面向溝域生態環境監測的GNSS技術與應用

焦有權

（北京農業職業學院）

面向溝域生態環境監測的GNSS技術與應用

焦有權

（北京農業職業學院）

利用GNSS技術，對溝域地表點位的環境信息進行采集，建立面向溝域生態環境的地理信息數據庫，獲得包括生物、土壤、氣象、水質等信息指標，并進行定位監測，提升溝域生態環境保護水平，增強溝域經濟發展動力。

GNSS； 溝域；生態環境監測

1 引言

溝域經濟的迅猛發展，旅游開發建設規模不斷擴大，導致旅游景點和鄉村生活污水及垃圾排放量增加，河道遭受污染并呈現富營養化加劇的趨勢；還有在溝域的采摘園區，為追求果品和農作物的外在品質，大量施用化肥、農藥，致使水土生態環境惡化，迫切需要對溝域的生態環境進行定位監測與評估，獲得持續健康的生態效益。GNSS是全球衛星導航系統的簡稱[1]，該技術目前已基本取代了地基無線電導航、傳統大地測量和天文測量導航定位技術，并推動了大地測量與導航定位領域的全新發展。

2 溝域生態環境監測技術與方法

2.1 溝域生態環境質量監測技術

國家關于生態環境質量的監測與評價工作主要采用的是以RS監測為主，地面核查抽樣為補充的技術手段。由于生態系統的綜合性、復雜性以及生態環境問題的區域差異性，遙感監測的在大尺度范圍和獲取信息的時空連續性上有優勢，監測的信息側重反映生態類型及空間分布格局。但是，對于尺度較小的溝域空間而言，溝域生態系統的物種組成、結構、服務功能狀況及面臨的干擾和脅迫等問題難以實現[2]。

2.2 溝域生態環境監測對象

為了精準弄清生態環境質量狀況及變化趨勢，必須通過溝域生態地面監測工作，填補生態監測環境的短板，把RS監測和地面監測相結合，為溝域生態信息提供修正與補充。若通過實地取樣的調查分析，雖然能夠獲得生態系統的群落結構、物種組成、物質生產能力信息，但是由于缺乏溝域地表的地理信息屬性，使得現場采樣的信息無法立體的或更加科學的展現出來，也無法生成具有規律性的數據模型，從科學性角度仍需要采用更加現代與科學的技術手段豐富環境監測的內涵[3]。

2.3 溝域生態環境監測重要性

作為溝域生態保護的重要基礎性工作，生態環境監測肩負著為溝域生態保護管理決策提供技術支撐、技術監督與技術服務的使命，本項目的開展對保護環境、保障民生和建設生態文明具有重要的意義。溝域生態環境定位監測是對溝域范圍內的生態環境或生態環境組合體的類型、結構和功能及其組成要素進行系統的地面測定和觀察，利用監測數據反映的生物系統間的相互關系來評價人類活動與自然變化對生態環境的影響。

3 溝域生態環境監測內容及技術路線

3.1 引入GNSS空間定位技術

GNSS（Global Navigation Satellite System）可用的衛星數目達到100顆以上，是一個綜合星座系統，觀測定位精度高，能實現高精度1:500地形圖的測繪要求，單點直接作業，無需前后點的配合，適合在地形復雜的溝域環境中作業。利用最新的GNSS獲取溝域的大比例尺地形圖，為溝域定位監測與環境信息提取提供精準的地理信息支持。

3.2 構建溝域全景化生態環境定位監測體系

生態環境是一個巨系統，單項研究幾乎不可能面面俱到，但從大類來講，無非是溝域植被、氣候、土壤及水環境帶來的變化。

3.3 提取溝域生態環境信息及數據建庫

生態系統類型有很多種類，本研究主要針對山區溝域環境的要素，擬定為林草一體化生態系統，以此擬定主要監測要素，包括生物、土壤、氣象、水質等監測指標，基于GNSS獲得1:500地形圖在ArcGIS中實現溝域生態環境信息的科學調用、分析及成圖。

