RTK技术在森林资源连续清查中的应用

2021-03-22孙运文贾平秀时昊阳

智慧农业导刊 2021年21期

孙运文，徐军，贾平秀，时昊阳

（泰安市泰山风景名胜区管理委员会，山东泰安 271000）

RTK技术全称为Real-Time kinematic，是一种高效率处理2个测站载波相位观测值的差分定位方法，可以在数秒内达到厘米级精度，兼具高精度、高效率、高可靠性优势。近几年，RTK技术在林业方面的应用得到了从业者的关注，特别是在森林资源连续清查中。因此，探究RTK技术在森林资源连续清查中的应用具有非常重要的意义。

1 森林资源连续清查的内容

森林资源连续清查是一项可进行对比的森林调查，即每间隔一定时期面对同一个对象多次开展可对比的调查。数理统计连续抽样技术、固定样地是森林资源连续清查的基础，包括设置固定样地、样地外业调查、样地内业计算与分析几个环节。一般在森林资源连续清查过程中，需要以资源状态为依据进行样地面积、数量的确定。根据所获得的面积与数量数据在地形图的公里网交叉点上进行样地布设。在野外，则依据设计图标定位置进行样地设置。在样地设置后，记载样地的坡向、坡度、海拔、林龄与郁闭度等数据，同时测定林木胸径与树高，并调查土壤、林木更新、林木病害与虫害情况。在外业调查介绍后，结合野外资料，利用数理统计方法，进行估计值、抽样误差计算。进而进行间隔期内森林生长量、消耗量等资源变化的分析，并以森林资源报告的形式表示。

2 RTK技术在森林资源连续清查中的应用流程

2.1 样点复位

基于RTK实时定位可达厘米级精度优势，调查人员可以在RTK流动站手簿内输入上期RTK坐标，通过GPS-RTK导航系统，精准获得上期样点、样点定位物，保证样点顺利复位[1]。同时考虑到GPS-RTK卫星星历是以WGS84坐标系为依据建立的，而森林资源连续清查工作利用坐标系为BJ54坐标系，两者之间存在旋转、平移的关系。基于此，可以进行GPS-RTK坐标与直角坐标之间的转换。即在RTK手薄内输入测绘部门提供的国家控制测绘网验证过的转换参数，将坐标系统设置为“USER”（用户自定义坐标系统），坐标格式设置为“USERGRID”（用户自定义公里网格式），同时分别将SCALE、FALSE EASTNG、FALSEORTHNG 设定为 1.00 m、500 000.00 m、0.00 m。并输入3°带或6°带投影带，完成转换。

2.2 样地周界测设

样地周界测设常用方法是基于罗盘仪与皮尺的闭合导线法，即依据前期设定的坐标方位角以及水平距离，从样点出发顺时针测设样地四条边，工作量较大。特别是在固定样地坡度超出5°时，地形复杂，通视条件差，需要根据坡度进行样地边长改算并控制新设样的闭合差在±0.52 m内，样地周界测设难度较大，完成时间在4 h到5 h之间，且无法保证精度。基于此，可以利用RTK技术，将寻找的样点坐标输入RTK流动站手簿。以样点为基础输入固定样地其他角点坐标，规避通视条件、坡度的干扰，数分钟内即可获得一个以样点为交点、边长一定的图形并在RTK流动站手簿内显示[2]。

2.2.1 常规方法

在林分郁闭度较低的矩形样地四角位置测设时，可以选择RTK直接放样法或RTK辅助定位法。前者主要是使用ArcGIS、Goole Earth软件，结合森林地形图、资源分布图，进行样地位置、大小、形状等属性信息的设计，并将规划完毕的样地四角坐标输入RTK流动站手簿。输入后，可以直接利用手簿自带的“点放样”工具寻找4点位置。寻找4点位置后，利用直线连接，确定目标样地周界。

RTK辅助定位法主要是根据森林资源连续清查目的确定的样地目标区域合理位置确定一个点，利用手簿内自带测量工具“方位角”，将已确定的点确定为已知点，根据样地边长进行长度、边长延伸方位角设置。进而点击手簿内的“计算”按钮，获得目标点坐标。获得目标点坐标后，可以直接开展点放样。同理，可以逐一确定样地四角位置。确定固定样地四角位置后，利用直线连接，可以确定样地的位置。

此外，在测点已知的情况下，根据固定样地形状，可以利用“两角两点”“两点一角”等辅助测量方法求得目标点坐标。

2.2.2 点校验

标准的RTK技术原理是在已知控制点上架设基准站，经基准站单点定位获得测站坐标，将其与已知坐标对比后获得基准站定位误差。但是，在森林资源连续清查中，因森林资源所处环境限制，基准站向已知点上架设难度较大，未知点设置基准站情况较为普遍。此时，经基准站单点定位判定的基准站坐标与实际数值之间不可避免地存在误差。为规避上述误差问题，可以应用点校验技术，在未知点设置基准站时，利用另外1个已知坐标进行基准站坐标的求解，结合流动站在校验点上定位获知的差分改正值，获得高精度基准站坐标。差分改正值计算需要利用伪距观测值、载波相位观测值进行计算，具体如下：

考虑到森林资源连续清查耗时较长，在目标测区之后已知校验点寻找难度较大，因此，应将道路交叉点、建筑物角点等显著地物点作为校验点并设置准确标识，为后期基准站位置变更、基准站重新设置时的几何校正提供依据，确保森林资源连续清查时测得位置一致[3]。

