網(wǎng)絡(luò)RTK在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用探討

巨正平，馬國強(qiáng)，王浩波，李志平，劉曉晨，白 艷

(1.國家林業(yè)和草原局西南調(diào)查規(guī)劃院，650031，昆明； 2.航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司，100195，北京；3.云南睿琦勘察設(shè)計有限公司，650231，昆明)

0 引言

森林資源監(jiān)測是對森林資源的數(shù)量、質(zhì)量、空間分布及其利用狀況進(jìn)行定期定位的觀測分析和評價的工作[1]，是林業(yè)重要的一項基礎(chǔ)性工作，能及時掌握森林資源現(xiàn)狀和消長變化動態(tài)，預(yù)測森林資源發(fā)展趨勢，為合理管理森林資源，支撐林長制督查考核，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略，編制森林資源發(fā)展規(guī)劃，制定國家宏觀決策，提供重要的決策依據(jù)[2-3]。

開展森林資源監(jiān)測工作，查清全國和各省森林資源種類、數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、分布，需要在全國范圍內(nèi)布設(shè)調(diào)查樣地，采用“圖斑+抽樣”方式，開展現(xiàn)地調(diào)查[1，4]。調(diào)查的內(nèi)容主要包括樹種、胸徑、樹高等樣木因子和喬木林類型、起源、優(yōu)勢樹種、郁閉度、每公頃株數(shù)、平均胸徑、平均樹高、平均年齡等樣地因子[3，5]。

現(xiàn)地調(diào)查的首要工作是確定樣地的位置和周界，再對樣地內(nèi)的調(diào)查因子，進(jìn)行定期、準(zhǔn)確地調(diào)查、統(tǒng)計、分析和評價。

1 傳統(tǒng)定位手段

傳統(tǒng)定位手段，首先是通過航空像片和地形圖確定引點和樣地位置，接著確定樣地角樁，在確切的角樁基礎(chǔ)上，進(jìn)行周界測定。選用的儀器主要有羅盤儀、皮尺、花桿和手持GPS等，測量的手段主要是通過測角、量距，運(yùn)用導(dǎo)線測量方式進(jìn)行定位測量。為保證各監(jiān)測周期樣地位置一致、周界一致、面積一致，就需要埋設(shè)角樁、制作定位物和邊界修邊。

圖1 羅盤儀符合西南角樁

傳統(tǒng)的定位手段，不僅工作強(qiáng)度大，效率低，而且精度差，存在誤差積累，其主要的局限性有：1)羅盤儀極易收到周圍磁場環(huán)境影響，定位精度不高；2)支導(dǎo)線會隨著測站或距離的增加，誤差累計加大；3)羅盤儀導(dǎo)線測量法，對地形地貌、通視條件依賴極強(qiáng)；4)羅盤儀受限自身設(shè)計，無法進(jìn)行精平和精確設(shè)站；5)皮尺測距精度較低；6)作業(yè)強(qiáng)度大。

圖2 羅盤儀、花桿、皮尺確定樣地周界

2 網(wǎng)絡(luò)RTK概述

網(wǎng)絡(luò)RTK，指在一定區(qū)域內(nèi)建立多個基準(zhǔn)站，對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測，通過這些站點組成衛(wèi)星定位觀測值的網(wǎng)絡(luò)解算，獲取覆蓋該地區(qū)和某時間段的RTK改正參數(shù)，用于該區(qū)域內(nèi)RTK用戶進(jìn)行實時RTK改正的定位方式[6]。其核心就是利用多個基準(zhǔn)站組成的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)對流動站定位區(qū)域形成覆蓋，基準(zhǔn)站整周模糊度固定后，可以從觀測值中分離大氣延遲，通過建?；騼?nèi)插手段，計算出流動站與基準(zhǔn)站間的延遲誤差，通過移動通訊手段，將基準(zhǔn)站觀測值與誤差改正數(shù)播發(fā)給流動站，流動站即可采用常規(guī)RTK算法實現(xiàn)實時高精度定位。

圖3 網(wǎng)絡(luò)RTK基本原理

網(wǎng)絡(luò)RTK，是在常規(guī)RTK和差分GNSS基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的、高效率、高精度的GNSS定位技術(shù)[7]，該技術(shù)相對于常規(guī)RTK而言，覆蓋面更廣，定位精度更高且誤差均勻，更可靠且費(fèi)用更低，可持續(xù)、實時提供高精度定位。

當(dāng)前，主流的網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)方法，有單參考站網(wǎng)模式、基于虛擬參考站系統(tǒng)的VRS技術(shù)、基于整體解算模型的FKP技術(shù)和基于綜合誤差內(nèi)插的CBI技術(shù)等，由此而組成的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)構(gòu)建主要有單基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、移動參考站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和多參考站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。國內(nèi)較為成熟的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)，主要有各省自建的綜合衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(CORS) 和千尋位置網(wǎng)絡(luò)有限公司組網(wǎng)構(gòu)建的千尋位置服務(wù)系統(tǒng)，均可提供CGCS2000、WGS84和ITRF2008坐標(biāo)及厘米級的定位精度。

3 網(wǎng)絡(luò)RTK在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用

森林資源監(jiān)測工作，是一項長期、在確定區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)地調(diào)查的任務(wù)，其重點在于沿用前期的樣地位置和周界[2，8]。由于技術(shù)原因，前期固定樣地調(diào)查，受限于設(shè)備自身精度和作業(yè)模式的誤差累計，樣地形狀一般不規(guī)則，為遵循同一樣地同一位置、同一周界、面積一致的原則，需要盡可能地復(fù)位樣地和周界，網(wǎng)絡(luò)RTK也是基于此原則輔助進(jìn)行現(xiàn)地調(diào)查和定位[9-10]。

