基于GNSS RTK的广东林草生态综合监测评价研究

刘新科，黄宁辉，秦 琳，徐明锋，彭词清

(1. 广东省林业调查规划院，广东 广州 510520； 2. 广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；3. 广东岭南综合勘察设计院，广东 广州 510500)

为进一步及时全面掌握全国林草生态状况，为生态文明建设提供更加科学精准翔实的决策依据，服务林草资源监管、林长制督查以及碳达峰碳中和战略，国家林草局启动了国家林草生态综合监测评价工作。广东省林业局根据相关会议和通知要求，迅速响应积极部署，全面开展林草生态综合监测评价工作。时间紧任务重，为确保每一个数据都经得起检验和推敲，改变传统外业调查工作强度大、效率低等劣势，本文通过GNSS RTK的应用研究，重点解决林草生态综合监测中样地角点放样、电子围栏和样木定位等问题，提高了外业调查的测量精度和工作效率，提升了林草监测技术水平。

1 GNSS RTK技术

1.1 简介

GNSS(Global Navigation Satellite System)全球导航卫星系统，包括美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的全球卫星导航系统(Glonass)、欧盟的伽利略系统(Galileo)以及中国的北斗卫星导航系统(BDS)等，以及相关的增强系统，如美国的WAAS、欧洲的EGNOS和日本的MSAS等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。

RTK(Real-time Kinematic)载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分定位技术，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法。

GNSS RTK是基于全球导航卫星系统的实时动态测量技术，主要由基准网站、流动站、数据处理中心和数据通信系统组成，具有测量精度高、速度快、全天候、不需要光学通视、单点测量范围广、无累积误差等优势，广泛应用于需要高精度测量的领域，其在林业上的应用也逐渐被开展[1-2]。

1.2 工作原理

GNSS RTK技术作业原理是：将基准站接收机布设于已知/未知坐标参考点上，以连续接收所有的可视GNSS卫星信号，基准站将测量所得的站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、接收机工作状态以及卫星跟踪状态，借助无线数据链传送至流动站。流动站接收基准站传入的数据，同步观测采集GNSS卫星载波相位数据，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站与流动站相关性，得到流动站平面坐标X、Y和高程H[3-5]。

2 林草生态综合监测评价

2.1 目的任务

查清全国及各省森林、草地、湿地、荒漠等林草资源的种类、数量、质量、结构、分布，掌握年度消长动态变化情况，分析评价林草生态系统状况、功能效益以及演替规律和发展趋势。

2.2 监测方法

综合采用图斑监测、抽样监测以及校验样地调查等方法开展综合监测工作。其中森林抽样监测，林地内的样地沿用连续清查的固定样地大小和形状不变，林地外的样地采用样带、样线等抽样设计；根据前期样地位置记录描述，采用GNSS导航、引线定位和向导带路等方法进行样地定位，采集样地西南角或其他角点CGC 2000坐标值；原则上保持上次调查样地周界不变。

2.3 森林样地调查

森林样地分为复测、增设、改设、目测和放弃等5种类别，调查需完成样地复位与定位、样地周界复位与测量和样木复位与定位等工作。

1)样地复位与定位

复测样地根据前期样地位置记录描述，采用导航、引线定位和向导带路等方法，找到样地西南角或中心点；增设与改设样地根据样地西南角坐标新测设样地；对于目测样地，原则上要求在距离样地理论值最近处进行目测，并采集目测位置坐标。

2)样地周界复位与测量

复测样地原则上以原周界为准，可从西南角点或任意角点按顺时针方向进行周界复测；增设与改设样地，在样地定位后，以样地西南角点为起点，对样地按顺时针方向测设样地边界；前期不需测设边界或只测了部分周界，而本期有样木的样地，在确定西南角后，按顺时针方向测设样地边界。新设或改设样地周界闭合差要求小于0.5%，复位样地周界长误差小于1%。

3)样木复位与定位

复测样地周界复位后，对样地内的前期活立木和本次进界木进行对照复位和调查；新设、改设样地需埋设样点固定标志、测定样地内全部胸径≥5 cm样木的实际位置，并对样木进行编号和标记；对样木测定结果进行记录并绘成样木位置图。

