無人機(jī)測量與RTK技術(shù)在西藏自然保護(hù)地勘界上的應(yīng)用初探

童建明

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014)

西藏自治區(qū)作為重要的國家生態(tài)安全屏障，自然保護(hù)地分布廣泛，種類典型，是我國生態(tài)文明高地建設(shè)的重要組成部分。自然保護(hù)地在保護(hù)西藏全區(qū)生物多樣性、野生動(dòng)植物資源、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面具有舉足輕重的作用。因此，科學(xué)合理的勘界對(duì)西藏自然保護(hù)地的建設(shè)和發(fā)展至關(guān)重要。

勘界是對(duì)自然保護(hù)地邊界和功能區(qū)界線走向等信息的分析和勘正，具有法律效力。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)信息處理，確定保護(hù)地的各類界線，能有效為加強(qiáng)保護(hù)地管理和實(shí)時(shí)監(jiān)管提供基礎(chǔ)信息和法律依據(jù)。

近年來，無人機(jī)成為很多行業(yè)上的應(yīng)用熱點(diǎn)，也逐步成為許多領(lǐng)域研究的前沿焦點(diǎn)。同時(shí)，高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣、生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)使無人機(jī)測量(unmanned aerial vehicle survey)在危險(xiǎn)區(qū)域和小區(qū)域?qū)崟r(shí)圖像的快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]，是傳統(tǒng)測量手段的有力補(bǔ)充。

RTK技術(shù)(real time kinematic)也稱為載波相位差分技術(shù)，是基于對(duì)兩個(gè)測站的載波相位及時(shí)處理，實(shí)時(shí)提供觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度[2-3]。

1 研究區(qū)概況

西藏地處祖國西南邊陲，面積120多萬km2，約占全國國土面積的1/8，僅次于新疆，為我國第二大省(區(qū))。西藏北部的唐古拉山和昆侖山與新疆維吾爾族自治區(qū)、青海省毗鄰，東隔金沙江與四川省相望，南與印度、不丹、尼泊爾等國接壤，國界線近4000 km，平均海拔達(dá)4 000 m，號(hào)稱“世界屋脊”，是我國西南的屏障[4]。

西藏的氣候主要受地形、地貌、大氣環(huán)流等因素的影響，具有獨(dú)一無二、復(fù)雜和多樣化的特點(diǎn)，總體上表現(xiàn)為西北嚴(yán)寒干燥、東南溫暖潮濕[5]。因此，氣候類型從東南到西北依次為熱帶、亞熱帶、高原溫帶、高原亞寒帶、高原寒帶。同時(shí)，西藏受地形地貌和水熱條件變化的影響，形成了多種植被類型，以森林、灌木、草甸、草原、沙漠為主。

2 自然保護(hù)地現(xiàn)狀

2.1 自然保護(hù)地?cái)?shù)量

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，西藏目前有81處自然保護(hù)地(不包括全區(qū)風(fēng)景名勝區(qū)和水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū))，約占全區(qū)國土面積36%。其中，有國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)11處，自治區(qū)級(jí)自然保護(hù)區(qū)12處，市縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)24處，國家級(jí)森林公園9處，國家級(jí)濕地公園22處，地質(zhì)公園3處。

2.2 自然保護(hù)地存在的問題

西藏自然保護(hù)地主要存在4個(gè)方面的問題：一是自然保護(hù)地的界線不明確，部分保護(hù)地的范圍僅靠圖紙或簡要文字說明，沒有準(zhǔn)確、具體的界線；二是不同類型的自然保護(hù)地重疊復(fù)雜。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，全區(qū)現(xiàn)落圖自然保護(hù)地存在三種不同類型的重疊，即自然保護(hù)區(qū)與自然保護(hù)區(qū)重疊、自然保護(hù)區(qū)與自然公園重疊、自然公園與自然公園重疊；三是自然保護(hù)地內(nèi)矛盾沖突明顯，主要涉及城鎮(zhèn)建成區(qū)、永久基本農(nóng)田、成片商品林、礦業(yè)權(quán)、開發(fā)區(qū)、村莊和人口等矛盾沖突；四是勘界技術(shù)手段和設(shè)備落后，如坐標(biāo)系統(tǒng)不統(tǒng)一、本底數(shù)據(jù)來源和精度不一等。

