GPS在森林資源連續(xù)清查中的應(yīng)用

馬 敏

（山西省大同市林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院， 山西 大同 037044）

我國從20世紀50年代起開始組建森林資源調(diào)查隊伍，于1978年在全國范圍內(nèi)建立了25萬個固定樣點的森林資源連續(xù)清查體系（以下簡稱“連清”）。它改變了以往調(diào)查結(jié)果的獨立性，增強了前后期調(diào)查結(jié)果的連續(xù)性和可比性，能夠準確獲得森林資源現(xiàn)狀及消長變化的動態(tài)信息，為宏觀監(jiān)測全國森林資源變化規(guī)律起到了保證作用。近年來，隨著以電子計算機為中心的“3S（即地理信息系統(tǒng)、集成現(xiàn)代遙感系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）”技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，其技術(shù)手段在“連清”領(lǐng)域得到了不斷引進和推廣應(yīng)用，尤其是GPS全球定位技術(shù)率先得到國家認可。它利用地球通訊衛(wèi)星發(fā)射的信息進行空對空或空對地的導(dǎo)航定位，以全天候、高精度、自動化、高效益的顯著特點，迅速、準確地提供地面或者空中目標的位置坐標，有助于實現(xiàn)外業(yè)樣點快速、精確的輔助定位。

1 “連清”工作的重要意義

森林資源連續(xù)清查是以省（區(qū)、市）為總體，按系統(tǒng)抽樣原則，在地面設(shè)置固定樣地，每隔5年對各類森林資源分布情況和森林質(zhì)量等因子進行調(diào)查和核查，及時掌握森林資源狀況，了解其消長變化動態(tài)，

預(yù)測其能產(chǎn)生的生態(tài)效益。其目的在于為國家、地區(qū)及森林經(jīng)營單位制定林業(yè)方針政策，為編制林業(yè)區(qū)劃、規(guī)劃、計劃和指導(dǎo)林業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)，

為實現(xiàn)森林資源合理經(jīng)營、永續(xù)利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為充分發(fā)揮森林生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益進行服務(wù)。其主要任務(wù)是，用先進的科學(xué)方法和技術(shù)手段，查清森林資源數(shù)量、質(zhì)量及其消長變化狀況、變化規(guī)律，客觀反映森林生長的自然、經(jīng)濟、社會條件，從而進行綜合分析和評價，全面準確地提供所需森林資源清查成果資料。截止目前，我國已連續(xù)進行清查7次，實踐證明，該項工作是實現(xiàn)森林經(jīng)營管理現(xiàn)代化的重要措施。

2 在“連清”工作中應(yīng)用GPS的目的

2.1 關(guān)于GPS系統(tǒng)

GPS是衛(wèi)星全球定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的英文簡稱，它主要由三大部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備。其工作原理及特點，主要是通過分布在過地心的六個極地軌道面上的24顆通訊衛(wèi)星提供全天候的、連續(xù)的、實時的地理信息。用戶接收機根據(jù)接收到的衛(wèi)星信息，實時計算出所處的三維位置，從而達到精確定位和導(dǎo)航的目的。

2.2 應(yīng)用GPS的目的

大同市地形地貌復(fù)雜多樣，而且荒漠化、沙化程度較為嚴重且面積分布廣。一方面，由于在荒漠沙區(qū)地帶及平原人工林地區(qū)中經(jīng)常受到自然和人為活動的影響，地貌變化無常，缺少明顯地物標，加之所使用的地形圖陳舊等原因，野外固定樣地定位難度非常大。另一方面，由于在地形復(fù)雜、人煙稀少的中低山區(qū)，圖上永久性的明顯地物標少，選擇引點困難，即使找到了明顯地物標，引線距離往往是好幾百米，測量工作量大且非常困難。若采用GPS輔助定位，可在樣地附近選擇圖上沒有而現(xiàn)地有的永久性明顯地物標作引點，用公式計算引線方位和距離，有利于提高樣地定位精確度。再者，利用坐標回采得到的樣地西南角或其他角的坐標值，用GPS導(dǎo)航尋找復(fù)位樣地，有利于提高樣地復(fù)位率。

