网络RTK实时测量技术在水土保持土壤流失监测中的应用

刘国和

（江苏省水文水资源勘测局盐城分局 盐城 224005）

1 前言

土壤流失动态监测目的是及时、准确、全面地反映水土保持生态建设情况、水土流失动态及其发展趋势，为水土流失防治、监测和管理决策提供主动服务、及时服务和超前服务，为国家生态文明建设提供依据。在水土保持土壤流失动态监测中，不同监测对象、不同监测层次，采用不同的监测方法与技术。总体来说，水土保持监测要综合运用遥感（RS）、地理信息系统（GIS）等技术和地面观测、专项试验、调查统计、数理分析等方法。

在侵蚀试验小区、新（扩）建项目等地面土壤流失监测中，常用桩钉法，该法先选择若干个有代表性的样区，在样区打入钢钎，钉帽与地面齐平，根据相关要求定期观测钉帽出露地面的高度，计算土壤侵蚀深度和土壤流失量。由于该法容易受钢钎沉降、样区面积小引起的代表性差以及人为活动干扰等，常导致监测数据可靠性较差，而应用JSCORS系统的网络RTK进行监测可解决以上问题。

2 JSCORS系统网络RTK现状

江苏省全球导航卫星连续运行参考站综合服务系统（Jiangsu Continuous Operational Reference System，简称JSCORS系统）是现代GNSS发展热点之一。

JSCORS系统早在2006年底由江苏省测绘局和江苏省气象局共同投资建成并投入运行，系统在全省及周边范围内建设或共享若干个GNSS连续运行参考站，覆盖江苏全省陆地、海域及周边部分地区，形成一个全天候、高时空分辨率、高精度、高覆盖率的全球导航卫星系统（GNSS）综合信息服务网，同时构成了江苏省高精度、动态的现代四维大地测量参考框架，是2000国家大地坐标系和GLONASS、北斗导航卫星系统在江苏省的具体实现。该系统的建立不仅为测绘行业带来深刻变革，也为社会其他相关行业带来新的思维、影响。

JSCORS网络RTK实时处理技术可实现平面定位误差≤±3cm，高程误差≤±5cm。

3 桩钉法监测土壤流失方法及原理

水土流失过程及其影响因子均具有地域上的差异，根据不同区域的土壤流失特点及主要影响因素，选择有代表性的样区进行监测。

桩钉法监测土壤流失，通常在选择好的样区，将直径0.8cm、长30～50cm的钢钎，按间距0.5m×0.5m分上中下、左中右纵横各3排共9根垂直地面方向打入，钉帽与地面齐平，并记录编号，见图1。一般在每次暴雨后、汛期结束以及各监测时间节点，观测钉帽出露地面高度，计算土壤侵蚀深度和土壤流失量。

采用桩钉法，选定的样区长、宽一般只有几米，常为正方形。监测中有时为提高成果精度，也适当加大钢钎布设密度。桩钉法监测土壤流失计算公式采用：

式中：A—土壤侵蚀数量（m3）；

Z—侵蚀厚度（mm）；

S—水平投影面积（m2）；

图1 桩钉法监测土壤流失方法示意图

θ—斜坡坡度。

4 应用网络RTK监测土壤流失方法及原理

应用网络RTK实时测量技术监测土壤流失的原理类似于水利工程土方测算的工作程序。

监测前同样先选定样区，面积一般比桩钉法样区面积大，在样区旁布设监测用水准点，其高程冻结为某一冻结数值（冻结基准面以上米数，冻结基准面应设置在样区可能出现的最低点之下）。

应用网络RTK监测土壤流失，选定的样区形状无具体要求，不作限制。首次监测前用网络RTK测量样区边界线各转折点平面坐标，通常选择样区长边作为纵向里程控制方向，按监测频次要求在与纵向控制方向垂直线上测量横断面，该法监测的横断面位置可不固定，各次的横断面位置、断面测点布设以能控制样区土壤流失为原则，有时为提高监测精度适应加密。

