BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用

劉 通，徐藜丹，閆 飛

(1.北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083；2.南寧林業(yè)和園林信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530000；3.北京林業(yè)大學(xué) 水保學(xué)院，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083）

0 引言

現(xiàn)階段我國森林總面積達(dá)到了2.08 億ha，森林資源分布廣泛、森林地勢(shì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致林業(yè)人員進(jìn)行林業(yè)工作任務(wù)繁重[1]，每年都需要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力對(duì)森林資源進(jìn)行調(diào)查管理。為提高調(diào)查管理精度與效率，需要在森林資源調(diào)查管理中引入新技術(shù)。

將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用到森林資源調(diào)查管理中，可以在森林資源的調(diào)查、決策、防火等方面取得良好的效果[2]。其中，美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system,BDS）在我國林業(yè)應(yīng)用中占據(jù)很大的市場(chǎng)[3]。但由于受多路徑效應(yīng)、地形、樹冠等各種因素的影響[4]，使用單導(dǎo)航定位系統(tǒng)常常伴有精度差的問題[5]。因此有學(xué)者提出了BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)，該技術(shù)在GPS 的基礎(chǔ)上，結(jié)合了BDS 的信號(hào)增強(qiáng)功能及通信功能[6]，使其可以通過提高衛(wèi)星可見性數(shù)目，構(gòu)成更好的衛(wèi)星分布來提高定位的精確度[7]。同時(shí)在復(fù)雜環(huán)境下，若在GPS 接收信號(hào)遇到干擾或者限制，雙星座定位系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切換到BDS 模式繼續(xù)工作，可以連續(xù)正常地向各用戶提供導(dǎo)航定位服務(wù)[8]。因此，將BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)應(yīng)用于森林資源調(diào)查中，可以進(jìn)行更高效的調(diào)查，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的管理[9]。

地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）早已應(yīng)用到了森林資源的管理、規(guī)劃、分析等方面，并取得了良好的應(yīng)用效果[10]。GIS 與計(jì)算機(jī)軟硬件相結(jié)合，可以對(duì)空間信息進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析及顯示：通過建立GIS 數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)森林資源信息進(jìn)行存儲(chǔ)；利用GIS 的空間分析功能，可以對(duì)森林資源信息進(jìn)行查詢和管理；利用GIS 的顯示功能，可以擬定和決策經(jīng)營方案等[11]。GIS 在森林資源管理中的應(yīng)用，不僅可以節(jié)省人力物力財(cái)力，還可以使林業(yè)管理更加科學(xué)化[12]。

本研究首先基于BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)，以北京市海淀區(qū)東升八家郊野公園針葉林區(qū)為研究區(qū)，使用三鼎T-23 型多頻三星接收機(jī)及U-blox NEO-M8T 多星座接收模塊，采集研究區(qū)觀測(cè)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，結(jié)合BDS/GPS 組合定位算法，得到觀測(cè)點(diǎn)的BDS/GPS 雙星座定位3 維坐標(biāo)，將其與單GPS、單 BDS 定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)在森林資源調(diào)查中的優(yōu)越性。然后基于GIS 技術(shù)，結(jié)合我國森林資源調(diào)查和管理的需求，使用C#語言及Visual Studio2010軟件，設(shè)計(jì)開發(fā)1 套森林資源調(diào)查后處理軟件；最后將BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)應(yīng)用到軟件中，對(duì)軟件的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究材料概況

1.1 研究區(qū)概況

東升八家郊野公園位于北京市海淀區(qū)（如圖1所 示），其 經(jīng) 度 為 116°19′E～116°20′E，緯 度 為40°01′N～40°02′N。該公園面積達(dá)101.4 hm2，包含針葉林、闊葉林、灌木林等，綠地率達(dá)到了90%以上。其中針葉林主要有圓柏、杉木、油松等，闊葉林以柳樹和楊樹為主，灌木林有黃楊、紅葉小檗、丁香等。研究區(qū)選為公園東北部的針葉林區(qū)，主要樹種為圓柏，林木平均樹高為5.0 m，平均胸徑為20.5 cm。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019 年4 月，枝葉相對(duì)茂密但不及夏季繁茂，郁閉度可達(dá)0.61，具體狀況如圖2 所示。研究區(qū)地勢(shì)較為平緩，附近高樓較少，可有效避免地勢(shì)、高樓等干擾因子對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，便于采集衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置（圓圈內(nèi)為研究區(qū)）

