BDS/GPS 双星座定位技术在森林资源调查中的应用

刘 通，徐藜丹，闫 飞

(1.北京林业大学 园林学院，北京 100083；2.南宁林业和园林信息技术实验室，南宁 530000；3.北京林业大学 水保学院，北京 100083；4.北京林业大学 林学院，北京 100083）

0 引言

现阶段我国森林总面积达到了2.08 亿ha，森林资源分布广泛、森林地势环境复杂，导致林业人员进行林业工作任务繁重[1]，每年都需要耗费大量的人力物力财力对森林资源进行调查管理。为提高调查管理精度与效率，需要在森林资源调查管理中引入新技术。

将卫星导航定位系统应用到森林资源调查管理中，可以在森林资源的调查、决策、防火等方面取得良好的效果[2]。其中，美国全球定位系统（global positioning system, GPS）和中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）在我国林业应用中占据很大的市场[3]。但由于受多路径效应、地形、树冠等各种因素的影响[4]，使用单导航定位系统常常伴有精度差的问题[5]。因此有学者提出了BDS/GPS 双星座定位技术，该技术在GPS 的基础上，结合了BDS 的信号增强功能及通信功能[6]，使其可以通过提高卫星可见性数目，构成更好的卫星分布来提高定位的精确度[7]。同时在复杂环境下，若在GPS 接收信号遇到干扰或者限制，双星座定位系统就会自动切换到BDS 模式继续工作，可以连续正常地向各用户提供导航定位服务[8]。因此，将BDS/GPS 双星座定位技术应用于森林资源调查中，可以进行更高效的调查，实现更精准的管理[9]。

地理信息系统（geographic information system,GIS）早已应用到了森林资源的管理、规划、分析等方面，并取得了良好的应用效果[10]。GIS 与计算机软硬件相结合，可以对空间信息进行输入、存储、查询、分析及显示：通过建立GIS 数据库，可以对森林资源信息进行存储；利用GIS 的空间分析功能，可以对森林资源信息进行查询和管理；利用GIS 的显示功能，可以拟定和决策经营方案等[11]。GIS 在森林资源管理中的应用，不仅可以节省人力物力财力，还可以使林业管理更加科学化[12]。

本研究首先基于BDS/GPS 双星座定位技术，以北京市海淀区东升八家郊野公园针叶林区为研究区，使用三鼎T-23 型多频三星接收机及U-blox NEO-M8T 多星座接收模块，采集研究区观测点的定位数据，结合BDS/GPS 组合定位算法，得到观测点的BDS/GPS 双星座定位3 维坐标，将其与单GPS、单 BDS 定位数据进行对比分析，验证BDS/GPS 双星座定位技术在森林资源调查中的优越性。然后基于GIS 技术，结合我国森林资源调查和管理的需求，使用C#语言及Visual Studio2010软件，设计开发1 套森林资源调查后处理软件；最后将BDS/GPS 双星座定位数据应用到软件中，对软件的功能进行验证。

1 研究材料概况

1.1 研究区概况

东升八家郊野公园位于北京市海淀区（如图1所 示），其 经 度 为 116°19′E～116°20′E，纬 度 为40°01′N～40°02′N。该公园面积达101.4 hm2，包含针叶林、阔叶林、灌木林等，绿地率达到了90%以上。其中针叶林主要有圆柏、杉木、油松等，阔叶林以柳树和杨树为主，灌木林有黄杨、红叶小檗、丁香等。研究区选为公园东北部的针叶林区，主要树种为圆柏，林木平均树高为5.0 m，平均胸径为20.5 cm。数据采集时间为2019 年4 月，枝叶相对茂密但不及夏季繁茂，郁闭度可达0.61，具体状况如图2 所示。研究区地势较为平缓，附近高楼较少，可有效避免地势、高楼等干扰因子对卫星信号的影响，便于采集卫星信号数据。

图1 研究区位置（圆圈内为研究区）

图2 研究区概况

1.2 实验仪器及软件

采集数据使用的仪器为U-blox NEO-M8T 多星座接收模块（如图3 所示）、三鼎 T-23 型多频三星接收机（如图4 所示）、三脚架、胸径尺、木桩等。其中：U-blox NEO-M8T 多星座接收模块用于接收BDS/GPS 双星座数据、GPS 单星座数据和BDS 单星座数据；T-23 型多频三星接收机用于采集观测点的高精度3 维坐标。数据处理软件包括加米特（GAMIT）/尔特克利布（RTKLIB）：RTKLIB软件用于BDS/GPS 组合定位算法的实现及3 维坐标的解算；GAMIT 软件用于解算得到高精度的观测点坐标以作为该观测点的真值。软件开发使用Visual Studio2010 开发工具和平台。