3 GPS在“連清”工作中的應(yīng)用

3.1 GPS坐標系的轉(zhuǎn)換設(shè)置

GPS衛(wèi)星星歷是以WGS-84坐標系（世界大地坐標系）為根據(jù)而建立的，我國目前“連清”使用的是BJ-54坐標系（參心坐標系）的1∶5萬地形圖。由于不同坐標系之間存在著縱橫坐標差值即為其縱橫方向上的平移量（WGS-84坐標系與BJ-54坐標系之間的誤差約為8 m～120 m），因此外業(yè)調(diào)查應(yīng)用GPS進行絕對定位必須進行坐標轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的GPS絕對定位精度可提高到5 m～10 m。多年來，經(jīng)過山西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院技術(shù)人員反復(fù)測量、精確計算、實地驗證，山西省WGS-84坐標系轉(zhuǎn)換為BJ-54坐標系，采用統(tǒng)一的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)值。

（1）GPS手持機坐標格式設(shè)定為“UserGrid”（用戶自定義公里網(wǎng)形式）：

DF（橢球扁差率）：0.00000050

（2）坐標系統(tǒng)設(shè)置為“User”（用戶自定義坐標系統(tǒng)）：LONGITUDE ORIGIN（當(dāng)?shù)厮诘牧葞е醒胱游缇€經(jīng)度）：東經(jīng) E111°00.000′

3.2 GPS應(yīng)用的主要內(nèi)容

3.2.1 地面固定樣地的輔助定位

在“連清”外業(yè)調(diào)查中， 如果發(fā)現(xiàn)地形圖上難以找到明顯地物點時，可以在疑似地面固定樣地位置附近找明顯的、較為永久的地物點作為引點，用GPS測出其縱橫坐標值。再根據(jù)引點和樣地西南角的坐標計算出引線的方位和距離，然后確定樣地的位置。計算辦法為：

設(shè)：樣地縱坐標為x，橫坐標為y；

引點GPS縱坐標為X，橫坐標為Y；

則：a=│X-x│ b=│Y-y│

引點到樣地的距離：1=√a2·b2

并設(shè)：α =Arctg（b/a）

則引點到樣地的坐標方位角（以樣地為原點）：

第Ⅰ象限為180+α；第Ⅱ象限為360-α；

第Ⅲ象限為α；第Ⅳ象限為180-α。

3.2.2 協(xié)助查找復(fù)位地面固定樣地

改變以往傳統(tǒng)打引線找樣地的方法，利用GPS導(dǎo)航功能協(xié)助查找樣地。首先將地面固定樣地的理論坐標輸入GPS手持機，然后按其導(dǎo)航的路線，快速準確地到達固定樣地位置及位置附近。由于地面固定樣地理論坐標的單位是公里，而GPS手持機要求的單位是m，因此在輸入坐標值時后面要再增加3個“0”進行轉(zhuǎn)換；還有一點要記住，就是在輸入橫坐標時不能輸入前2位數(shù)。

3.2.3 測定地面固定樣地西南角點的縱橫坐標

利用GPS定位找到地面固定樣地的西南角點，確認以后再將打開的GPS手持機靜置于角點之上，經(jīng)過5 min以后GPS穩(wěn)定了再讀取并記載其坐標值，再將該點坐標值存入GPS手持機。注意在紙質(zhì)卡片記錄其坐標值時，要將GPS手持機橫坐標值第一位“0”改為“19”。

3.2.4 坐標回采，驗證地面固定樣地的位置

為了便于分析和下次復(fù)位需要，所有固定樣地的引點位置、中心樁或西南樁位置均用GPS定位，并記錄相應(yīng)坐標值（即樣地位置坐標回采）。與該樣地的理論坐標進行比較，檢驗樣地定位的準確性。若誤差在技術(shù)規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)，仍然用GPS實測樣地中心位置或西南樁位置的實際坐標值并在欄卡片中備注說明，否則樣地要重新引點和改設(shè)。

3.2.5 記錄工作路線的航跡

GPS具有航跡顯示、航點存儲功能，可以把野外調(diào)查人員開展工作的活動路線，以及到達的航點都記錄在GPS內(nèi)，為下期樣地復(fù)位提供有效途徑。同時還可以檢驗野外調(diào)查人員是否真正到達樣地，有助于檢驗樣地復(fù)位的真實性，提高“連清”質(zhì)量。由于目前使用的GPS手持機能夠保存的航跡有限，大約只有10條，遠遠達不到工作的需要，因此必須配套使用MapSource（航跡導(dǎo)出）系統(tǒng)軟件，及時進行航跡的導(dǎo)入導(dǎo)出，以便存儲全部航跡。