圖2 研究區(qū)概況

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及軟件

采集數(shù)據(jù)使用的儀器為U-blox NEO-M8T 多星座接收模塊（如圖3 所示）、三鼎 T-23 型多頻三星接收機(jī)（如圖4 所示）、三腳架、胸徑尺、木樁等。其中：U-blox NEO-M8T 多星座接收模塊用于接收BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)、GPS 單星座數(shù)據(jù)和BDS 單星座數(shù)據(jù)；T-23 型多頻三星接收機(jī)用于采集觀測(cè)點(diǎn)的高精度3 維坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理軟件包括加米特（GAMIT）/爾特克利布（RTKLIB）：RTKLIB軟件用于BDS/GPS 組合定位算法的實(shí)現(xiàn)及3 維坐標(biāo)的解算；GAMIT 軟件用于解算得到高精度的觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)以作為該觀測(cè)點(diǎn)的真值。軟件開發(fā)使用Visual Studio2010 開發(fā)工具和平臺(tái)。

圖3 U-blox 衛(wèi)星接收機(jī)

圖4 T-23 型多頻三星接收

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

在研究區(qū)選擇約6 hm2的林地，隨機(jī)選擇能夠充分代表林區(qū)特點(diǎn)且分布相對(duì)均勻的12 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用于后處理軟件的開發(fā)和功能驗(yàn)證，將U-blox 多星座接收模塊固定到觀測(cè)點(diǎn)上（如圖5 所示），選擇實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(real-time kinematic, RTK）軟件中的RTKNAVI 模塊，接收BDS 和GPS 雙星座數(shù)據(jù)。

其中，選擇最能代表林分平均水平的1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用于定位結(jié)果的精度驗(yàn)證，該點(diǎn)地勢(shì)相對(duì)平坦，遠(yuǎn)離高樓等干擾，樹木遮擋相對(duì)較少，觀測(cè)干擾較少。將木樁在該點(diǎn)位置處釘入10～15 cm，并在木樁頂端釘入測(cè)量釘進(jìn)行標(biāo)記，然后測(cè)量該點(diǎn)分別到三腳架3 個(gè)頂點(diǎn)的距離，算取平均值應(yīng)用于坐標(biāo)值解算。在該觀測(cè)點(diǎn)位上架設(shè)三鼎T-23 型接收機(jī)及U-blox 多星座接收模塊，同時(shí)進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集（如圖6 所示），觀測(cè)時(shí)間不少于4 h。

圖5 BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)采集

圖6 真值數(shù)據(jù)采集

2.2 BDS/GPS 組合定位算法

將BDS/GPS 組合定位算法寫入RTKLIB 軟件中，對(duì)采集的雙星座數(shù)據(jù)進(jìn)行3 維坐標(biāo)解算，獲取研究區(qū)BDS/GPS 雙星座定位坐標(biāo)[13]。本研究使用的BDS/GPS 組合定位算法為：

式中：β 為衛(wèi)星接收機(jī)到衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值；C 表示BDS、G 表示GPS；i 為衛(wèi)星編號(hào)；ρ 為衛(wèi)星接收機(jī)相位中心（衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)）到衛(wèi)星的幾何距離；c 為光速；A 為接收機(jī)鐘差（包括BDS 和GPS 各自的接收機(jī)鐘差）；B 為衛(wèi)星鐘誤差；S 為電離層延遲誤差；H 為對(duì)流層延遲誤差；(Xi,Yi,Zi)為衛(wèi)星i 的坐標(biāo)，(X,Y,Z)為觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。式（1）～式（2）忽略了衛(wèi)星星歷誤差、多路徑誤差及測(cè)量噪聲[14]。

使用泰勒級(jí)數(shù)在觀測(cè)點(diǎn)近似坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)處進(jìn)行展開得到觀測(cè)方程，整理后得到間接平差誤差方程為

式中：Vi為觀測(cè)值殘差；Vx、Vy、Vz為觀測(cè)點(diǎn)改正坐標(biāo)；ri、ui、wi分別表示觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星方向上的余弦值；Li為常數(shù)項(xiàng)；Di為第i 顆衛(wèi)星到森林觀測(cè)點(diǎn)近似位置的距離。

