李建德,解雅麟,馮 亮,張致銘,雷相東

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心,河北 廊坊 065000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心,北京 100055；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所,北京 100091)

全國森林資源調(diào)查,也稱森林資源連續(xù)清查(以下簡稱“連清”),是一項重大的基礎(chǔ)性自然資源調(diào)查工作,是以省(直轄市、自治區(qū))為單位,利用固定樣地進(jìn)行定期復(fù)查,旨在掌握宏觀森林資源現(xiàn)狀與動態(tài)變化,是全國森林資源與生態(tài)狀況綜合監(jiān)測體系的重要組成部分。為保證連清體系的系統(tǒng)性和連續(xù)性,連清固定樣地的定位與復(fù)位顯得尤為重要。從最初靠調(diào)查人員記憶或羅盤儀引點引線進(jìn)行樣地定位復(fù)位,到全面應(yīng)用GPS定位系統(tǒng),再到部分省(市)嘗試應(yīng)用RTK定位技術(shù),樣地定位精度和復(fù)位率不斷提升,但仍然存在定位偏差大、抗干擾能力弱、覆蓋范圍有限等問題。

由于星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、對流層和電離層延遲等誤差影響,單純的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已無法滿足目前各方面高精度定位需求[1]。隨著定位技術(shù)不斷發(fā)展,星站差分定位以其高精度、范圍廣、抗干擾等優(yōu)點成為多個國家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要配套設(shè)施,并廣泛用于農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、土地調(diào)查、海上定位等領(lǐng)域[2-3]。目前,全球發(fā)展并廣泛應(yīng)用的星站差分定位系統(tǒng)有Navcom公司的Starfire系統(tǒng)、Fugro公司的OminiStar系統(tǒng)、Subcea7公司的Veripos系統(tǒng)[4]。作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分,我國的北斗星基增強系統(tǒng)(Bei Dou Satellite-based Augmentation System,BDSBAS)按照國際民航標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計、試驗與建設(shè),利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星和通訊鏈路,向中國以及周邊地區(qū)播發(fā)差分定位改正信息。目前，已完成系統(tǒng)實施方案論證,固化了系統(tǒng)在下一代雙頻多星座SBAS標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)狀態(tài),這進(jìn)一步鞏固了BDSBAS作為星基增強服務(wù)供應(yīng)商的地位。

在2020年度開展的新一輪全國森林資源調(diào)查工作中,各省市將星站差分定位應(yīng)用于固定樣地調(diào)查,取得了顯著成效。本文結(jié)合2020年度湖北省森林資源調(diào)查數(shù)據(jù),對星站差分定位的應(yīng)用效果進(jìn)行了實證分析,以期為該定位方法能夠在森林資源調(diào)查中更廣泛更深入地應(yīng)用提供參考。

1 星站差分定位原理

基于衛(wèi)星實時差分的高精度單點定位(以下統(tǒng)稱為星站差分定位),依靠的是星基增強系統(tǒng),也叫廣域差分增強系統(tǒng),英文名SBAS(Satellite-Based Augmentation System),通過地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛(wèi)星搭載衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器,可以向用戶播發(fā)星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、對流層延遲、電離層延遲等多種修正信息,實現(xiàn)對于原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)[5-6]。

SBAS主要由地面部分、空間部分、用戶部分和支持系統(tǒng)4部分組成,其中空間部分由地球同步衛(wèi)星組成,地面部分包括基準(zhǔn)監(jiān)測站、數(shù)據(jù)處理站、注入站和通信網(wǎng)絡(luò),用戶部分由能夠接收SBAS信號的接收機構(gòu)成[7]。SBAS系統(tǒng)工作原理和基本架構(gòu)如圖1所示,主要包括五大工作流程(圖2)。

圖1 星基增強系統(tǒng)工作原理

圖2 星基增強系統(tǒng)五大流程

2 以往連清樣地定位復(fù)位方法

在沒有衛(wèi)星定位技術(shù)之前,連清樣地位置是以樣地附近明顯地形地物為引點,用羅盤儀測量引線進(jìn)行定位。樣地復(fù)位主要根據(jù)上期使用的樣地定位地形圖、樣地引點位置圖、樣地尋找途徑標(biāo)記說明等,以及上期向?qū)Щ蛘{(diào)查人員憑記憶直接尋找樣地位置；或根據(jù)上次調(diào)查記錄的引點和引線測站、方位角、距離等使用羅盤儀逐站復(fù)核查找[8-9]。顯然,在平原林區(qū)、人煙稀少、地形復(fù)雜等缺少明顯地物標(biāo)志的區(qū)域,以及通視狀況較差的林區(qū),這種樣地定位復(fù)位方法困難且工作量大、偏差大,加之地形圖比例尺小、誤差大,而憑借記憶直接尋找又缺乏森林資源清查的連續(xù)性和嚴(yán)謹(jǐn)性,固定樣地定位復(fù)位難度大、效率低、復(fù)位率低。