3.2.6 遙感判讀的實地驗證

對于采用遙感技術(shù)進行判讀樣地時，可將實地驗證判讀樣點的理論坐標輸入GPS，再到現(xiàn)地找到遙感判讀點進行實地調(diào)查。將調(diào)查結(jié)果再與遙感判讀結(jié)果比較，從而計算出遙感判讀的正判率，保證“連清”工作中采用遙感判讀反映森林資源消長變化狀況的真實性，避免誤差過大。

4 GPS在未來“連清”工作中的發(fā)展趨勢

利用GPS在“連清”工作中進行定位和導(dǎo)航，節(jié)省人力物力，效率高、速度快、精度高、誤差小，既提高了野外工作效率，又利于樣地復(fù)位。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和林業(yè)調(diào)查內(nèi)容的增加，需要從GPS適用性、精確度及多效益等方面開展更多的實驗研究和理論性總結(jié)，使GPS在未來“連清”工作中得到更廣泛和更深入的應(yīng)用。

4.1 不斷增強GPS系統(tǒng)的完好性

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，各國對實時差分定位（PTD）、實時動態(tài)定位（PTK）、廣域差分GPS和星站差分等差分技術(shù)展開深入研究。并結(jié)合利用GPS測量技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)功能，致力于全面改善GPS全球定位系統(tǒng)的生命力、精確度、可用性和靈活性，實時地計算并顯示用戶三維坐標和精度，保證GPS輔助定位的精確性。

4.2 不斷升級GPS用戶端設(shè)備

目前從接收機的結(jié)構(gòu)來看，隨著VLSI（超大規(guī)模集成電路）和DSP技術(shù)的發(fā)展，單通道序貫式、時分多路復(fù)用式接收機早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機所代替，所能達到的通道數(shù)和等效相關(guān)器數(shù)不斷增加，集成度更高的內(nèi)嵌MPU/MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和處理集成在一起的單芯片接收機產(chǎn)品也已經(jīng)問世，可以解決GPS在中低山區(qū)溝谷、密林中信號較差、誤差過大的困撓，能夠較準確地定位。

4.3 利用PDA技術(shù)與GPS技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集

當(dāng)前，我國的一些省市已開始利用PDA結(jié)合GPS進行清查數(shù)據(jù)采集工作，其原理是在現(xiàn)代PDA上構(gòu)建小型嵌入式地理信息系統(tǒng)（GIS）、集成現(xiàn)代遙感（RS）、全球衛(wèi)星定位（GPS）和現(xiàn)代通信等高新技術(shù)，利用PDA擁有的良好的圖形用戶界面和編程接口。在“連清”實地調(diào)查中把所需調(diào)查數(shù)據(jù)快速準確地進行記錄，實現(xiàn)了無紙化和“快速定位準確錄入”一體化的外業(yè)調(diào)查作業(yè)流程。這樣，就大大提高了外業(yè)調(diào)查精度，保證了“連清”工作質(zhì)量。

4.4 單一化的系統(tǒng)向綜合服務(wù)系統(tǒng)方向發(fā)展

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)在諸多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，在一個城市、一個地區(qū)、一個國家建立由若干個基準站為基礎(chǔ)組成的綜合服務(wù)系統(tǒng)，已成為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理所必須的基礎(chǔ)設(shè)施。如北京市已經(jīng)建立的衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)共有21個地面站，為北京市規(guī)劃局、地震局、氣象局、測繪院、水利局、農(nóng)業(yè)局、園林綠化局、交通局等十余個單位服務(wù)，實現(xiàn)了一網(wǎng)多用。這樣，既可以節(jié)省投資，又能實現(xiàn)信息共享。目前，這種綜合服務(wù)系統(tǒng)已在全國許多城市鋪開，山西也在籌劃之中。

[1]閻生義.森林資源連續(xù)清查中應(yīng)用GPS輔助定位的探討[J].西北華北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃.2002，1.

[2]王六如.森林資源普查工作中的衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展與展望[J].中國林業(yè).2007，9A.

[3]姜 明.森林資源連續(xù)清查中應(yīng)用GPS的探討[J].重慶林業(yè)科技.2003，2.