RTK在陜西省林草生態(tài)綜合樣地監(jiān)測中的應用

李吉鵬 張瑞娟

摘 要 林草生態(tài)綜合監(jiān)測評價研究對于山水林田湖草沙系統(tǒng)治理及“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)具有重大意義。以陜西省林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地為例，對實時動態(tài)載波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技術(shù)在其中的應用進行了分析。闡述了RTK技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點及樣地監(jiān)測定位方法，通過對比篩選出了適合應用于林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作的RTK技術(shù)應用方案，并指出了RTK技術(shù)在應用中需要注意的主要事項。

關(guān)鍵詞 RTK技術(shù);林草生態(tài);監(jiān)測應用;陜西省

中圖分類號：S712 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.10.072

隨著當今科學技術(shù)的不斷進步，應用到林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作中的技術(shù)也越來越多。其中，實時動態(tài)載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)便是一種非常先進且有效的技術(shù)。將該技術(shù)合理應用到林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作中，不僅可達到全面監(jiān)測的效果，同時可以進一步確保監(jiān)測質(zhì)量。基于此，在林草生態(tài)綜合監(jiān)測中，相關(guān)單位需要對此項技術(shù)加以深入研究，并根據(jù)實際情況、結(jié)合實際需求，對此項技術(shù)加以合理利用。通過這樣的方式，才可以使其技術(shù)優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，使林草生態(tài)綜合監(jiān)測工作得以順利完成。本文以RTK技術(shù)為切入點，分析其原理與技術(shù)優(yōu)勢，并探討了RTK技術(shù)的方案篩選過程，希望能夠為相關(guān)技術(shù)的應用提供參考。

1 RTK技術(shù)概述

1.1 工作原理

RTK技術(shù)又稱實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)，是實時處理2個測量站載波相位觀測量的差分方法，即將基準站采集的載波相位發(fā)給移動站接收機，進行求差解算坐標以達厘米級精度[1]。

1.2 優(yōu)點

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到厘米級。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)品變得越來越小型化、智能化，便于攜帶。一般設站一次即可完成2 km半徑內(nèi)測區(qū)的點位測量，在一般的電磁波環(huán)境下幾秒鐘即可獲得一組移動站的坐標，極大地提高了作業(yè)效率。3）操作簡單，容易使用。只需要在架設基準站時進行簡單設置，就可以進行點位測量。

1.3 缺點

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)星信號遮擋嚴重，特別是秦嶺山區(qū)腹地，群山環(huán)繞，地勢崎嶇，最大坡度可達50°，且多數(shù)地區(qū)沒有手機網(wǎng)絡信號覆蓋，RTK測量精度及作業(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、各種高頻信號源干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，影響作業(yè)精度和作業(yè)范圍。3）精度和穩(wěn)定性問題。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)測定位

林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地監(jiān)測中森林資源樣地全部為連續(xù)清查樣地，原則上屬于復測樣地，需要對樣地、樣地標志、樣木進行復位。

2.1 樣地復位

根據(jù)前期西南角的GPS坐標值（北京54坐標）、GPS航跡記錄和樣地位置記錄描述，采用GNSS導航、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志對周界進行復位，并按固定標志設置要求，修復和補設有關(guān)標志。同時，采集樣地西南角CGCS2000坐標值。

2.2 樣木復位

測量每株樣木的方位角和水平距離，也可以用縱坐標、橫坐標代替方位角、水平距離對樣木進行定位。根據(jù)樣木方位角和水平距離正確繪制樣木位置圖，標明樣木編號，樣木相對位置的出錯率不大于3%。對于叢生樣木和分叉樣木，應能反映出樣木相對位置。

3 RTK方案篩選

3.1 RTK工作模式

根據(jù)項目情況的特殊性，初步提出了4個RTK工作技術(shù)方案。方案一是網(wǎng)絡單移動站模式，方案二是內(nèi)置電臺1+1（基準站+移動站）模式，方案三是外掛電臺1+1（基準站+移動站）模式，方案四是星站差分模式。

3.1.1 網(wǎng)絡單移動站模式

通過手機網(wǎng)絡連接千尋連續(xù)運行參考站（Continuously ?Operating Reference Stations，CORS）或中國移動CORS進行差分解算達到厘米級高精度。

1）優(yōu)點：無需架設基準站，在千尋CORS網(wǎng)絡信號覆蓋范圍內(nèi)可以進行實時定位，定位精度可以達到厘米級。2）缺點：使用CORS時完全依賴于網(wǎng)絡通信 ，定位精度及定位時間受信號強弱、CORS站距離限制，網(wǎng)絡覆蓋不到的地方，等同于普通的手持GPS;每年收取CORS服務費，其中中國移動CORS賬號綁定機身號CORS年服務費為1 200元，獨立賬號CORS年服務費為2 000元，千尋CORS賬號CORS年服務費為3 600元。

由于陜西省大部分樣地都分布在無網(wǎng)絡或網(wǎng)絡信號弱的林區(qū)，儀器無法通過網(wǎng)絡接收差分信號。如果沒有網(wǎng)絡，儀器的定位就是單點，定位精度在1～5 m，無法滿足此次調(diào)查精度要求。

