馮曉娜,徐文兵,湯孟平,吳廣正
(浙江農林大學 環(huán)境與資源學院,浙江 臨安 311300)
森林資源規(guī)劃設計調查(簡稱 “二類調查”)是森林經營單位為掌握森林資源現(xiàn)狀及動態(tài),分析與評價經營活動的效果,編制、修訂森林經營方案或總體設計而進行的森林資源清查[1]。傳統(tǒng)調查方法主要是用羅盤儀和百米尺做閉合導線[2]或羅盤儀視距法配合皮尺來測定標準地和樹高等[3]。羅盤儀定位精度只能達到 50 m,費時費力強度高[4]?,F(xiàn)今,天然林區(qū)的森林經營從過去的生產經營型轉變?yōu)樯鷳B(tài)保護型,以及精準林業(yè)[5]的發(fā)展和相關學術研究等都對林業(yè)調查手段提出更高的要求,“3S”技術(地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感技術、全球定位技術)、三維激光掃描儀和全站儀等新技術的應用,促進了國內外森林資源調查的總體發(fā)展趨勢不斷向精度高、速度快、成本低和連續(xù)性的方向發(fā)展[6]。其中全球定位系統(tǒng)(GPS)能實時提供三維坐標,在林業(yè)調查中得到廣泛應用。GPS技術不同作業(yè)方式在林業(yè)測量中都已有相關應用研究[7-11],但由于受地形條件和樹冠遮擋的影響,尤其是山谷中空間視場小等難以克服的因素,定位精度只能達到米級甚至無法定位,局限了GPS技術在樹木精密定位中的應用,只能滿足林區(qū)面積測量、固定樣地的復位調查和像控點的測定等[12-13]。手持式GPS接收機由于其體積小巧、攜帶方便、操作簡單、價格低廉以及功能多樣等優(yōu)勢,已被廣泛應用于森林資源調查與檢測中的樣地選點定位、境界線的勘定、求取林地的距離和面積、森林病蟲害飛防定位及飛播造林等方面[12-14]。自2000年5月美國取消可選擇利用政策后,手持式GPS接收機單點定位精度有了很大的提高,單點定位精度可達到±15 m[13],若采取GPS差分技術處理,精度可達到1~5 m[15]。由于觀測條件的復雜多變,尤其林區(qū)環(huán)境中,受手持GPS接收機設備的性能和復雜的地形條件的雙重局限,直接影響了GPS測量的定位精度及其在林業(yè)測量中的應用。許多學者利用不同型號手持GPS接收機采用不同的數(shù)據(jù)處理方式來提高其定位精度[4,12-13],但數(shù)據(jù)處理過程比較繁瑣。本研究采用合眾思壯公司的集思寶G330手持式GPS接收機,以浙江省天目山國家級自然保護區(qū)為例,通過多歷元的觀測數(shù)據(jù),主要研究消除系統(tǒng)偏差和同步觀測差分的方式,提高手持式GPS接收機的單點定位精度,促進手持式GPS接收機服務于林業(yè)測量工作向定量化、數(shù)字化、精準化方向發(fā)展。
1.1.1 手持式GPS接收機 集思寶G330手持式 GPS接收機,有 16個接受通道(L1,C/A碼),內置GPS天線,可以直接采集點、線、面等GIS空間數(shù)據(jù)。儀器標稱精度:單點定位精度,平面坐標中誤差2D RMS(2 dimension root mean square)<3.0~5.0 m,采用差分(MSAS/WAAS/EGNOS)時<1.0~3.0 m。同時,由于接收引擎采用Super Sense技術,使得它在林業(yè)測量中搜星定位速度更快。
1.1.2 GPS-RTK(Real Time Kinematic)接收機 Trimble 5700/5800 GPS接收機是由美國Trimble公司生產的全集成GPS接收機,采用內置Trimble Maxwell 4芯片的超跟蹤技術。
