RTK技術(shù)在森林資源連續(xù)清查中的應(yīng)用

孫運(yùn)文，徐 軍，賈平秀，時(shí)昊陽

（泰安市泰山風(fēng)景名勝區(qū)管理委員會(huì)，山東 泰安 271000）

RTK技術(shù)全稱為Real-Time kinematic，是一種高效率處理2個(gè)測站載波相位觀測值的差分定位方法，可以在數(shù)秒內(nèi)達(dá)到厘米級(jí)精度，兼具高精度、高效率、高可靠性優(yōu)勢。近幾年，RTK技術(shù)在林業(yè)方面的應(yīng)用得到了從業(yè)者的關(guān)注，特別是在森林資源連續(xù)清查中。因此，探究RTK技術(shù)在森林資源連續(xù)清查中的應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 森林資源連續(xù)清查的內(nèi)容

森林資源連續(xù)清查是一項(xiàng)可進(jìn)行對(duì)比的森林調(diào)查，即每間隔一定時(shí)期面對(duì)同一個(gè)對(duì)象多次開展可對(duì)比的調(diào)查。數(shù)理統(tǒng)計(jì)連續(xù)抽樣技術(shù)、固定樣地是森林資源連續(xù)清查的基礎(chǔ)，包括設(shè)置固定樣地、樣地外業(yè)調(diào)查、樣地內(nèi)業(yè)計(jì)算與分析幾個(gè)環(huán)節(jié)。一般在森林資源連續(xù)清查過程中，需要以資源狀態(tài)為依據(jù)進(jìn)行樣地面積、數(shù)量的確定。根據(jù)所獲得的面積與數(shù)量數(shù)據(jù)在地形圖的公里網(wǎng)交叉點(diǎn)上進(jìn)行樣地布設(shè)。在野外，則依據(jù)設(shè)計(jì)圖標(biāo)定位置進(jìn)行樣地設(shè)置。在樣地設(shè)置后，記載樣地的坡向、坡度、海拔、林齡與郁閉度等數(shù)據(jù)，同時(shí)測定林木胸徑與樹高，并調(diào)查土壤、林木更新、林木病害與蟲害情況。在外業(yè)調(diào)查介紹后，結(jié)合野外資料，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，進(jìn)行估計(jì)值、抽樣誤差計(jì)算。進(jìn)而進(jìn)行間隔期內(nèi)森林生長量、消耗量等資源變化的分析，并以森林資源報(bào)告的形式表示。

2 RTK技術(shù)在森林資源連續(xù)清查中的應(yīng)用流程

2.1 樣點(diǎn)復(fù)位

基于RTK實(shí)時(shí)定位可達(dá)厘米級(jí)精度優(yōu)勢，調(diào)查人員可以在RTK流動(dòng)站手簿內(nèi)輸入上期RTK坐標(biāo)，通過GPS-RTK導(dǎo)航系統(tǒng)，精準(zhǔn)獲得上期樣點(diǎn)、樣點(diǎn)定位物，保證樣點(diǎn)順利復(fù)位[1]。同時(shí)考慮到GPS-RTK衛(wèi)星星歷是以WGS84坐標(biāo)系為依據(jù)建立的，而森林資源連續(xù)清查工作利用坐標(biāo)系為BJ54坐標(biāo)系，兩者之間存在旋轉(zhuǎn)、平移的關(guān)系?；诖耍梢赃M(jìn)行GPS-RTK坐標(biāo)與直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。即在RTK手薄內(nèi)輸入測繪部門提供的國家控制測繪網(wǎng)驗(yàn)證過的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置為“USER”（用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)），坐標(biāo)格式設(shè)置為“USERGRID”（用戶自定義公里網(wǎng)格式），同時(shí)分別將SCALE、FALSE EASTNG、FALSEORTHNG 設(shè)定為 1.00 m、500 000.00 m、0.00 m。并輸入3°帶或6°帶投影帶，完成轉(zhuǎn)換。

2.2 樣地周界測設(shè)

