GPS在森林調(diào)查及面積勘測上的應用

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)劃設計隊,福建三明 365001;2.三明市三元區(qū)樓源林業(yè)采育場,福建三明 365001)

GPS在森林調(diào)查及面積勘測上的應用

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)劃設計隊,福建三明 365001;2.三明市三元區(qū)樓源林業(yè)采育場,福建三明 365001)

本研究介紹移動 GPS在林地面積測量上的應用,通過對五塊不同類型林地進行實地觀測,對測量誤差和精度進行分析,結(jié)果表明:移動 GPS測量林地面積的相對誤差能夠滿足林業(yè)常用測量精度的要求。移動GPS是可以替代傳統(tǒng)森林羅盤儀的一種不可多得的先進工具,它的廣泛應用將為森林資源的動態(tài)管理和實現(xiàn)數(shù)字林業(yè)的可視化提供有力的技術(shù)支撐。

GPS;面積測量;精度分析

隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展和科學技術(shù)日新月異的進步,“3S”技術(shù)已被廣泛應用于陸地、海洋、航空、航天等高科技領域,其中的移動 GPS技術(shù)具有全天候、高精度和自動測量等特點,作為先進的測量手段和新的生產(chǎn)力,已經(jīng)融入到我國國民經(jīng)濟建設、國防建設和社會發(fā)展的各個相關層面。移動 GPS在確定林區(qū)面積、估算木材量、計算可采伐林木面積、確定原始森林、道路位置、森林防火周邊測量、工程造林、跡地更新、尋找水源和測量地域界線等諸多方面,可以發(fā)揮其獨特的重要作用。在森林中進行常規(guī)測量相當困難的情況下,移動 GPS的定位技術(shù)可以發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢,精確測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)提供強有力的技術(shù)支撐,若廣泛應用會取得巨大的經(jīng)濟和社會效益。

1 GPS基本的原理及應用

GPS是 Globol Position System(全球定位系統(tǒng))的簡稱,該系統(tǒng)是 20世紀 70年代由美國國防部為滿足軍事目的而研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),它可以提供高精度的導航、定位和授時服務,目前已向全球用戶提供免費服務。GPS系統(tǒng)分天上和地下兩個部分:在天上有 24顆衛(wèi)星在不停地轉(zhuǎn)動,使得在地球任何的一個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)或者車載式 GPS接收機,也就是我們所常說的 GPS[1]。

將 GPS這一先進的測量技術(shù)應用在林業(yè)工作中,能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精密坐標,完成森林調(diào)查與管理中各種境界線的勘測與放樣落界,成為森林資源調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測的有力工具。本研究就是采用 GPS技術(shù)進行面積測量的一個最好例證。

2 研究方法

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

2.1 絕對誤差法

2.1.1 森林羅盤儀面積測量 常規(guī)的伐區(qū)調(diào)查設計中是利用羅盤儀進行導線測量,測定伐區(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,進行常規(guī)測量作業(yè)非常困難,采用移動 GPS測量面積方便多了。為了進一步論證移動 GPS測量面積應用中的誤差和精度,本研究對五塊大小不同、坡度不同、用途不同的林地先采用羅盤儀測量其面積,為力求準確設置三次重復取平均值,與已知面積進行多次對照比較,再用統(tǒng)計計算的方法進行誤差計算和精度分析 (見表 1)。

表 1 羅盤儀實地面積測量結(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量絕對誤差一般在 0.030—0.044之間,從表 1可以看出 1號—5號林地其面積測量的誤差分別為 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塊林地面積測量的精度大小的排序為 3號 >5號 >4號 >1號 >2號,不難看出,林地面積的精度隨面積的增大而精度相應提高,誤差則與此相反,即相應變小。

2.1.2 移動 GPS面積測量 采用 GPS系統(tǒng)的動態(tài)點位法進行伐區(qū)調(diào)查設計的測量工作,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)查設計人員的運動實時記錄下伐區(qū)的邊界坐標,與計算機聯(lián)接可方便地進行標圖并求出伐區(qū)的面積。應用 GPS技術(shù)與常規(guī)儀器相比,不僅能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精密坐標,完成森林調(diào)查與伐區(qū)面積的勘測,成為森林調(diào)查與動態(tài)管理的有力工具。毫無疑問,這種先進的高科技的測量手段勢必提高森林調(diào)查的精度,減少誤差率,提高工作效率,節(jié)約營林成本。