为提高监测精度，高程测量可采用全站仪三角法，在样区和水准点之间架设全站仪，水准点、全站仪仪器站及样区各测点平面位置用网络RTK测量，在RTK测量水准点、样区内各测点时，全站仪同步测量RTK接收机对中杆固定位置之竖直角θ1、θ2。外业完成后，根据RTK测量的平面位置解算全站仪仪器站至水准点、各测点的水平距离D1、D2，并根据竖直角θ1、θ2计算样区内各测点高程，最后按土方计算方法算得其冻结基准面以上土方量，土壤流失量用对应土方量差值算得，见图2。

5 两种监测土壤流失方法的比较分析

5.1 桩钉法

桩钉法监测土壤流失，由上述钢钎布设情况可知，钢钎数量一般为9根，样区面积一般较小，同时监测点位在监测过程中一般不好调整，故监测结果的代表性相对较差；同时打入的钢钎容易受沉降、人为活动等影响较大，故监测成果可靠性相对较差。

5.2 应用网络RTK监测法

图2 网络RTK动态监测土壤流失方法示意图

应用JSCORS网络RTK监测土壤流失，无须布设基准站，并可保持系统的一致性。在全站仪三角法测量高程时，采用中点设仪器站、对中杆固定点测量竖直角，方法灵活实用。

该法相对于桩钉法监测土壤流失，最大的优点是为提高其代表性可扩大样区面积，并视土壤流失变化情况在样区内适时加密横断面及监测点，提高监测精度。

应用JSCORS网络RTK监测土壤流失，还可充分利用其定位技术，收集监测对象的位置属性，分析面积、长度、体积、等高线和坡度等元素，形成多元成果资料。

6 误差源分析

目前地面监测土壤流失精度在相关规范中未作具体要求，用桩钉法监测时观测钉帽出露地面高度一般观测至毫米，其误差来源主要是钢钎沉降和人为活动干扰等。

而应用JSCORS网络RTK监测土壤流失误差主要来自RTK平面位置测量和全站仪竖直角测量之误差。根据以上介绍，RTK平面实时测量精度优于±3cm，而竖直角θ误差主要取决于全站仪精度及对中杆倾斜的角度，实际测量时观测的GPS接收机对中杆固定点位置可尽量设置低些，这样可减少对中杆倾斜带来的误差。

根据误差理论和实测资料对比分析，为减少测量误差，监测时应尽量以短边、小竖直角测量，距离D不宜大于300m，以50～300m为宜，竖直角θ≤±15°。这样应用JSCORS系统监测土壤流失的误差完全处于可控状态，且精度优于桩钉法监测土壤流失。

7 结语

（1）我国水土保持水土流失面广量大，危害严重，对社会经济发展和人民群众生产生活影响较大。开展水土流失动态监测、预报，及时向社会公告水土流失和水土保持状况，为水土保持生态建设和国民经济的健康、稳定和持续发展服务，是法律赋予各有关部门的职责。

（2）桩钉法监测土壤流失是地面监测的一种常用方法，但该方法监测结果存在样区面积小、代表性差，同时钢钎易受沉降、人为活动影响等问题；而应用网络RTK动态监测土壤流失，样区面积可扩大、代表性好，视土壤流失变化情况在样区内加密断面及监测点，可提高动态监测精度，解决桩钉法监测土壤流失之弊端。

（3）应用网络RTK技术，有助于实现监测数据的快速采集，对象属性的实时分析。在水土保持土壤流失监测中，利用其定位技术，收集监测对象的位置属性，可分析面积、长度、体积、等高线和坡度等要素，形成多元成果资料。

（4）近几年，通过网络RTK在土壤流失动态监测中的应用实践，使得水土监测工作在服务对象的需求和服务的有效性、动态性、层次性等方面都得到了一定的提升，为生态文明建设提供了大量可靠依据■