GPS在森林调查及面积勘测上的应用

郑成才,黄亮,吴建林,李富钰,司明华,张明辉,叶培钟

(1.三明市三元区林业调查规划设计队,福建三明 365001;2.三明市三元区楼源林业采育场,福建三明 365001)

GPS在森林调查及面积勘测上的应用

郑成才1,黄亮2,吴建林2,李富钰1,司明华2,张明辉2,叶培钟2

(1.三明市三元区林业调查规划设计队,福建三明 365001;2.三明市三元区楼源林业采育场,福建三明 365001)

本研究介绍移动 GPS在林地面积测量上的应用,通过对五块不同类型林地进行实地观测,对测量误差和精度进行分析,结果表明:移动 GPS测量林地面积的相对误差能够满足林业常用测量精度的要求。移动GPS是可以替代传统森林罗盘仪的一种不可多得的先进工具,它的广泛应用将为森林资源的动态管理和实现数字林业的可视化提供有力的技术支撑。

GPS;面积测量;精度分析

随着社会经济的蓬勃发展和科学技术日新月异的进步,“3S”技术已被广泛应用于陆地、海洋、航空、航天等高科技领域,其中的移动 GPS技术具有全天候、高精度和自动测量等特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入到我国国民经济建设、国防建设和社会发展的各个相关层面。移动 GPS在确定林区面积、估算木材量、计算可采伐林木面积、确定原始森林、道路位置、森林防火周边测量、工程造林、迹地更新、寻找水源和测量地域界线等诸多方面,可以发挥其独特的重要作用。在森林中进行常规测量相当困难的情况下,移动 GPS的定位技术可以发挥其独特的优势,精确测定森林位置及其面积,绘制精确的森林分布图及其面积,是今后林业作业中必不可少的工具,为现代林业和数字林业提供强有力的技术支撑,若广泛应用会取得巨大的经济和社会效益。

1 GPS基本的原理及应用

GPS是 Globol Position System(全球定位系统)的简称,该系统是 20世纪 70年代由美国国防部为满足军事目的而研制的新一代卫星导航定位系统,它可以提供高精度的导航、定位和授时服务,目前已向全球用户提供免费服务。GPS系统分天上和地下两个部分:在天上有 24颗卫星在不停地转动,使得在地球任何的一个角落都至少可以看到 3颗以上卫星,在地下就是手持 (移动)或者车载式 GPS接收机,也就是我们所常说的 GPS[1]。

将 GPS这一先进的测量技术应用在林业工作中,能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精密坐标,完成森林调查与管理中各种境界线的勘测与放样落界,成为森林资源调查与动态监测的有力工具。本研究就是采用 GPS技术进行面积测量的一个最好例证。

2 研究方法

本研究采用绝对误差法和相对误差法进行论证,绝对误差法也称简单比较法,此法较直观,容易被人们接受,但它只反映问题的一面,不能反映问题的全面,相对误差法则能全面地揭示其误差源更深层次的相关关系,更具法理性和科学性,故被广泛应用于此类问题的研究上。本课题将从不同角度的两个层面作逐一论述,力求对本研究作出更客观、更科学、更全面的剖析。

2.1 绝对误差法

2.1.1 森林罗盘仪面积测量 常规的伐区调查设计中是利用罗盘仪进行导线测量,测定伐区的边界和面积,这种方法受环境因子的影响较大,特别是采伐小班通常是树高林密、灌木丛生,进行常规测量作业非常困难,采用移动 GPS测量面积方便多了。为了进一步论证移动 GPS测量面积应用中的误差和精度,本研究对五块大小不同、坡度不同、用途不同的林地先采用罗盘仪测量其面积,为力求准确设置三次重复取平均值,与已知面积进行多次对照比较,再用统计计算的方法进行误差计算和精度分析 (见表 1)。

表 1 罗盘仪实地面积测量结果数据表

林业上传统的森林罗盘仪林地面积测量绝对误差一般在 0.030—0.044之间,从表 1可以看出 1号—5号林地其面积测量的误差分别为 0.042、0.044、0.030、0.038、0.036;精度分别为95.8%、95.6%、97%、96.2%、96.4%,这 5块林地面积测量的精度大小的排序为 3号 >5号 >4号 >1号 >2号,不难看出,林地面积的精度随面积的增大而精度相应提高,误差则与此相反,即相应变小。

2.1.2 移动 GPS面积测量 采用 GPS系统的动态点位法进行伐区调查设计的测量工作,可以克服因植被阻挡和坡度造成的通视性困难,较容易地随调查设计人员的运动实时记录下伐区的边界坐标,与计算机联接可方便地进行标图并求出伐区的面积。应用 GPS技术与常规仪器相比,不仅能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精密坐标,完成森林调查与伐区面积的勘测,成为森林调查与动态管理的有力工具。毫无疑问,这种先进的高科技的测量手段势必提高森林调查的精度,减少误差率,提高工作效率,节约营林成本。

