焦有權(quán)

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院）

面向溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的GNSS技術(shù)與應(yīng)用

焦有權(quán)

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院）

利用GNSS技術(shù)，對(duì)溝域地表點(diǎn)位的環(huán)境信息進(jìn)行采集，建立面向溝域生態(tài)環(huán)境的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得包括生物、土壤、氣象、水質(zhì)等信息指標(biāo)，并進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，提升溝域生態(tài)環(huán)境保護(hù)水平，增強(qiáng)溝域經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力。

GNSS； 溝域；生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

1 引言

溝域經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，旅游開發(fā)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致旅游景點(diǎn)和鄉(xiāng)村生活污水及垃圾排放量增加，河道遭受污染并呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化加劇的趨勢(shì)；還有在溝域的采摘園區(qū)，為追求果品和農(nóng)作物的外在品質(zhì)，大量施用化肥、農(nóng)藥，致使水土生態(tài)環(huán)境惡化，迫切需要對(duì)溝域的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)與評(píng)估，獲得持續(xù)健康的生態(tài)效益。GNSS是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱[1]，該技術(shù)目前已基本取代了地基無(wú)線電導(dǎo)航、傳統(tǒng)大地測(cè)量和天文測(cè)量導(dǎo)航定位技術(shù)，并推動(dòng)了大地測(cè)量與導(dǎo)航定位領(lǐng)域的全新發(fā)展。

2 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法

2.1 溝域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

國(guó)家關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作主要采用的是以RS監(jiān)測(cè)為主，地面核查抽樣為補(bǔ)充的技術(shù)手段。由于生態(tài)系統(tǒng)的綜合性、復(fù)雜性以及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的區(qū)域差異性，遙感監(jiān)測(cè)的在大尺度范圍和獲取信息的時(shí)空連續(xù)性上有優(yōu)勢(shì)，監(jiān)測(cè)的信息側(cè)重反映生態(tài)類型及空間分布格局。但是，對(duì)于尺度較小的溝域空間而言，溝域生態(tài)系統(tǒng)的物種組成、結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能狀況及面臨的干擾和脅迫等問(wèn)題難以實(shí)現(xiàn)[2]。

2.2 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象

為了精準(zhǔn)弄清生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢(shì)，必須通過(guò)溝域生態(tài)地面監(jiān)測(cè)工作，填補(bǔ)生態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)境的短板，把RS監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)相結(jié)合，為溝域生態(tài)信息提供修正與補(bǔ)充。若通過(guò)實(shí)地取樣的調(diào)查分析，雖然能夠獲得生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)、物種組成、物質(zhì)生產(chǎn)能力信息，但是由于缺乏溝域地表的地理信息屬性，使得現(xiàn)場(chǎng)采樣的信息無(wú)法立體的或更加科學(xué)的展現(xiàn)出來(lái)，也無(wú)法生成具有規(guī)律性的數(shù)據(jù)模型，從科學(xué)性角度仍需要采用更加現(xiàn)代與科學(xué)的技術(shù)手段豐富環(huán)境監(jiān)測(cè)的內(nèi)涵[3]。

2.3 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重要性

作為溝域生態(tài)保護(hù)的重要基礎(chǔ)性工作，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)肩負(fù)著為溝域生態(tài)保護(hù)管理決策提供技術(shù)支撐、技術(shù)監(jiān)督與技術(shù)服務(wù)的使命，本項(xiàng)目的開展對(duì)保護(hù)環(huán)境、保障民生和建設(shè)生態(tài)文明具有重要的意義。溝域生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測(cè)是對(duì)溝域范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境或生態(tài)環(huán)境組合體的類型、結(jié)構(gòu)和功能及其組成要素進(jìn)行系統(tǒng)的地面測(cè)定和觀察，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的生物系統(tǒng)間的相互關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)與自然變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

3 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容及技術(shù)路線

3.1 引入GNSS空間定位技術(shù)

