RTK在陕西省林草生态综合样地监测中的应用

李吉鹏 张瑞娟

摘 要 林草生态综合监测评价研究对于山水林田湖草沙系统治理及“碳达峰、碳中和”战略目标的实现具有重大意义。以陕西省林草生态综合监测样地为例，对实时动态载波相位差分（Real-Time Kinematic，RTK）技术在其中的应用进行了分析。阐述了RTK技术的工作原理、优缺点及样地监测定位方法，通过对比筛选出了适合应用于林草生态综合监测工作的RTK技术应用方案，并指出了RTK技术在应用中需要注意的主要事项。

关键词 RTK技术;林草生态;监测应用;陕西省

中图分类号：S712 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.10.072

随着当今科学技术的不断进步，应用到林草生态综合监测工作中的技术也越来越多。其中，实时动态载波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技术便是一种非常先进且有效的技术。将该技术合理应用到林草生态综合监测工作中，不仅可达到全面监测的效果，同时可以进一步确保监测质量。基于此，在林草生态综合监测中，相关单位需要对此项技术加以深入研究，并根据实际情况、结合实际需求，对此项技术加以合理利用。通过这样的方式，才可以使其技术优势得以充分发挥，使林草生态综合监测工作得以顺利完成。本文以RTK技术为切入点，分析其原理与技术优势，并探讨了RTK技术的方案筛选过程，希望能够为相关技术的应用提供参考。

1 RTK技术概述

1.1 工作原理

RTK技术又称实时动态载波相位差分技术，是实时处理2个测量站载波相位观测量的差分方法，即将基准站采集的载波相位发给移动站接收机，进行求差解算坐标以达厘米级精度[1]。

1.2 优点

1）定位精度高。在满足RTK基本工作要求的条件下，在一定的作业半径范围内（一般为2 km），RTK平面精度和高程精度都能达到厘米级。2）作业效率高。随着高精度RTK技术水平不断突破、成熟，RTK产品变得越来越小型化、智能化，便于携带。一般设站一次即可完成2 km半径内测区的点位测量，在一般的电磁波环境下几秒钟即可获得一组移动站的坐标，极大地提高了作业效率。3）操作简单，容易使用。只需要在架设基准站时进行简单设置，就可以进行点位测量。

1.3 缺点

1）受环境状况限制。在高山深处及密集的森林林区，卫星信号遮挡严重，特别是秦岭山区腹地，群山环绕，地势崎岖，最大坡度可达50°，且多数地区没有手机网络信号覆盖，RTK测量精度及作业效率受到限制。2）数据传输受限。RTK数据传输易受到山体、密林、各种高频信号源干扰，在传输过程中衰减严重，影响作业精度和作业范围。3）精度和稳定性问题。卫星状况、天气状况、数据传输、差分解算等因素影响RTK稳定性。此外，不同型号的RTK系统，其搜星、锁星和解算能力差别较大，综合所得结果差距较大[2]。

2 样地监测定位

林草生态综合监测样地监测中森林资源样地全部为连续清查样地，原则上属于复测样地，需要对样地、样地标志、样木进行复位。

2.1 样地复位

根据前期西南角的GPS坐标值（北京54坐标）、GPS航迹记录和样地位置记录描述，采用GNSS导航、引线定位或向导带路等多种方法寻找固定样地。样地定位后，首先要利用保存的标志对周界进行复位，并按固定标志设置要求，修复和补设有关标志。同时，采集样地西南角CGCS2000坐标值。

2.2 样木复位

测量每株样木的方位角和水平距离，也可以用纵坐标、横坐标代替方位角、水平距离对样木进行定位。根据样木方位角和水平距离正确绘制样木位置图，标明样木编号，样木相对位置的出错率不大于3%。对于丛生样木和分叉样木，应能反映出样木相对位置。

3 RTK方案筛选

3.1 RTK工作模式

根据项目情况的特殊性，初步提出了4个RTK工作技术方案。方案一是网络单移动站模式，方案二是内置电台1+1（基准站+移动站）模式，方案三是外挂电台1+1（基准站+移动站）模式，方案四是星站差分模式。

3.1.1 网络单移动站模式

通过手机网络连接千寻连续运行参考站（Continuously  Operating Reference Stations，CORS）或中国移动CORS进行差分解算达到厘米级高精度。

1）优点：无需架设基准站，在千寻CORS网络信号覆盖范围内可以进行实时定位，定位精度可以达到厘米级。2）缺点：使用CORS时完全依赖于网络通信 ，定位精度及定位时间受信号强弱、CORS站距离限制，网络覆盖不到的地方，等同于普通的手持GPS;每年收取CORS服务费，其中中国移动CORS账号绑定机身号CORS年服务费为1 200元，独立账号CORS年服务费为2 000元，千寻CORS账号CORS年服务费为3 600元。

由于陕西省大部分样地都分布在无网络或网络信号弱的林区，仪器无法通过网络接收差分信号。如果没有网络，仪器的定位就是单点，定位精度在1～5 m，无法满足此次调查精度要求。

3.1.2 内置电台1+1（基准站+移动站）模式

基准站锁定卫星后通过内置电台发送差分信号，移动站锁定卫星后通过内置电台同频接收基准站信号进行差分解算，结果可达到厘米级高精度。此种模式的优点是信号稳定、测量精度高、响应速度快，不易受通讯网络影响;缺点是一组装置需要同时配备一台基准站和一台移动站（2台RTK）[3]。

