基于GNSS RTK的廣東林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究

劉新科，黃寧輝，秦 琳，徐明鋒，彭詞清

(1. 廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520； 2. 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；3. 廣東嶺南綜合勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510500)

為進(jìn)一步及時(shí)全面掌握全國(guó)林草生態(tài)狀況，為生態(tài)文明建設(shè)提供更加科學(xué)精準(zhǔn)翔實(shí)的決策依據(jù)，服務(wù)林草資源監(jiān)管、林長(zhǎng)制督查以及碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略，國(guó)家林草局啟動(dòng)了國(guó)家林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作。廣東省林業(yè)局根據(jù)相關(guān)會(huì)議和通知要求，迅速響應(yīng)積極部署，全面開展林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作。時(shí)間緊任務(wù)重，為確保每一個(gè)數(shù)據(jù)都經(jīng)得起檢驗(yàn)和推敲，改變傳統(tǒng)外業(yè)調(diào)查工作強(qiáng)度大、效率低等劣勢(shì)，本文通過(guò)GNSS RTK的應(yīng)用研究，重點(diǎn)解決林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)中樣地角點(diǎn)放樣、電子圍欄和樣木定位等問(wèn)題，提高了外業(yè)調(diào)查的測(cè)量精度和工作效率，提升了林草監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。

1 GNSS RTK技術(shù)

1.1 簡(jiǎn)介

GNSS(Global Navigation Satellite System)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Glonass)、歐盟的伽利略系統(tǒng)(Galileo)以及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)等，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國(guó)的WAAS、歐洲的EGNOS和日本的MSAS等，還涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

RTK(Real-time Kinematic)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分定位技術(shù)，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。這是一種新的常用的衛(wèi)星定位測(cè)量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法。

GNSS RTK是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，主要由基準(zhǔn)網(wǎng)站、流動(dòng)站、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成，具有測(cè)量精度高、速度快、全天候、不需要光學(xué)通視、單點(diǎn)測(cè)量范圍廣、無(wú)累積誤差等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于需要高精度測(cè)量的領(lǐng)域，其在林業(yè)上的應(yīng)用也逐漸被開展[1-2]。

1.2 工作原理

GNSS RTK技術(shù)作業(yè)原理是：將基準(zhǔn)站接收機(jī)布設(shè)于已知/未知坐標(biāo)參考點(diǎn)上，以連續(xù)接收所有的可視GNSS衛(wèi)星信號(hào)，基準(zhǔn)站將測(cè)量所得的站點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值、接收機(jī)工作狀態(tài)以及衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)，借助無(wú)線數(shù)據(jù)鏈傳送至流動(dòng)站。流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站傳入的數(shù)據(jù)，同步觀測(cè)采集GNSS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，根據(jù)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站相關(guān)性，得到流動(dòng)站平面坐標(biāo)X、Y和高程H[3-5]。

2 林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 目的任務(wù)

查清全國(guó)及各省森林、草地、濕地、荒漠等林草資源的種類、數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、分布，掌握年度消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化情況，分析評(píng)價(jià)林草生態(tài)系統(tǒng)狀況、功能效益以及演替規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

綜合采用圖斑監(jiān)測(cè)、抽樣監(jiān)測(cè)以及校驗(yàn)樣地調(diào)查等方法開展綜合監(jiān)測(cè)工作。其中森林抽樣監(jiān)測(cè)，林地內(nèi)的樣地沿用連續(xù)清查的固定樣地大小和形狀不變，林地外的樣地采用樣帶、樣線等抽樣設(shè)計(jì)；根據(jù)前期樣地位置記錄描述，采用GNSS導(dǎo)航、引線定位和向?qū)返确椒ㄟM(jìn)行樣地定位，采集樣地西南角或其他角點(diǎn)CGC 2000坐標(biāo)值；原則上保持上次調(diào)查樣地周界不變。

2.3 森林樣地調(diào)查

森林樣地分為復(fù)測(cè)、增設(shè)、改設(shè)、目測(cè)和放棄等5種類別，調(diào)查需完成樣地復(fù)位與定位、樣地周界復(fù)位與測(cè)量和樣木復(fù)位與定位等工作。

