基于GNSS RTK 在紅河州草原綜合監測樣地調查中的應用研究

蔣大勇，阮方佑

（云南省林業調查規劃院昆明分院，云南昆明 650200）

1 研究區概況

紅河州州政府所在地在蒙自市，地處云南省東南部，北與昆明市、曲靖市接壤，南與越南交界，邊境線長848km，河口和金水河兩個國家一類口岸就位于紅河州境內。是昆明通往越南河內經濟走廊的至關重要的通道。地理位置東經101°47′～104°16′，北緯22°26′～24°45′，轄區面積32931km2；東西最大距離為254.2km，南北兩邊最大距離為221km，紅河州最高海拔3074m，為金平縣的西隆山，最低海拔76.4m（云南省海拔最低點），在河口縣紅河與南溪河交匯處，平均海拔1200m，北回歸線由此穿過；紅河州山區占地面積為85%；轄4 市9 縣，紅河州降雨量為815.8mm，年平均氣溫在18.6℃，全年無霜期337d。

云南省草原綜合監測在紅河哈尼族彝族自治州共布設70 個監測樣地，分布在所轄的除河口瑤族自治縣以外的4 市8 縣。

2 GNSS RTK 技術的簡介及工作原理

2.1 GNSS RTK 技術簡介

GNSS 全稱為global navigation satellite system，泛指所有衛星導航系統。RTK 實時動態差分法。GNSS RTK 是基于全球導航衛星系統的實時動態測量技術，主要由基準網站、流動站、數據處理中心和數據通信系統組成[1]。采用GNSS RTK 技術具有靈活、簡單的優點，且觀測時間短，定位精度高，不受通視條件、氣候等因素影響。

2.2 工作原理

GNSS RTK 的工作原理是將基準站接收機置于已知、未知坐標參考點上，基準站接收到的可視GNSS 衛星信號通過無線通信網實時發給用戶；用戶接收機將接收到的衛星信號和收到基準站信號實時聯合解算[2-3]，得到流動站平面坐標x，y 和正常高H[1，4-5]，并且估算出精度。

3 草原生態綜合監測

3.1 目的任務

準確掌握紅河州草地資源的類型、數量、分布、保護利用狀況及其消長動態、變化情況，以及工程項目實施的成效等方面的情況。

3.2 監測方法

采用方法包含圖斑監測、樣地調查、數據庫建設等方法開展綜合監測工作，圖斑監測時，對違法圖斑只要對圖斑的拐點進行坐標測量，就可獲得違法圖斑形狀和面積，方法簡單在此不贅述。本篇只涉及利用GNSS RTK 技術應用到樣地調查中，利用GNSS 導航技術，按照預先設定好的樣地位置對樣地進行定位。當采用差分定位技術確保定位精度達到1m 以內時，可以直接進行樣地定位。如果達不到精度要求，則需現地尋找明顯地物點作為引點，采用引線定位方式定位。

3.3 草原監測樣地調查

草地樣地調查包括草地樣地設置、樣地地形、土壤等，以及草原類、草原型、植被結構等各項因子的調查、樣地所在圖斑信息驗證等工作，并對草地的種類、生物量、質量、結構及其變化進行數據獲取。利用GNSS RTK技術主要用于樣地預設定位、樣線終點端定位、高大草灌木樣方放樣、定位等工作。

（1）樣地定位。利用GNSS 導航技術，按照預先設定好的樣地位置當精度達到1m 以內時可進行樣地定位。否則采用傳統引線定位的方式進行定位。樣地定位如圖1 所示。

圖1 樣地定位

（2）樣地中心點坐標獲取。當樣地中心點確定后，在中心點位置架設RTK 設備，當定位精度達到1m 以內時，獲取中心點位置固定解坐標值，并做好記錄。

（3）樣地及標志設置。以樣地中心點為圓心，設置一個半徑40m，0.5hm2的圓形樣地。若遇特殊情況，例如，落入細碎圖斑的特殊樣地，設置一個半徑20m，0.125hm2的圓形樣地。在樣地中心點和3 條樣線端點坐標位置處埋設鋼管或PVC 管等固定標志。

（4）樣方設置。樣方設置包括觀測小樣方、測產小樣方、高大草灌木大樣方。①測小樣方設置數量、位置及規格。數量：3 個，位置：3 條樣線端點坐標位置處，樣方對角線與樣線重合。規格：2m×2m。觀測小樣方設置如圖2 所示。②測產小樣方設置數量、位置及規格。數量：3 個，位置：觀察小樣方周圍5m 范圍內，但不能與樣線和觀測小樣方重疊規格：1m×1m。測產小樣方設置如圖3 所示。③高大草灌木大樣方數量、位置及規格。數量：1 個，位置：以樣地中心點的正西方向1m 作為東南角點設置正方形大樣方規格：10m×10m。高大草灌木大樣方如圖4 所示。

