北斗探针在森林资源调查应用探讨

罗春林

（国家林业和草原局西南调查规划院，云南 昆明 650031）

1 问题背景

随着手机和平板电脑等电子设备的普及，森林资源调查的无纸化工作已经成为主流，但是目前常用的手机、手持GPS接收机和平板电脑内置的全球导航定位装置只能提供单点解[1]。受限于定位设备，无论是北斗定位系统还是GPS定位系统，目前单点解理论定位精度都在10m左右[2]。在某些偏远地区或者郁闭度较高的林分内部，定位精度甚至在10～20m左右。为提高森林资源调查的精度，很多工作人员应用测地型RTK进行精确定位。雷凡应用RTK-GPS定位精度高的特点，实现了林区和样地的精确测设和定位[3]。陈炳超等联合应用静态GPS、RTK、手持GPS在林区中进行定位达到优势互补，提高了定位精度和工作效率[4]。

测地型GNNS接收机也经常被简称为RTK，定位精度高，固定解下水平误差往往不会超过5 cm，但是此类设备在林业应用有几个缺点。首先是价格较高，如目前使用较多的测地型GNNS接收机，价格普遍在1.5万元以上，且每年还需要支付4000元的千寻FindCM账号服务费，一台测地型GNNS接收机，应用成本普遍在2～5万之间。其次是很多林业野外调查工作，携带测地型GNNS接收机多有不便，需要同时携带GNNS接收机、UHF天线、手簿主机、对中杆等，另外还需要携带外业数据采集设备，如平板电脑、移动电源等。森林资源调查工作往往行走于密林小路，同时携带过多设备，既不方便，也不利于工作开展。测地型GNNS接收机定位误差往往在0.05m以内，常规森林资源调查并不需要那么高的精度，手机或平板电脑的单点定位精度有时又满足不了要求。因此，探索一种定位精度较高、便携性好且价格低廉的RTK定位设备用于森林资源调查是有必要的。

2 解决方案

针对手机、平板电脑定位精度偏低，而测地型GNNS接收机价格高昂，林业调查有所不便的特点，工作过程中尝试从测绘行业借鉴解决方案。测绘行业的高精度定位技术发展水平要高于林业，已经发展出了很多灵巧的高精度定位方法。目前测绘行业常用于野外调查的高精度定位方案主要有以下3种。

一是前面所述的测地型GNNS接收机（即RTK），通过移动网络连接到cors基站或自行架设的基站，定位精度很高[5]，但应用成本也较高。二是手持RTK终端，这种终端设备大小如同一个手机，需要移动网络连接到cors基站，通过差分定位，标称精度也可以达到厘米级，较为常见的设备有高精度手持RTK终端，目前已经较广泛地应用于电力巡检，电力杆塔，电缆井测量，国土执法，警务执法，园林绿化等行业，设备购买价格在4000～7000元之间，每年需要另外支付4000元左右的千寻服务费用。三是更为小巧的RTK接收机－北斗探针，形状大小如同一个U盘，非常便于携带，需要连接到手机或平板电脑才能定位，但是定位精度要比前面两种方案更低一些，目前这种设备有北斗探针1600、北斗探针2620等，价格在1000元左右，有五年的免费千寻账号使用期限。

经对比分析，第1种方案定位精度最高，但价格高昂，且携带不便；第2种方案定位精度略低于第一种，标称精度也能达到厘米级，应用成本仍然不低；第3种方案价格最低，只有1000元左右，但定位精度最低，精度只有亚米级，但其形状小巧，形状大小如同一个U盘，携带非常方便，3种方案的对比如表1所示。

表1 3种方案比对Table 1 Comparison of three schemes

对于方案1，需要携带对应的设备有手簿、移动站、对中杆，某些情况下甚至需要架设基站；方案2将RTK定位芯片内嵌在生产厂商生产的移动终端，性能受平板终端限制；方案3只是将类似于U盘的定位终端通过TypeC充电口连接到手机或平板电脑，由手机或平板电脑进行供电，定位信息通过TypeC接口传回手机或平板电脑。3种方案如图1所示，图1由左至右分别是测地型GNNS接收机，手持RTK终端，北斗探针。

图1 GNNS设备对比Figure 1 GNNS device compare

方案1价格较高，每年需要支付cors账号服务费；方案2设备价格不算太高，但每年仍然需要支付cors账号服务费才能有高精度定位；方案3价格最低，只有千元左右，定位精度也只达到亚米级，但对于大多数森林资源调查工作来说，现有的亚米级定位精度已经够用，因此研究过程中采用第三种（即北斗探针）定位方案进行验证。在实验过程中，用北斗探针1600进行验证，验证设备在森林资源调查监测工作的实际效果。

3 实地验证

北斗探针是测绘行业最近一年出现的便携式RTK接收机，因林业调查多位于林分郁闭度较高的林分，实际效果有待在森林资源调查验证。为测试设备的实际应用效果，研究过程采用北斗探针1600进行验证，并用一台经过校验的合众思壮G960测地型GNNS接收机，用于精度的对比测试。G960接收机连接千寻FindCM后，固定解模式下，水平误差在0.05 cm以内，高程误差在0.1 m以内。G960接收机采用主机网络连接到千寻FindCM获取坐标解算信息，北斗探针用手机网络连接到千寻FindM Pro。在真实应用环境中，选取了18个林木郁闭度不同的点位进行验证，验证地点位于云南省昆明市，中央经线105度，共采集18批点位坐标，每个点位间隔一定时间采集2个以上坐标值，分别用测地型GNSS接收机和北斗探针在同一位置上采点，采集的点存储在外业数据采集软件，并由软件导出。采集的坐标结果如表2所示（因RTK采集的坐标为精确位置信息，表2隐藏中间2位数字）。