移動 GPS定位測量的主要步驟:

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

(2)野外行走過程中,每遇到拐彎處,可以停留一段時間,待坐標位置顯示末位數(shù)停止變動后,才能確定點位,再繼續(xù)行走,直到回到出發(fā)點[2]。

表 2 移動 GPS實地面積測量結(jié)果數(shù)據(jù)表

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

2.1.3 羅盤儀測量與 GPS測量結(jié)果比較 設羅盤儀測量為Ⅰ處理,GPS測量為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,精度相應提高在 2.4%—2.8%之間。表明從絕對誤差的角度上看,GPS較羅盤儀更具優(yōu)勢。

2.2 相對誤差法

為了便于計算,將移動 GPS測量結(jié)果整合后列表如下 (表 4-8表)。

表 4 1號林地觀測結(jié)果

表 5 2號林地觀測結(jié)果

表 6 3號林地觀測結(jié)果

表 7 4號林地觀測結(jié)果

表 8 5號林地觀測結(jié)果

2.2.1 誤差計算 采用測量誤差計算的方法計算出觀測值測量中誤差、算術(shù)平均值測量中誤差及相對誤差進行分析[3]。

(1)1號林地誤差計算

該林地最大絕對誤差為 0.54,最小絕對誤差為 0.44(見表 4)。

式中:μ為已知值,x為觀測值,n為重復次數(shù) (下同)。

(2)2號林地誤差計算

該林地最大絕對誤差為 0.50,最小絕對誤差為 0.39(見表 5)。

(3)3號林地誤差計算

該林地最大絕對誤差為 0.42,最小絕對誤差為 0.36(見表 6)。

(4)4號林地誤差計算

該林地最大絕對誤差為 0.56,最小絕對誤差為 0.52(見表 7)。

(5)5號林地誤差計算

該林地最大絕對誤差為 0.58,最小絕對誤差為 0.52(見表 8)。

2.2.2 測量精度分析 經(jīng)上述分別對五塊林地的相對誤差列式計算結(jié)果表明:1號林地的平均值相對誤差為 1/110,2號林地的平均值相對誤差為 1/95,3號林地的平均值相對誤差為 1/502,4號林地的平均值相對誤差為 1/181,5號林地的平均值相對誤差為 1/221。因為相對誤差是評定精度的唯一標準,相對誤差越小精度越高,可見 3號林地精度最高居首位,5號林地精度居其次,4號林地精度居其三,1號林地精度居其四,2號林地精度居其五。除 2號林地精度不能滿足外,1號、3號、4號、5號林地的相對誤差接近或小于 1/120的理論數(shù)據(jù),基本能滿足林業(yè)常用測量精度的要求。惟 2號林地的相對誤差偏大是因為被測面積偏小之緣故,這是符合 GPS面積測量中被測面積越大,則相對誤差越小,精度越高的變化規(guī)律。

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

3 小結(jié)與討論

3.1 本研究對五塊林地采用 GPS技術(shù)面積測量中,求算結(jié)果顯示,其中有四塊林地即 1號林地相對誤差為 1/110,3號林地相對誤差為 1/502,4號林地相對誤差為 1/181,5號林地相對誤差為 1/221,相對誤差接近或小于 1/120的理論數(shù)據(jù),能滿足林業(yè)常用測量精度的要求,說明采用 GPS技術(shù)其優(yōu)勢遠遠超過傳統(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)測量,其被測面積越大,誤差越小,精度越高,且速度比常規(guī)測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、多次求平均的方式求算。

3.4 GPS技術(shù)的應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)營實行動態(tài)管理可視化的嶄新工具,前景廣闊看好。

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

[2]許筱陽、夏友福.測量學[M].西安:科技出版社 ,1994.

[3]周立.GPS測量技術(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)劃設計。