鄭成才,黃亮,吳建林,李富鈺,司明華,張明輝,葉培鐘

(1.三明市三元區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)隊(duì),福建三明 365001;2.三明市三元區(qū)樓源林業(yè)采育場(chǎng),福建三明 365001)

GPS在森林調(diào)查及面積勘測(cè)上的應(yīng)用

鄭成才1,黃亮2,吳建林2,李富鈺1,司明華2,張明輝2,葉培鐘2

(1.三明市三元區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)隊(duì),福建三明 365001;2.三明市三元區(qū)樓源林業(yè)采育場(chǎng),福建三明 365001)

本研究介紹移動(dòng) GPS在林地面積測(cè)量上的應(yīng)用,通過(guò)對(duì)五塊不同類型林地進(jìn)行實(shí)地觀測(cè),對(duì)測(cè)量誤差和精度進(jìn)行分析,結(jié)果表明:移動(dòng) GPS測(cè)量林地面積的相對(duì)誤差能夠滿足林業(yè)常用測(cè)量精度的要求。移動(dòng)GPS是可以替代傳統(tǒng)森林羅盤儀的一種不可多得的先進(jìn)工具,它的廣泛應(yīng)用將為森林資源的動(dòng)態(tài)管理和實(shí)現(xiàn)數(shù)字林業(yè)的可視化提供有力的技術(shù)支撐。

GPS;面積測(cè)量;精度分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)日新月異的進(jìn)步,“3S”技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于陸地、海洋、航空、航天等高科技領(lǐng)域,其中的移動(dòng) GPS技術(shù)具有全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量等特點(diǎn),作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力,已經(jīng)融入到我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)相關(guān)層面。移動(dòng) GPS在確定林區(qū)面積、估算木材量、計(jì)算可采伐林木面積、確定原始森林、道路位置、森林防火周邊測(cè)量、工程造林、跡地更新、尋找水源和測(cè)量地域界線等諸多方面,可以發(fā)揮其獨(dú)特的重要作用。在森林中進(jìn)行常規(guī)測(cè)量相當(dāng)困難的情況下,移動(dòng) GPS的定位技術(shù)可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),精確測(cè)定森林位置及其面積,繪制精確的森林分布圖及其面積,是今后林業(yè)作業(yè)中必不可少的工具,為現(xiàn)代林業(yè)和數(shù)字林業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,若廣泛應(yīng)用會(huì)取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 GPS基本的原理及應(yīng)用

GPS是 Globol Position System(全球定位系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱,該系統(tǒng)是 20世紀(jì) 70年代由美國(guó)國(guó)防部為滿足軍事目的而研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),它可以提供高精度的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù),目前已向全球用戶提供免費(fèi)服務(wù)。GPS系統(tǒng)分天上和地下兩個(gè)部分:在天上有 24顆衛(wèi)星在不停地轉(zhuǎn)動(dòng),使得在地球任何的一個(gè)角落都至少可以看到 3顆以上衛(wèi)星,在地下就是手持 (移動(dòng))或者車載式 GPS接收機(jī),也就是我們所常說(shuō)的 GPS[1]。

將 GPS這一先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在林業(yè)工作中,能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精密坐標(biāo),完成森林調(diào)查與管理中各種境界線的勘測(cè)與放樣落界,成為森林資源調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有力工具。本研究就是采用 GPS技術(shù)進(jìn)行面積測(cè)量的一個(gè)最好例證。

2 研究方法

本研究采用絕對(duì)誤差法和相對(duì)誤差法進(jìn)行論證,絕對(duì)誤差法也稱簡(jiǎn)單比較法,此法較直觀,容易被人們接受,但它只反映問(wèn)題的一面,不能反映問(wèn)題的全面,相對(duì)誤差法則能全面地揭示其誤差源更深層次的相關(guān)關(guān)系,更具法理性和科學(xué)性,故被廣泛應(yīng)用于此類問(wèn)題的研究上。本課題將從不同角度的兩個(gè)層面作逐一論述,力求對(duì)本研究作出更客觀、更科學(xué)、更全面的剖析。

