RTK在陜西省林草生態(tài)綜合樣地監(jiān)測中的應(yīng)用

李吉鵬 張瑞娟

摘 要 林草生態(tài)綜合監(jiān)測評價(jià)研究對于山水林田湖草沙系統(tǒng)治理及“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重大意義。以陜西省林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地為例，對實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)在其中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。闡述了RTK技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及樣地監(jiān)測定位方法，通過對比篩選出了適合應(yīng)用于林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作的RTK技術(shù)應(yīng)用方案，并指出了RTK技術(shù)在應(yīng)用中需要注意的主要事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞 RTK技術(shù);林草生態(tài);監(jiān)測應(yīng)用;陜西省

中圖分類號：S712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.10.072

隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，應(yīng)用到林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作中的技術(shù)也越來越多。其中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)便是一種非常先進(jìn)且有效的技術(shù)。將該技術(shù)合理應(yīng)用到林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作中，不僅可達(dá)到全面監(jiān)測的效果，同時(shí)可以進(jìn)一步確保監(jiān)測質(zhì)量?；诖?，在林草生態(tài)綜合監(jiān)測中，相關(guān)單位需要對此項(xiàng)技術(shù)加以深入研究，并根據(jù)實(shí)際情況、結(jié)合實(shí)際需求，對此項(xiàng)技術(shù)加以合理利用。通過這樣的方式，才可以使其技術(shù)優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，使林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作得以順利完成。本文以RTK技術(shù)為切入點(diǎn)，分析其原理與技術(shù)優(yōu)勢，并探討了RTK技術(shù)的方案篩選過程，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 RTK技術(shù)概述

1.1 工作原理

RTK技術(shù)又稱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理2個(gè)測量站載波相位觀測量的差分方法，即將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給移動(dòng)站接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)以達(dá)厘米級精度[1]。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

1）定位精度高。在滿足RTK基本工作要求的條件下，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)（一般為2 km），RTK平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級。2）作業(yè)效率高。隨著高精度RTK技術(shù)水平不斷突破、成熟，RTK產(chǎn)品變得越來越小型化、智能化，便于攜帶。一般設(shè)站一次即可完成2 km半徑內(nèi)測區(qū)的點(diǎn)位測量，在一般的電磁波環(huán)境下幾秒鐘即可獲得一組移動(dòng)站的坐標(biāo)，極大地提高了作業(yè)效率。3）操作簡單，容易使用。只需要在架設(shè)基準(zhǔn)站時(shí)進(jìn)行簡單設(shè)置，就可以進(jìn)行點(diǎn)位測量。

1.3 缺點(diǎn)

1）受環(huán)境狀況限制。在高山深處及密集的森林林區(qū)，衛(wèi)星信號遮擋嚴(yán)重，特別是秦嶺山區(qū)腹地，群山環(huán)繞，地勢崎嶇，最大坡度可達(dá)50°，且多數(shù)地區(qū)沒有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，RTK測量精度及作業(yè)效率受到限制。2）數(shù)據(jù)傳輸受限。RTK數(shù)據(jù)傳輸易受到山體、密林、各種高頻信號源干擾，在傳輸過程中衰減嚴(yán)重，影響作業(yè)精度和作業(yè)范圍。3）精度和穩(wěn)定性問題。衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)傳輸、差分解算等因素影響RTK穩(wěn)定性。此外，不同型號的RTK系統(tǒng)，其搜星、鎖星和解算能力差別較大，綜合所得結(jié)果差距較大[2]。

2 樣地監(jiān)測定位

林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地監(jiān)測中森林資源樣地全部為連續(xù)清查樣地，原則上屬于復(fù)測樣地，需要對樣地、樣地標(biāo)志、樣木進(jìn)行復(fù)位。

2.1 樣地復(fù)位

根據(jù)前期西南角的GPS坐標(biāo)值（北京54坐標(biāo)）、GPS航跡記錄和樣地位置記錄描述，采用GNSS導(dǎo)航、引線定位或向?qū)返榷喾N方法尋找固定樣地。樣地定位后，首先要利用保存的標(biāo)志對周界進(jìn)行復(fù)位，并按固定標(biāo)志設(shè)置要求，修復(fù)和補(bǔ)設(shè)有關(guān)標(biāo)志。同時(shí)，采集樣地西南角CGCS2000坐標(biāo)值。