3.4 溝域生態環境監測的關鍵技術

掌握生態環境監測的溝域現狀，包括常見的環境要素，如水體、林木、農田、道路等，有較大的地形起伏和變化，場地較為開闊，便于接受衛星信號等基本條件。在溝域導入3個以上北京54已知坐標點，然后利用GNSS中的CORS數據鏈對溝域所在地進行數據接入，由此實現典型溝域環境信息的野外采樣點位，并入國家大地坐標系統。最后對外業采集數據進行整理加工和實驗室鑒定分析及 GIS數據建庫與理論分析等。

4 溝域生態環境監測GNSS定位方案

4.1 基礎控制測量

按照要求，在已有的3個GNSS一級點A1、A2和A3的基礎上加密測量控制點，在測區范圍內增設2個二級控制點GS01和GS02，保證GNSS控制網具有較高的可靠性。根據測區情況布設若干個圖根點，滿足外業采集的需要。

4.1.1 選點和埋石

各等級 GNSS 控制點應選在視野開闊、地基穩固、能夠長期保存、便于使用的地方，如主要道路、廣場、橋梁等，本測區房頂上原則上不選。各等級GNSS 控制點的周圍應便于架設接收設備和操作，視場內不應有高度角大于15°的成片障礙物；位于軟土地基的點可埋設預制標石，標石預制規格必須符合工程測量規范要求。測量標志統一采用專門在廠家定做帶十字的測量標志。位于水泥路面、瀝青路面的GNSS E級點可以現澆路面標志，標志采用專門在廠家定做的帶十字的測量標志；各等級GNSS點要求實地繪點之記，點之記中需注明3個明顯地物點的間距，注記至0.1米。點之記在控制測量結束時應整理好。

4.1.2 GNSS外業觀測

GNSS外業觀測使用滿足要求的雙頻GNSS接收機3臺，采用靜態定位方式進行GNSS外業觀測，測前進行儀器鑒定。出測前必須裝好電池，開機試驗，保證作業用電需要。在測站上GNSS天線可利用基座與腳架直接對中整平，對中誤差應≤3mm。觀測過程中，人員不得擅自離開測站，并應防止儀器受震動和被移動，防止人和其它物體靠近天線，遮擋衛星信號。應仔細準確地量取天線高，要求每時段測前測后各量一次，較差不得超過3mm，兩次取平均值作為最后結果。 及時輸出當天的GNSS接收數據，并且按照年月日進行編號備份。

4.2 地形圖測繪

4.2.1 數字地形圖的基本要求

圖根點精度要求。對于一級圖根點位中誤差：±5cm；二級圖根點位中誤差：±5cm。 地物點的分類。地物點一類是主要地物點，指道路、管道、電網設施等明顯建筑物拐點；二類是次要地物點，主要指設站施測困難的明顯建筑物拐點及農村居民地明顯建筑物拐點以及其它地物點。

4.2.2 地形圖高程精度

建筑區和地面硬化區，其高程注記點的高程中誤差相對于鄰近圖根點的點位中誤差不得大于±0.1m, 一般地區點位中誤差不得大于±0.15m。其它地區地形圖高程精度應以等高線插求點的高程中誤差來衡量。等高線插求點相對于鄰近圖根點的高程中誤差；同一幅圖采用一種基本等高距。

5 應用

5.1 GNSS控制點

項目選擇北京房山區大石窩鎮拒馬河某河段，屬山前沖擊平原帶，老房易路經村而過，村域面積1175畝，其中林地面積430畝。利用GNSS做的控制點a1、a2……a16，由此將該流域段的所以地物、地貌及地表信息都能獲取。

5.2 GNSS獲取地表信息點

根據控制點坐標體系，課題研究人員又在實地經過實地踏勘與認真核對，獲取了該段溝域的主要地表信息，包括居民建筑、道路、水系、林田等。

[1]萬瑋等, GNSS-R遙感國內外研究進展. 遙感信息, 2012(03): 第112-119頁.

[2]焦有權等, 溝域生態環境定位監測技術研究. 北京農業職業學院學報,2015(06): 第26-29頁.

[3]高秀清等, 延慶鐵爐溝域生態環境指標測定與發展初探. 北京農業職業學院學報, 2015(04): 第29-35頁.

K928

B

1007-6344（2017）10-0138-01

博士基金項目：GNSS溝域定位監測與環境信息提取技術研究（XY-BS-16-06）