图3 U-blox 卫星接收机

图4 T-23 型多频三星接收

2 研究方法

2.1 数据采集

在研究区选择约6 hm2的林地，随机选择能够充分代表林区特点且分布相对均匀的12 个观测点用于后处理软件的开发和功能验证，将U-blox 多星座接收模块固定到观测点上（如图5 所示），选择实时动态差分(real-time kinematic, RTK）软件中的RTKNAVI 模块，接收BDS 和GPS 双星座数据。

其中，选择最能代表林分平均水平的1 个观测点用于定位结果的精度验证，该点地势相对平坦，远离高楼等干扰，树木遮挡相对较少，观测干扰较少。将木桩在该点位置处钉入10～15 cm，并在木桩顶端钉入测量钉进行标记，然后测量该点分别到三脚架3 个顶点的距离，算取平均值应用于坐标值解算。在该观测点位上架设三鼎T-23 型接收机及U-blox 多星座接收模块，同时进行卫星数据采集（如图6 所示），观测时间不少于4 h。

图5 BDS/GPS 双星座数据采集

图6 真值数据采集

2.2 BDS/GPS 组合定位算法

将BDS/GPS 组合定位算法写入RTKLIB 软件中，对采集的双星座数据进行3 维坐标解算，获取研究区BDS/GPS 双星座定位坐标[13]。本研究使用的BDS/GPS 组合定位算法为：

式中：β 为卫星接收机到卫星的伪距观测值；C 表示BDS、G 表示GPS；i 为卫星编号；ρ 为卫星接收机相位中心（卫星观测点）到卫星的几何距离；c 为光速；A 为接收机钟差（包括BDS 和GPS 各自的接收机钟差）；B 为卫星钟误差；S 为电离层延迟误差；H 为对流层延迟误差；(Xi,Yi,Zi)为卫星i 的坐标，(X,Y,Z)为观测点的坐标。式（1）～式（2）忽略了卫星星历误差、多路径误差及测量噪声[14]。

使用泰勒级数在观测点近似坐标(X0,Y0,Z0)处进行展开得到观测方程，整理后得到间接平差误差方程为

式中：Vi为观测值残差；Vx、Vy、Vz为观测点改正坐标；ri、ui、wi分别表示观测点到卫星方向上的余弦值；Li为常数项；Di为第i 颗卫星到森林观测点近似位置的距离。

由于 BDS/GPS 组合定位误差方程中，共有5 个未知参数，因此使用最小二乘法进行位置解算至少需要同步观测5 颗卫星。假设在某1 观测时刻t，可接收到GPS 卫星数为a，可接受到BDS 卫星数为b，则组合定位误差方程可以表达为

解算式（6）得3 维坐标改正值为

式中P 为BDS 和GPS 卫星观测值权矩阵。

最终可以得出 1984 世界大地坐标系(world geodetic coordinate system 1984, WGS84）下森林观测点的坐标为

2.3 森林资源调查后处理系统设计与开发

森林资源调查是林业资源管理的重要组成部分，我国分为1 类、2 类和3 类调查，其调查流程分为准备工作、外业调查和内业处理。本研究针对内业处理环节，利用双星座定位数据，结合林业调查需求开发相关的后处理软件，以期提升森林资源调查管理的信息化和高效化。

2.3.1 软件需求分析

本软件主要针对用户为森林资源调查人员。森林资源调查人员通过进行实地调查，采集相关的数据，并将其带回进行内业处理。因此，用户需要软件具体以下功能：显示调查区域的地图；放大缩小查看地图；对各区域的森林资源情况进行查询；可以进行距离、面积测量，以减少外业调查的任务量；可以随时查看原地图的属性，并把外业测量数据与原数据进行连接，查看整体数据；可以进行意外状况的识别分析，如可以在地图上看到某点发生火灾或者病虫害的波及范围。基于用户的需求，可知软件的功能需求有显示功能、基本操作功能、查询功能、属性更新功能、测量功能、空间分析功能等。

2.3.2 总体框架设计

根据软件的需求分析，设计的森林资源调查后处理软件总体框架分为4 个层次（如图7 所示），分别为运行环境、数据形式、软件模块和应用功能[15-18]。

图7 森林资源调查后处理软件的总体框架

2.3.3 总体功能设计

结合软件的需求分析及总体框架，对软件进行详细设计[19-21]，将森林资源调查后处理软件功能划分为5 个模块，分别为基本功能模块、数据管理模块、空间查询模块、空间量测模块和空间分析模块（如图8 所示）。

