網(wǎng)絡RTK實時測量技術在水土保持土壤流失監(jiān)測中的應用

劉國和

（江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局 鹽城 224005）

1 前言

土壤流失動態(tài)監(jiān)測目的是及時、準確、全面地反映水土保持生態(tài)建設情況、水土流失動態(tài)及其發(fā)展趨勢，為水土流失防治、監(jiān)測和管理決策提供主動服務、及時服務和超前服務，為國家生態(tài)文明建設提供依據(jù)。在水土保持土壤流失動態(tài)監(jiān)測中，不同監(jiān)測對象、不同監(jiān)測層次，采用不同的監(jiān)測方法與技術?？傮w來說，水土保持監(jiān)測要綜合運用遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術和地面觀測、專項試驗、調查統(tǒng)計、數(shù)理分析等方法。

在侵蝕試驗小區(qū)、新（擴）建項目等地面土壤流失監(jiān)測中，常用樁釘法，該法先選擇若干個有代表性的樣區(qū)，在樣區(qū)打入鋼釬，釘帽與地面齊平，根據(jù)相關要求定期觀測釘帽出露地面的高度，計算土壤侵蝕深度和土壤流失量。由于該法容易受鋼釬沉降、樣區(qū)面積小引起的代表性差以及人為活動干擾等，常導致監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性較差，而應用JSCORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡RTK進行監(jiān)測可解決以上問題。

2 JSCORS系統(tǒng)網(wǎng)絡RTK現(xiàn)狀

江蘇省全球導航衛(wèi)星連續(xù)運行參考站綜合服務系統(tǒng)（Jiangsu Continuous Operational Reference System，簡稱JSCORS系統(tǒng)）是現(xiàn)代GNSS發(fā)展熱點之一。

JSCORS系統(tǒng)早在2006年底由江蘇省測繪局和江蘇省氣象局共同投資建成并投入運行，系統(tǒng)在全省及周邊范圍內(nèi)建設或共享若干個GNSS連續(xù)運行參考站，覆蓋江蘇全省陸地、海域及周邊部分地區(qū)，形成一個全天候、高時空分辨率、高精度、高覆蓋率的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）綜合信息服務網(wǎng)，同時構成了江蘇省高精度、動態(tài)的現(xiàn)代四維大地測量參考框架，是2000國家大地坐標系和GLONASS、北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)在江蘇省的具體實現(xiàn)。該系統(tǒng)的建立不僅為測繪行業(yè)帶來深刻變革，也為社會其他相關行業(yè)帶來新的思維、影響。

JSCORS網(wǎng)絡RTK實時處理技術可實現(xiàn)平面定位誤差≤±3cm，高程誤差≤±5cm。

3 樁釘法監(jiān)測土壤流失方法及原理

水土流失過程及其影響因子均具有地域上的差異，根據(jù)不同區(qū)域的土壤流失特點及主要影響因素，選擇有代表性的樣區(qū)進行監(jiān)測。

樁釘法監(jiān)測土壤流失，通常在選擇好的樣區(qū)，將直徑0.8cm、長30～50cm的鋼釬，按間距0.5m×0.5m分上中下、左中右縱橫各3排共9根垂直地面方向打入，釘帽與地面齊平，并記錄編號，見圖1。一般在每次暴雨后、汛期結束以及各監(jiān)測時間節(jié)點，觀測釘帽出露地面高度，計算土壤侵蝕深度和土壤流失量。

采用樁釘法，選定的樣區(qū)長、寬一般只有幾米，常為正方形。監(jiān)測中有時為提高成果精度，也適當加大鋼釬布設密度。樁釘法監(jiān)測土壤流失計算公式采用：

式中：A—土壤侵蝕數(shù)量（m3）；

Z—侵蝕厚度（mm）；

S—水平投影面積（m2）；

圖1 樁釘法監(jiān)測土壤流失方法示意圖

θ—斜坡坡度。

4 應用網(wǎng)絡RTK監(jiān)測土壤流失方法及原理

應用網(wǎng)絡RTK實時測量技術監(jiān)測土壤流失的原理類似于水利工程土方測算的工作程序。

監(jiān)測前同樣先選定樣區(qū)，面積一般比樁釘法樣區(qū)面積大，在樣區(qū)旁布設監(jiān)測用水準點，其高程凍結為某一凍結數(shù)值（凍結基準面以上米數(shù)，凍結基準面應設置在樣區(qū)可能出現(xiàn)的最低點之下）。

應用網(wǎng)絡RTK監(jiān)測土壤流失，選定的樣區(qū)形狀無具體要求，不作限制。首次監(jiān)測前用網(wǎng)絡RTK測量樣區(qū)邊界線各轉折點平面坐標，通常選擇樣區(qū)長邊作為縱向里程控制方向，按監(jiān)測頻次要求在與縱向控制方向垂直線上測量橫斷面，該法監(jiān)測的橫斷面位置可不固定，各次的橫斷面位置、斷面測點布設以能控制樣區(qū)土壤流失為原則，有時為提高監(jiān)測精度適應加密。