2.3 样木定位

样木即根据数理统计原理选定测量的林木，固定样木是样木定位的主要目标，可以满足森林资源连续清查中样木的稳定性、连续性要求。在以往森林资源连续清查中，罗盘仪、皮尺或全站仪是样木定位的主要工具，调查人员需利用上述工具实地测量样点或样地其他角点、样木之间在水平方向的距离、坐标方位角，工作内容较为繁琐。尤其是在林木密度大、草本植物茂盛、地形复杂的山区，工作难度较大，每100株样木定位耗时在3～4 h之间。基于此，可以利用RTK技术厘米级定位精度优势，逐一固定样木位置，在数秒时间内完成定位工作。

2.3.1 基准站与流动站布置

以位于泰山山脉800 m海拔的油松人工林样木定位为例，调查林优势树种为油松，间杂赤松树种，林下灌木为荆条、连翘。人工林分树种结构中油松、间杂比例为9∶1，郁闭度为 0.75～0.85，平均林分年龄为 60 年，平均胸径、平均树高分别为16.5 cm、8.6 m。在样林定位时，可以选择由基准站、通讯系统、流动站组成的中海达V30 GNSSRTK系统，其定位平面精度、高程精度分别为±（10+1×10-6D） mm、±（20+1×10-6D） mm。为顺利获得基准站到流动站的精密基线向量，调查人员可以依据交通便利、周边无大面积水域、周边无大型建筑物、地势高、远离通信塔与微波站、远离高压输电线路与通讯线路、视野较开阔的原则，选择对面山坡制高点布置基准站，并在外挂电台使用的基础上将天线升高至最高。同时设置基准站接收机截止高度角、历元间隔分别为5°、5 s。

在基准站布置完毕后，经蓝牙连接流动站主机、数据采集手簿，并设定天线高度、截止高度角分别为2.0 m、5°。同时调整移动站气泡至居中位置，保持对中杆平稳[4]。移动站测点可以随机选取距离基准站750 m以上、1 500 m以内的林分，并根据需要清除测站上空幼小林木、低灌木、林木侧枝，保证信号顺利接收。

2.3.2 测量模式选择

在流动站布置完毕后，选择准动态测量、快速静态测量两种模式，前者用于在森林内进行样木快速定位，测量点位为48点。比如，在东西走向的山脊部位样木定位时，可由流动站接收机面对每一个观测站静止观测若干历元，协同基准站同步观测数据进行流动站三维坐标的实时解算；后者测量定位为45点主要是在地形复杂、林冠遮挡时，配合秒表记录获得固定解的初始化时间，保证高精度固定解的顺利获得[5]。比如，北向油松人工林覆盖的21°山坡、东北－西南向油松与灌木混杂的18°（两侧平均坡度）的沟谷等。

林分结构的决定性因素是林木的空间分布，其对林下环境、林木竞争甚至森林生态系统均具有较大影响。为尽可能减少样木绝对空间坐标误差，调查人员可从树干直径、天线影响控制入手，将流动站放置在树干一致方位，利用定位目标树号的方式进行流动站测量点名称的编辑[6]。与此同时，将树木品种、胸径等基本属性信息标注在备注栏。对于树种组成丰富、偏向随机分布的天然林空间格局，可以设定样地周界边长为100 m，利用胸径数值进行显示符号大小的定义，直观了解林木空间结构特征。

2.4 数据自动统计

在外业工作结束后，调查人员可以利用RTK技术配套软件，一键汇总调查数据，实现样地位置图、样木位置图以及调查数据的自动输出[7]。比如，在RTK流动站手簿内将外业测量数据保存为csv格式，经数据线或无线网导入计算机，利用计算机Excel软件或SPSS软件打开，获得测站点坐标、均方根误差RMS以及接收卫星数信息。

3 RTK技术在森林资源连续清查中的应用效果

3.1 应用精度

3.1.1 样地周界测设精度

以三维位置精度几何因子——PDOP为依据，衡量样地周界测设精度。在山谷、山沟、山脊等不同地形条件下，基于RTK技术的平均PDOP值分别为2.1、2.3、2.7，总体在2.1～2.7之间，平均值处于较低水平。且在PDOP小于4时，观测窗口状态良好，表明RTK技术的应用可以有效提高森林资源连续清查中样地周界测设精度。

3.1.2 样木定位精度

利用RTK技术在麻栎人工林内定位500株林木，均获得固定解。随机选择80株林木，将RTK定位结果与全站仪（或罗盘仪、皮尺）定位结果对比，得出：全站仪定位平均点位误差为0.360 m，最大点位误差为0.550 m，最小点位误差为0.100 m，60%的林木点位误差小于0.380 m；RTK定位平均点位误差为0.140 m，最大点位误差为0.350 m，最小点位误差为0.023 m，80%的林木点位误差在0.180 m以下，基本满足样木定位要求。

3.2 应用效率

在森林资源连续清查工作目标指导下，选择RTK快速静态测量模式，共调查48个测站点，其中41个测站点在20 min内达到高精度固定解，在5 min内达到固定解的测站点超过50%；在15 min内达到固定解的测站点超过80%；在20 min内达到固定解的测站点超过85%，观测效率较高。而对照定位仪测量时间均在3.0～4.0 h之间，表明RTK技术的应用，可以有效提高森林资源连续清查效率。