3 無人機(jī)測量及RTK技術(shù)

3.1 無人機(jī)測量

無人機(jī)測量原理是基于無人機(jī)平臺(tái)和遙控?zé)o人機(jī)平臺(tái)攜帶的各種測量設(shè)備，對(duì)待觀察區(qū)域的地形和地物進(jìn)行拍照，然后對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行一定的算法處理和組合，在消除一定誤差后獲取待觀察區(qū)域的地形圖像[7]。目前，無人機(jī)平臺(tái)搭載的設(shè)備主要包括數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)相機(jī)、掃描儀和磁測儀等。

3.2 RTK技術(shù)

RTK技術(shù)的原理是利用安裝在參考站上的接收器觀測可見的GPS衛(wèi)星，然后將觀測數(shù)據(jù)通過無線傳輸傳送到地面的觀測站。觀測站接收到GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)獲取參考站的觀測數(shù)據(jù)[8]，基于相對(duì)定位原理，計(jì)算GPS衛(wèi)星和觀測站的觀測數(shù)據(jù)，得到待觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)及相應(yīng)的誤差[9]。實(shí)踐表明，RTK技術(shù)的測量誤差僅1～2 cm。

3.3 無人機(jī)測量和RTK技術(shù)特點(diǎn)

無人機(jī)測量+RTK技術(shù)的聯(lián)合已逐步應(yīng)用在林草調(diào)查和監(jiān)測、測繪等多種領(lǐng)域，這種聯(lián)合測量方法的主要特點(diǎn)有：

1)效率明顯提高。無人機(jī)+RTK聯(lián)合測量技術(shù)可在較短時(shí)間內(nèi)完成測繪任務(wù)，與傳統(tǒng)測繪方式相比，基于無人機(jī)+RTK測量技術(shù)的測繪面積每天可達(dá)數(shù)十萬平方公里[10]。

2)具有強(qiáng)大的建模能力[11]。基于無人機(jī)+RTK聯(lián)合測量技術(shù)，可依托高精度、高分辨率設(shè)備獲取高精度地表信息，完成地形三維景觀模型、三維正射影像圖的構(gòu)建以及其他基于獲得信息的可視化數(shù)據(jù)處理[12-13]。

3)應(yīng)用范圍廣泛。無人機(jī)+RTK聯(lián)合測量技術(shù)結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，還可以結(jié)合衛(wèi)星遙感、地面監(jiān)測和航測等手段應(yīng)用于其他場合。

4 勘界流程

自然保護(hù)地勘界技術(shù)流程主要包括資料準(zhǔn)備、制作工作底圖、預(yù)設(shè)點(diǎn)位、實(shí)地測量等步驟[6]，具體勘界流程見圖1。

圖1 自然保護(hù)地勘界工作流程

5 無人機(jī)測量和RTK技術(shù)在邊界測量中的應(yīng)用

5.1 勘界前準(zhǔn)備

根據(jù)地形圖、影像數(shù)據(jù)等保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)，形成邊界勘測底圖，勘界底圖應(yīng)滿足保護(hù)地勘界、調(diào)查要求為宜，其操作方法、操作程序、精度等均符合數(shù)字測繪的要求。實(shí)地勘界之前，對(duì)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析處理，將轉(zhuǎn)換好的保護(hù)地矢量圖與地形圖、影像圖疊加，預(yù)先設(shè)置邊界點(diǎn)等校準(zhǔn)點(diǎn)，形成邊界測量工作的底圖。所有地圖均采用2000國家大地坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)，各級(jí)自然保護(hù)地優(yōu)先提供1∶10000或更大比例尺地形圖。如果沒有1∶10000比例尺的地形圖，可以使用 1∶50000 比例尺的地形圖。對(duì)于線性河流的自然保護(hù)地，宜采用1∶1000比例尺地形圖。由于西藏的特殊性，在滿足精度要求的情況下，可以考慮使用高清影像作為邊界測繪工作的底圖。