Trimble 5700接收機采用有效的低角度衛(wèi)星跟蹤技術、多路徑抑制技術,12通道,L1 C/A碼、L1全載波、WASS/EGNOS多重觀測值,標稱精度:碼差分定位,水平中誤差為±(0.25×103+1×10-6·D)mm(D為單位是km時水平距離的數(shù)值),垂直中誤差為(0.5×103+1×10-6·D)mm;靜態(tài)和快速靜態(tài)測量,水平誤差為(5+0.5×10-6·D)mm,垂直誤差為±(5+1×10-6·D)mm,用于建立基準站。
Trimble 5800 GPS接收機,24通道,L1C/A碼,L1/L2全周載波相位觀測量,高精度的L1/L2多重相關偽距觀測值,內置藍牙(bluetooth),電子控制單元(ACU)控制器操作簡便,標稱精度:碼差分GPS 定位,水平誤差為±(0.25×103+1×10-6·D)mm,垂直誤差為±(0.5×103+1×10-6·D)mm;實時動態(tài),水平誤差為±(10+1×10-6·D)mm,垂直誤差為±(20+1×10-6·D)mm,用于流動站。
1.1.3 全站儀 全站儀(total station)是集測距儀、電子經緯儀、微處理機于一體的電子測繪儀器,使用方便、效率好、精度高,可直接測量角度、距離和坐標,還具有雙邊測量、懸高測量等特殊測量功能,已成為工程測量中常用儀器。本實驗采用南方全站儀NTS362R,測角精度為2″級,單棱鏡測程為2.6 km,免棱鏡模式測程為 300.0 m,測距精度為±(3+2×10-6·D)mm。
實驗場地在浙江省天目山國家級自然保護區(qū),位于浙江西北部臨安市西天目山,30°18′30″~30°24′55″N,119°23′47″~119°28′27″E,海拔 300.0~1 556.0 m,距杭州 84.0 km,其東南部與臨安市西天目鄉(xiāng)毗鄰,西部與臨安市千洪鄉(xiāng)和安徽省寧國市接壤,北部與浙江安吉龍王山省級自然保護區(qū)交界,是中國東部中亞熱帶北緣森林的代表性地段[16],森林資源保護良好。試驗點布設于自然保護區(qū)入口處的狹長山谷地帶,三面環(huán)山,除了周圍山體和高大喬木的阻隔,每個點位正上方為不同范圍大小的凈空。
在測區(qū)內選擇分布較均勻、遠離電磁干擾源且視野較開闊的41個試驗點,用鋼釘做點標志。其中,J1,J2,J3,J4構成四邊形閉合導線(圖1)。
圖1 閉合導線四邊形Figure1 Parallogram of closed traverse
在測區(qū)中布設J1,J2,J3,J4等4個試驗點構成四邊形閉合導線;利用全站儀觀測閉合導線的距離及其內角,盤左、盤右各觀測1次,取其均值;選擇任意點架設基站,利用GPS-RTK儀器,設置BJ54橢球和120°E中央子午線,分別測出 J1,J2,J3,J4點的平面直角坐標;根據(jù)坐標 J1(x1,y1),J2(x2,y2),計算出方位角 α12;將 J1(x1,y1,H1)點設為起算坐標,方位角α12設為起始方位,自定義獨立坐標系統(tǒng);利用全站儀測定的導線觀測數(shù)據(jù),結合起算數(shù)據(jù),分別推算出J2,J3,J4點的三維坐標,由于導線邊長較短,高程測量采用對向三角高程測量,不考慮兩差(地球曲率影響和大氣折光影響)改正;利用全站儀測定的坐標與RTK同名點進行點校正,這里的點校正不再是坐標系的轉換,而是利用全站儀測定的結果對RTK測量數(shù)據(jù)進行約束糾正。
將GPS-RTK移動站利用對中桿在試驗點上靜置,得到固定解,待儀器的內符合精度符合要求(平面精度≤15 mm,高程精度≤20 mm),保存數(shù)據(jù),作為試驗的參考數(shù)據(jù)。
首先設置手持式GPS接收機的坐標系統(tǒng),采用BJ54橢球和120°E中央子午線。接著設置手持式GPS接收機的坐標系統(tǒng)轉換參數(shù)(Δx,Δy,Δz,ΔF,ΔA):Δx,Δy,Δz等 3個參數(shù)表示WGS84地心坐標系與獨立坐標系的三維空間坐標系的3個坐標向量之差,分別設置為0;ΔA表示2個橢球體的長半軸之差,ΔF表示2個橢球體的扁率之差,分別為 ΔA=-108.0 m和 ΔF=+0.000 000 481。本實驗中也設置為0。將手持式 GPS接收機朝向正北,相位中心對準各個試驗點靜置,進行多歷元單點定位,待數(shù)據(jù)顯示比較穩(wěn)定后,時間間隔為2 min記錄1次數(shù)據(jù)。觀測時,1臺接收機靜置J1點連續(xù)觀測,另有3臺接收機分別靜置其他試驗點同步觀測,每個點上觀測10個歷元,歷時20 min左右,整個觀測時間段為 8∶46-11∶24和 14∶26-17∶18的觀測,獲取各個試驗點多歷元的觀測值。