樣地周界測設(shè)常用方法是基于羅盤儀與皮尺的閉合導(dǎo)線法，即依據(jù)前期設(shè)定的坐標(biāo)方位角以及水平距離，從樣點(diǎn)出發(fā)順時(shí)針測設(shè)樣地四條邊，工作量較大。特別是在固定樣地坡度超出5°時(shí)，地形復(fù)雜，通視條件差，需要根據(jù)坡度進(jìn)行樣地邊長改算并控制新設(shè)樣的閉合差在±0.52 m內(nèi)，樣地周界測設(shè)難度較大，完成時(shí)間在4 h到5 h之間，且無法保證精度。基于此，可以利用RTK技術(shù)，將尋找的樣點(diǎn)坐標(biāo)輸入RTK流動(dòng)站手簿。以樣點(diǎn)為基礎(chǔ)輸入固定樣地其他角點(diǎn)坐標(biāo)，規(guī)避通視條件、坡度的干擾，數(shù)分鐘內(nèi)即可獲得一個(gè)以樣點(diǎn)為交點(diǎn)、邊長一定的圖形并在RTK流動(dòng)站手簿內(nèi)顯示[2]。

2.2.1 常規(guī)方法

在林分郁閉度較低的矩形樣地四角位置測設(shè)時(shí)，可以選擇RTK直接放樣法或RTK輔助定位法。前者主要是使用ArcGIS、Goole Earth軟件，結(jié)合森林地形圖、資源分布圖，進(jìn)行樣地位置、大小、形狀等屬性信息的設(shè)計(jì)，并將規(guī)劃完畢的樣地四角坐標(biāo)輸入RTK流動(dòng)站手簿。輸入后，可以直接利用手簿自帶的“點(diǎn)放樣”工具尋找4點(diǎn)位置。尋找4點(diǎn)位置后，利用直線連接，確定目標(biāo)樣地周界。

RTK輔助定位法主要是根據(jù)森林資源連續(xù)清查目的確定的樣地目標(biāo)區(qū)域合理位置確定一個(gè)點(diǎn)，利用手簿內(nèi)自帶測量工具“方位角”，將已確定的點(diǎn)確定為已知點(diǎn)，根據(jù)樣地邊長進(jìn)行長度、邊長延伸方位角設(shè)置。進(jìn)而點(diǎn)擊手簿內(nèi)的“計(jì)算”按鈕，獲得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。獲得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)后，可以直接開展點(diǎn)放樣。同理，可以逐一確定樣地四角位置。確定固定樣地四角位置后，利用直線連接，可以確定樣地的位置。

此外，在測點(diǎn)已知的情況下，根據(jù)固定樣地形狀，可以利用“兩角兩點(diǎn)”“兩點(diǎn)一角”等輔助測量方法求得目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。

2.2.2 點(diǎn)校驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)的RTK技術(shù)原理是在已知控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，經(jīng)基準(zhǔn)站單點(diǎn)定位獲得測站坐標(biāo)，將其與已知坐標(biāo)對(duì)比后獲得基準(zhǔn)站定位誤差。但是，在森林資源連續(xù)清查中，因森林資源所處環(huán)境限制，基準(zhǔn)站向已知點(diǎn)上架設(shè)難度較大，未知點(diǎn)設(shè)置基準(zhǔn)站情況較為普遍。此時(shí)，經(jīng)基準(zhǔn)站單點(diǎn)定位判定的基準(zhǔn)站坐標(biāo)與實(shí)際數(shù)值之間不可避免地存在誤差。為規(guī)避上述誤差問題，可以應(yīng)用點(diǎn)校驗(yàn)技術(shù)，在未知點(diǎn)設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)，利用另外1個(gè)已知坐標(biāo)進(jìn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)的求解，結(jié)合流動(dòng)站在校驗(yàn)點(diǎn)上定位獲知的差分改正值，獲得高精度基準(zhǔn)站坐標(biāo)。差分改正值計(jì)算需要利用偽距觀測值、載波相位觀測值進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

考慮到森林資源連續(xù)清查耗時(shí)較長，在目標(biāo)測區(qū)之后已知校驗(yàn)點(diǎn)尋找難度較大，因此，應(yīng)將道路交叉點(diǎn)、建筑物角點(diǎn)等顯著地物點(diǎn)作為校驗(yàn)點(diǎn)并設(shè)置準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)，為后期基準(zhǔn)站位置變更、基準(zhǔn)站重新設(shè)置時(shí)的幾何校正提供依據(jù)，確保森林資源連續(xù)清查時(shí)測得位置一致[3]。