圖2 觀測小樣方設置

圖3 測產小樣方設置

圖4 高大草灌木大樣方設置

4 GNSS RTK 在草原監測樣地中的應用

4.1 監測樣地中心點定位、放樣

草原監測樣地使用GNSS RTK 實時定位精度可達厘米級。且有無須通視，操作簡單等優點。具體操作時可先將預設定的樣地位置中心坐標輸入平板或手機等數據采集設備和RTK 工作手簿中，先用平板等數據采集設備采用GNSS 導航，按提示操作即可快速的找到樣地中心點的位置，然后當樣地中心點確定后，架設RTK設備，按RTK 提示及指引進行移動，當定位精度達到1m 以內時，在固定解的情況下獲取中心點位置坐標值，并做好記錄即可。

4.2 監測樣地設置

設置一個以樣地中心點為圓心，半徑為40m，面積約0.5hm2的圓形樣地。

具體樣地設置可采用羅盤儀測角、皮尺量距等方法，但用此傳統方法容易受地形條件、通視條件、儀器狀況等多方面因素影響，造成工作任務量大，工作用時長，測量精度不容易達到要求，嚴重影響工作效率。

采用RTK 技術進行樣地設置的具體方法：當RTK設備定位精度達到17cm 以內時，可直接利用RTK 設備，以樣地中心點為基點，分別確定0°、120°、240°方位角，結合皮尺量距分別對3 條40m 長樣線的端點進行確定。并分別在確定好的3 條樣線端點位置架設RTK設備，采取端點固定解坐標值，并做好記錄。

特殊情況處理：①當0°樣線難以布設時，可以調整角度，但應保持樣線夾角120°。②現地圖斑很破碎的樣地，樣線長度調整為20m，設置一個半徑20m，0.125hm2的圓形樣地。草原樣地設置如圖5 所示。

圖5 草原樣地

4.3 監測樣方設置

利用GNSS RTK 技術主要應用在10m×10m 高大草灌木大樣方的測設上，具體操作方法如下。

（1）將從RTK 直接獲取的草原樣地中心點坐標錄入RTK 手簿。

（2）利用編制好的excel 表求算出高大草灌木大樣方的4 個角端點理論坐標。

（3）將帶有4 個角端點理論坐標的excel 表轉換為csv 格式文件，通過文件導入加載到RTK 手簿程序中。

（4）在點放樣選取放樣庫找到4 個角端點坐標，點放樣后，根據提示移動RTK 設備找到每個角的端點坐標位置，當精度在17cm 以內時就可以點擊測量保存端點坐標值。

（5）在4 個端點處插入花桿，用皮尺圍好后即完成10m×10m 高大草灌木大樣方的測設。

4.4 應用實例

本文以紅河州建水縣17 號樣地舉例：①用RTK 找到樣地中心點后進行回采后獲得回采中心點坐標，錄入RTK 手簿表中。樣地中心點回采坐標如表1 所示。②用編制好excel 表求算出3 條樣線終點端點坐標和高大草灌大樣方四個角端點坐標。樣地各端點及高大草灌大樣方端點回采坐標如表2 所示。③將計算好坐標的excel 表轉換為csv 格式文件，通過文件加載方式導入RTK 手簿程序。④依次選擇需放樣的各個端點，點取放樣后按提示移動到點坐標處，達到定位精度進行回采坐標即可。RTK 手簿各端點放樣點如圖6 所示。

表1 樣地中心點回采坐標

表2 樣地各端點及高大草灌大樣方端點回采坐標

圖6 各端點放樣點

5 應用效果

5.1 提高定位精度

如果采用傳統的羅盤儀測角、皮尺量距的方法進行測量的話，容易受視線、地形、坡度等因素的影響，造成樣地定位精度不準，樣方周界測量角度偏移、測量精度不高的問題，而采用GNSS RTK 技術則較好發揮了定位準、測量速快的優點，而且厘米級的精度遠遠高于調查要求[5]，極大提高了草原樣地每個端點的定位精度。

5.2 提高工作效率

如果采用傳統方法進行樣點放樣，樣地定位，容易受通視程度、引線清礙等客觀條件影響，導致工作時間長，工作效率不高。采用GNSS RTK 技術則不受這些因素影響，大大縮短采點定位時間，工作效率提高，勞動強度降低。

6 結語

GNSS RTK 技術在這次紅河州林業和草原監測方面的應用尚處于起步階段，還需經過大量實踐，但通過這次紅河州草原綜合監測樣地調查工作可以看出與傳統調查對比，GNSS RTK 技術的優點是定位精度高，使用時間少，節約了工作成本，提高了工作效率，實現林業和草原工作的精準化，值得推廣應用。