全站儀野外觀測數(shù)據(jù)按照閉合導線和閉合水準路線的模式解算各點的三位坐標[17]。根據(jù)RTK測定的 J1(x1,y1,H1)和 J2(x2,y2,H2),推算直線 J1J2方位角以 J1(x1,y1,H1)和 α12為起算數(shù)據(jù),對轉折角進行平差后推算其他邊方位角,再由實測導線邊距離推算各邊坐標增量(Δxij=Dij·cosαij,Δyij=Dij·sinαij),進行平差后各點平面坐標(xj=xi+Δx′,yj=y(tǒng)i+Δy′)ijij;高差數(shù)據(jù)由對向觀測的三角高程測量結果求平均值進行平差,根據(jù)Hj=Hi+h′ij計算各點高程。
將手持GPS觀測數(shù)據(jù)錄入Excel表中,分析一組坐標值的分布特點,檢查并糾正錄入錯誤,同時剔除偏差明顯較大的數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的真實性與有效性(一般認為當系統(tǒng)誤差消除后的殘差為隨機誤差,但觀測值的殘差如果大于儀器標準精度2倍,一般認為是粗差,應予以剔除)。預處理后的數(shù)據(jù)按式(1)計算各個試驗點在時長為20 min的平均坐標值
式(1)中:(xin,yin,Hin)為第i個試驗點第n個的觀測值;n為有效觀測值個數(shù)。
不同時間段,同一點上空的GPS星座分布狀況不斷變化,GPS衛(wèi)星分布圖形直接影響單點定位精度。本試驗在J1點上不同時間段連續(xù)觀測,獲得167條觀測數(shù)據(jù),將其分為3個時間段:上午(8∶46-9∶46),中午(11∶00-11∶24,14∶26-15∶00),傍晚(16∶18-17∶18),按式(2)計算全天觀測數(shù)據(jù)的平均值作為參考值,按式(3)計算不同時間段各歷元平面點位偏差值,分析不同時間段對單點定位精度的影響。
式(3)中:i為歷元數(shù),i=1,2,3,…,167。
內符合精度是表示手持式GPS接收機獲得各個試驗點多歷元坐標值的離散程度,可反映接收機單點定位的穩(wěn)定性,是評價接收機單點定位的主要精度指標,某試驗點的內符合精度可按式(4)計算。
式(4)中:xi,yi,Hi(i=1,2,…,n)為各試驗點的測量值,n為歷元數(shù);m 為中誤差。
由于手持GPS接收機只設定參考橢球,單點定位試驗數(shù)據(jù)與GPS-RTK數(shù)據(jù)之間會產生系統(tǒng)性偏差。按式(5)求取多歷元手持GPS觀測數(shù)據(jù)平均值與GPS-RTK數(shù)據(jù)進行求差,分析差值的分布,若差值相近,按式(6)計算差值的平均值作為系統(tǒng)性偏差,按式(7)計算消除系統(tǒng)性偏差后手持GPS觀測值離散性偏差,可分析手持GPS利用已知點坐標差分后單點定位的隨機性誤差。
式(5)和式(6)中:(xi0,yi0,Hi0)為第 i個試驗點 GPS-RTK 觀測值;n為試驗點個數(shù)。
外符合精度是表示手持GPS單點定位的各個試驗點測量值與參考值(本研究為GPS-RTK測量值)相比較的離散程度,是評價接收機的外部精度。為客觀評價其外部精度,手持GPS測量值應消除其系統(tǒng)性偏差,某試驗點的外符合精度m′可按式(8)計算,式中符號意義同式(4)和式(5)。