2.3 樣木定位

樣木即根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理選定測量的林木，固定樣木是樣木定位的主要目標(biāo)，可以滿足森林資源連續(xù)清查中樣木的穩(wěn)定性、連續(xù)性要求。在以往森林資源連續(xù)清查中，羅盤儀、皮尺或全站儀是樣木定位的主要工具，調(diào)查人員需利用上述工具實(shí)地測量樣點(diǎn)或樣地其他角點(diǎn)、樣木之間在水平方向的距離、坐標(biāo)方位角，工作內(nèi)容較為繁瑣。尤其是在林木密度大、草本植物茂盛、地形復(fù)雜的山區(qū)，工作難度較大，每100株樣木定位耗時(shí)在3～4 h之間?；诖耍梢岳肦TK技術(shù)厘米級(jí)定位精度優(yōu)勢，逐一固定樣木位置，在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)完成定位工作。

2.3.1 基準(zhǔn)站與流動(dòng)站布置

以位于泰山山脈800 m海拔的油松人工林樣木定位為例，調(diào)查林優(yōu)勢樹種為油松，間雜赤松樹種，林下灌木為荊條、連翹。人工林分樹種結(jié)構(gòu)中油松、間雜比例為9∶1，郁閉度為 0.75～0.85，平均林分年齡為 60 年，平均胸徑、平均樹高分別為16.5 cm、8.6 m。在樣林定位時(shí)，可以選擇由基準(zhǔn)站、通訊系統(tǒng)、流動(dòng)站組成的中海達(dá)V30 GNSSRTK系統(tǒng)，其定位平面精度、高程精度分別為±（10+1×10-6D） mm、±（20+1×10-6D） mm。為順利獲得基準(zhǔn)站到流動(dòng)站的精密基線向量，調(diào)查人員可以依據(jù)交通便利、周邊無大面積水域、周邊無大型建筑物、地勢高、遠(yuǎn)離通信塔與微波站、遠(yuǎn)離高壓輸電線路與通訊線路、視野較開闊的原則，選擇對(duì)面山坡制高點(diǎn)布置基準(zhǔn)站，并在外掛電臺(tái)使用的基礎(chǔ)上將天線升高至最高。同時(shí)設(shè)置基準(zhǔn)站接收機(jī)截止高度角、歷元間隔分別為5°、5 s。

在基準(zhǔn)站布置完畢后，經(jīng)藍(lán)牙連接流動(dòng)站主機(jī)、數(shù)據(jù)采集手簿，并設(shè)定天線高度、截止高度角分別為2.0 m、5°。同時(shí)調(diào)整移動(dòng)站氣泡至居中位置，保持對(duì)中桿平穩(wěn)[4]。移動(dòng)站測點(diǎn)可以隨機(jī)選取距離基準(zhǔn)站750 m以上、1 500 m以內(nèi)的林分，并根據(jù)需要清除測站上空幼小林木、低灌木、林木側(cè)枝，保證信號(hào)順利接收。

2.3.2 測量模式選擇

在流動(dòng)站布置完畢后，選擇準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測量、快速靜態(tài)測量兩種模式，前者用于在森林內(nèi)進(jìn)行樣木快速定位，測量點(diǎn)位為48點(diǎn)。比如，在東西走向的山脊部位樣木定位時(shí)，可由流動(dòng)站接收機(jī)面對(duì)每一個(gè)觀測站靜止觀測若干歷元，協(xié)同基準(zhǔn)站同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行流動(dòng)站三維坐標(biāo)的實(shí)時(shí)解算；后者測量定位為45點(diǎn)主要是在地形復(fù)雜、林冠遮擋時(shí)，配合秒表記錄獲得固定解的初始化時(shí)間，保證高精度固定解的順利獲得[5]。比如，北向油松人工林覆蓋的21°山坡、東北－西南向油松與灌木混雜的18°（兩側(cè)平均坡度）的溝谷等。

