全 文 ：第 wt卷 第 v期
u s s x年 x 月
林 业 科 学
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星源通掌上森林调查仪面积测量精度研究
李崇贵t 陈华安t 李春干u
kt q深圳职业技术学院 v≥研究中心 深圳 xt{sxx ~ u q广西林业勘测设计院 南宁 xvssttl
关键词 } Š°≥单点定位 ~面积测量 ~面积偏差中误差
中图分类号 }≥zx{1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsv p stzw p sx
收稿日期 }ussw p sy p t{ ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsvzttx|l资助 ∀
Α Στυδψ οφ Αρεα Συρϖεψ Πρεχισιον Βασεδ ον Ξινγψυαντονγ Ηανδηολδ
Φορεστ ΙνϖεντορψΙνστρυµεντ
¬≤«²±ªª∏¬t ≤«¨ ± ‹∏¤¤±t ¬≤«∏±ª¤±u
kt qvΣ Ρεσεαρχη Χεντεροφ Σηενζηεν Πολψτεχηνιχ Σηενζηενxt{sxx ~ u q Γυανγξι Φορεστ Συρϖεψ & Πλαννινγ Ινστιτυτε Ναννινγxvssttl
Αβστραχτ } ÷¬±ª¼∏¤±ª·²±ª«¤±§«²¯§©²µ¨¶·¬±√¨ ±·²µ¼ ¬±¶·µ∏°¨ ±·¬¶¤ °¬¦µ²¦²°³∏·¨µp¥¤¶¨§ ‹¬p·¨¦«³µ²§∏¦·¬±·¨ªµ¤·¬±ªµ¨°²·¨
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Κεψ ωορδσ} ¤¥¶²¯∏·¨ ³²¶¬·¬²±¬±ª²©Š°≥ ~¤µ¨¤¶∏µ√¨ ¼~¶·¤±§¤µ§§¨√¬¤·¬²± ²©¤µ¨¤¶∏µ√¨ ¼
近年来 o移动计算的迅速发展 !遥感技术的发展 !ŠŒ≥和 Š°≥技术的不断成熟及其在各个行业应用的不
断深入 o为采用嵌入式开发基于位置的地理信息服务提供了强有力的技术支持 ∀掌上电脑的出现 o成为 °≤
机和 Œ±·¨µ±¨·网在人类生活中的一种弥补和延伸 o可满足人们/随处计算0的需要 ∀国家正在实施数字化战
略 o要求各个行业实现信息化 !数字化 o如数字城市 !数字交通 !数字林业 !精耕农业等 ∀这些领域都是采用遥
感 !Š°≥卫星定位等技术获取信息 o采用 ŠŒ≥系统存储 !处理信息 o借助计算机网络 !通信等手段 o最终实现信
息的处理 !分析 o提供决策依据并进行信息的实时传输 ∀星源通掌上森林调查仪k以下简称/星源通0l是深圳
职业技术学院 v≥研究中心在此背景下研制的集微电脑 !遥感 !Š°≥和移动 ŠŒ≥于一体的高科技产品 o主要用
于森林资源调查 ∀该产品现已在湖南 !江西 !浙江 !广西 !广东 !北京 !内蒙 !吉林 !四川 !重庆等地的林业部门
试用 ∀为验证该产品实地面积测量的精度状况 o本文通过对一系列不同大小地块 o在不同观测时段 !不同干
扰条件下多次重复测量的结果进行分析 o详细论证了面积测量所能达到的精度状况 o面积测量精度与地块大
小的相互关系 o所得结果可以用于指导生产实践 ∀
1 测量原理
星源通通过接收 Š°≥卫星信号 o可以实时或以后处理差分方式进行定位 ∀调查人员手持星源通 o通过
测定林班 !小班或地块边界点坐标 o进行面积测量 ∀面积测量包括连续点法和特征点法 u种方式 o前者是通
过连续测量地块边界点坐标计算面积 o后者是通过测定地块边界特征点坐标计算面积 o本文只探讨连续点法
面积测量的精度状况 ∀
如图 t所示 o为测定林班 !小班面积 o需借助星源通测定小班边界 ν个特征点的坐标 ∀设小班边界特征
点在 • Š≥{w坐标系下的三维空间直角坐标为k Ξι oΨι oΖιl o ι € t ou o, oν o测定后可将空间直角坐标转换为
大地坐标k Βι oΛι oηιl o并将大地坐标转换为高斯平面直角坐标k ξι oψιl ∀对森林资源或土地资源调查而言 o
配准遥感图像或扫描地形图所采用的坐标系一般为北京 xw坐标系或国家 {s坐标系 ∀为便于成图 o实际工
作中 o将 • Š≥{w坐标系中的高斯平面直角坐标转换到配准地图所用坐标系中 o可得到小班边界特征点在北
京 xw坐标系或国家 {s坐标系中的平面坐标k ξχι oψχιl oι € t ou o, oν ∀再按下列公式计算小班面积 Σk孙祖
述等 ot||tl }
Σ € Ε
ν
ι € t
ξχιkψχιnt p ψχιptl u或 Σ € Ε
ν
ι € t
ψχιkξχιnt p ξχιptl u ktl
根据上面的分析 o要测定小班面积 o需通过 Š°≥卫星定位测定小班边界特征点三维空间直角坐标 o进行
坐标转换 o得到各特征点在北京 xw系或国家 {s坐标系中的高斯平面坐标 o再计算面积 ∀
2 测量精度
根据星源通面积测量原理 o林地面积测量精度影响因素包括 Š°≥定位精度 !小班边界特征点采集密度 !