1)樣地復(fù)位與定位

復(fù)測(cè)樣地根據(jù)前期樣地位置記錄描述，采用導(dǎo)航、引線定位和向?qū)返确椒?，找到樣地西南角或中心點(diǎn)；增設(shè)與改設(shè)樣地根據(jù)樣地西南角坐標(biāo)新測(cè)設(shè)樣地；對(duì)于目測(cè)樣地，原則上要求在距離樣地理論值最近處進(jìn)行目測(cè)，并采集目測(cè)位置坐標(biāo)。

2)樣地周界復(fù)位與測(cè)量

復(fù)測(cè)樣地原則上以原周界為準(zhǔn)，可從西南角點(diǎn)或任意角點(diǎn)按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行周界復(fù)測(cè)；增設(shè)與改設(shè)樣地，在樣地定位后，以樣地西南角點(diǎn)為起點(diǎn)，對(duì)樣地按順時(shí)針?lè)较驕y(cè)設(shè)樣地邊界；前期不需測(cè)設(shè)邊界或只測(cè)了部分周界，而本期有樣木的樣地，在確定西南角后，按順時(shí)針?lè)较驕y(cè)設(shè)樣地邊界。新設(shè)或改設(shè)樣地周界閉合差要求小于0.5%，復(fù)位樣地周界長(zhǎng)誤差小于1%。

3)樣木復(fù)位與定位

復(fù)測(cè)樣地周界復(fù)位后，對(duì)樣地內(nèi)的前期活立木和本次進(jìn)界木進(jìn)行對(duì)照復(fù)位和調(diào)查；新設(shè)、改設(shè)樣地需埋設(shè)樣點(diǎn)固定標(biāo)志、測(cè)定樣地內(nèi)全部胸徑≥5 cm樣木的實(shí)際位置，并對(duì)樣木進(jìn)行編號(hào)和標(biāo)記；對(duì)樣木測(cè)定結(jié)果進(jìn)行記錄并繪成樣木位置圖。

3 GNSS RTK在森林樣地中的應(yīng)用

3.1 樣點(diǎn)復(fù)位、放樣

GNSS RTK的實(shí)時(shí)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，且不受視線遮擋影響。進(jìn)行樣地復(fù)測(cè)時(shí)，可將樣地樣點(diǎn)的上期位置坐標(biāo)輸入RTK手簿，利用GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)即可以迅速、精確地找到上期樣點(diǎn)或樣點(diǎn)定位物，確保樣點(diǎn)復(fù)位。增設(shè)和改設(shè)樣地，僅需把設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到手簿，手持RTK按提示及指引移動(dòng)，即可走到要放樣點(diǎn)的位置，既迅速又方便，且單人操作即可。

3.2 樣地周界測(cè)量

廣東省森林樣地為正方形，樣地周界按西南—西北(0°)、西北—東北(90°)、東北—東南(180°)、東南—西南(270°)的順序進(jìn)行閉合導(dǎo)線測(cè)量，形成一個(gè)邊長(zhǎng)為25.82 m，面積為667 m2的正方形樣地(圖1)。樣地周界測(cè)量分別有復(fù)測(cè)樣地周界測(cè)量和新設(shè)樣地周界測(cè)量?jī)煞N。

圖1 正方形樣地示意圖Fig.1 Schematic diagram of square plot

1)復(fù)測(cè)樣地的周界測(cè)量

在找到一個(gè)角樁后，根據(jù)角樁坐標(biāo)先在RTK手簿上生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，在標(biāo)準(zhǔn)樣地角點(diǎn)周邊尋找上期設(shè)立的其他角樁，然后用RTK測(cè)定尋找到的角樁坐標(biāo)，并在手簿上進(jìn)行4點(diǎn)連線，最后直接求算樣地周界長(zhǎng)。若周界周長(zhǎng)誤差大于1%，則須修正前期存在偏差的角樁并記錄修正值。