2.2 樣木復(fù)位

測量每株樣木的方位角和水平距離，也可以用縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)代替方位角、水平距離對樣木進(jìn)行定位。根據(jù)樣木方位角和水平距離正確繪制樣木位置圖，標(biāo)明樣木編號，樣木相對位置的出錯(cuò)率不大于3%。對于叢生樣木和分叉樣木，應(yīng)能反映出樣木相對位置。

3 RTK方案篩選

3.1 RTK工作模式

根據(jù)項(xiàng)目情況的特殊性，初步提出了4個(gè)RTK工作技術(shù)方案。方案一是網(wǎng)絡(luò)單移動(dòng)站模式，方案二是內(nèi)置電臺1+1（基準(zhǔn)站+移動(dòng)站）模式，方案三是外掛電臺1+1（基準(zhǔn)站+移動(dòng)站）模式，方案四是星站差分模式。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)單移動(dòng)站模式

通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接千尋連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously ?Operating Reference Stations，CORS）或中國移動(dòng)CORS進(jìn)行差分解算達(dá)到厘米級高精度。

1）優(yōu)點(diǎn)：無需架設(shè)基準(zhǔn)站，在千尋CORS網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍內(nèi)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，定位精度可以達(dá)到厘米級。2）缺點(diǎn)：使用CORS時(shí)完全依賴于網(wǎng)絡(luò)通信 ，定位精度及定位時(shí)間受信號強(qiáng)弱、CORS站距離限制，網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地方，等同于普通的手持GPS;每年收取CORS服務(wù)費(fèi)，其中中國移動(dòng)CORS賬號綁定機(jī)身號CORS年服務(wù)費(fèi)為1 200元，獨(dú)立賬號CORS年服務(wù)費(fèi)為2 000元，千尋CORS賬號CORS年服務(wù)費(fèi)為3 600元。

由于陜西省大部分樣地都分布在無網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號弱的林區(qū)，儀器無法通過網(wǎng)絡(luò)接收差分信號。如果沒有網(wǎng)絡(luò)，儀器的定位就是單點(diǎn)，定位精度在1～5 m，無法滿足此次調(diào)查精度要求。

3.1.2 內(nèi)置電臺1+1（基準(zhǔn)站+移動(dòng)站）模式

基準(zhǔn)站鎖定衛(wèi)星后通過內(nèi)置電臺發(fā)送差分信號，移動(dòng)站鎖定衛(wèi)星后通過內(nèi)置電臺同頻接收基準(zhǔn)站信號進(jìn)行差分解算，結(jié)果可達(dá)到厘米級高精度。此種模式的優(yōu)點(diǎn)是信號穩(wěn)定、測量精度高、響應(yīng)速度快，不易受通訊網(wǎng)絡(luò)影響;缺點(diǎn)是一組裝置需要同時(shí)配備一臺基準(zhǔn)站和一臺移動(dòng)站（2臺RTK）[3]。

由于此模式不需要網(wǎng)絡(luò)信號，儀器架設(shè)簡單，只需在樣地2 km范圍內(nèi)找一個(gè)稍微開闊的地方架設(shè)一臺儀器作為基準(zhǔn)站，另外一臺儀器作為移動(dòng)站即可。此種模式在陜西省所有樣地均可使用，而且精度基本都在0.1 m以內(nèi)，完全滿足項(xiàng)目要求[4]。A25FB8BD-CBAA-449B-8D9D-D2641480313C

3.1.3 外掛電臺1+1（基準(zhǔn)站+移動(dòng)站）模式

此模式和內(nèi)置電臺模式一樣，也不需要網(wǎng)絡(luò)信號，但與內(nèi)置電臺模式相比，該模式需要額外配備電瓶、腳架、附件包等配件，需要專職人員看守，而且受距離限制，增加了樣地監(jiān)測工作難度。所以，此模式實(shí)際應(yīng)用的可能性比較小。

3.1.4 星站差分模式

星站差分服務(wù)是利用來自全球跟蹤站網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及創(chuàng)新的定位和壓縮算法來計(jì)算中繼衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘和其他系統(tǒng)的改正，再播發(fā)到接收機(jī)，從而獲得實(shí)時(shí)高精度的定位系統(tǒng)。通過該服務(wù)GNSS接收機(jī)可以在全球?qū)崿F(xiàn)單臺接收機(jī)達(dá)到厘米級的定位精度。具有此功能RTK會(huì)比普通的RTK多接收一個(gè)頻段，包含有差分信息，開通此項(xiàng)服務(wù)后可以實(shí)現(xiàn)單臺儀器達(dá)到固定解[5]。1）優(yōu)點(diǎn)：無需網(wǎng)絡(luò)、無需架設(shè)基站，單機(jī)作業(yè)，設(shè)備安裝簡單，定位精度高，作業(yè)成果誤差均勻。2）缺點(diǎn)：遮擋物影響衛(wèi)星信號接收，影響定位精度和定位時(shí)間。