由于 BDS/GPS 組合定位誤差方程中，共有5 個(gè)未知參數(shù)，因此使用最小二乘法進(jìn)行位置解算至少需要同步觀測(cè)5 顆衛(wèi)星。假設(shè)在某1 觀測(cè)時(shí)刻t，可接收到GPS 衛(wèi)星數(shù)為a，可接受到BDS 衛(wèi)星數(shù)為b，則組合定位誤差方程可以表達(dá)為

解算式（6）得3 維坐標(biāo)改正值為

式中P 為BDS 和GPS 衛(wèi)星觀測(cè)值權(quán)矩陣。

最終可以得出 1984 世界大地坐標(biāo)系(world geodetic coordinate system 1984, WGS84）下森林觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為

2.3 森林資源調(diào)查后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

森林資源調(diào)查是林業(yè)資源管理的重要組成部分，我國分為1 類、2 類和3 類調(diào)查，其調(diào)查流程分為準(zhǔn)備工作、外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)處理。本研究針對(duì)內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)，利用雙星座定位數(shù)據(jù)，結(jié)合林業(yè)調(diào)查需求開發(fā)相關(guān)的后處理軟件，以期提升森林資源調(diào)查管理的信息化和高效化。

2.3.1 軟件需求分析

本軟件主要針對(duì)用戶為森林資源調(diào)查人員。森林資源調(diào)查人員通過進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將其帶回進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。因此，用戶需要軟件具體以下功能：顯示調(diào)查區(qū)域的地圖；放大縮小查看地圖；對(duì)各區(qū)域的森林資源情況進(jìn)行查詢；可以進(jìn)行距離、面積測(cè)量，以減少外業(yè)調(diào)查的任務(wù)量；可以隨時(shí)查看原地圖的屬性，并把外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，查看整體數(shù)據(jù)；可以進(jìn)行意外狀況的識(shí)別分析，如可以在地圖上看到某點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)或者病蟲害的波及范圍?；谟脩舻男枨?，可知軟件的功能需求有顯示功能、基本操作功能、查詢功能、屬性更新功能、測(cè)量功能、空間分析功能等。

2.3.2 總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件的需求分析，設(shè)計(jì)的森林資源調(diào)查后處理軟件總體框架分為4 個(gè)層次（如圖7 所示），分別為運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)形式、軟件模塊和應(yīng)用功能[15-18]。

圖7 森林資源調(diào)查后處理軟件的總體框架

2.3.3 總體功能設(shè)計(jì)

結(jié)合軟件的需求分析及總體框架，對(duì)軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[19-21]，將森林資源調(diào)查后處理軟件功能劃分為5 個(gè)模塊，分別為基本功能模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、空間查詢模塊、空間量測(cè)模塊和空間分析模塊（如圖8 所示）。

圖8 軟件整體功能結(jié)構(gòu)

2.3.4 主要接口設(shè)計(jì)

軟件功能主要接口如表1 所示。

表1 軟件功能主要接口設(shè)計(jì)表

3 結(jié)果驗(yàn)證

3.1 BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對(duì)需要精確位置的觀測(cè)點(diǎn)，是利用載波相位的觀測(cè)方法來測(cè)得該點(diǎn)的高精度坐標(biāo)的，并將該點(diǎn)的定位坐標(biāo)作為結(jié)果真值，與BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)、單GPS數(shù)據(jù)、單BDS 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到該觀測(cè)點(diǎn)在X、Y、Z 上的絕對(duì)誤差變化情況，如圖9～圖11 所示。

圖9 BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)在X、Y、Z 方向的絕對(duì)誤差

圖10 單一BDS 數(shù)據(jù)在X、Y、Z 方向的絕對(duì)誤差

圖11 單一GPS 數(shù)據(jù)在X、Y、Z 方向的絕對(duì)誤差

通過式（9）對(duì)BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)、單GPS數(shù)據(jù)、單BDS 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到其在X、Y、Z方向上的實(shí)際精度[22]，如表2 所示。對(duì)需要精確位置的觀測(cè)點(diǎn)，是利用載波相位的觀測(cè)方法來測(cè)得該點(diǎn)的高精度坐標(biāo)的。

表2 觀測(cè)點(diǎn)定位實(shí)際精度對(duì)比表 單位：m

式中：Xμ 、Yμ 、Zμ 分別表示X、Y、Z 方向上的實(shí)際精度；X~ 、Y~、Z~ 分別表示在X、Y、Z 3 個(gè)方向上獲取的真值；Xi、iY 、 Zi分別表示雙星座數(shù)據(jù)或單星座數(shù)據(jù)的定位解算坐標(biāo)值[23]；n 表示觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

從BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)、單GPS 數(shù)據(jù)和單BDS 數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差變化圖中可以看出，BDS/GPS 雙星座定位結(jié)果絕對(duì)誤差大多不超過5 m，單GPS 數(shù)據(jù)和單BDS 數(shù)據(jù)的定位絕對(duì)誤差變化范圍明顯大于BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)，說明BDS/GPS 雙星座數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性最好。從觀測(cè)點(diǎn)定位實(shí)際精度對(duì)比表中可以看出：在X 方向上，BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)的實(shí)際精度為2.954 m，明顯優(yōu)于單BDS 的5.236 m 和單GPS 的3.940 m；在Y、Z 方向上，BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)的實(shí)際精度分別為3.467、2.973 m，與單BDS 定位數(shù)據(jù)的實(shí)際精度值3.583、3.171 m 相差不大，但明顯優(yōu)于單GPS 的5.512、5.948 m。由此可見，BDS/GPS雙星座數(shù)據(jù)的定位坐標(biāo)最接近真值坐標(biāo)，定位精度最高。而根據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查主要技術(shù)規(guī)定》的第七條，森林資源調(diào)查中使用GPS 進(jìn)行引點(diǎn)定位允許的誤差范圍為10～15 m；使用雙星座定位技術(shù)不僅符合林業(yè)資源調(diào)查的精度要求，還可以在此基礎(chǔ)上提高定位精度。

3.2 森林資源調(diào)查后處理軟件應(yīng)用驗(yàn)證

使用科奧德（Coord）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)區(qū)12 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的BDS/GPS 雙星座定位結(jié)果（WGS84 坐標(biāo)系）進(jìn)行墨卡托投影變換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?2 維平面直角坐標(biāo)。再使用阿爾克馬普（ARCMAP）軟件，對(duì)研究區(qū)的地圖矢量文件進(jìn)行校正，得到高精度的研究區(qū)地圖矢量文件。最后開發(fā)森林資源調(diào)查后處理軟件并進(jìn)行功能驗(yàn)證，軟件的主界面如圖12 所示。

森林資源調(diào)查后處理軟件具有雙星座數(shù)據(jù)及地圖文件的加載顯示、地圖基本操作、輸出保存、屬性表查看、屬性表更新等功能，可查看研究區(qū)整體信息；具有空間查詢、屬性查詢、選區(qū)查詢等功能，可快速查詢調(diào)查區(qū)信息；具有坡度、面積、距離的量測(cè)功能，可減少外業(yè)測(cè)量的工作量、提高森林調(diào)查效率；具有統(tǒng)計(jì)分析、緩沖區(qū)分析功能，可高效、信息化的進(jìn)行林區(qū)選址、規(guī)劃等工作。功能顯示如圖13 所示。

圖12 軟件主界面

圖13 軟件主要功能

4 結(jié)束語

本文以北京市海淀區(qū)東升八家郊野公園針葉林區(qū)為研究區(qū)，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集、算法應(yīng)用、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)等環(huán)節(jié)，得到研究區(qū)BDS/GPS 雙星座定位數(shù)據(jù)及森林資源調(diào)查后處理軟件，并對(duì)定位精度及軟件應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在森林中采用BDS/GPS 雙星座定位技術(shù)，可以有效提高林下定位的精度，BDS/GPS 雙星座定位結(jié)果的絕對(duì)誤差變化范圍遠(yuǎn)小于單GPS 和單BDS，BDS/GPS 雙星座定位結(jié)果的實(shí)際精度也明顯優(yōu)于單GPS 和單BDS。同時(shí)，配合后期開發(fā)的森林資源調(diào)查后處理軟件，可提升森林資源調(diào)查和管理信息化水平。但本研究以城市綠地為研究區(qū)，地勢(shì)較為平坦，林地條件較好，因此在進(jìn)一步的研究中，將會(huì)選擇更加復(fù)雜的森林環(huán)境條件并嘗試更多系統(tǒng)的衛(wèi)星星座組合模式。隨著BDS 的日益成熟，基于BDS 的多星座衛(wèi)星定位技術(shù)，必將在森林資源調(diào)查工作中發(fā)揮重要的作用。