2)新設(shè)樣地的周界測(cè)量

將新樣地西南角坐標(biāo)值直接輸入RTK手簿，手簿會(huì)按樣地標(biāo)準(zhǔn)直接生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地及其他3個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，且閉合差為5～10 cm，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)查要求的精度。

3.3 電子圍欄

樣地及樣地角點(diǎn)確定后，傳統(tǒng)做法是對(duì)四條邊界進(jìn)行砍障，并對(duì)邊界木進(jìn)行削皮或者用繩子將4個(gè)角點(diǎn)圍起來(lái)設(shè)置物理圍欄，然后進(jìn)行樣木調(diào)查。該方法勞動(dòng)強(qiáng)度高且會(huì)破壞森林資源。利用GNSS RTK可以在RTK手簿中連接樣地的4個(gè)角點(diǎn)，直接形成虛擬電子圍欄，接著對(duì)樣木進(jìn)行定位測(cè)量獲取樣木位置坐標(biāo)，最后快速準(zhǔn)確判斷樣木是在界內(nèi)還是界外。電子圍欄的布設(shè)，使邊界木的判斷和測(cè)量更加方便和準(zhǔn)確。

3.4 樣木定位

樣木定位一般以樣地中心為定位點(diǎn)架設(shè)羅盤儀，并按順時(shí)針?lè)较驅(qū)拥貎?nèi)活立木逐株測(cè)定方位角，然后利用卷尺量測(cè)樣木距離。該方法繁瑣且效率低。利用GNSS RTK則可以對(duì)每株樣木進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并根據(jù)樣木坐標(biāo)快速準(zhǔn)確計(jì)算出樣木相對(duì)于中心點(diǎn)的方位角和水平距離，直觀地反映出樣木與樣地4個(gè)角點(diǎn)的空間位置(圖2)。

圖2 樣木位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sample wood position

4 應(yīng)用成效

4.1 提高定位精度

傳統(tǒng)的森林樣地調(diào)查是利用森林羅盤儀和卷尺等工具進(jìn)行測(cè)量。山區(qū)樣地由于受地形復(fù)雜、坡度陡峭、視線不好等因素影響，樣地周界測(cè)設(shè)的精度常常不高；當(dāng)樣木距離中心點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，通常用估算的方法來(lái)確定，使得樣木方位角和水平距離的測(cè)量精度不高。GNSS RTK的應(yīng)用則較好地發(fā)揮了其定位準(zhǔn)、測(cè)速快、范圍廣等特點(diǎn)，厘米級(jí)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于調(diào)查要求，大大提高了樣地測(cè)設(shè)和樣木位置的精度。

4.2 提升工作效率

在山區(qū)，樣點(diǎn)放樣、樣地周界測(cè)設(shè)難度大，樣地邊界砍障清理勞動(dòng)強(qiáng)度高，樣木定位任務(wù)繁重。采用GNSS RTK技術(shù)可快速精準(zhǔn)定位并自動(dòng)生成“電子圍欄”，其放樣及樣地周界測(cè)設(shè)全程僅需幾分鐘，同時(shí)可準(zhǔn)確判定界內(nèi)、界外木；樣木每株定位只需幾秒鐘，不僅采集樣木坐標(biāo)還可直接計(jì)算出任意樣地角點(diǎn)或中心點(diǎn)到樣木的距離和方位角，大幅提高了作業(yè)速度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。初步估計(jì)，使用GNSS RTK技術(shù)比傳統(tǒng)做法在樣地中的作業(yè)時(shí)間至少節(jié)省1/2。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，GNSS RTK技術(shù)在國(guó)土、房產(chǎn)、交通、電力等行業(yè)的測(cè)量工程中已得到廣泛應(yīng)用，但在林業(yè)測(cè)量方面的應(yīng)用還不深入，通過(guò)在廣東林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中使用該技術(shù)證明，與常規(guī)調(diào)查方法相比，利用GNSS RTK既提高了調(diào)查精度又降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還極大地提高了工作效率，節(jié)約了用工成本，值得推廣使用。隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)及其與其他導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組合應(yīng)用，GNSS RTK必將更好地服務(wù)于林草資源調(diào)查規(guī)劃。