依據(jù)工作底圖，提取初步形成的保護(hù)地邊界點(diǎn)等點(diǎn)位坐標(biāo)，然后實(shí)地放樣，確認(rèn)坐標(biāo)能夠與實(shí)際地物相吻合；通過實(shí)地踏勘再次細(xì)化保護(hù)地各類界線，經(jīng)二次確認(rèn)、核實(shí)后形成最終點(diǎn)位成果。

5.2 邊界點(diǎn)測量

收集保護(hù)地所在區(qū)域內(nèi)已有控制點(diǎn)成果，包括國家控制網(wǎng)點(diǎn)、國家GPS網(wǎng)點(diǎn)、城市控制網(wǎng)點(diǎn)及滿足要求的相應(yīng)等級(jí)的控制成果，對(duì)收集的成果充分分析和利用。如果控制點(diǎn)數(shù)量不夠或精度不能滿足測界要求，則應(yīng)在測界前進(jìn)行補(bǔ)充測量，以保證測界精度，使分片施測的邊界點(diǎn)能夠連接成一個(gè)整體并保證整個(gè)保護(hù)地勘界精度均勻、合理。

邊界點(diǎn)是指在自然保護(hù)地的邊界線上選取一定數(shù)量來確定邊界線的方向，控制保護(hù)地范圍和面積、有明確固定位置或周邊有明顯要素、它可以準(zhǔn)確地解釋邊界地形圖或影像圖上平面位置的地面特征點(diǎn)，包括邊界樁點(diǎn)等校準(zhǔn)點(diǎn)。保護(hù)地的邊界線及功能區(qū)界線理論上每1 000 m設(shè)置一個(gè)邊界點(diǎn)，在人為活動(dòng)頻繁地段應(yīng)適當(dāng)增加，在人類活動(dòng)難以到達(dá)區(qū)域可適當(dāng)減少。邊界點(diǎn)預(yù)設(shè)盡可能遵循以下要求： ① 保護(hù)地界線近弧形邊界的兩弧端點(diǎn)及弧頂點(diǎn)適宜處選取邊界點(diǎn)或定標(biāo)點(diǎn)；② 保護(hù)地界線穿越村莊、企業(yè)等情況，在村(企業(yè))兩頭設(shè)立邊界點(diǎn)或定標(biāo)點(diǎn)；③ 保護(hù)地界線在人群易見、活動(dòng)和重要點(diǎn)位處(如交叉路口，綠地休 閑區(qū)、公共單位和場所、村莊頭尾、道路、耕地邊界、取水點(diǎn)、支流 入水口等處)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)設(shè)置邊界點(diǎn)或定標(biāo)點(diǎn)；④保護(hù)地界線在功能區(qū)分界處應(yīng)設(shè)置邊界點(diǎn)或定標(biāo)點(diǎn)。

5.2.1 RTK技術(shù)應(yīng)用

在測量RTK控制點(diǎn)平面坐標(biāo)時(shí)，移動(dòng)站采集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈接收來自CORS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中形成差分觀測進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將觀測到的地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為指定坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)[14]。在獲取測區(qū)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，可以直接使用保護(hù)地的已知參數(shù)或采用聯(lián)測周邊已有的E級(jí)GPS點(diǎn)求取轉(zhuǎn)換參數(shù)。

目前，全球RTK儀器種類繁多，功能越來越強(qiáng)大、操作趨向智能化、簡便化，但其主要作業(yè)流程大同小異。RTK主要作業(yè)流程圖詳見圖2。

圖2 RTK技術(shù)作業(yè)流程圖

1)手薄新建項(xiàng)目。輸入坐標(biāo)系，將中央子午線改為測量區(qū)域的值[15]。

2)基準(zhǔn)站設(shè)置。在地面采集10次坐標(biāo)，若數(shù)據(jù)鏈顯示正常，則基準(zhǔn)站發(fā)射信號(hào)設(shè)置成功，轉(zhuǎn)去連接移動(dòng)站；相反則重新設(shè)置基準(zhǔn)站發(fā)射信號(hào)。目前，數(shù)據(jù)鏈的類型主要有外掛電臺(tái)、手機(jī)卡、內(nèi)置電臺(tái)等3種類型。

