RTK技術在森林資源連續清查中的應用

孫運文，徐 軍，賈平秀，時昊陽

（泰安市泰山風景名勝區管理委員會，山東 泰安 271000）

RTK技術全稱為Real-Time kinematic，是一種高效率處理2個測站載波相位觀測值的差分定位方法，可以在數秒內達到厘米級精度，兼具高精度、高效率、高可靠性優勢。近幾年，RTK技術在林業方面的應用得到了從業者的關注，特別是在森林資源連續清查中。因此，探究RTK技術在森林資源連續清查中的應用具有非常重要的意義。

1 森林資源連續清查的內容

森林資源連續清查是一項可進行對比的森林調查，即每間隔一定時期面對同一個對象多次開展可對比的調查。數理統計連續抽樣技術、固定樣地是森林資源連續清查的基礎，包括設置固定樣地、樣地外業調查、樣地內業計算與分析幾個環節。一般在森林資源連續清查過程中，需要以資源狀態為依據進行樣地面積、數量的確定。根據所獲得的面積與數量數據在地形圖的公里網交叉點上進行樣地布設。在野外，則依據設計圖標定位置進行樣地設置。在樣地設置后，記載樣地的坡向、坡度、海拔、林齡與郁閉度等數據，同時測定林木胸徑與樹高，并調查土壤、林木更新、林木病害與蟲害情況。在外業調查介紹后，結合野外資料，利用數理統計方法，進行估計值、抽樣誤差計算。進而進行間隔期內森林生長量、消耗量等資源變化的分析，并以森林資源報告的形式表示。

2 RTK技術在森林資源連續清查中的應用流程

2.1 樣點復位

基于RTK實時定位可達厘米級精度優勢，調查人員可以在RTK流動站手簿內輸入上期RTK坐標，通過GPS-RTK導航系統，精準獲得上期樣點、樣點定位物，保證樣點順利復位[1]。同時考慮到GPS-RTK衛星星歷是以WGS84坐標系為依據建立的，而森林資源連續清查工作利用坐標系為BJ54坐標系，兩者之間存在旋轉、平移的關系?；诖?，可以進行GPS-RTK坐標與直角坐標之間的轉換。即在RTK手薄內輸入測繪部門提供的國家控制測繪網驗證過的轉換參數，將坐標系統設置為“USER”（用戶自定義坐標系統），坐標格式設置為“USERGRID”（用戶自定義公里網格式），同時分別將SCALE、FALSE EASTNG、FALSEORTHNG 設定為 1.00 m、500 000.00 m、0.00 m。并輸入3°帶或6°帶投影帶，完成轉換。

2.2 樣地周界測設

樣地周界測設常用方法是基于羅盤儀與皮尺的閉合導線法，即依據前期設定的坐標方位角以及水平距離，從樣點出發順時針測設樣地四條邊，工作量較大。特別是在固定樣地坡度超出5°時，地形復雜，通視條件差，需要根據坡度進行樣地邊長改算并控制新設樣的閉合差在±0.52 m內，樣地周界測設難度較大，完成時間在4 h到5 h之間，且無法保證精度。基于此，可以利用RTK技術，將尋找的樣點坐標輸入RTK流動站手簿。以樣點為基礎輸入固定樣地其他角點坐標，規避通視條件、坡度的干擾，數分鐘內即可獲得一個以樣點為交點、邊長一定的圖形并在RTK流動站手簿內顯示[2]。

2.2.1 常規方法

在林分郁閉度較低的矩形樣地四角位置測設時，可以選擇RTK直接放樣法或RTK輔助定位法。前者主要是使用ArcGIS、Goole Earth軟件，結合森林地形圖、資源分布圖，進行樣地位置、大小、形狀等屬性信息的設計，并將規劃完畢的樣地四角坐標輸入RTK流動站手簿。輸入后，可以直接利用手簿自帶的“點放樣”工具尋找4點位置。尋找4點位置后，利用直線連接，確定目標樣地周界。