GNSS（Global Navigation Satellite System）可用的衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到100顆以上，是一個(gè)綜合星座系統(tǒng)，觀測(cè)定位精度高，能實(shí)現(xiàn)高精度1:500地形圖的測(cè)繪要求，單點(diǎn)直接作業(yè)，無(wú)需前后點(diǎn)的配合，適合在地形復(fù)雜的溝域環(huán)境中作業(yè)。利用最新的GNSS獲取溝域的大比例尺地形圖，為溝域定位監(jiān)測(cè)與環(huán)境信息提取提供精準(zhǔn)的地理信息支持。

3.2 構(gòu)建溝域全景化生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測(cè)體系

生態(tài)環(huán)境是一個(gè)巨系統(tǒng)，單項(xiàng)研究幾乎不可能面面俱到，但從大類來(lái)講，無(wú)非是溝域植被、氣候、土壤及水環(huán)境帶來(lái)的變化。

3.3 提取溝域生態(tài)環(huán)境信息及數(shù)據(jù)建庫(kù)

生態(tài)系統(tǒng)類型有很多種類，本研究主要針對(duì)山區(qū)溝域環(huán)境的要素，擬定為林草一體化生態(tài)系統(tǒng)，以此擬定主要監(jiān)測(cè)要素，包括生物、土壤、氣象、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)指標(biāo)，基于GNSS獲得1:500地形圖在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)溝域生態(tài)環(huán)境信息的科學(xué)調(diào)用、分析及成圖。

3.4 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

掌握生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的溝域現(xiàn)狀，包括常見(jiàn)的環(huán)境要素，如水體、林木、農(nóng)田、道路等，有較大的地形起伏和變化，場(chǎng)地較為開闊，便于接受衛(wèi)星信號(hào)等基本條件。在溝域?qū)?個(gè)以上北京54已知坐標(biāo)點(diǎn)，然后利用GNSS中的CORS數(shù)據(jù)鏈對(duì)溝域所在地進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，由此實(shí)現(xiàn)典型溝域環(huán)境信息的野外采樣點(diǎn)位，并入國(guó)家大地坐標(biāo)系統(tǒng)。最后對(duì)外業(yè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理加工和實(shí)驗(yàn)室鑒定分析及 GIS數(shù)據(jù)建庫(kù)與理論分析等。

4 溝域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)GNSS定位方案

4.1 基礎(chǔ)控制測(cè)量

按照要求，在已有的3個(gè)GNSS一級(jí)點(diǎn)A1、A2和A3的基礎(chǔ)上加密測(cè)量控制點(diǎn)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)增設(shè)2個(gè)二級(jí)控制點(diǎn)GS01和GS02，保證GNSS控制網(wǎng)具有較高的可靠性。根據(jù)測(cè)區(qū)情況布設(shè)若干個(gè)圖根點(diǎn)，滿足外業(yè)采集的需要。

4.1.1 選點(diǎn)和埋石

各等級(jí) GNSS 控制點(diǎn)應(yīng)選在視野開闊、地基穩(wěn)固、能夠長(zhǎng)期保存、便于使用的地方，如主要道路、廣場(chǎng)、橋梁等，本測(cè)區(qū)房頂上原則上不選。各等級(jí)GNSS 控制點(diǎn)的周圍應(yīng)便于架設(shè)接收設(shè)備和操作，視場(chǎng)內(nèi)不應(yīng)有高度角大于15°的成片障礙物；位于軟土地基的點(diǎn)可埋設(shè)預(yù)制標(biāo)石，標(biāo)石預(yù)制規(guī)格必須符合工程測(cè)量規(guī)范要求。測(cè)量標(biāo)志統(tǒng)一采用專門在廠家定做帶十字的測(cè)量標(biāo)志。位于水泥路面、瀝青路面的GNSS E級(jí)點(diǎn)可以現(xiàn)澆路面標(biāo)志，標(biāo)志采用專門在廠家定做的帶十字的測(cè)量標(biāo)志；各等級(jí)GNSS點(diǎn)要求實(shí)地繪點(diǎn)之記，點(diǎn)之記中需注明3個(gè)明顯地物點(diǎn)的間距，注記至0.1米。點(diǎn)之記在控制測(cè)量結(jié)束時(shí)應(yīng)整理好。