試驗中,一臺手持GPS接收機靜置J1點連續(xù)觀測,將所有GPS數(shù)據(jù)按照不同時間段進行分組,同時以 J1點各個時段的隨機誤差(△x1i,△y1i,△H1i)作為修正值,如式(9)。對相同時間段的第 j個試驗點的坐標值(xji,yji,Hji)進行修正,如式(10)。比較修正后的第j試驗點坐標值與GPS-RTK參考值之間的差異(△xji,△yji,△Hji),如式(11),分析手持 GPS同步觀測差分后的定位精度。
式(9),式(10)和式(11)中:i為時間段數(shù);j為各試驗點號,j=2,3,4,…,41。
由式(2)和式(3),計算不同時間段J1點的綜合誤差,其結果如圖2所示。
由圖2可知:手持GPS接收機在不同測量時段進行單點定位時,98.8%的平面偏差小于4.0 m,上午和下午2個時間段的平面精度相近,中午時間段誤差較大,不同時間段對測量精度的影響不顯著。由于同一地域不同時間段內衛(wèi)星的數(shù)量和分布位置會有所不同,這種差異性對定位精度產生不同程度的影響,利用手持GPS在林地測量中不考慮地形因素時,盡量避免中午時間段觀測,以提高整體觀測數(shù)據(jù)的質量。
圖2 不同時間段J1點的平面偏差Figure 2 Plane deviation in different time about point J1
由式(4)計算各個試驗點坐標的中誤差,即三維坐標的內符合精度(mx,my,mH),結果如圖3。
由圖3可知:90.0%的試驗點平面坐標(x,y)的內符合精度小于4.0 m,而高程H只有67.5%,但85.0%的高程內符合精度小于6.0 m,相對精度能滿足粗泛式林業(yè)測量的精度要求;高程數(shù)據(jù)的離散程度明顯高于平面數(shù)據(jù),個別高程數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象,穩(wěn)定性較差。
圖3 手持GPS單點定位內符合精度分析Figure 3 Analysis of the inner precision of single point positioning using handheld GPS
由式(5)~(7),得到試驗點(x,y,H)的系統(tǒng)性偏差分別為(-59.406,72.435,103.610 m)。經分析,產生系統(tǒng)性偏差原因主要有2個方面:一是手持式GPS原始坐標為WGS84坐標,轉換為BJ54坐標的橢球參數(shù)偏差和坐標轉換誤差;二是手持式GPS在單點絕對定位時,由于衛(wèi)星軌道、星歷誤差、信號傳播誤差等共性誤差的綜合影響。消除系統(tǒng)性偏差后,即為各試驗點的隨機性偏差,分布情況如表1。
表1 消除系統(tǒng)性偏差后試驗點隨機性偏差分布情況表Table 1 Distribution table of the test points’random deviation after eliminating systematic bias
由表1可知:消除系統(tǒng)性偏差后的觀測值精度有顯著提高,與參考值相比較,(x,y,H)隨機性偏差小于5.0 m分別為87.5%,95.0%和67.5%,其中平面坐標中0~3.0 m超過75.0%,高程只有32.5%,平面坐標精度高于高程的精度,整體情況與內符合精度相當,因此消除系統(tǒng)性偏差后手持GPS單點定位精度顯著提高。
由式(8)計算各個試驗點的外符合精度(m′,m′,m′xyH),結果如圖4。由圖4可得:85.0%~90.0%的試驗點平面坐標外符合精度小于5.0 m,而高程只有48.7%,同時87.2%的高程外符合精度小于10.0 m,平面坐標的最大偏差為11.2 m,高程的最大偏差為19.5 m,與圖3對比,外符合精度低于內符合精度,即手持GPS相對精度高于絕對定位精度,因此手持GPS單點定位還難以應用于測定林業(yè)樣地,可用于樣地復位,而在林地面積、邊界線長度等相對測量中精度要高于單點定位。