為提高樣地定位準(zhǔn)確性和樣地復(fù)位率,從1999年第五次全國森林資源調(diào)查開始,各省樣地復(fù)查普遍開始使用GPS(Global Positioning System)定位,并取得顯著成效。GPS直接應(yīng)用樣地定位,有效地解決了引點、引線測量樣地定位誤差大及后期樣地復(fù)位難等問題,提高了樣地復(fù)位率；另外,GPS可以記錄調(diào)查人員開展固定樣地外業(yè)調(diào)查的往返軌跡,不僅可以有效地對外業(yè)調(diào)查進(jìn)行監(jiān)督管理,還能輔助引導(dǎo)調(diào)查人員安全返回,防止迷失,并為后期樣地復(fù)查提供有效路線[10]。但在山區(qū)溝谷密林中,GPS容易受地形地物密林影響,造成接收信號差、定位精度低,誤差甚至達(dá)10～50m不等。如此大的偏差讓后期樣地復(fù)位依然困難重重。另外GPS抗干擾能力差,定位數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定所需時間長,這些也影響著森林資源外業(yè)調(diào)查定位精度和工作效率。

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的迅猛發(fā)展,載波相位實時動態(tài)差分測量(Real Time Kinematic,RTK)技術(shù)開始逐步在森林資源連續(xù)清查工作中應(yīng)用。RTK技術(shù)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的結(jié)合,通過計算兩個測站的載波相位觀測值,即將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機,進(jìn)行實時求差解算以獲得亞米級高精度定位坐標(biāo)。RTK技術(shù)以其實時、高效、高精度的優(yōu)點,在全國森林資源調(diào)查中不僅可以用于樣地定位復(fù)位、軌跡采集,在山東省第七次、第八次森林資源連續(xù)清查中,還被用于樣地周界測設(shè)和樣木定位,極大地節(jié)省了外業(yè)調(diào)查時間,提高工作效率[11-12]。但RTK定位依賴基準(zhǔn)站組建的控制網(wǎng),以及電臺或公網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊,因此,受區(qū)域和距離限制,覆蓋范圍有限,這極大地限制了RTK在全國森林資源調(diào)查中的普及和應(yīng)用[13]。

3 星站差分定位在全國森林資源調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 星站差分定位在森林資源調(diào)查中的主要應(yīng)用

為準(zhǔn)確查清全國及各省(區(qū)、市)森林資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù),以便為自然資源部履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)提供支撐,為生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)評價考核提供科學(xué)依據(jù),自然資源部決定2020年度開展新一輪全國森林資源調(diào)查工作,并在全國各省市全面普及使用星站差分技術(shù)。

本次全國森林資源調(diào)查選用的設(shè)備為中海達(dá)iRTK5X型高精度慣導(dǎo)RTK。iRTK5X作為配備新一代測量引擎的GNSS接收機,支持北斗三號衛(wèi)星、RTP星站差分、斷點續(xù)測、無矯正傾斜測量,內(nèi)置4G全網(wǎng)通通訊和新一代全協(xié)議電臺,部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 iRTK5X部分技術(shù)參數(shù)

星站差分定位在本次全國森林資源調(diào)查中主要應(yīng)用于:1)綜合前期調(diào)查數(shù)據(jù),根據(jù)前期樣地定位坐標(biāo),尋找樣地位置,完成樣地復(fù)位；2)對前期樣地或新設(shè)樣地位置(西南角點或中心點)、四個角樁位置直接進(jìn)行高精度定位,并記錄定位誤差；3)在樣地調(diào)查完成后,用于返程中自樣地位置開始回采航跡,直至離樣地最近的主要道路或明顯標(biāo)志位置,回采長度不小于500m。

3.2 星站差分定位實例應(yīng)用效果和優(yōu)勢

2020年度,全國森林資源調(diào)查工作由中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心負(fù)責(zé)具體實施,其中,中國地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心承擔(dān)2020年度湖北省森林資源調(diào)查任務(wù)。本文以湖北省森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)分析星站差分定位應(yīng)用的效果和優(yōu)勢。

2020年度,湖北省森林資源調(diào)查,依托國家森林資源連續(xù)清查抽樣框架,以喬木林地為主要調(diào)查對象,共布設(shè)并完成578個固定樣地(圖3)。原湖北省連清樣地為邊長25.82m的正菱形,面積為 0.066 7hm2(1畝),中心樁至四角頂點距離為18.26m(圖4)。本次需測量中心樁和四個角樁的高精度定位坐標(biāo)。除放棄樣地、遙感判讀樣地以及落入水域的樣地外,2020年度,湖北省森林資源調(diào)查共獲取569個固定樣地2 373個有效定位坐標(biāo)及誤差數(shù)據(jù)。本文通過分析定位誤差與樣地分布、樣地郁閉度,以及樣地坡度、坡位的關(guān)系,分析總結(jié)星站差分定位應(yīng)用于全國森林資源調(diào)查的優(yōu)勢。