RTK輔助定位法主要是根據森林資源連續清查目的確定的樣地目標區域合理位置確定一個點，利用手簿內自帶測量工具“方位角”，將已確定的點確定為已知點，根據樣地邊長進行長度、邊長延伸方位角設置。進而點擊手簿內的“計算”按鈕，獲得目標點坐標。獲得目標點坐標后，可以直接開展點放樣。同理，可以逐一確定樣地四角位置。確定固定樣地四角位置后，利用直線連接，可以確定樣地的位置。

此外，在測點已知的情況下，根據固定樣地形狀，可以利用“兩角兩點”“兩點一角”等輔助測量方法求得目標點坐標。

2.2.2 點校驗

標準的RTK技術原理是在已知控制點上架設基準站，經基準站單點定位獲得測站坐標，將其與已知坐標對比后獲得基準站定位誤差。但是，在森林資源連續清查中，因森林資源所處環境限制，基準站向已知點上架設難度較大，未知點設置基準站情況較為普遍。此時，經基準站單點定位判定的基準站坐標與實際數值之間不可避免地存在誤差。為規避上述誤差問題，可以應用點校驗技術，在未知點設置基準站時，利用另外1個已知坐標進行基準站坐標的求解，結合流動站在校驗點上定位獲知的差分改正值，獲得高精度基準站坐標。差分改正值計算需要利用偽距觀測值、載波相位觀測值進行計算，具體如下：

考慮到森林資源連續清查耗時較長，在目標測區之后已知校驗點尋找難度較大，因此，應將道路交叉點、建筑物角點等顯著地物點作為校驗點并設置準確標識，為后期基準站位置變更、基準站重新設置時的幾何校正提供依據，確保森林資源連續清查時測得位置一致[3]。

2.3 樣木定位

樣木即根據數理統計原理選定測量的林木，固定樣木是樣木定位的主要目標，可以滿足森林資源連續清查中樣木的穩定性、連續性要求。在以往森林資源連續清查中，羅盤儀、皮尺或全站儀是樣木定位的主要工具，調查人員需利用上述工具實地測量樣點或樣地其他角點、樣木之間在水平方向的距離、坐標方位角，工作內容較為繁瑣。尤其是在林木密度大、草本植物茂盛、地形復雜的山區，工作難度較大，每100株樣木定位耗時在3～4 h之間?；诖耍梢岳肦TK技術厘米級定位精度優勢，逐一固定樣木位置，在數秒時間內完成定位工作。

2.3.1 基準站與流動站布置

以位于泰山山脈800 m海拔的油松人工林樣木定位為例，調查林優勢樹種為油松，間雜赤松樹種，林下灌木為荊條、連翹。人工林分樹種結構中油松、間雜比例為9∶1，郁閉度為 0.75～0.85，平均林分年齡為 60 年，平均胸徑、平均樹高分別為16.5 cm、8.6 m。在樣林定位時，可以選擇由基準站、通訊系統、流動站組成的中海達V30 GNSSRTK系統，其定位平面精度、高程精度分別為±（10+1×10-6D） mm、±（20+1×10-6D） mm。為順利獲得基準站到流動站的精密基線向量，調查人員可以依據交通便利、周邊無大面積水域、周邊無大型建筑物、地勢高、遠離通信塔與微波站、遠離高壓輸電線路與通訊線路、視野較開闊的原則，選擇對面山坡制高點布置基準站，并在外掛電臺使用的基礎上將天線升高至最高。同時設置基準站接收機截止高度角、歷元間隔分別為5°、5 s。

在基準站布置完畢后，經藍牙連接流動站主機、數據采集手簿，并設定天線高度、截止高度角分別為2.0 m、5°。同時調整移動站氣泡至居中位置，保持對中桿平穩[4]。移動站測點可以隨機選取距離基準站750 m以上、1 500 m以內的林分，并根據需要清除測站上空幼小林木、低灌木、林木側枝，保證信號順利接收。