面积计算公式的选择等 ∀在这 v个主要因素中 oŠ°≥定位精度影响最大 o小班边界特征点采集密度 o可根据
用户需要设定 o一般每秒采集 t个坐标点 o完全可以满足要求 ∀至于面积计算公式 o当小班边界特征点采集
足够时 o公式ktl完全可以满足精度要求 ∀
图 t 星源通掌上森林调查仪小班面积测量
ƒ¬ªqt ≥∏¥p¦²°³¤µ·° ±¨·¤µ¨¤¶∏µ√¨ ¼ ¥¼
÷¬±ª¼∏¤±·²±ª«¤±§«²¯§©²µ¨¶·¬±√ ±¨·²µ¼¬±¶·µ∏° ±¨·
星源通采用 Š°≥单点定位测定小班边界点坐标 o
其原理与测量学中空间距离后方交会相同 ∀空中
Š°≥卫星在任一瞬间其位置为已知 o只要利用星源通
在小班边界特征点上同时观测空中 w颗卫星 o得到卫
星在观测瞬间到待测点的距离k伪距l o就能解算待测
点的坐标 ∀因 Š°≥卫星在空中独立运行 o每颗卫星的
Š°≥时间经过改正后成为统一的 ˜×≤ 时间 ∀地面用
户根据需要可随时随地打开星源通进行观测和定位 ∀
星源通观测的待定点到卫星的距离 o不是实际的距
离 o包含有卫星钟和星源通接收机钟差所导致的误
差 ∀设地面待定点的三维空间直角坐标为k Ξι oΨι o
Ζιl oΘϕκ为待定点 ι到卫星 ϕ经过电离层和对流层改
正的伪距观测值 oΡ 为接收机到卫星的真实距离 o Π
为接收机钟差 o空中作为动态已知点的 Š°≥卫星在观
测瞬间的地心坐标为k Ξ¶ oΨ¶ oΖ¶l o星源通定位方程
可表示为k刘基余等 ot|||l }
Θϕι € Ρϕι n χ ≅ Σι € k Ξ¶ϕ p Ξιlu n kΨ¶ϕ p Ψιlu n k Ζ¶ϕ p Ζϕlu n χ n Σι oϕ € t ou ov ow kul
对kul式进行微分 o并将接收机的概率坐标k Ξιs oΨιs oΖιsl作为初始值代入 o得到
§Θϕι € Ξ¶ϕ p ΞιsΡϕιs §Ξ n
Ψ¶ϕ p Ψιs
Ρϕιs §Ψ n
Ζ¶ϕ p Ζιs
Ρϕιs §Ζ n §τ kvl
式中 }§τ € χ§Σι 为接收机钟差对应的空间距离 oΡϕιs € k Ξ¶ϕ p Ξιslu n kΨ¶ϕ p Ψιslu n k Ζ¶ϕ p Ζιslu
在kvl式中 o只要能求出概率坐标的修正值 §Ξ o§Ψo§Ζ就能求出待定点坐标 ∀该表达式中包括 §τ共有
w个未知数 ∀星源通同步观测空中 w颗卫星 o可得如下方程组 }
xzt 第 v期 李崇贵等 }星源通掌上森林调查仪面积测量精度研究
Ξ¶t p Ξιs
Ρtιs
Ψ¶t p Ψιs
Ρtιs
Ζ¶t p Ζιs
Ρtιs p t
Ξ¶u p Ξιs
Ρuιs
Ψ¶u p Ψιs
Ρuιs
Ζ¶u p Ζιs
Ρuιs p t
Ξ¶v p Ξιs
Ρvιs
Ψ¶v p Ψιs
Ρvιs
Ζ¶v p Ζιs
Ρtιs p t
Ξ¶w p Ξιs
Ρwιs
Ψ¶w p Ψιs
Ρwιs
Ζ¶w p Ζιs
Ρwιs p t
§Ξ
§Ψ
§Ζ
§τ
€
Ρtιs p Θtι
Ρuιs p Θuι
Ρvιs p Θvι
Ρwιs p Θwι
kwl
求解方程组kwl o就能确定待定点坐标 ∀星源通微型 Š°≥接收机模块具有 ts个以上通道 o能同时跟踪
ts颗卫星 ∀只要能锁定 w颗卫星 o就能进行定位 ∀
根据上面的分析 o星源通 Š°≥定位的精度主要受下列因素影响 }
同步观测的卫星颗数 o因野外受林区观测条件限制 o卫星信号的接收有时会出现困难 ∀通过试验 o只要
能观测到 w颗以上卫星 o定位精度就会有保障 ∀
在没有高大建筑物或峡谷阻挡卫星信号接收时 o定位精度较高 ∀林区树冠等对 Š°≥信号的接收影响不
大 o经试验在郁闭度接近 t的林分中 o借助微型小天线就能顺利进行定位 o且精度能满足要求 ∀
观测时段及空中卫星分布对定位精度有一定的影响 ∀不同地区适合的观测时段存在差异 o可根据在视
卫星的空间位置精度因子 °⁄’°来选择适合的观测时段k周忠谟等 ot||ul ∀
面积测量相对精度与地块面积大小有一定的关系 ∀一般情况下地块面积越大 o相对精度就越高 o地块越
小 o相对精度就越低 ∀
因 Š°≥定位有误差 o利用星源通测定林班 !小班边界点坐标会出现误差 o边界点数越多 o误差积累就会