由于此模式不需要網络信号，仪器架设简单，只需在样地2 km范围内找一个稍微开阔的地方架设一台仪器作为基准站，另外一台仪器作为移动站即可。此种模式在陕西省所有样地均可使用，而且精度基本都在0.1 m以内，完全满足项目要求[4]。A25FB8BD-CBAA-449B-8D9D-D2641480313C

3.1.3 外挂电台1+1（基准站+移动站）模式

此模式和内置电台模式一样，也不需要网络信号，但与内置电台模式相比，该模式需要额外配备电瓶、脚架、附件包等配件，需要专职人员看守，而且受距离限制，增加了样地监测工作难度。所以，此模式实际应用的可能性比较小。

3.1.4 星站差分模式

星站差分服务是利用来自全球跟踪站网络的实时数据及创新的定位和压缩算法来计算中继卫星轨道、卫星时钟和其他系统的改正，再播发到接收机，从而获得实时高精度的定位系统。通过该服务GNSS接收机可以在全球实现单台接收机达到厘米级的定位精度。具有此功能RTK会比普通的RTK多接收一个频段，包含有差分信息，开通此项服务后可以实现单台仪器达到固定解[5]。1）优点：无需网络、无需架设基站，单机作业，设备安装简单，定位精度高，作业成果误差均匀。2）缺点：遮挡物影响卫星信号接收，影响定位精度和定位时间。

此模式与前3种模式相比操作最简单，仪器定位也不需要网络，但对环境的要求比较苛刻，需要在开阔无遮挡环境下作业。同时，从开机初始化到高精度厘米级定位需要15 min左右，在树林遮挡环境下需要的时间更长，有时甚至30 min都无法达到固定解。因此，综合考虑各种因素，內置电台1+1模式更适合样地监测项目的开展。

3.2 仪器型号筛选

此次专门针对森林样地复位，使用环境遮挡严重，必须选择一款轻巧便携、大容量内置电池、搜星能力和解算能力强的型号。

经过与行业内资深用户交流，对比国内外仪器生产厂商的仪器参数，综合考量仪器性能、产品稳定性、操作便捷性、用户口碑等多个维度，初步选择了国产设备中海达旗下的3款仪器，分别为海星达i5、中海达V200和中海达V98，进行实际测试。表1是3款设备在周至县4039样地实测对比数据[6]。

通过实测对比，在密林无网络信号环境下，中海达V200内置电台1+1模式可以满足林草生态综合监测中的样地定位精度。

4 RTK在使用中注意事项

RTK内置电台1+1模式因其精度高、实时性和高效性，在林业样地定位中原本固定难、固定慢的点位也可以轻松取得固定解，根据多次应用实践分析，为保证快速获得高精度定位，应注意以下问题[7]。

1）基准站选择。RTK定位数据处理的过程就是基准站和移动站之间的单线处理过程，观测质量的好坏主要取决于基站架设的好坏与数据传输稳定性。选择测区2 km范围内地势比较高且开阔地带架设基准站，保证通视。如果密林遮挡严重，将基准站架设到尽量高（配备5 m对中杆），提高搜星、锁星能力[8]。基准站架设要远离高压线（大于100 m）且基准站与测区通线视畅，以提高数据传输稳定性。注意大型金属矿山和高功率雷达对设备干扰大，无法达到高精度定位。

2）设备检查。作业前检查设备是否注册有效，如果其中一个设备注册失效，就不能实现内置电台1+1模式。检查设备电量，保证充足的电量满足野外测量要求。检查配件是否齐全，保证可以正常作业。

5 结语

RTK在林草生态综合监测样地监测中的应用是科技发展的必然结果，适应精准林业的要求。RTK改变了传统的手持GPS定位精度低的现状，定位精度达到厘米级。RTK内置电台1+1模式测量初始化时间短，工作状态稳定，快速达到固定解，可有效解决在复杂林区环境中无信号、信号弱、定位时间长等环境限制问题，极大地提高了作业效率，节省测量时间，实现了高精度、高效率定位。

参考文献：

[1] 陈思坚，方大勇，姚华国，等.GNSS RTK测量方法在变形监测中的应用研究[J].广东水利水电，2020（2）：96-98.

[2] 刘国和.网络RTK实时测量技术在水土保持土壤流失监测中的应用[J].治淮，2019（6）：22-23.

[3] 赵钢，王冬梅，钱惠康，等.GPS快速RTK技术在水土保持动态监测中的应用与研究[J].水土保持研究，2004，11（1）：71-73.

[4] 刘磊.现代数字化设计制造技术在农业机械设计制造上的应用[J].南方农机.2021，52（9）：79-80.

[5] 雷波，李青，李雄.RTK技术在滑坡监测中的应用及系统设计[J].自动化仪表，2012，33（6）：1-4.

[6] 胡明.GPS-RTK技术在数字化地形测量中的应用[J]. 华北自然资源，2021（5）：69-70.

[7] 秦继芳.RTK测量技术在施工测量中的应用研究[J]. 建材与装饰，2021，17（6）：27-28.

[8] 张代航，赵浩，冉怡静.RTK技术在矿山测量工程中的应用研究[J].世界有色金属，2021（13）：36-37.

（责任编辑：张春雨）A25FB8BD-CBAA-449B-8D9D-D2641480313C