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

        2022-07-01 03:48:09李吉鵬張瑞娟
        南方農(nóng)業(yè)·下旬 2022年5期
        關(guān)鍵詞:RTK技術(shù)陜西省

        李吉鵬 張瑞娟

        摘 要 林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究對(duì)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(cè)樣地為例,對(duì)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(cè)定位方法,通過(guò)對(duì)比篩選出了適合應(yīng)用于林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)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(cè)應(yīng)用;陜西省

        中圖分類號(hào):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(cè)工作中的技術(shù)也越來(lái)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(cè)工作中,不僅可達(dá)到全面監(jiān)測(cè)的效果,同時(shí)可以進(jìn)一步確保監(jiān)測(cè)質(zhì)量。基于此,在林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)中,相關(guān)單位需要對(duì)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(duì)此項(xiàng)技術(shù)加以合理利用。通過(guò)這樣的方式,才可以使其技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮,使林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)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(shì),并探討了RTK技術(shù)的方案篩選過(guò)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(cè)量站載波相位觀測(cè)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(jí)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(jí)。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(lái)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(cè)區(qū)的點(diǎn)位測(cè)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(jiǎn)單,容易使用。只需要在架設(shè)基準(zhǔn)站時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置,就可以進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)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(hào)遮擋嚴(yán)重,特別是秦嶺山區(qū)腹地,群山環(huán)繞,地勢(shì)崎嶇,最大坡度可達(dá)50°,且多數(shù)地區(qū)沒(méi)有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋,RTK測(cè)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(hào)源干擾,在傳輸過(guò)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(wèn)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(hào)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(cè)定位

        林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)樣地監(jiān)測(cè)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(cè)樣地,需要對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(hào),樣木相對(duì)位置的出錯(cuò)率不大于3%。對(duì)于叢生樣木和分叉樣木,應(yīng)能反映出樣木相對(duì)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(tái)1+1(基準(zhǔn)站+移動(dòng)站)模式,方案三是外掛電臺(tái)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(guò)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(guó)移動(dòng)CORS進(jìn)行差分解算達(dá)到厘米級(jí)高精度。

        1)優(yōu)點(diǎn):無(wú)需架設(shè)基準(zhǔn)站,在千尋CORS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(jí)。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(hào)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(guó)移動(dòng)CORS賬號(hào)綁定機(jī)身號(hào)CORS年服務(wù)費(fèi)為1 200元,獨(dú)立賬號(hào)CORS年服務(wù)費(fèi)為2 000元,千尋CORS賬號(hào)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(wú)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱的林區(qū),儀器無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收差分信號(hào)。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò),儀器的定位就是單點(diǎn),定位精度在1~5 m,無(wú)法滿足此次調(diào)查精度要求。

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

        基準(zhǔn)站鎖定衛(wèi)星后通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)發(fā)送差分信號(hào),移動(dòng)站鎖定衛(wèi)星后通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)同頻接收基準(zhǔn)站信號(hào)進(jìn)行差分解算,結(jié)果可達(dá)到厘米級(jí)高精度。此種模式的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)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(tái)基準(zhǔn)站和一臺(tái)移動(dòng)站(2臺(tái)RTK)[3]。

        由于此模式不需要網(wǎng)絡(luò)信號(hào),儀器架設(shè)簡(jiǎn)單,只需在樣地2 km范圍內(nèi)找一個(gè)稍微開(kāi)闊的地方架設(shè)一臺(tái)儀器作為基準(zhǔn)站,另外一臺(tái)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(tái)1+1(基準(zhǔn)站+移動(dòng)站)模式

        此模式和內(nèi)置電臺(tái)模式一樣,也不需要網(wǎng)絡(luò)信號(hào),但與內(nèi)置電臺(tái)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(cè)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(lái)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(lái)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(guò)該服務(wù)GNSS接收機(jī)可以在全球?qū)崿F(xiàn)單臺(tái)接收機(jī)達(dá)到厘米級(jí)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(kāi)通此項(xiàng)服務(wù)后可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)儀器達(dá)到固定解[5]。1)優(yōu)點(diǎn):無(wú)需網(wǎng)絡(luò)、無(wú)需架設(shè)基站,單機(jī)作業(yè),設(shè)備安裝簡(jiǎn)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(hào)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(jiǎn)單,儀器定位也不需要網(wǎng)絡(luò),但對(duì)環(huán)境的要求比較苛刻,需要在開(kāi)闊無(wú)遮擋環(huán)境下作業(yè)。同時(shí),從開(kāi)機(jī)初始化到高精度厘米級(jí)定位需要15 min左右,在樹(shù)林遮擋環(huán)境下需要的時(shí)間更長(zhǎng),有時(shí)甚至30 min都無(wú)法達(dá)到固定解。因此,綜合考慮各種因素,內(nèi)置電臺(tái)1+1模式更適合樣地監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的開(kāi)展。

        3.2 儀器型號(hào)篩選

        此次專門針對(duì)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?jī)?nèi)置電池、搜星能力和解算能力強(qiáng)的型號(hào)。

        經(jīng)過(guò)與行業(yè)內(nèi)資深用戶交流,對(duì)比國(guó)內(nèi)外儀器生產(chǎn)廠商的儀器參數(shù),綜合考量?jī)x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(guó)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(cè)試。表1是3款設(shè)備在周至縣4039樣地實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)[6]。

        通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)比,在密林無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)環(huán)境下,中海達(dá)V200內(nèi)置電臺(tái)1+1模式可以滿足林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)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(tái)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(wèn)題[7]。

        1)基準(zhǔn)站選擇。RTK定位數(shù)據(jù)處理的過(guò)程就是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的單線處理過(guò)程,觀測(cè)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(cè)區(qū)2 km范圍內(nèi)地勢(shì)比較高且開(kāi)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(duì)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(cè)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(duì)設(shè)備干擾大,無(wú)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(cè)有效,如果其中一個(gè)設(shè)備注冊(cè)失效,就不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)置電臺(tái)1+1模式。檢查設(shè)備電量,保證充足的電量滿足野外測(cè)量要求。檢查配件是否齊全,保證可以正常作業(yè)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        RTK在林草生態(tài)綜合監(jiān)測(cè)樣地監(jiān)測(cè)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(jí)。RTK內(nèi)置電臺(tái)1+1模式測(cè)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(wú)信號(hào)、信號(hào)弱、定位時(shí)間長(zhǎng)等環(huán)境限制問(wèn)題,極大地提高了作業(yè)效率,節(jié)省測(cè)量時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率定位。

        參考文獻(xiàn):

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        [2] 劉國(guó)和.網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)在水土保持土壤流失監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].治淮,2019(6):22-23.

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

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