此模式與前3種模式相比操作最簡單，儀器定位也不需要網(wǎng)絡(luò)，但對環(huán)境的要求比較苛刻，需要在開闊無遮擋環(huán)境下作業(yè)。同時(shí)，從開機(jī)初始化到高精度厘米級定位需要15 min左右，在樹林遮擋環(huán)境下需要的時(shí)間更長，有時(shí)甚至30 min都無法達(dá)到固定解。因此，綜合考慮各種因素，內(nèi)置電臺1+1模式更適合樣地監(jiān)測項(xiàng)目的開展。

3.2 儀器型號篩選

此次專門針對森林樣地復(fù)位，使用環(huán)境遮擋嚴(yán)重，必須選擇一款輕巧便攜、大容量內(nèi)置電池、搜星能力和解算能力強(qiáng)的型號。

經(jīng)過與行業(yè)內(nèi)資深用戶交流，對比國內(nèi)外儀器生產(chǎn)廠商的儀器參數(shù)，綜合考量儀器性能、產(chǎn)品穩(wěn)定性、操作便捷性、用戶口碑等多個(gè)維度，初步選擇了國產(chǎn)設(shè)備中海達(dá)旗下的3款儀器，分別為海星達(dá)i5、中海達(dá)V200和中海達(dá)V98，進(jìn)行實(shí)際測試。表1是3款設(shè)備在周至縣4039樣地實(shí)測對比數(shù)據(jù)[6]。

通過實(shí)測對比，在密林無網(wǎng)絡(luò)信號環(huán)境下，中海達(dá)V200內(nèi)置電臺1+1模式可以滿足林草生態(tài)綜合監(jiān)測中的樣地定位精度。

4 RTK在使用中注意事項(xiàng)

RTK內(nèi)置電臺1+1模式因其精度高、實(shí)時(shí)性和高效性，在林業(yè)樣地定位中原本固定難、固定慢的點(diǎn)位也可以輕松取得固定解，根據(jù)多次應(yīng)用實(shí)踐分析，為保證快速獲得高精度定位，應(yīng)注意以下問題[7]。

1）基準(zhǔn)站選擇。RTK定位數(shù)據(jù)處理的過程就是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的單線處理過程，觀測質(zhì)量的好壞主要取決于基站架設(shè)的好壞與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。選擇測區(qū)2 km范圍內(nèi)地勢比較高且開闊地帶架設(shè)基準(zhǔn)站，保證通視。如果密林遮擋嚴(yán)重，將基準(zhǔn)站架設(shè)到盡量高（配備5 m對中桿），提高搜星、鎖星能力[8]?；鶞?zhǔn)站架設(shè)要遠(yuǎn)離高壓線（大于100 m）且基準(zhǔn)站與測區(qū)通線視暢，以提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。注意大型金屬礦山和高功率雷達(dá)對設(shè)備干擾大，無法達(dá)到高精度定位。

2）設(shè)備檢查。作業(yè)前檢查設(shè)備是否注冊有效，如果其中一個(gè)設(shè)備注冊失效，就不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電臺1+1模式。檢查設(shè)備電量，保證充足的電量滿足野外測量要求。檢查配件是否齊全，保證可以正常作業(yè)。

5 結(jié)語

RTK在林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地監(jiān)測中的應(yīng)用是科技發(fā)展的必然結(jié)果，適應(yīng)精準(zhǔn)林業(yè)的要求。RTK改變了傳統(tǒng)的手持GPS定位精度低的現(xiàn)狀，定位精度達(dá)到厘米級。RTK內(nèi)置電臺1+1模式測量初始化時(shí)間短，工作狀態(tài)穩(wěn)定，快速達(dá)到固定解，可有效解決在復(fù)雜林區(qū)環(huán)境中無信號、信號弱、定位時(shí)間長等環(huán)境限制問題，極大地提高了作業(yè)效率，節(jié)省測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率定位。

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（責(zé)任編輯：張春雨）A25FB8BD-CBAA-449B-8D9D-D2641480313C