图8 软件整体功能结构

2.3.4 主要接口设计

软件功能主要接口如表1 所示。

表1 软件功能主要接口设计表

3 结果验证

3.1 BDS/GPS 双星座定位数据验证

对需要精确位置的观测点，是利用载波相位的观测方法来测得该点的高精度坐标的，并将该点的定位坐标作为结果真值，与BDS/GPS 双星座数据、单GPS数据、单BDS 数据进行比较，得到该观测点在X、Y、Z 上的绝对误差变化情况，如图9～图11 所示。

图9 BDS/GPS 双星座数据在X、Y、Z 方向的绝对误差

图10 单一BDS 数据在X、Y、Z 方向的绝对误差

图11 单一GPS 数据在X、Y、Z 方向的绝对误差

通过式（9）对BDS/GPS 双星座数据、单GPS数据、单BDS 数据进行计算，得到其在X、Y、Z方向上的实际精度[22]，如表2 所示。对需要精确位置的观测点，是利用载波相位的观测方法来测得该点的高精度坐标的。

表2 观测点定位实际精度对比表 单位：m

式中：Xμ 、Yμ 、Zμ 分别表示X、Y、Z 方向上的实际精度；X~ 、Y~、Z~ 分别表示在X、Y、Z 3 个方向上获取的真值；Xi、iY 、 Zi分别表示双星座数据或单星座数据的定位解算坐标值[23]；n 表示观测值个数。

从BDS/GPS 双星座数据、单GPS 数据和单BDS 数据的绝对误差变化图中可以看出，BDS/GPS 双星座定位结果绝对误差大多不超过5 m，单GPS 数据和单BDS 数据的定位绝对误差变化范围明显大于BDS/GPS 双星座定位数据，说明BDS/GPS 双星座数据的稳定性最好。从观测点定位实际精度对比表中可以看出：在X 方向上，BDS/GPS 双星座定位数据的实际精度为2.954 m，明显优于单BDS 的5.236 m 和单GPS 的3.940 m；在Y、Z 方向上，BDS/GPS 双星座定位数据的实际精度分别为3.467、2.973 m，与单BDS 定位数据的实际精度值3.583、3.171 m 相差不大，但明显优于单GPS 的5.512、5.948 m。由此可见，BDS/GPS双星座数据的定位坐标最接近真值坐标，定位精度最高。而根据《国家森林资源连续清查主要技术规定》的第七条，森林资源调查中使用GPS 进行引点定位允许的误差范围为10～15 m；使用双星座定位技术不仅符合林业资源调查的精度要求，还可以在此基础上提高定位精度。

3.2 森林资源调查后处理软件应用验证

使用科奥德（Coord）坐标转换软件，对获取的实验区12 个观测点的BDS/GPS 双星座定位结果（WGS84 坐标系）进行墨卡托投影变换，将其转变为 2 维平面直角坐标。再使用阿尔克马普（ARCMAP）软件，对研究区的地图矢量文件进行校正，得到高精度的研究区地图矢量文件。最后开发森林资源调查后处理软件并进行功能验证，软件的主界面如图12 所示。

森林资源调查后处理软件具有双星座数据及地图文件的加载显示、地图基本操作、输出保存、属性表查看、属性表更新等功能，可查看研究区整体信息；具有空间查询、属性查询、选区查询等功能，可快速查询调查区信息；具有坡度、面积、距离的量测功能，可减少外业测量的工作量、提高森林调查效率；具有统计分析、缓冲区分析功能，可高效、信息化的进行林区选址、规划等工作。功能显示如图13 所示。

图12 软件主界面

图13 软件主要功能

4 结束语

本文以北京市海淀区东升八家郊野公园针叶林区为研究区，通过卫星数据采集、算法应用、软件设计开发等环节，得到研究区BDS/GPS 双星座定位数据及森林资源调查后处理软件，并对定位精度及软件应用进行了验证。结果表明，在森林中采用BDS/GPS 双星座定位技术，可以有效提高林下定位的精度，BDS/GPS 双星座定位结果的绝对误差变化范围远小于单GPS 和单BDS，BDS/GPS 双星座定位结果的实际精度也明显优于单GPS 和单BDS。同时，配合后期开发的森林资源调查后处理软件，可提升森林资源调查和管理信息化水平。但本研究以城市绿地为研究区，地势较为平坦，林地条件较好，因此在进一步的研究中，将会选择更加复杂的森林环境条件并尝试更多系统的卫星星座组合模式。随着BDS 的日益成熟，基于BDS 的多星座卫星定位技术，必将在森林资源调查工作中发挥重要的作用。