2.3.2 測量模式選擇

在流動站布置完畢后，選擇準動態測量、快速靜態測量兩種模式，前者用于在森林內進行樣木快速定位，測量點位為48點。比如，在東西走向的山脊部位樣木定位時，可由流動站接收機面對每一個觀測站靜止觀測若干歷元，協同基準站同步觀測數據進行流動站三維坐標的實時解算；后者測量定位為45點主要是在地形復雜、林冠遮擋時，配合秒表記錄獲得固定解的初始化時間，保證高精度固定解的順利獲得[5]。比如，北向油松人工林覆蓋的21°山坡、東北－西南向油松與灌木混雜的18°（兩側平均坡度）的溝谷等。

林分結構的決定性因素是林木的空間分布，其對林下環境、林木競爭甚至森林生態系統均具有較大影響。為盡可能減少樣木絕對空間坐標誤差，調查人員可從樹干直徑、天線影響控制入手，將流動站放置在樹干一致方位，利用定位目標樹號的方式進行流動站測量點名稱的編輯[6]。與此同時，將樹木品種、胸徑等基本屬性信息標注在備注欄。對于樹種組成豐富、偏向隨機分布的天然林空間格局，可以設定樣地周界邊長為100 m，利用胸徑數值進行顯示符號大小的定義，直觀了解林木空間結構特征。

2.4 數據自動統計

在外業工作結束后，調查人員可以利用RTK技術配套軟件，一鍵匯總調查數據，實現樣地位置圖、樣木位置圖以及調查數據的自動輸出[7]。比如，在RTK流動站手簿內將外業測量數據保存為csv格式，經數據線或無線網導入計算機，利用計算機Excel軟件或SPSS軟件打開，獲得測站點坐標、均方根誤差RMS以及接收衛星數信息。

3 RTK技術在森林資源連續清查中的應用效果

3.1 應用精度

3.1.1 樣地周界測設精度

以三維位置精度幾何因子——PDOP為依據，衡量樣地周界測設精度。在山谷、山溝、山脊等不同地形條件下，基于RTK技術的平均PDOP值分別為2.1、2.3、2.7，總體在2.1～2.7之間，平均值處于較低水平。且在PDOP小于4時，觀測窗口狀態良好，表明RTK技術的應用可以有效提高森林資源連續清查中樣地周界測設精度。

3.1.2 樣木定位精度

利用RTK技術在麻櫟人工林內定位500株林木，均獲得固定解。隨機選擇80株林木，將RTK定位結果與全站儀（或羅盤儀、皮尺）定位結果對比，得出：全站儀定位平均點位誤差為0.360 m，最大點位誤差為0.550 m，最小點位誤差為0.100 m，60%的林木點位誤差小于0.380 m；RTK定位平均點位誤差為0.140 m，最大點位誤差為0.350 m，最小點位誤差為0.023 m，80%的林木點位誤差在0.180 m以下，基本滿足樣木定位要求。

3.2 應用效率

在森林資源連續清查工作目標指導下，選擇RTK快速靜態測量模式，共調查48個測站點，其中41個測站點在20 min內達到高精度固定解，在5 min內達到固定解的測站點超過50%；在15 min內達到固定解的測站點超過80%；在20 min內達到固定解的測站點超過85%，觀測效率較高。而對照定位儀測量時間均在3.0～4.0 h之間，表明RTK技術的應用，可以有效提高森林資源連續清查效率。

4 結束語

綜上所述，樣地周圍邊界測設、樣木定位、樣木檢尺與固定是森林資源連續清查外業調查主要工作。在上述工作中應用RTK技術，可以摒除通視、坡度等條件的干擾，實現實時測量、便捷操作、精準定位。因此，在森林資源連續清查過程中，可以根據需要合理應用RTK技術，在降低森林資源連續清查工作量的同時，提高工作效率。