2.1 絕對(duì)誤差法

2.1.1 森林羅盤儀面積測(cè)量 常規(guī)的伐區(qū)調(diào)查設(shè)計(jì)中是利用羅盤儀進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量,測(cè)定伐區(qū)的邊界和面積,這種方法受環(huán)境因子的影響較大,特別是采伐小班通常是樹高林密、灌木叢生,進(jìn)行常規(guī)測(cè)量作業(yè)非常困難,采用移動(dòng) GPS測(cè)量面積方便多了。為了進(jìn)一步論證移動(dòng) GPS測(cè)量面積應(yīng)用中的誤差和精度,本研究對(duì)五塊大小不同、坡度不同、用途不同的林地先采用羅盤儀測(cè)量其面積,為力求準(zhǔn)確設(shè)置三次重復(fù)取平均值,與已知面積進(jìn)行多次對(duì)照比較,再用統(tǒng)計(jì)計(jì)算的方法進(jìn)行誤差計(jì)算和精度分析 (見表 1)。

表 1 羅盤儀實(shí)地面積測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)表

林業(yè)上傳統(tǒng)的森林羅盤儀林地面積測(cè)量絕對(duì)誤差一般在 0.030—0.044之間,從表 1可以看出 1號(hào)—5號(hào)林地其面積測(cè)量的誤差分別為 0.042、0.044、0.030、0.038、0.036;精度分別為95.8%、95.6%、97%、96.2%、96.4%,這 5塊林地面積測(cè)量的精度大小的排序?yàn)?3號(hào) >5號(hào) >4號(hào) >1號(hào) >2號(hào),不難看出,林地面積的精度隨面積的增大而精度相應(yīng)提高,誤差則與此相反,即相應(yīng)變小。

2.1.2 移動(dòng) GPS面積測(cè)量 采用 GPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)位法進(jìn)行伐區(qū)調(diào)查設(shè)計(jì)的測(cè)量工作,可以克服因植被阻擋和坡度造成的通視性困難,較容易地隨調(diào)查設(shè)計(jì)人員的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)記錄下伐區(qū)的邊界坐標(biāo),與計(jì)算機(jī)聯(lián)接可方便地進(jìn)行標(biāo)圖并求出伐區(qū)的面積。應(yīng)用 GPS技術(shù)與常規(guī)儀器相比,不僅能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精密坐標(biāo),完成森林調(diào)查與伐區(qū)面積的勘測(cè),成為森林調(diào)查與動(dòng)態(tài)管理的有力工具。毫無(wú)疑問(wèn),這種先進(jìn)的高科技的測(cè)量手段勢(shì)必提高森林調(diào)查的精度,減少誤差率,提高工作效率,節(jié)約營(yíng)林成本。

移動(dòng) GPS定位測(cè)量的主要步驟:

(1)移動(dòng) GPS野外行走過(guò)程中,應(yīng)保持較慢的均勻速度,沿著待測(cè)林地邊緣走到所需測(cè)量的點(diǎn)位上停下,使手持 GPS接收機(jī)鎖定了至少 4顆衛(wèi)星后,并使誤差在 10米之內(nèi),按住輸入鍵,畫面自動(dòng)轉(zhuǎn)為存點(diǎn)畫面,并顯示該點(diǎn)的經(jīng)緯度值,將其記錄或編輯存儲(chǔ)。

(2)野外行走過(guò)程中,每遇到拐彎處,可以停留一段時(shí)間,待坐標(biāo)位置顯示末位數(shù)停止變動(dòng)后,才能確定點(diǎn)位,再繼續(xù)行走,直到回到出發(fā)點(diǎn)[2]。

表 2 移動(dòng) GPS實(shí)地面積測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)表