3.1 樣地角樁坐標(biāo)采集

樣地角樁，是確定固定樣地的一個核心要件，角樁確定后，即可基本確定樣地的周界。前期樣地角樁，多采用手持GPS進(jìn)行了坐標(biāo)采集，定位精度較差，誤差域在幾米甚至幾十米的區(qū)間，故需要通過定位物來確認(rèn)角樁的具體位置。

網(wǎng)絡(luò)RTK，在鎖定衛(wèi)星信號并達(dá)到“固定解”狀態(tài)后，能得到厘米級的定位精度，在此狀態(tài)下進(jìn)行角樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，可以保證往后若干期固定樣地調(diào)查時，角點位置統(tǒng)一，而且在定位物遭到損壞后，或是角樁被破壞后，通過點坐標(biāo)放樣方法，能準(zhǔn)確還原樣地角樁。同時，高精度角樁坐標(biāo)的采集，可以后期監(jiān)測時的導(dǎo)航定位，提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(如圖4)。

圖4 樣地導(dǎo)航

圖5 角樁坐標(biāo)放樣

3.2 新設(shè)樣地確認(rèn)

新設(shè)樣地，確定樣地角樁坐標(biāo)后，可運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK通過坐標(biāo)精確放樣的方法，快速、準(zhǔn)確、高效地定位樣地，同時省去繁瑣的引點工作，且定位精度高，誤差不會累積。

周界確定方法，是在角樁(西南角樁)放樣的基礎(chǔ)上，依據(jù)樣地設(shè)計長、寬距離，計算剩余角點坐標(biāo)，再將各角樁坐標(biāo)依次輸入坐標(biāo)點庫，點點連線構(gòu)造成封閉區(qū)間，即為樣地區(qū)域，通過數(shù)據(jù)采集軟件中的直線放樣功能，可以快速、準(zhǔn)確地確定調(diào)查樣地區(qū)域、邊界以及樣木和周界的關(guān)系(如圖6、圖7所示)，為樣地現(xiàn)地調(diào)查提供基礎(chǔ)。

圖6 樣地周界復(fù)位示意圖

圖7 樣木位置關(guān)系圖

3.3 復(fù)測樣地復(fù)位

復(fù)測樣地，需要準(zhǔn)確復(fù)位前期樣地周界和各個角樁，在誤差允許的前提下，開展監(jiān)測工作。因此，在復(fù)位周界之前，需要首先進(jìn)行角樁復(fù)位。

角樁復(fù)位，需要用到前期的定位物，通過定位物和前期的測量記錄，運(yùn)用邊角后方交會法，或者距離交會法等手段，確定角樁位置，在角樁確定的基礎(chǔ)上，再運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行角樁坐標(biāo)采集和構(gòu)造線放樣復(fù)位周界。

網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行復(fù)測樣地復(fù)位的優(yōu)點：1)角樁一經(jīng)復(fù)位，后期監(jiān)測時，便可通過高精度坐標(biāo)放樣的手段，準(zhǔn)確還原各個角樁；2)線放樣，采用點點依次相鄰，構(gòu)造虛擬連接線方式，無需兩兩通視，即可準(zhǔn)確復(fù)位邊界；3)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK復(fù)位的周界，精度高，也不存在誤差積累；4)通過構(gòu)造線放樣方法，后期既是樣地角樁定位物被破壞，樣地也能高度還原復(fù)位。

3.4 樣木復(fù)位

網(wǎng)絡(luò)RTK，是通過采集高精度坐標(biāo)，復(fù)位坐標(biāo)的形式，進(jìn)行森林資源監(jiān)測的，樣地內(nèi)的樣木，亦可通過采集各個樣木坐標(biāo)的方式，獲得具體樣木的高精度坐標(biāo)，既能提高繪制樣木位置圖的精度，也能配合樣木銘牌，快速、準(zhǔn)確復(fù)位前期調(diào)查樣木。

4 結(jié)論與展望

網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度，與接收機(jī)鎖定衛(wèi)星的個數(shù)、高度角、衛(wèi)星幾何構(gòu)型和周圍作業(yè)環(huán)境等，都有一定的關(guān)系，但隨著我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星組網(wǎng)成功，可用實時授時定位的星座系統(tǒng)逐步增多(目前主要有GPS/BDS/GLONASS/GALILEO等系統(tǒng))，加之GNSS接收機(jī)軟、硬件的更新迭代，單位時間多星座多頻信號高精度實時收斂已成為可能，林區(qū)作業(yè)信號鎖定越來越快，定位精度逐步提高，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行森林資源調(diào)查、監(jiān)測已成為一種高效、可靠的手段。

在森林資源監(jiān)測工作中，網(wǎng)絡(luò)RTK不僅能克服傳統(tǒng)樣地定位、復(fù)位手段的局限性，還能通過采集坐標(biāo)，復(fù)位坐標(biāo)形式，高效、快速、準(zhǔn)確地定位樣地，復(fù)位周界及確定樣木位置關(guān)系，更能在定位物遭到破壞后，快速、準(zhǔn)確復(fù)位樣地。

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行森林資源現(xiàn)地調(diào)查，不僅提高了樣地定位、復(fù)位精度，而且降低了工作強(qiáng)度，提高了工作效率，對運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK開展其他資源類調(diào)查，有一定的借鑒意義。