星站差分定位在全国森林资源调查中的应用

李建德,解雅麟,冯 亮,张致铭,雷相东

(1.中国地质调查局地球物理调查中心,河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心,北京 100055；3.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091)

全国森林资源调查,也称森林资源连续清查(以下简称“连清”),是一项重大的基础性自然资源调查工作,是以省(直辖市、自治区)为单位,利用固定样地进行定期复查,旨在掌握宏观森林资源现状与动态变化,是全国森林资源与生态状况综合监测体系的重要组成部分。为保证连清体系的系统性和连续性,连清固定样地的定位与复位显得尤为重要。从最初靠调查人员记忆或罗盘仪引点引线进行样地定位复位,到全面应用GPS定位系统,再到部分省(市)尝试应用RTK定位技术,样地定位精度和复位率不断提升,但仍然存在定位偏差大、抗干扰能力弱、覆盖范围有限等问题。

由于星历误差、卫星钟差、对流层和电离层延迟等误差影响,单纯的卫星导航系统已无法满足目前各方面高精度定位需求[1]。随着定位技术不断发展,星站差分定位以其高精度、范围广、抗干扰等优点成为多个国家卫星导航系统的重要配套设施,并广泛用于农业、采矿业、土地调查、海上定位等领域[2-3]。目前,全球发展并广泛应用的星站差分定位系统有Navcom公司的Starfire系统、Fugro公司的OminiStar系统、Subcea7公司的Veripos系统[4]。作为北斗卫星导航系统的重要组成部分,我国的北斗星基增强系统(Bei Dou Satellite-based Augmentation System,BDSBAS)按照国际民航标准开展设计、试验与建设,利用北斗卫星系统的GEO卫星和通讯链路,向中国以及周边地区播发差分定位改正信息。目前，已完成系统实施方案论证,固化了系统在下一代双频多星座SBAS标准中的技术状态,这进一步巩固了BDSBAS作为星基增强服务供应商的地位。

在2020年度开展的新一轮全国森林资源调查工作中,各省市将星站差分定位应用于固定样地调查,取得了显著成效。本文结合2020年度湖北省森林资源调查数据,对星站差分定位的应用效果进行了实证分析,以期为该定位方法能够在森林资源调查中更广泛更深入地应用提供参考。

1 星站差分定位原理

基于卫星实时差分的高精度单点定位(以下统称为星站差分定位),依靠的是星基增强系统,也叫广域差分增强系统,英文名SBAS(Satellite-Based Augmentation System),通过地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星搭载卫星导航增强信号转发器,可以向用户播发星历误差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟等多种修正信息,实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进[5-6]。

SBAS主要由地面部分、空间部分、用户部分和支持系统4部分组成,其中空间部分由地球同步卫星组成,地面部分包括基准监测站、数据处理站、注入站和通信网络,用户部分由能够接收SBAS信号的接收机构成[7]。SBAS系统工作原理和基本架构如图1所示,主要包括五大工作流程(图2)。

图1 星基增强系统工作原理

图2 星基增强系统五大流程

2 以往连清样地定位复位方法

在没有卫星定位技术之前,连清样地位置是以样地附近明显地形地物为引点,用罗盘仪测量引线进行定位。样地复位主要根据上期使用的样地定位地形图、样地引点位置图、样地寻找途径标记说明等,以及上期向导或调查人员凭记忆直接寻找样地位置；或根据上次调查记录的引点和引线测站、方位角、距离等使用罗盘仪逐站复核查找[8-9]。显然,在平原林区、人烟稀少、地形复杂等缺少明显地物标志的区域,以及通视状况较差的林区,这种样地定位复位方法困难且工作量大、偏差大,加之地形图比例尺小、误差大,而凭借记忆直接寻找又缺乏森林资源清查的连续性和严谨性,固定样地定位复位难度大、效率低、复位率低。