4.1.2 GNSS外業(yè)觀測(cè)

GNSS外業(yè)觀測(cè)使用滿足要求的雙頻GNSS接收機(jī)3臺(tái)，采用靜態(tài)定位方式進(jìn)行GNSS外業(yè)觀測(cè)，測(cè)前進(jìn)行儀器鑒定。出測(cè)前必須裝好電池，開機(jī)試驗(yàn)，保證作業(yè)用電需要。在測(cè)站上GNSS天線可利用基座與腳架直接對(duì)中整平，對(duì)中誤差應(yīng)≤3mm。觀測(cè)過(guò)程中，人員不得擅自離開測(cè)站，并應(yīng)防止儀器受震動(dòng)和被移動(dòng)，防止人和其它物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號(hào)。應(yīng)仔細(xì)準(zhǔn)確地量取天線高，要求每時(shí)段測(cè)前測(cè)后各量一次，較差不得超過(guò)3mm，兩次取平均值作為最后結(jié)果。 及時(shí)輸出當(dāng)天的GNSS接收數(shù)據(jù)，并且按照年月日進(jìn)行編號(hào)備份。

4.2 地形圖測(cè)繪

4.2.1 數(shù)字地形圖的基本要求

圖根點(diǎn)精度要求。對(duì)于一級(jí)圖根點(diǎn)位中誤差：±5cm；二級(jí)圖根點(diǎn)位中誤差：±5cm。 地物點(diǎn)的分類。地物點(diǎn)一類是主要地物點(diǎn)，指道路、管道、電網(wǎng)設(shè)施等明顯建筑物拐點(diǎn)；二類是次要地物點(diǎn)，主要指設(shè)站施測(cè)困難的明顯建筑物拐點(diǎn)及農(nóng)村居民地明顯建筑物拐點(diǎn)以及其它地物點(diǎn)。

4.2.2 地形圖高程精度

建筑區(qū)和地面硬化區(qū)，其高程注記點(diǎn)的高程中誤差相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不得大于±0.1m, 一般地區(qū)點(diǎn)位中誤差不得大于±0.15m。其它地區(qū)地形圖高程精度應(yīng)以等高線插求點(diǎn)的高程中誤差來(lái)衡量。等高線插求點(diǎn)相對(duì)于鄰近圖根點(diǎn)的高程中誤差；同一幅圖采用一種基本等高距。

5 應(yīng)用

5.1 GNSS控制點(diǎn)

項(xiàng)目選擇北京房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)拒馬河某河段，屬山前沖擊平原帶，老房易路經(jīng)村而過(guò)，村域面積1175畝，其中林地面積430畝。利用GNSS做的控制點(diǎn)a1、a2……a16，由此將該流域段的所以地物、地貌及地表信息都能獲取。

5.2 GNSS獲取地表信息點(diǎn)

根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)體系，課題研究人員又在實(shí)地經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘與認(rèn)真核對(duì)，獲取了該段溝域的主要地表信息，包括居民建筑、道路、水系、林田等。

[1]萬(wàn)瑋等, GNSS-R遙感國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展. 遙感信息, 2012(03): 第112-119頁(yè).

[2]焦有權(quán)等, 溝域生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測(cè)技術(shù)研究. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2015(06): 第26-29頁(yè).

[3]高秀清等, 延慶鐵爐溝域生態(tài)環(huán)境指標(biāo)測(cè)定與發(fā)展初探. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2015(04): 第29-35頁(yè).

K928

B

1007-6344（2017）10-0138-01

博士基金項(xiàng)目：GNSS溝域定位監(jiān)測(cè)與環(huán)境信息提取技術(shù)研究（XY-BS-16-06）