北斗探針在森林資源調查應用探討

羅春林

（國家林業和草原局西南調查規劃院，云南 昆明 650031）

1 問題背景

隨著手機和平板電腦等電子設備的普及，森林資源調查的無紙化工作已經成為主流，但是目前常用的手機、手持GPS接收機和平板電腦內置的全球導航定位裝置只能提供單點解[1]。受限于定位設備，無論是北斗定位系統還是GPS定位系統，目前單點解理論定位精度都在10m左右[2]。在某些偏遠地區或者郁閉度較高的林分內部，定位精度甚至在10～20m左右。為提高森林資源調查的精度，很多工作人員應用測地型RTK進行精確定位。雷凡應用RTK-GPS定位精度高的特點，實現了林區和樣地的精確測設和定位[3]。陳炳超等聯合應用靜態GPS、RTK、手持GPS在林區中進行定位達到優勢互補，提高了定位精度和工作效率[4]。

測地型GNNS接收機也經常被簡稱為RTK，定位精度高，固定解下水平誤差往往不會超過5 cm，但是此類設備在林業應用有幾個缺點。首先是價格較高，如目前使用較多的測地型GNNS接收機，價格普遍在1.5萬元以上，且每年還需要支付4000元的千尋FindCM賬號服務費，一臺測地型GNNS接收機，應用成本普遍在2～5萬之間。其次是很多林業野外調查工作，攜帶測地型GNNS接收機多有不便，需要同時攜帶GNNS接收機、UHF天線、手簿主機、對中桿等，另外還需要攜帶外業數據采集設備，如平板電腦、移動電源等。森林資源調查工作往往行走于密林小路，同時攜帶過多設備，既不方便，也不利于工作開展。測地型GNNS接收機定位誤差往往在0.05m以內，常規森林資源調查并不需要那么高的精度，手機或平板電腦的單點定位精度有時又滿足不了要求。因此，探索一種定位精度較高、便攜性好且價格低廉的RTK定位設備用于森林資源調查是有必要的。

2 解決方案

針對手機、平板電腦定位精度偏低，而測地型GNNS接收機價格高昂，林業調查有所不便的特點，工作過程中嘗試從測繪行業借鑒解決方案。測繪行業的高精度定位技術發展水平要高于林業，已經發展出了很多靈巧的高精度定位方法。目前測繪行業常用于野外調查的高精度定位方案主要有以下3種。

一是前面所述的測地型GNNS接收機（即RTK），通過移動網絡連接到cors基站或自行架設的基站，定位精度很高[5]，但應用成本也較高。二是手持RTK終端，這種終端設備大小如同一個手機，需要移動網絡連接到cors基站，通過差分定位，標稱精度也可以達到厘米級，較為常見的設備有高精度手持RTK終端，目前已經較廣泛地應用于電力巡檢，電力桿塔，電纜井測量，國土執法，警務執法，園林綠化等行業，設備購買價格在4000～7000元之間，每年需要另外支付4000元左右的千尋服務費用。三是更為小巧的RTK接收機－北斗探針，形狀大小如同一個U盤，非常便于攜帶，需要連接到手機或平板電腦才能定位，但是定位精度要比前面兩種方案更低一些，目前這種設備有北斗探針1600、北斗探針2620等，價格在1000元左右，有五年的免費千尋賬號使用期限。

經對比分析，第1種方案定位精度最高，但價格高昂，且攜帶不便；第2種方案定位精度略低于第一種，標稱精度也能達到厘米級，應用成本仍然不低；第3種方案價格最低，只有1000元左右，但定位精度最低，精度只有亞米級，但其形狀小巧，形狀大小如同一個U盤，攜帶非常方便，3種方案的對比如表1所示。

表1 3種方案比對Table 1 Comparison of three schemes

對于方案1，需要攜帶對應的設備有手簿、移動站、對中桿，某些情況下甚至需要架設基站；方案2將RTK定位芯片內嵌在生產廠商生產的移動終端，性能受平板終端限制；方案3只是將類似于U盤的定位終端通過TypeC充電口連接到手機或平板電腦，由手機或平板電腦進行供電，定位信息通過TypeC接口傳回手機或平板電腦。3種方案如圖1所示，圖1由左至右分別是測地型GNNS接收機，手持RTK終端，北斗探針。

圖1 GNNS設備對比Figure 1 GNNS device compare

方案1價格較高，每年需要支付cors賬號服務費；方案2設備價格不算太高，但每年仍然需要支付cors賬號服務費才能有高精度定位；方案3價格最低，只有千元左右，定位精度也只達到亞米級，但對于大多數森林資源調查工作來說，現有的亞米級定位精度已經夠用，因此研究過程中采用第三種（即北斗探針）定位方案進行驗證。在實驗過程中，用北斗探針1600進行驗證，驗證設備在森林資源調查監測工作的實際效果。

3 實地驗證

北斗探針是測繪行業最近一年出現的便攜式RTK接收機，因林業調查多位于林分郁閉度較高的林分，實際效果有待在森林資源調查驗證。為測試設備的實際應用效果，研究過程采用北斗探針1600進行驗證，并用一臺經過校驗的合眾思壯G960測地型GNNS接收機，用于精度的對比測試。G960接收機連接千尋FindCM后，固定解模式下，水平誤差在0.05 cm以內，高程誤差在0.1 m以內。G960接收機采用主機網絡連接到千尋FindCM獲取坐標解算信息，北斗探針用手機網絡連接到千尋FindM Pro。在真實應用環境中，選取了18個林木郁閉度不同的點位進行驗證，驗證地點位于云南省昆明市，中央經線105度，共采集18批點位坐標，每個點位間隔一定時間采集2個以上坐標值，分別用測地型GNSS接收機和北斗探針在同一位置上采點，采集的點存儲在外業數據采集軟件，并由軟件導出。采集的坐標結果如表2所示（因RTK采集的坐標為精確位置信息，表2隱藏中間2位數字）。