为提高样地定位准确性和样地复位率,从1999年第五次全国森林资源调查开始,各省样地复查普遍开始使用GPS(Global Positioning System)定位,并取得显著成效。GPS直接应用样地定位,有效地解决了引点、引线测量样地定位误差大及后期样地复位难等问题,提高了样地复位率；另外,GPS可以记录调查人员开展固定样地外业调查的往返轨迹,不仅可以有效地对外业调查进行监督管理,还能辅助引导调查人员安全返回,防止迷失,并为后期样地复查提供有效路线[10]。但在山区沟谷密林中,GPS容易受地形地物密林影响,造成接收信号差、定位精度低,误差甚至达10～50m不等。如此大的偏差让后期样地复位依然困难重重。另外GPS抗干扰能力差,定位数据趋于稳定所需时间长,这些也影响着森林资源外业调查定位精度和工作效率。

随着卫星定位技术的迅猛发展,载波相位实时动态差分测量(Real Time Kinematic,RTK)技术开始逐步在森林资源连续清查工作中应用。RTK技术是GPS测量技术与数据通讯技术的结合,通过计算两个测站的载波相位观测值,即将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行实时求差解算以获得亚米级高精度定位坐标。RTK技术以其实时、高效、高精度的优点,在全国森林资源调查中不仅可以用于样地定位复位、轨迹采集,在山东省第七次、第八次森林资源连续清查中,还被用于样地周界测设和样木定位,极大地节省了外业调查时间,提高工作效率[11-12]。但RTK定位依赖基准站组建的控制网,以及电台或公网的数据通讯,因此,受区域和距离限制,覆盖范围有限,这极大地限制了RTK在全国森林资源调查中的普及和应用[13]。

3 星站差分定位在全国森林资源调查中的应用

3.1 星站差分定位在森林资源调查中的主要应用

为准确查清全国及各省(区、市)森林资源现状数据,以便为自然资源部履行“两统一”职责提供支撑,为生态文明建设目标评价考核提供科学依据,自然资源部决定2020年度开展新一轮全国森林资源调查工作,并在全国各省市全面普及使用星站差分技术。

本次全国森林资源调查选用的设备为中海达iRTK5X型高精度惯导RTK。iRTK5X作为配备新一代测量引擎的GNSS接收机,支持北斗三号卫星、RTP星站差分、断点续测、无矫正倾斜测量,内置4G全网通通讯和新一代全协议电台,部分技术参数如表1所示。

表1 iRTK5X部分技术参数

星站差分定位在本次全国森林资源调查中主要应用于:1)综合前期调查数据,根据前期样地定位坐标,寻找样地位置,完成样地复位；2)对前期样地或新设样地位置(西南角点或中心点)、四个角桩位置直接进行高精度定位,并记录定位误差；3)在样地调查完成后,用于返程中自样地位置开始回采航迹,直至离样地最近的主要道路或明显标志位置,回采长度不小于500m。

3.2 星站差分定位实例应用效果和优势

2020年度,全国森林资源调查工作由中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心负责具体实施,其中,中国地质调查局地球物理调查中心承担2020年度湖北省森林资源调查任务。本文以湖北省森林资源调查数据分析星站差分定位应用的效果和优势。

2020年度,湖北省森林资源调查,依托国家森林资源连续清查抽样框架,以乔木林地为主要调查对象,共布设并完成578个固定样地(图3)。原湖北省连清样地为边长25.82m的正菱形,面积为 0.066 7hm2(1亩),中心桩至四角顶点距离为18.26m(图4)。本次需测量中心桩和四个角桩的高精度定位坐标。除放弃样地、遥感判读样地以及落入水域的样地外,2020年度,湖北省森林资源调查共获取569个固定样地2 373个有效定位坐标及误差数据。本文通过分析定位误差与样地分布、样地郁闭度,以及样地坡度、坡位的关系,分析总结星站差分定位应用于全国森林资源调查的优势。

1)定位精度高,速度快。

2020年度,湖北省森林资源调查,先后总计由12个外业调查工组完成,每个工组携带一套iRTK5X设备用于样地定位复位,将获取的569个样地定位误差按小组分类统计(表2)。表2显示,12个工组星站差分设备的定位平均误差,除第一组稍偏大,其他各组平均误差主要分布于1.00～1.50m范围内,平均值1.36m。可见,能基本排除因工组人为因素或设备误差对平均误差的影响。