為提高監(jiān)測精度，高程測量可采用全站儀三角法，在樣區(qū)和水準點之間架設全站儀，水準點、全站儀儀器站及樣區(qū)各測點平面位置用網(wǎng)絡RTK測量，在RTK測量水準點、樣區(qū)內(nèi)各測點時，全站儀同步測量RTK接收機對中桿固定位置之豎直角θ1、θ2。外業(yè)完成后，根據(jù)RTK測量的平面位置解算全站儀儀器站至水準點、各測點的水平距離D1、D2，并根據(jù)豎直角θ1、θ2計算樣區(qū)內(nèi)各測點高程，最后按土方計算方法算得其凍結基準面以上土方量，土壤流失量用對應土方量差值算得，見圖2。

5 兩種監(jiān)測土壤流失方法的比較分析

5.1 樁釘法

樁釘法監(jiān)測土壤流失，由上述鋼釬布設情況可知，鋼釬數(shù)量一般為9根，樣區(qū)面積一般較小，同時監(jiān)測點位在監(jiān)測過程中一般不好調整，故監(jiān)測結果的代表性相對較差；同時打入的鋼釬容易受沉降、人為活動等影響較大，故監(jiān)測成果可靠性相對較差。

5.2 應用網(wǎng)絡RTK監(jiān)測法

圖2 網(wǎng)絡RTK動態(tài)監(jiān)測土壤流失方法示意圖

應用JSCORS網(wǎng)絡RTK監(jiān)測土壤流失，無須布設基準站，并可保持系統(tǒng)的一致性。在全站儀三角法測量高程時，采用中點設儀器站、對中桿固定點測量豎直角，方法靈活實用。

該法相對于樁釘法監(jiān)測土壤流失，最大的優(yōu)點是為提高其代表性可擴大樣區(qū)面積，并視土壤流失變化情況在樣區(qū)內(nèi)適時加密橫斷面及監(jiān)測點，提高監(jiān)測精度。

應用JSCORS網(wǎng)絡RTK監(jiān)測土壤流失，還可充分利用其定位技術，收集監(jiān)測對象的位置屬性，分析面積、長度、體積、等高線和坡度等元素，形成多元成果資料。

6 誤差源分析

目前地面監(jiān)測土壤流失精度在相關規(guī)范中未作具體要求，用樁釘法監(jiān)測時觀測釘帽出露地面高度一般觀測至毫米，其誤差來源主要是鋼釬沉降和人為活動干擾等。

而應用JSCORS網(wǎng)絡RTK監(jiān)測土壤流失誤差主要來自RTK平面位置測量和全站儀豎直角測量之誤差。根據(jù)以上介紹，RTK平面實時測量精度優(yōu)于±3cm，而豎直角θ誤差主要取決于全站儀精度及對中桿傾斜的角度，實際測量時觀測的GPS接收機對中桿固定點位置可盡量設置低些，這樣可減少對中桿傾斜帶來的誤差。

根據(jù)誤差理論和實測資料對比分析，為減少測量誤差，監(jiān)測時應盡量以短邊、小豎直角測量，距離D不宜大于300m，以50～300m為宜，豎直角θ≤±15°。這樣應用JSCORS系統(tǒng)監(jiān)測土壤流失的誤差完全處于可控狀態(tài)，且精度優(yōu)于樁釘法監(jiān)測土壤流失。

7 結語

（1）我國水土保持水土流失面廣量大，危害嚴重，對社會經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾生產(chǎn)生活影響較大。開展水土流失動態(tài)監(jiān)測、預報，及時向社會公告水土流失和水土保持狀況，為水土保持生態(tài)建設和國民經(jīng)濟的健康、穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展服務，是法律賦予各有關部門的職責。

（2）樁釘法監(jiān)測土壤流失是地面監(jiān)測的一種常用方法，但該方法監(jiān)測結果存在樣區(qū)面積小、代表性差，同時鋼釬易受沉降、人為活動影響等問題；而應用網(wǎng)絡RTK動態(tài)監(jiān)測土壤流失，樣區(qū)面積可擴大、代表性好，視土壤流失變化情況在樣區(qū)內(nèi)加密斷面及監(jiān)測點，可提高動態(tài)監(jiān)測精度，解決樁釘法監(jiān)測土壤流失之弊端。

（3）應用網(wǎng)絡RTK技術，有助于實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速采集，對象屬性的實時分析。在水土保持土壤流失監(jiān)測中，利用其定位技術，收集監(jiān)測對象的位置屬性，可分析面積、長度、體積、等高線和坡度等要素，形成多元成果資料。

（4）近幾年，通過網(wǎng)絡RTK在土壤流失動態(tài)監(jiān)測中的應用實踐，使得水土監(jiān)測工作在服務對象的需求和服務的有效性、動態(tài)性、層次性等方面都得到了一定的提升，為生態(tài)文明建設提供了大量可靠依據(jù)■