從表 2可看出,GPS實(shí)地面積測(cè)量其平均誤差在 0.004—0.021之間,平均精度在 97.9%—99.6%之間,誤差小大的排序?yàn)?3號(hào) 0.004<5號(hào) 0.009<4號(hào) 0.011<1號(hào) 0.018<2號(hào)0.021,精度大小的排序?yàn)?3號(hào) 99.6%>5號(hào) 99.1%>4號(hào) 98.9%>1號(hào) 98.2%>2號(hào) 97.9%,可見以上兩種不同測(cè)量方法其誤差和精度大小的趨勢(shì)基本相吻合,被測(cè)面積越大誤差越小,精度則越大。

2.1.3 羅盤儀測(cè)量與 GPS測(cè)量結(jié)果比較 設(shè)羅盤儀測(cè)量為Ⅰ處理,GPS測(cè)量為Ⅱ處理,不同處理間的誤差和精度列表如下。

表3 不同處理的誤差和精度數(shù)據(jù)比較表

從表 3可看出 GPS與羅盤儀相比,誤差下降在 2.39—7.5倍之間,精度相應(yīng)提高在 2.4%—2.8%之間。表明從絕對(duì)誤差的角度上看,GPS較羅盤儀更具優(yōu)勢(shì)。

2.2 相對(duì)誤差法

為了便于計(jì)算,將移動(dòng) GPS測(cè)量結(jié)果整合后列表如下 (表 4-8表)。

表 4 1號(hào)林地觀測(cè)結(jié)果

表 5 2號(hào)林地觀測(cè)結(jié)果

表 6 3號(hào)林地觀測(cè)結(jié)果

表 7 4號(hào)林地觀測(cè)結(jié)果

表 8 5號(hào)林地觀測(cè)結(jié)果

2.2.1 誤差計(jì)算 采用測(cè)量誤差計(jì)算的方法計(jì)算出觀測(cè)值測(cè)量中誤差、算術(shù)平均值測(cè)量中誤差及相對(duì)誤差進(jìn)行分析[3]。

(1)1號(hào)林地誤差計(jì)算

該林地最大絕對(duì)誤差為 0.54,最小絕對(duì)誤差為 0.44(見表 4)。

式中:μ為已知值,x為觀測(cè)值,n為重復(fù)次數(shù) (下同)。

(2)2號(hào)林地誤差計(jì)算

該林地最大絕對(duì)誤差為 0.50,最小絕對(duì)誤差為 0.39(見表 5)。

(3)3號(hào)林地誤差計(jì)算

該林地最大絕對(duì)誤差為 0.42,最小絕對(duì)誤差為 0.36(見表 6)。

(4)4號(hào)林地誤差計(jì)算

該林地最大絕對(duì)誤差為 0.56,最小絕對(duì)誤差為 0.52(見表 7)。

(5)5號(hào)林地誤差計(jì)算

該林地最大絕對(duì)誤差為 0.58,最小絕對(duì)誤差為 0.52(見表 8)。

2.2.2 測(cè)量精度分析 經(jīng)上述分別對(duì)五塊林地的相對(duì)誤差列式計(jì)算結(jié)果表明:1號(hào)林地的平均值相對(duì)誤差為 1/110,2號(hào)林地的平均值相對(duì)誤差為 1/95,3號(hào)林地的平均值相對(duì)誤差為 1/502,4號(hào)林地的平均值相對(duì)誤差為 1/181,5號(hào)林地的平均值相對(duì)誤差為 1/221。因?yàn)橄鄬?duì)誤差是評(píng)定精度的唯一標(biāo)準(zhǔn),相對(duì)誤差越小精度越高,可見 3號(hào)林地精度最高居首位,5號(hào)林地精度居其次,4號(hào)林地精度居其三,1號(hào)林地精度居其四,2號(hào)林地精度居其五。除 2號(hào)林地精度不能滿足外,1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)林地的相對(duì)誤差接近或小于 1/120的理論數(shù)據(jù),基本能滿足林業(yè)常用測(cè)量精度的要求。惟 2號(hào)林地的相對(duì)誤差偏大是因?yàn)楸粶y(cè)面積偏小之緣故,這是符合 GPS面積測(cè)量中被測(cè)面積越大,則相對(duì)誤差越小,精度越高的變化規(guī)律。