图3 2020年度湖北省森林资源调查样地分布图

图4 湖北省正菱形样地

表2 各工组定位误差统计

对569个样地2 373个有效定位坐标误差分段分类统计(图5)。坐标误差主要位于0.8～1.6m范围,占比68.48%；其次有8.85%位于0.4～0.8m范围,15.51%位于1.6～2.0m范围。总计定位坐标误差小于2m的占比92.84%,误差范围2.0～6.0m的占比7.16%。可见，星站差分定位应用于全国森林资源调查,定位精度高且稳定。另据各工组对外业调查中iRTK5X星站差分定位使用情况的反馈可知,设备初始化时间小于10s,且普遍在1min内即可实现锁定并获取固定解,定位速度快且效率高。

图5 定位误差分段统计

2)覆盖范围广,不受距离和区域限制。

星站差分定位不需要建立基准站和组建控制网,不依赖电台、公网等数据通讯,直接接收地球同步卫星播发的修正信息,因此,具有更广泛的作业范围和使用场景。

2020年度的湖北省森林资源调查样地主要分布于鄂西、鄂东山地或丘陵地区,小部分样地分布于鄂中平原湖区(图3)。将2020年度的湖北固定样地定位误差按区域分类统计,误差平均值按区域由大到小依次为鄂西北>鄂西南>鄂东>鄂中平原湖区(图6)。结合湖北省整体地形,鄂西属中高山地地形,海拔高、山形大；鄂东属中低山或丘陵地形,海拔低,地势较缓；鄂中为平原及少许丘陵,地形开阔平坦。可见,无论地形、地势、海拔如何,星站差分在湖北省全域定位精度较高,应用范围广。

3)抗干扰能力强,定位精度稳定。

森林资源外业调查过程中,定位设备精度易受沟谷、高山、密林等干扰,造成接收信号弱,定位误差大。将2020年度的湖北省森林资源调查固定样地定位误差分别按样地郁闭度、坡度、坡位分类统计分析(图7—图9),结果表明,星站差分定位误差与样地郁闭度、样地坡度呈正相关(图7,图8),处于谷底或下坡位的样地定位误差要大于处于上坡位或脊部的样地定位误差(图9),坡度较郁闭度和坡位对定位精度影响大。但总体而言,星站差分定位抗干扰能力较强,在郁闭度、坡度、坡位等干扰因素影响下,定位误差基本维持在1.0～1.5m范围内,依然保持较高且稳定的定位精度。

图7 定位误差按郁闭度分类统计

注:平坡<5°；缓坡 5°～15°；斜坡 15°～25°；陡坡 25°～35°；急坡 35°～45°；险坡 ≥45°。

图9 定位误差按坡位分类统计

4 结论与讨论

星站差分定位在全国森林资源调查中主要应用于样地复位、样地高精度定位和样地轨迹采集。通过对比以往连清样地定位复位方法,并结合2020年度的湖北省森林资源外业调查数据分析可知,星站差分定位较其他方法具有定位精度高、速度快,覆盖范围广、不受距离和区域限制,抗干扰能力强、定位精度稳定等优势,极大地提高了样地复位率和工作效率。

尽管星站差分定位在森林资源外业调查中具有高精度、定位快、覆盖广等优点,但就目前全国森林资源调查理论、方法和操作细则中,星站差分定位仅应用于样地复位、定位和轨迹采集,而样地周界测量、样木测定等依然需要使用森林罗盘仪依据简单地光学原理完成。如此,不仅工作效率低,而且对样地植被会有一定破坏和影响。建议:随着星站差分定位技术的不断发展,可以以掌机端森林资源外业调查软件为基础,实现星站差分定位与现地调查修正的人机交互模式,辅助或代替以往使用森林罗盘仪测量的方法,直接应用于样木定位、周界测设等更多方面,减少对样地的人为影响,进一步提升工作效率,减少野外作业时间。