越大 ∀因此地块面积测量误差与所测边界点数存在一定的关系 ∀具体表现在同一点连续观测一段时间 o真
实面积应为 s o因 Š°≥定位存在误差使面积值不为 s o具体大小与在同一点连续观测的时间长短及空中卫星
的分布状况有关 ∀
3 测量试验
为检验星源通面积测量精度状况 o对 |种类型的地块进行了实地面积测量 ∀地块类型主要按面积大小
进行划分 o同时考虑树冠 !建筑物 !不同观测时段 !不同卫星颗数等对面积测量的影响 ∀每个地块进行 | ∗ ts
次观测 o各地块的实际面积大小 !观测条件 !观测时锁定的卫星颗数及面积测量均值的偏差如表 t所示 ∀
表 1 星源通掌上森林调查仪面积测量试验
Ταβ . 1 Αρεα συρϖεψτεστ οφ Ξινγψυαντονγ ηανδηολδ φορεστ ινϖεντορψινστρυµεντ
地块编号
真实面积
°¯ ²·±∏°¥¨µ
• ¤¨¯
¤µ¨¤Π°u
观测
次数
≥∏µ√ ¼¨¨ §
·¬°¨ ¶
跟踪
卫星
×µ¤¦®¨ §
¶¤·¨¯ ¬¯·¨
边界
点数
…²∏±§¤µ¼
±∏°¥¨µ¶
实测
面积
≥∏µ√ ¼¨¨ §
¤µ¨¤Π°u
偏差
„µ¨¤
§¨√¬¤·¬²±Π°u
观测
次数
≥∏µ√¨ ¼¨ §
·¬°¨ ¶
跟踪
卫星
×µ¤¦®¨ §
¶¤·¨¯ ¬¯·¨
边界
点数
…²∏±§¤µ¼
±∏°¥¨µ¶
实测
面积
≥∏µ√ ¼¨¨ §
¤µ¨¤Π°u
偏差
„µ¨¤
§¨√¬¤·¬²±Π°u
t w uxw y |zy tvz y z utv y |x{ tt|
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t
y {v| v x uvx y {s{ p vt { z uuu y |xt ttu
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u
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yzt 林 业 科 学 wt卷
续表 t
地块编号
真实面积
°¯ ²·±∏°¥¨µ
• ¤¨¯ ¤µ¨¤Π°u
观测
次数
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·¬°¨ ¶
跟踪
卫星
×µ¤¦®¨ §
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边界
点数
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实测
面积
≥∏µ√ ¼¨¨ §
¤µ¨¤Π°u
偏差
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观测
次数
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跟踪
卫星
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边界
点数
…²∏±§¤µ¼
±∏°¥¨µ¶
实测
面积
≥∏µ√ ¼¨¨ §
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t { uwx z uyz p yt y { uvz z wzt twv
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w
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t { ttw t vuu p {y y | ttt t v{t p uz
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u {ty v { tys u |wy tvs { ts txw u {yv wz
w { tys u {xy ws | z txy u |yu twy
x { tx| u {vz ut ts z tx| u |u{ ttu
t z tys v v{w xu y z tyt v vus p tu
u { tx{ v vsz p ux z z tx| v vyv vt