3.1.2 內(nèi)置電臺1+1（基準站+移動站）模式

基準站鎖定衛(wèi)星后通過內(nèi)置電臺發(fā)送差分信號，移動站鎖定衛(wèi)星后通過內(nèi)置電臺同頻接收基準站信號進行差分解算，結(jié)果可達到厘米級高精度。此種模式的優(yōu)點是信號穩(wěn)定、測量精度高、響應速度快，不易受通訊網(wǎng)絡影響;缺點是一組裝置需要同時配備一臺基準站和一臺移動站（2臺RTK）[3]。

由于此模式不需要網(wǎng)絡信號，儀器架設簡單，只需在樣地2 km范圍內(nèi)找一個稍微開闊的地方架設一臺儀器作為基準站，另外一臺儀器作為移動站即可。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)，完全滿足項目要求[4]。A25FB8BD-CBAA-449B-8D9D-D2641480313C

3.1.3 外掛電臺1+1（基準站+移動站）模式

此模式和內(nèi)置電臺模式一樣，也不需要網(wǎng)絡信號，但與內(nèi)置電臺模式相比，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)測工作難度。所以，此模式實際應用的可能性比較小。

3.1.4 星站差分模式

星站差分服務是利用來自全球跟蹤站網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)及創(chuàng)新的定位和壓縮算法來計算中繼衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星時鐘和其他系統(tǒng)的改正，再播發(fā)到接收機，從而獲得實時高精度的定位系統(tǒng)。通過該服務GNSS接收機可以在全球?qū)崿F(xiàn)單臺接收機達到厘米級的定位精度。具有此功能RTK會比普通的RTK多接收一個頻段，包含有差分信息，開通此項服務后可以實現(xiàn)單臺儀器達到固定解[5]。1）優(yōu)點：無需網(wǎng)絡、無需架設基站，單機作業(yè)，設備安裝簡單，定位精度高，作業(yè)成果誤差均勻。2）缺點：遮擋物影響衛(wèi)星信號接收，影響定位精度和定位時間。

此模式與前3種模式相比操作最簡單，儀器定位也不需要網(wǎng)絡，但對環(huán)境的要求比較苛刻，需要在開闊無遮擋環(huán)境下作業(yè)。同時，從開機初始化到高精度厘米級定位需要15 min左右，在樹林遮擋環(huán)境下需要的時間更長，有時甚至30 min都無法達到固定解。因此，綜合考慮各種因素，內(nèi)置電臺1+1模式更適合樣地監(jiān)測項目的開展。

3.2 儀器型號篩選

此次專門針對森林樣地復位，使用環(huán)境遮擋嚴重，必須選擇一款輕巧便攜、大容量內(nèi)置電池、搜星能力和解算能力強的型號。

經(jīng)過與行業(yè)內(nèi)資深用戶交流，對比國內(nèi)外儀器生產(chǎn)廠商的儀器參數(shù)，綜合考量儀器性能、產(chǎn)品穩(wěn)定性、操作便捷性、用戶口碑等多個維度，初步選擇了國產(chǎn)設備中海達旗下的3款儀器，分別為海星達i5、中海達V200和中海達V98，進行實際測試。表1是3款設備在周至縣4039樣地實測對比數(shù)據(jù)[6]。

通過實測對比，在密林無網(wǎng)絡信號環(huán)境下，中海達V200內(nèi)置電臺1+1模式可以滿足林草生態(tài)綜合監(jiān)測中的樣地定位精度。

4 RTK在使用中注意事項

RTK內(nèi)置電臺1+1模式因其精度高、實時性和高效性，在林業(yè)樣地定位中原本固定難、固定慢的點位也可以輕松取得固定解，根據(jù)多次應用實踐分析，為保證快速獲得高精度定位，應注意以下問題[7]。

1）基準站選擇。RTK定位數(shù)據(jù)處理的過程就是基準站和移動站之間的單線處理過程，觀測質(zhì)量的好壞主要取決于基站架設的好壞與數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。選擇測區(qū)2 km范圍內(nèi)地勢比較高且開闊地帶架設基準站，保證通視。如果密林遮擋嚴重，將基準站架設到盡量高（配備5 m對中桿），提高搜星、鎖星能力[8]?；鶞收炯茉O要遠離高壓線（大于100 m）且基準站與測區(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對設備干擾大，無法達到高精度定位。

2）設備檢查。作業(yè)前檢查設備是否注冊有效，如果其中一個設備注冊失效，就不能實現(xiàn)內(nèi)置電臺1+1模式。檢查設備電量，保證充足的電量滿足野外測量要求。檢查配件是否齊全，保證可以正常作業(yè)。

5 結(jié)語

RTK在林草生態(tài)綜合監(jiān)測樣地監(jiān)測中的應用是科技發(fā)展的必然結(jié)果，適應精準林業(yè)的要求。RTK改變了傳統(tǒng)的手持GPS定位精度低的現(xiàn)狀，定位精度達到厘米級。RTK內(nèi)置電臺1+1模式測量初始化時間短，工作狀態(tài)穩(wěn)定，快速達到固定解，可有效解決在復雜林區(qū)環(huán)境中無信號、信號弱、定位時間長等環(huán)境限制問題，極大地提高了作業(yè)效率，節(jié)省測量時間，實現(xiàn)了高精度、高效率定位。

參考文獻：

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[7] 秦繼芳.RTK測量技術(shù)在施工測量中的應用研究[J]. 建材與裝飾，2021，17（6）：27-28.

[8] 張代航，趙浩，冉怡靜.RTK技術(shù)在礦山測量工程中的應用研究[J].世界有色金屬，2021（13）：36-37.

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