林分結(jié)構(gòu)的決定性因素是林木的空間分布，其對(duì)林下環(huán)境、林木競爭甚至森林生態(tài)系統(tǒng)均具有較大影響。為盡可能減少樣木絕對(duì)空間坐標(biāo)誤差，調(diào)查人員可從樹干直徑、天線影響控制入手，將流動(dòng)站放置在樹干一致方位，利用定位目標(biāo)樹號(hào)的方式進(jìn)行流動(dòng)站測量點(diǎn)名稱的編輯[6]。與此同時(shí)，將樹木品種、胸徑等基本屬性信息標(biāo)注在備注欄。對(duì)于樹種組成豐富、偏向隨機(jī)分布的天然林空間格局，可以設(shè)定樣地周界邊長為100 m，利用胸徑數(shù)值進(jìn)行顯示符號(hào)大小的定義，直觀了解林木空間結(jié)構(gòu)特征。

2.4 數(shù)據(jù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)

在外業(yè)工作結(jié)束后，調(diào)查人員可以利用RTK技術(shù)配套軟件，一鍵匯總調(diào)查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)樣地位置圖、樣木位置圖以及調(diào)查數(shù)據(jù)的自動(dòng)輸出[7]。比如，在RTK流動(dòng)站手簿內(nèi)將外業(yè)測量數(shù)據(jù)保存為csv格式，經(jīng)數(shù)據(jù)線或無線網(wǎng)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)Excel軟件或SPSS軟件打開，獲得測站點(diǎn)坐標(biāo)、均方根誤差RMS以及接收衛(wèi)星數(shù)信息。

3 RTK技術(shù)在森林資源連續(xù)清查中的應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用精度

3.1.1 樣地周界測設(shè)精度

以三維位置精度幾何因子——PDOP為依據(jù)，衡量樣地周界測設(shè)精度。在山谷、山溝、山脊等不同地形條件下，基于RTK技術(shù)的平均PDOP值分別為2.1、2.3、2.7，總體在2.1～2.7之間，平均值處于較低水平。且在PDOP小于4時(shí)，觀測窗口狀態(tài)良好，表明RTK技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高森林資源連續(xù)清查中樣地周界測設(shè)精度。

3.1.2 樣木定位精度

利用RTK技術(shù)在麻櫟人工林內(nèi)定位500株林木，均獲得固定解。隨機(jī)選擇80株林木，將RTK定位結(jié)果與全站儀（或羅盤儀、皮尺）定位結(jié)果對(duì)比，得出：全站儀定位平均點(diǎn)位誤差為0.360 m，最大點(diǎn)位誤差為0.550 m，最小點(diǎn)位誤差為0.100 m，60%的林木點(diǎn)位誤差小于0.380 m；RTK定位平均點(diǎn)位誤差為0.140 m，最大點(diǎn)位誤差為0.350 m，最小點(diǎn)位誤差為0.023 m，80%的林木點(diǎn)位誤差在0.180 m以下，基本滿足樣木定位要求。

3.2 應(yīng)用效率

在森林資源連續(xù)清查工作目標(biāo)指導(dǎo)下，選擇RTK快速靜態(tài)測量模式，共調(diào)查48個(gè)測站點(diǎn)，其中41個(gè)測站點(diǎn)在20 min內(nèi)達(dá)到高精度固定解，在5 min內(nèi)達(dá)到固定解的測站點(diǎn)超過50%；在15 min內(nèi)達(dá)到固定解的測站點(diǎn)超過80%；在20 min內(nèi)達(dá)到固定解的測站點(diǎn)超過85%，觀測效率較高。而對(duì)照定位儀測量時(shí)間均在3.0～4.0 h之間，表明RTK技術(shù)的應(yīng)用，可以有效提高森林資源連續(xù)清查效率。

4 結(jié)束語

綜上所述，樣地周圍邊界測設(shè)、樣木定位、樣木檢尺與固定是森林資源連續(xù)清查外業(yè)調(diào)查主要工作。在上述工作中應(yīng)用RTK技術(shù)，可以摒除通視、坡度等條件的干擾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量、便捷操作、精準(zhǔn)定位。因此，在森林資源連續(xù)清查過程中，可以根據(jù)需要合理應(yīng)用RTK技術(shù)，在降低森林資源連續(xù)清查工作量的同時(shí)，提高工作效率。