3)移動(dòng)站設(shè)置。數(shù)據(jù)鏈選擇與基準(zhǔn)站相對(duì)應(yīng)的類型，設(shè)置高度截止角，在成功接收到信號(hào)后，進(jìn)入手薄中的碎步測量，直至得到固定解[16]。若移動(dòng)站顯示單點(diǎn)，可能原因?yàn)榛緹o發(fā)射信號(hào)、頻道不對(duì)或波特率不對(duì)。其中，參數(shù)計(jì)算一般使用測區(qū)已知較遠(yuǎn)兩個(gè)點(diǎn)來計(jì)算參數(shù)。分別將移動(dòng)站立在已知兩個(gè)控制點(diǎn)上，各采集數(shù)據(jù)10次，然后點(diǎn)擊保存。

4)參數(shù)計(jì)算。將測量的兩個(gè)控制點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)添加到相應(yīng)模塊，計(jì)算出尺度k值；參數(shù)計(jì)算完成后，檢查控制點(diǎn)，確認(rèn)操作是否正確。

5)參數(shù)精度檢核。如計(jì)算出的尺度k值接近1，則使用它，否則檢查控制點(diǎn)并重新計(jì)算。

6)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。分別將移動(dòng)站立在勘界工作底圖上的預(yù)設(shè)點(diǎn)位上，采集相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并保存。

7)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。將采集到的預(yù)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入軟件，分析和處理，形成最終邊界點(diǎn)測量成果材料。

根據(jù)量化保護(hù)地邊界線的位置，采用坐標(biāo)法和關(guān)系距離法進(jìn)行放樣。

坐標(biāo)法放樣：根據(jù)保護(hù)地界線范圍圖，利用地理信息數(shù)據(jù)處理軟件解算保護(hù)地邊界拐點(diǎn)坐標(biāo)，采用GPS—RTK法、極坐標(biāo)法放樣保護(hù)地邊界點(diǎn)位置。

關(guān)系距離法放樣：根據(jù)保護(hù)地界線范圍圖，圖上擬定點(diǎn)位位置，并在圖上量出點(diǎn)位與鄰近現(xiàn)有地物的邊長(三條以上)，在實(shí)地采用邊交會(huì)、邊角交會(huì)等方法放樣邊界點(diǎn)位置[17]。

5.2.2 無人機(jī)測量應(yīng)用

西藏自然保護(hù)地有一部分位于人為活動(dòng)較少的區(qū)域，甚至在無人區(qū)，地理位置偏遠(yuǎn)，交通不便且地形復(fù)雜。因此，對(duì)于危險(xiǎn)地段和人無法到達(dá)的區(qū)域，可利用無人機(jī)進(jìn)行測量。在高海拔峽谷環(huán)境中，人工作業(yè)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高且行動(dòng)不便，即使采用單獨(dú)架設(shè)基站方式測定，勘測定界成果在成圖效率和點(diǎn)位測量精確性上仍然無法保證。另外，在視野受限的情況下難以對(duì)保護(hù)地界線周邊環(huán)境全貌有清晰判斷，很難結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)、高程、距離等情況做出科學(xué)的判斷；有時(shí)使用谷歌地圖照片，由于清晰度低、更新不及時(shí)等原因，采集的數(shù)據(jù)缺乏全面性和科學(xué)性，最終影響到邊界點(diǎn)等定標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

大量實(shí)踐表明，在針對(duì)以上困難時(shí)可利用無人機(jī)對(duì)保護(hù)地界線兩側(cè)的區(qū)域進(jìn)行航測；生成的DSM，DEM和DLG等數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間內(nèi)完成地形圖修改測量[18]。使用無人機(jī)在選定區(qū)域進(jìn)行航測，作業(yè)流程見圖3。

圖3 無人機(jī)測量流程圖

因此，無人機(jī)可在保護(hù)地邊界測量中用于定位和測量，其航空攝影測量技術(shù)產(chǎn)生的校正融合數(shù)字正射影像(DOM)可以清晰地區(qū)分邊界周圍的不同特征。同時(shí)，在人力物力消耗和作業(yè)效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)手動(dòng)相比RTK定位優(yōu)勢(shì)顯著，彌補(bǔ)了單純依靠RTK技術(shù)測點(diǎn)的不足。