表2 北斗探針與G960測量坐標對比Table 2 Comparison of measurement coordinates between beidou probe and G960

由表2可以發現，G960接收機定位解算狀態普遍在北斗探針之上，畢竟測地型GNNS接收機在物理構造上要遠比北斗探針復雜。在較高郁閉度的林分內部，G960的定位精度不是很理想，第14、15號點，林分郁閉度在0.8時，G960只有浮點解和差分解，但是大多數點位G960精度都在北斗探針之上，但兩者的定位偏差，無論從水平方向還是垂直方向，都沒有超過2.3m。各個點位上采集的坐標誤差及衛星信號情況如表3所示。

表3 北斗探針與G960測量精度及搜尋衛星數對比Table 3 Comparison of accuracy and search satellites between beidou probe and G960

從表3可以看到，林木郁閉度越高，G960接收機的精度也越低。按正常理論推算，北斗探針解算衛星數量應該比測地型GNNS接收機更少，但驗證過程中發現 15、18號點，北斗探針獲取的解算衛星數還更多，而且精度上和G960精度相差并不太多。出現這個問題的原因應該是采點時G960接收機用的是內置移動網絡傳輸解算數據到cors站；而北斗探針連接在手機上，通過手機的電信網絡傳輸解算數據到cors站，在測量時網絡信號更好，傳輸解算數據效果稍好。

4 驗證結果

由表2、表3可以看到，在不同的林分郁閉度下，北斗探針接收信號有固定解、浮點解2種狀態，固定解模式下與測地型GNNS接收機偏差在0.2～0.5m，浮點解定位多數偏差在0.5～1.5m之間，在林分郁閉度較高的情況下與測地型GNSS接收機偏差可達2.3m以內。只要有手機信號，即使在郁閉度較高的情況下北斗探針也有浮點解，定位精度與G960接收機相比，大多數測點的坐標差值都在1 m以內，沒有出現水平定位偏差超過2.3 m的情況，高程定位偏差也在2.3m以內。驗證過程中發現，林分郁閉度較高的情況下，測地線型GNNS接收機定位精度下降，但北斗探針定位精度維持在較為穩定的狀態。對于林業的常規調查工作（如森林督查、珍稀植物調查、建設項目使用林地等）來說，北斗探針精度遠比手機、平板電腦內置的定位裝置高，能滿足林業常規調查工作需要。

在驗證過程中，也發現了北斗探針的一個問題，北斗探針需要平板電腦或手機保持網絡連接，如果手機或平板在某一個時間點未連接網絡，北斗探針將會斷開與cors站連接，解算狀態變為單點解，直至手動重啟探針連接才會更新到浮點解、固定解。這對林業調查時很不利的，林業調查經常會遇到缺少網絡連接的環境。開發的“森林資源變化圖斑現地復核軟件”針對這個問題做了修正。

5 北斗探針擴展開發

北斗探針支持模擬定位，可以將林業調查常用的奧維互動地圖、百度地圖等第三方軟件，通過模擬定位的方式，獲取較高精度定位信息。第三方應用雖然可以通過模擬定位的方式獲取北斗探針的較高精度位置信息，但是需要網絡一直保持連接，否則無法獲取高精度定位信息，而野外的林業調查顯然是無法保證一直有網絡連接的，因此第三方軟件模擬定位獲取高精度位置信息的方式不是很可靠。

北斗探針也有專門的SDK開發包，可以內嵌在開發的軟件中。目前林業常用的野外調查軟件，絕大部分都利用Android平臺實現[6-7]。為方便野外調查使用，研究過程利用SDK開發包，應用Android Studio和Java程序設計語言，將北斗探針RTK定位功能內嵌在自主研發的“森林資源變化圖斑現地復核軟件”，讓森林資源野外調查更加精準。針對驗證過程中發現的一些硬件兼容性問題，在開發的app軟件里面進行了修正。內嵌在app的軟件運行效果如圖2所示。

圖2 內嵌北斗探針的appFigure 2 App with beidou probe

6 結論與討論

應用北斗探針和測地型GNNS接收機進行野外實地對比勘測，驗證了北斗探針在林業調查應用的有效性。驗證結果表明，大多數情況下，北斗探針與測地型GNNS接收機水平偏差都在1 m以內，即使在林木郁閉度較高的情況下，北斗探針精度與測定型GNNS接收的偏差也在2.3 m以內，可以滿足森林督查、林政執法檢查、古樹名木調查、建設項目使用林地調查、有害生物調查等常規的林業調查工作需要。但類似于自然保護地勘界等需要較高精度的測繪工作，此類工作對水平方向點位中誤差要求不超過2 m，北斗探針目前的精度仍需要進一步的驗證。

在驗證過程中，沒有對手機、平板電腦內置的導航裝置進行對比測試，原因是不同的設備，定位精度偏差較大，沒有可比性。本次驗證工作過程中，仍有以下幾個不足。一是因實驗條件所限，驗證精度的點位地形條件較為良好，對于地形條件較為復雜的滇西北、滇東北等偏遠山區仍待驗證，后期仍然需要對復雜地形條件下的定位精度進行比對。二是實驗地區大多處于有3G、4G網絡的環境，未驗證缺乏良好網絡下的北斗探針運行穩定性。三是驗證的產品有限，北斗探針1600在沒有網絡的狀態下無法獲取定位信息，北斗探針2620可以在缺乏網絡的狀態下獲取單點解，因條件所限，本次只驗證了北斗探針1600，更廣泛的驗證建議采用多個探針設備，對比驗證設備的有效性。