3 GNSS RTK在森林样地中的应用

3.1 样点复位、放样

GNSS RTK的实时定位精度可以达到厘米级，且不受视线遮挡影响。进行样地复测时，可将样地样点的上期位置坐标输入RTK手簿，利用GNSS导航系统即可以迅速、精确地找到上期样点或样点定位物，确保样点复位。增设和改设样地，仅需把设计好的点位坐标输入到手簿，手持RTK按提示及指引移动，即可走到要放样点的位置，既迅速又方便，且单人操作即可。

3.2 样地周界测量

广东省森林样地为正方形，样地周界按西南—西北(0°)、西北—东北(90°)、东北—东南(180°)、东南—西南(270°)的顺序进行闭合导线测量，形成一个边长为25.82 m，面积为667 m2的正方形样地(图1)。样地周界测量分别有复测样地周界测量和新设样地周界测量两种。

图1 正方形样地示意图Fig.1 Schematic diagram of square plot

1)复测样地的周界测量

在找到一个角桩后，根据角桩坐标先在RTK手簿上生成一个标准样地，在标准样地角点周边寻找上期设立的其他角桩，然后用RTK测定寻找到的角桩坐标，并在手簿上进行4点连线，最后直接求算样地周界长。若周界周长误差大于1%，则须修正前期存在偏差的角桩并记录修正值。

2)新设样地的周界测量

将新样地西南角坐标值直接输入RTK手簿，手簿会按样地标准直接生成一个标准样地及其他3个角点的坐标，且闭合差为5～10 cm，精度远远高于调查要求的精度。

3.3 电子围栏

样地及样地角点确定后，传统做法是对四条边界进行砍障，并对边界木进行削皮或者用绳子将4个角点围起来设置物理围栏，然后进行样木调查。该方法劳动强度高且会破坏森林资源。利用GNSS RTK可以在RTK手簿中连接样地的4个角点，直接形成虚拟电子围栏，接着对样木进行定位测量获取样木位置坐标，最后快速准确判断样木是在界内还是界外。电子围栏的布设，使边界木的判断和测量更加方便和准确。

3.4 样木定位

样木定位一般以样地中心为定位点架设罗盘仪，并按顺时针方向对样地内活立木逐株测定方位角，然后利用卷尺量测样木距离。该方法繁琐且效率低。利用GNSS RTK则可以对每株样木进行精准定位，并根据样木坐标快速准确计算出样木相对于中心点的方位角和水平距离，直观地反映出样木与样地4个角点的空间位置(图2)。

图2 样木位置示意图Fig.2 Schematic diagram of sample wood position

4 应用成效

4.1 提高定位精度

传统的森林样地调查是利用森林罗盘仪和卷尺等工具进行测量。山区样地由于受地形复杂、坡度陡峭、视线不好等因素影响，样地周界测设的精度常常不高；当样木距离中心点较远时，通常用估算的方法来确定，使得样木方位角和水平距离的测量精度不高。GNSS RTK的应用则较好地发挥了其定位准、测速快、范围广等特点，厘米级精度远远高于调查要求，大大提高了样地测设和样木位置的精度。

4.2 提升工作效率

在山区，样点放样、样地周界测设难度大，样地边界砍障清理劳动强度高，样木定位任务繁重。采用GNSS RTK技术可快速精准定位并自动生成“电子围栏”，其放样及样地周界测设全程仅需几分钟，同时可准确判定界内、界外木；样木每株定位只需几秒钟，不仅采集样木坐标还可直接计算出任意样地角点或中心点到样木的距离和方位角，大幅提高了作业速度，降低了劳动强度。初步估计，使用GNSS RTK技术比传统做法在样地中的作业时间至少节省1/2。

5 结语

目前，GNSS RTK技术在国土、房产、交通、电力等行业的测量工程中已得到广泛应用，但在林业测量方面的应用还不深入，通过在广东林草生态综合监测评价中使用该技术证明，与常规调查方法相比，利用GNSS RTK既提高了调查精度又降低了劳动强度，还极大地提高了工作效率，节约了用工成本，值得推广使用。随着我国北斗导航定位系统的建设及其与其他导航定位系统的组合应用，GNSS RTK必将更好地服务于林草资源调查规划。