5.3 邊界地形圖更新

邊界地形圖更新是指對(duì)邊界線附近發(fā)生變化的地形要素(地貌、高程、河流、海岸線、道路、構(gòu)筑物等)進(jìn)行替換，對(duì)邊界線兩側(cè)一定范圍內(nèi)影響到邊界線走向、面積與確定邊界及點(diǎn)位位置有關(guān)的地形要素、地理名稱進(jìn)行準(zhǔn)確更新。

地形要素發(fā)生變化的區(qū)域一般采用解譯方法直接繪制在地形圖上，或者根據(jù)正射影像高清影像圖進(jìn)行調(diào)整繪制。地形要素變化較大的區(qū)域務(wù)必進(jìn)行實(shí)地勘測，經(jīng)處理后將所有變化要素融合進(jìn)邊界地形圖。在野外勘察工作中，可以利用無人機(jī)進(jìn)行航測，從而快速獲取最新的地形要素?cái)?shù)據(jù)。通過無人機(jī)航測獲取地形要素?cái)?shù)據(jù)，一是可以大大提高工作效率，減少工作量，節(jié)約成本；二是能輕易獲取危險(xiǎn)區(qū)域和外業(yè)人員難以到達(dá)的地段的相關(guān)原始數(shù)據(jù)，保障外業(yè)人員人身安全。

5.4 邊界線標(biāo)繪

邊界線繪制是在更新后的邊界地形圖或高清影像圖上準(zhǔn)確繪制確定的邊界點(diǎn)位置，作為編制邊界附圖的主要依據(jù)。

自然保護(hù)地界線的管理在一定程度上由所獲取的保護(hù)地地形的原始數(shù)據(jù)所決定。邊界線標(biāo)繪主要是以最新邊界基礎(chǔ)圖為依據(jù)，基礎(chǔ)圖局部的地物要素信息的準(zhǔn)確性必須較高，且對(duì)于部分區(qū)域需要單獨(dú)的影像作為佐證材料。由于西藏地理位置及情況特殊，很多邊界線周邊的地物信息難以準(zhǔn)確獲取，另外，部分邊界點(diǎn)即使在更新的邊界地形圖上都難以確認(rèn)。因此，邊界線標(biāo)繪及邊界走向說明書的編寫工作，必要情況下需要依賴無人機(jī)航測獲取最新的高清影像圖作為依據(jù)，以便準(zhǔn)確無誤地反映真實(shí)要素信息。

6 討論

西藏自然保護(hù)地的建設(shè)，不僅是保護(hù)珍稀瀕危動(dòng)植物，也是改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和確保自然生態(tài)系統(tǒng)完整性、良好調(diào)節(jié)能力的重大舉措，這是西藏各族人民的根本利益所在，也事關(guān)全中國人民的共同利益。自然保護(hù)地科學(xué)合理的勘界，將有效提高保護(hù)地邊界空間管理精度，提升保護(hù)地信息管理化、科學(xué)化管理水平，更好地滿足新時(shí)期保護(hù)地建設(shè)和監(jiān)督管理需求。

西藏自然保護(hù)地勘界要確保能夠精確獲取保護(hù)地特殊復(fù)雜地形的原始數(shù)據(jù)，僅采用RTK技術(shù)在遠(yuǎn)距離和信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)使得所獲取的數(shù)據(jù)誤差較大。因此，可通過無人機(jī)測量對(duì)保護(hù)地特殊區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。但是，在使用無人機(jī)采集保護(hù)區(qū)原始地形數(shù)據(jù)時(shí)，由于地面存在危險(xiǎn)區(qū)域和無人機(jī)本身的不足，如續(xù)航時(shí)間、飛行高度等會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的采集造成較大的阻礙?；趦煞N技術(shù)的不足和特點(diǎn)，在西藏自然保護(hù)地勘界工作中可嘗試聯(lián)合利用無人機(jī)測量和RTK技術(shù)來提升工作效率和數(shù)據(jù)的精確性，為提高自然保護(hù)地管理的有效性奠定基礎(chǔ)。