2.2.3 GPS面積測(cè)量的模擬成本 本研究在 GPS實(shí)測(cè)面積的實(shí)踐作業(yè)中證實(shí):在面積單元中 (以 1hm2為單元)的測(cè)量,若采用羅盤儀測(cè)量,在完成面積單元的測(cè)量中需要 4個(gè)人 /d;而采用 GPS后,則需要 2個(gè)人 /0.25d,不難看出在完成相同面積單元的測(cè)量中,GPS測(cè)量是羅盤儀測(cè)量功效的 8倍,成本則是它的 1/8。可見,采用移動(dòng) GPS測(cè)量可收到省時(shí)、省力、省費(fèi)用的良好效果,可在林區(qū)及林業(yè)生產(chǎn)單位推廣應(yīng)用,在助推林業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 小結(jié)與討論

3.1 本研究對(duì)五塊林地采用 GPS技術(shù)面積測(cè)量中,求算結(jié)果顯示,其中有四塊林地即 1號(hào)林地相對(duì)誤差為 1/110,3號(hào)林地相對(duì)誤差為 1/502,4號(hào)林地相對(duì)誤差為 1/181,5號(hào)林地相對(duì)誤差為 1/221,相對(duì)誤差接近或小于 1/120的理論數(shù)據(jù),能滿足林業(yè)常用測(cè)量精度的要求,說(shuō)明采用 GPS技術(shù)其優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的羅盤儀,這也是發(fā)展數(shù)字林業(yè)的一大突破。

3.2 采用 GPS技術(shù)測(cè)量,其被測(cè)面積越大,誤差越小,精度越高,且速度比常規(guī)測(cè)量快而精度完全能夠滿足生產(chǎn)工作的精度要求。

3.3 采用 GPS技術(shù),測(cè)量精度易受到各種外界因素影響,出現(xiàn)誤差屬正?，F(xiàn)象,故一般采用多組重復(fù)、多次求平均的方式求算。

3.4 GPS技術(shù)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)的森林資源信息管理的方式,成為現(xiàn)代林業(yè)經(jīng)營(yíng)實(shí)行動(dòng)態(tài)管理可視化的嶄新工具,前景廣闊看好。

[1]寇艷紅譯.GPS原理與應(yīng)用 (美 )[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2]許筱陽(yáng)、夏友福.測(cè)量學(xué)[M].西安:科技出版社 ,1994.

[3]周立.GPS測(cè)量技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2005.

GPS’S APPL ICATI ON ON FOREST INVENTORY AND AREA M EASUREM ENT

ZHENG Cheng-cai1,HUANGLiang2,WU Jian-lin2,L I Fu-yu1,SIMing-hua2,ZHANGMing-hui2,YE Pei-zhong2
(1.The Forest Inventory Programm ing Plan Group of Sanyuan D istrict,Sanyuan Sanm ing Fujian365001,China;2.Louyuan Logging and Silvicultural Cam p,Sanyuan D istrict,Sanyuan Sanm ing Fujian365001,China)

In this paper,the portable GPS’s application was introduced for forest area measurement.Due to the observation data from 5 different kinds of woodlands,the measurement error and accuracywere analyzed.The results indicated that the portable GPS could provide satisfaction precision for forest area measurement.The portable GPS could be an advanced tool that could substitute forestry compass.

GPS;area measurement;accuracy analysis

S758.4

A

1001-4276-(2010)01-0069-07

2010-09-10

鄭成才,男,(1965-),林業(yè)工程師,研究方向:林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)。