照調查軌迹、拍照軌迹兩類進行整理，分類導出即可，調查軌迹可以輔助我們回顧調查過程及内容的整理，同時對調查工作量能起到直覺的展現;
- 圖斑整理：将現場勾繪及修改的圖斑，在預判的土地利用圖層上更新，不僅精準度高還省去了大量的圖斑再矢量的時間；
- 定位資訊整理：對土地利用、地形、植被、水土保持措施、土壤等定位資訊，按分類資訊彙總合并，資訊以空間點位的形式顯示，屬性表裡可檢視詳細的坐标、時間日期、備注資訊。
3.3.2 照片整理
借助外業精靈相冊管理系統對照片進行管理，照片按調查單元編号、地塊圖斑号、土地利用類型等資訊在屬性裡進行添加，可實作照片的精确快速的檢索。
- 外業精靈拍攝照片整理：照片的屬性中可檢視到經緯度坐标、拍照時間，隻需在屬性自定義中按調查單元編号、地塊圖斑号、土地利用類型等分類備注。
- 數位相機照片整理：在相冊管理系統中從拍照軌迹中自動提取并添加照片經緯度坐标，再對照片進行自定義分類備注即可。
整理後的照片配合圖新地球電腦用戶端聯用，系統可自動讀取照片坐标跳轉到地圖相應的空顯示。實作照片、坐标點位及遙感影像3者的精準對應，展示效果形象直覺。
4 讨論與結論
外業精靈技術适于調查範圍廣、地形地貌複雜、資料精度要求高的野外調查工作。在森林資源調查中，利用位置共享、記錄軌迹考核護林員日常巡護工作的完成情況；在地質勘查中，是将地質、礦産、物探、化探等矢量資料資訊通過圖新地球集中顯示，友善資訊查找以節約工作成本;在管道及道路等工程規劃設計中，則是通過導入CAD設計方案，現場踏勘複核并在其平台中對選線方案不合理之處進行調整。
在上述各領域的應用已證明其能顯著提高野外調查的精度和工作效率，但這隻是基于外業精靈、導入外部矢量資料，實作了空間位置的定位及采集。而在水土流失野外調查工作中，其應用特點如下:
- 1)系統遙感影像時存在不一緻問題，其僅能用于導航環節，在水土流失現狀調查及變化監測時，需導入多時相高分辨率遙感影像，以實作實時檢視及對比;
- 2)水土流失野外調查不僅需要矢量資料，更需要多種栅格圖層，借助外業精靈自定義地圖等功能，将相同時間節點的遙感影像、土地利用、植被覆寫度、土壤侵蝕等多種栅格圖層整合于平台中，實作矢量資料與栅格圖層之間的自由疊加及切換，通過定位顯示功能，基于土地利用圖斑對各類資訊進行複核，可對提取的栅格資料精度做合理評價；
- 3外業精靈精準定位可拍攝與圖斑坐标一緻的照片，相冊管理系統實作照片的多屬性分類、整理及快速檢索，保障了照片、坐标點位在遙感影像的精準對應，展示效果更加直覺。
筆者通過在沂蒙山泰山國家級重點治理區蒙陰縣野外調查工作中的應用，驗證了其在水土流失野外單元調查中應用的可行性及高效、精準性，實作了調查資訊的精準快速查閱及“無紙化”作業模式。
該技術不但适用于區域水土流失監測工作，也對生産建設項目水土保持、小流域綜合治理、水土保持規劃等工作的野外調查具有較好的适用性;但在一些定位精度要求高、調查面積較小的區域及點狀生産建設項目應用中，仍需要通過GPS采集控制點輔助校正完成調查。