表2 北斗探针与G960测量坐标对比Table 2 Comparison of measurement coordinates between beidou probe and G960

由表2可以发现，G960接收机定位解算状态普遍在北斗探针之上，毕竟测地型GNNS接收机在物理构造上要远比北斗探针复杂。在较高郁闭度的林分内部，G960的定位精度不是很理想，第14、15号点，林分郁闭度在0.8时，G960只有浮点解和差分解，但是大多数点位G960精度都在北斗探针之上，但两者的定位偏差，无论从水平方向还是垂直方向，都没有超过2.3m。各个点位上采集的坐标误差及卫星信号情况如表3所示。

表3 北斗探针与G960测量精度及搜寻卫星数对比Table 3 Comparison of accuracy and search satellites between beidou probe and G960

从表3可以看到，林木郁闭度越高，G960接收机的精度也越低。按正常理论推算，北斗探针解算卫星数量应该比测地型GNNS接收机更少，但验证过程中发现 15、18号点，北斗探针获取的解算卫星数还更多，而且精度上和G960精度相差并不太多。出现这个问题的原因应该是采点时G960接收机用的是内置移动网络传输解算数据到cors站；而北斗探针连接在手机上，通过手机的电信网络传输解算数据到cors站，在测量时网络信号更好，传输解算数据效果稍好。

4 验证结果

由表2、表3可以看到，在不同的林分郁闭度下，北斗探针接收信号有固定解、浮点解2种状态，固定解模式下与测地型GNNS接收机偏差在0.2～0.5m，浮点解定位多数偏差在0.5～1.5m之间，在林分郁闭度较高的情况下与测地型GNSS接收机偏差可达2.3m以内。只要有手机信号，即使在郁闭度较高的情况下北斗探针也有浮点解，定位精度与G960接收机相比，大多数测点的坐标差值都在1 m以内，没有出现水平定位偏差超过2.3 m的情况，高程定位偏差也在2.3m以内。验证过程中发现，林分郁闭度较高的情况下，测地线型GNNS接收机定位精度下降，但北斗探针定位精度维持在较为稳定的状态。对于林业的常规调查工作（如森林督查、珍稀植物调查、建设项目使用林地等）来说，北斗探针精度远比手机、平板电脑内置的定位装置高，能满足林业常规调查工作需要。

在验证过程中，也发现了北斗探针的一个问题，北斗探针需要平板电脑或手机保持网络连接，如果手机或平板在某一个时间点未连接网络，北斗探针将会断开与cors站连接，解算状态变为单点解，直至手动重启探针连接才会更新到浮点解、固定解。这对林业调查时很不利的，林业调查经常会遇到缺少网络连接的环境。开发的“森林资源变化图斑现地复核软件”针对这个问题做了修正。

5 北斗探针扩展开发

北斗探针支持模拟定位，可以将林业调查常用的奥维互动地图、百度地图等第三方软件，通过模拟定位的方式，获取较高精度定位信息。第三方应用虽然可以通过模拟定位的方式获取北斗探针的较高精度位置信息，但是需要网络一直保持连接，否则无法获取高精度定位信息，而野外的林业调查显然是无法保证一直有网络连接的，因此第三方软件模拟定位获取高精度位置信息的方式不是很可靠。

北斗探针也有专门的SDK开发包，可以内嵌在开发的软件中。目前林业常用的野外调查软件，绝大部分都利用Android平台实现[6-7]。为方便野外调查使用，研究过程利用SDK开发包，应用Android Studio和Java程序设计语言，将北斗探针RTK定位功能内嵌在自主研发的“森林资源变化图斑现地复核软件”，让森林资源野外调查更加精准。针对验证过程中发现的一些硬件兼容性问题，在开发的app软件里面进行了修正。内嵌在app的软件运行效果如图2所示。

图2 内嵌北斗探针的appFigure 2 App with beidou probe

6 结论与讨论

应用北斗探针和测地型GNNS接收机进行野外实地对比勘测，验证了北斗探针在林业调查应用的有效性。验证结果表明，大多数情况下，北斗探针与测地型GNNS接收机水平偏差都在1 m以内，即使在林木郁闭度较高的情况下，北斗探针精度与测定型GNNS接收的偏差也在2.3 m以内，可以满足森林督查、林政执法检查、古树名木调查、建设项目使用林地调查、有害生物调查等常规的林业调查工作需要。但类似于自然保护地勘界等需要较高精度的测绘工作，此类工作对水平方向点位中误差要求不超过2 m，北斗探针目前的精度仍需要进一步的验证。

在验证过程中，没有对手机、平板电脑内置的导航装置进行对比测试，原因是不同的设备，定位精度偏差较大，没有可比性。本次验证工作过程中，仍有以下几个不足。一是因实验条件所限，验证精度的点位地形条件较为良好，对于地形条件较为复杂的滇西北、滇东北等偏远山区仍待验证，后期仍然需要对复杂地形条件下的定位精度进行比对。二是实验地区大多处于有3G、4G网络的环境，未验证缺乏良好网络下的北斗探针运行稳定性。三是验证的产品有限，北斗探针1600在没有网络的状态下无法获取定位信息，北斗探针2620可以在缺乏网络的状态下获取单点解，因条件所限，本次只验证了北斗探针1600，更广泛的验证建议采用多个探针设备，对比验证设备的有效性。