圖4 手持GPS單點定位外符合精度分析Figure 4 Analysis of the outer precision of single point positioning using handheld GPS
由式(9)~(11),各個試驗點觀測值以其相近時段的J1點的誤差進行修正(差分),再與實時動態(tài)參考值求差,同時以消除系統(tǒng)性偏差后(差分前)的坐標值與實時動態(tài)參考值求差,比較結果如圖5~7所示。
圖5 各個試驗點的x坐標值差分前后隨機誤差相比較Figure 5 Comparison of the random error of x coordinates before and after difference
圖6 各個試驗點的y坐標值差分前后隨機誤差相比較Figure 6 Comparison of the random error of y coordinates before and after difference
圖7 各個試驗點的H坐標值差分前后隨機誤差相比較Figure 7 Comparison of the random error of H coordinates before and after difference
由圖5~7可得:2種提高手持GPS觀測精度方式的結果相比較,部分x坐標值精度有明顯提高,整體而言沒有明顯變化,0~5.0 m的誤差比例相同,為87.2%;y坐標值0~3.0 m的誤差比例由修正前的74.4%提高到修正后的89.7%,0~5.0 m的誤差比例相同;H坐標值0~3.0 m的誤差比例在修正前后分別為30.8%和48.7%,0~5.0 m的分別為66.7%和79.6%??梢娡粫r間段共性誤差包括系統(tǒng)性偏差相近,同步觀測差分方法優(yōu)于消除系統(tǒng)性偏差的方法,因此在林區(qū)使用手持GPS單點定位時,利用測區(qū)內已知點和2臺以上的手持GPS接收機同步觀測,可有效改善單點定位精度。同時,從圖5~7中可見中間時段(即中午時段)修正效果明顯低于兩端時段 。
本研究在林區(qū)環(huán)境中相對空曠的區(qū)域布設多個試驗點,通對多臺手持GPS接收機對試驗點進行多歷元的觀測,并以GPS-RTK測量值作為參考數(shù)據(jù),從不同角度進行分析數(shù)據(jù),得到以下結論:①手持式GPS不同時間段定位精度相近,98.8%的平面精度優(yōu)于4.0 m,中午時間段精度較差;②集思寶G330手持式GPS接收機單點定位精度較高,90.0%的試驗點平面內符合精度小于4.0 m,85.0%~90.0%的試驗點外符合精度一般小于6.0 m,高程精度低于平面精度,在林區(qū)測量,不考慮樹林或山谷中等惡劣地形,定位精度與儀器標稱精度相當;③手持式GPS測量的系統(tǒng)性偏差遠大于其隨機性偏差,在絕對定位中需要消除,系統(tǒng)性誤差可利用測區(qū)中已知控制點予以修正。本研究中消除試驗點(x,y,H)的系統(tǒng)性偏差(-59.406,72.435,103.610 m)后,各坐標分量隨機性偏差小于 5.0 m分別提高到87.5%,95.0%和67.5%;利用測區(qū)內已知點和2臺以上手持GPS接收機同步觀測能有效削弱共性誤差,定位精度的提高效果優(yōu)于系統(tǒng)性偏差修正。
本研究采用的是集思寶G330手持式GPS接收機,其他型號的手持GPS未進行嘗試;研究是在夏季進行的,其他季節(jié)或不同氣候條件的影響未作充分考慮。研究結果分析顯示,部分點位情況差異性較大,主要是受不同點位的微地形環(huán)境影響。本研究未采用針對性措施,只分析了整體性情況;又由于手持GPS在林業(yè)生產中應用廣泛,因此本研究主要考慮林區(qū)環(huán)境的影響,下一步研究工作可試驗集思寶G330手持式GPS接收機在平原地區(qū)的定位精度情況。
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