|
v vvv v { tyu v vt{ p tw { z tys v vtz p tx
w z ty{ v uwy p {y | z tyx v vvz x
x { tyu v t|| p tvv ts z tyt v uwx p {t
|个地块面积大小 !面积偏差绝对值均值相对误差 !面积偏差中误差相对误差 !面积偏差绝对值均值及
面积偏差绝对值中误差分布状况如图 u所示 ∀其中 u p „为 |个地块面积分别缩小 uss倍与面积偏差绝对
值均值相对误差的比较 ∀可以看出 o面积偏差绝对值均值相对误差随地块面积的增大而减小 ∀u p …为地块
面积偏差绝对值中误差相对误差与地块面积缩小 uss倍的比较 o地块面积偏差中误差相对误差也随地块面
积的增大而减小 o中误差相对误差要略大于偏差绝对值均值相对误差 ∀u p ≤为各地块面积偏差绝对值均值
与地块面积缩小 ts倍的比较 o图 u p ⁄为各地块面积偏差绝对值中误差与地块面积缩小 ts倍的比较 ∀总的
规律是随着地块面积的增大 o面积偏差绝对值与面积偏差中误差都相应增大 o但呈非线性关系 ∀
zzt 第 v期 李崇贵等 }星源通掌上森林调查仪面积测量精度研究
图 u 地块面积测量精度与地块面积大小内在关系
ƒ¬ªqu ׫¨ ¬±±¨ µµ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³²©¤µ¨¤¶∏µ√ ¼¨ ³µ¨¦¬¶¬²± ²©³¯²·¤±§¬·¶¤µ¨¤¶¬½¨
为分析地块边界点数与地块面积测
量精度的关系 o各地块面积测量偏差绝
对值均值和边界点数的比值与地块面积
大小的关系如图 v所示 ∀从该图可以看
出随着面积的增大 o按一定速度测量地
块面积的边界点数也增加 o但面积偏差
绝对值均值与边界点数的比值却不断减
小 o当面积大于 v sss °u后基本趋于稳
定 ∀
通过上面分析 o星源通掌上卫星导
航定位仪面积测量精度 o在当地块面积
大于 yss °u左右时 o都能满足精度要求 ∀
4 结论
通过上面的分析 o可得以下结论 }
星源通掌上森林调查仪可用于测量
林班 !小班等的面积 o当地块面积在 yss
°u以上时 o面积测量误差小于 x h ∀该
结论是未使用微型天线的结果 o使用微
型天线 o在有建筑物或树林时 o精度明显
提高 ∀
图 v 地块面积测量精度与地块边界
点数的关系
ƒ¬ªqv ׫¨ µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³²©¤µ¨¤¶∏µ√¨ ¼ ³µ¨¦¬¶¬²±
²©³¯²·¤±§¬·¶¥²∏±§¤µ¼ ³²¬±·¶
面积测量精度受 Š°≥定位误差 !地块大小 !树林及山体遮蔽等诸
多因素的影响 ∀星源通掌上森林调查仪只要能接受 w颗以上的卫
星 o就能有效进行定位 o完成面积测量 ∀在地块面积小于 yss °u时 o
面积测量误差会超过 x h ∀地块越小 o相对误差就越大 ∀郁闭度会影
响 Š°≥信号的接受 o进而影响面积测量 ∀星源通在配备微型天线时 o
可在郁闭度接近 t的树林中顺利定位 o不影响面积测量精度 ∀山体
对卫星信号的影响是任何 Š°≥ 设备无法克服的问题k李崇贵等 o
usswl ∀在大峡谷中 o因无法收到 w颗卫星的信号 o该产品同其它产
品一样 o也很难进行定位和面积测量 ∀
不同观测时段对面积测量有一定的影响 o应选择较好的观测时
段进行面积测量 o该产品可以利用空间位置精度因子 °⁄’°对此进行
预报 ∀
星源通掌上森林调查仪在实地测量面积的同时 o可有效定义 !填写地类属性 ∀因此可广泛应用于退耕还
林 !造林地验收 !伐区迹地验收 !伐区设计等方面 ∀
参 考 文 献
刘基余 o李征航 o王跃虎 o等 qt||| q全球卫星定位及其应用 q北京 }测绘出版社 ox{ p tss
李崇贵 o赵宪文 qussw q林区地形起伏对 ≥³²·x遥感图像几何精校正的影响 q北京林业大学学报 ouykul }y p ts
孙祖述 o谌作林 o刘家彬 o等 qt||t q地籍测量 q北京 }测绘出版社 oyu p yw
周忠谟 o易杰军 o周 琪 qt||u qŠ°≥卫星测量原理与应用 q北京 }测绘出版社 ottz p tt|
{zt 林 业 科 学 wt卷