1)定位精度高,速度快。

2020年度,湖北省森林資源調(diào)查,先后總計由12個外業(yè)調(diào)查工組完成,每個工組攜帶一套iRTK5X設(shè)備用于樣地定位復(fù)位,將獲取的569個樣地定位誤差按小組分類統(tǒng)計(表2)。表2顯示,12個工組星站差分設(shè)備的定位平均誤差,除第一組稍偏大,其他各組平均誤差主要分布于1.00～1.50m范圍內(nèi),平均值1.36m?？梢?能基本排除因工組人為因素或設(shè)備誤差對平均誤差的影響。

圖3 2020年度湖北省森林資源調(diào)查樣地分布圖

圖4 湖北省正菱形樣地

表2 各工組定位誤差統(tǒng)計

對569個樣地2 373個有效定位坐標(biāo)誤差分段分類統(tǒng)計(圖5)。坐標(biāo)誤差主要位于0.8～1.6m范圍,占比68.48%；其次有8.85%位于0.4～0.8m范圍,15.51%位于1.6～2.0m范圍?？傆嫸ㄎ蛔鴺?biāo)誤差小于2m的占比92.84%,誤差范圍2.0～6.0m的占比7.16%。可見，星站差分定位應(yīng)用于全國森林資源調(diào)查,定位精度高且穩(wěn)定。另據(jù)各工組對外業(yè)調(diào)查中iRTK5X星站差分定位使用情況的反饋可知,設(shè)備初始化時間小于10s,且普遍在1min內(nèi)即可實現(xiàn)鎖定并獲取固定解,定位速度快且效率高。

圖5 定位誤差分段統(tǒng)計

2)覆蓋范圍廣,不受距離和區(qū)域限制。

星站差分定位不需要建立基準(zhǔn)站和組建控制網(wǎng),不依賴電臺、公網(wǎng)等數(shù)據(jù)通訊,直接接收地球同步衛(wèi)星播發(fā)的修正信息,因此,具有更廣泛的作業(yè)范圍和使用場景。

2020年度的湖北省森林資源調(diào)查樣地主要分布于鄂西、鄂東山地或丘陵地區(qū),小部分樣地分布于鄂中平原湖區(qū)(圖3)。將2020年度的湖北固定樣地定位誤差按區(qū)域分類統(tǒng)計,誤差平均值按區(qū)域由大到小依次為鄂西北>鄂西南>鄂東>鄂中平原湖區(qū)(圖6)。結(jié)合湖北省整體地形,鄂西屬中高山地地形,海拔高、山形大；鄂東屬中低山或丘陵地形,海拔低,地勢較緩；鄂中為平原及少許丘陵,地形開闊平坦?？梢?無論地形、地勢、海拔如何,星站差分在湖北省全域定位精度較高,應(yīng)用范圍廣。

3)抗干擾能力強,定位精度穩(wěn)定。

森林資源外業(yè)調(diào)查過程中,定位設(shè)備精度易受溝谷、高山、密林等干擾,造成接收信號弱,定位誤差大。將2020年度的湖北省森林資源調(diào)查固定樣地定位誤差分別按樣地郁閉度、坡度、坡位分類統(tǒng)計分析(圖7—圖9),結(jié)果表明,星站差分定位誤差與樣地郁閉度、樣地坡度呈正相關(guān)(圖7,圖8),處于谷底或下坡位的樣地定位誤差要大于處于上坡位或脊部的樣地定位誤差(圖9),坡度較郁閉度和坡位對定位精度影響大。但總體而言,星站差分定位抗干擾能力較強,在郁閉度、坡度、坡位等干擾因素影響下,定位誤差基本維持在1.0～1.5m范圍內(nèi),依然保持較高且穩(wěn)定的定位精度。

圖7 定位誤差按郁閉度分類統(tǒng)計

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

圖9 定位誤差按坡位分類統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

星站差分定位在全國森林資源調(diào)查中主要應(yīng)用于樣地復(fù)位、樣地高精度定位和樣地軌跡采集。通過對比以往連清樣地定位復(fù)位方法,并結(jié)合2020年度的湖北省森林資源外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)分析可知,星站差分定位較其他方法具有定位精度高、速度快,覆蓋范圍廣、不受距離和區(qū)域限制,抗干擾能力強、定位精度穩(wěn)定等優(yōu)勢,極大地提高了樣地復(fù)位率和工作效率。

盡管星站差分定位在森林資源外業(yè)調(diào)查中具有高精度、定位快、覆蓋廣等優(yōu)點,但就目前全國森林資源調(diào)查理論、方法和操作細(xì)則中,星站差分定位僅應(yīng)用于樣地復(fù)位、定位和軌跡采集,而樣地周界測量、樣木測定等依然需要使用森林羅盤儀依據(jù)簡單地光學(xué)原理完成。如此,不僅工作效率低,而且對樣地植被會有一定破壞和影響。建議:隨著星站差分定位技術(shù)的不斷發(fā)展,可以以掌機端森林資源外業(yè)調(diào)查軟件為基礎(chǔ),實現(xiàn)星站差分定位與現(xiàn)地調(diào)查修正的人機交互模式,輔助或代替以往使用森林羅盤儀測量的方法,直接應(yīng)用于樣木定位、周界測設(shè)等更多方面,減少對樣地的人為影響,進(jìn)一步提升工作效率,減少野外作業(yè)時間。