移动 GPS定位测量的主要步骤:

(1)移动 GPS野外行走过程中,应保持较慢的均匀速度,沿着待测林地边缘走到所需测量的点位上停下,使手持 GPS接收机锁定了至少 4颗卫星后,并使误差在 10米之内,按住输入键,画面自动转为存点画面,并显示该点的经纬度值,将其记录或编辑存储。

(2)野外行走过程中,每遇到拐弯处,可以停留一段时间,待坐标位置显示末位数停止变动后,才能确定点位,再继续行走,直到回到出发点[2]。

表 2 移动 GPS实地面积测量结果数据表

从表 2可看出,GPS实地面积测量其平均误差在 0.004—0.021之间,平均精度在 97.9%—99.6%之间,误差小大的排序为 3号 0.004<5号 0.009<4号 0.011<1号 0.018<2号0.021,精度大小的排序为 3号 99.6%>5号 99.1%>4号 98.9%>1号 98.2%>2号 97.9%,可见以上两种不同测量方法其误差和精度大小的趋势基本相吻合,被测面积越大误差越小,精度则越大。

2.1.3 罗盘仪测量与 GPS测量结果比较 设罗盘仪测量为Ⅰ处理,GPS测量为Ⅱ处理,不同处理间的误差和精度列表如下。

表3 不同处理的误差和精度数据比较表

从表 3可看出 GPS与罗盘仪相比,误差下降在 2.39—7.5倍之间,精度相应提高在 2.4%—2.8%之间。表明从绝对误差的角度上看,GPS较罗盘仪更具优势。

2.2 相对误差法

为了便于计算,将移动 GPS测量结果整合后列表如下 (表 4-8表)。

表 4 1号林地观测结果

表 5 2号林地观测结果

表 6 3号林地观测结果

表 7 4号林地观测结果

表 8 5号林地观测结果

2.2.1 误差计算 采用测量误差计算的方法计算出观测值测量中误差、算术平均值测量中误差及相对误差进行分析[3]。

(1)1号林地误差计算

该林地最大绝对误差为 0.54,最小绝对误差为 0.44(见表 4)。

式中:μ为已知值,x为观测值,n为重复次数 (下同)。

(2)2号林地误差计算

该林地最大绝对误差为 0.50,最小绝对误差为 0.39(见表 5)。

(3)3号林地误差计算

该林地最大绝对误差为 0.42,最小绝对误差为 0.36(见表 6)。

(4)4号林地误差计算

该林地最大绝对误差为 0.56,最小绝对误差为 0.52(见表 7)。

(5)5号林地误差计算

该林地最大绝对误差为 0.58,最小绝对误差为 0.52(见表 8)。

2.2.2 测量精度分析 经上述分别对五块林地的相对误差列式计算结果表明:1号林地的平均值相对误差为 1/110,2号林地的平均值相对误差为 1/95,3号林地的平均值相对误差为 1/502,4号林地的平均值相对误差为 1/181,5号林地的平均值相对误差为 1/221。因为相对误差是评定精度的唯一标准,相对误差越小精度越高,可见 3号林地精度最高居首位,5号林地精度居其次,4号林地精度居其三,1号林地精度居其四,2号林地精度居其五。除 2号林地精度不能满足外,1号、3号、4号、5号林地的相对误差接近或小于 1/120的理论数据,基本能满足林业常用测量精度的要求。惟 2号林地的相对误差偏大是因为被测面积偏小之缘故,这是符合 GPS面积测量中被测面积越大,则相对误差越小,精度越高的变化规律。

2.2.3 GPS面积测量的模拟成本 本研究在 GPS实测面积的实践作业中证实:在面积单元中 (以 1hm2为单元)的测量,若采用罗盘仪测量,在完成面积单元的测量中需要 4个人 /d;而采用 GPS后,则需要 2个人 /0.25d,不难看出在完成相同面积单元的测量中,GPS测量是罗盘仪测量功效的 8倍,成本则是它的 1/8。可见,采用移动 GPS测量可收到省时、省力、省费用的良好效果,可在林区及林业生产单位推广应用,在助推林业可持续发展中有着重要的现实意义。

3 小结与讨论

3.1 本研究对五块林地采用 GPS技术面积测量中,求算结果显示,其中有四块林地即 1号林地相对误差为 1/110,3号林地相对误差为 1/502,4号林地相对误差为 1/181,5号林地相对误差为 1/221,相对误差接近或小于 1/120的理论数据,能满足林业常用测量精度的要求,说明采用 GPS技术其优势远远超过传统的罗盘仪,这也是发展数字林业的一大突破。

3.2 采用 GPS技术测量,其被测面积越大,误差越小,精度越高,且速度比常规测量快而精度完全能够满足生产工作的精度要求。

3.3 采用 GPS技术,测量精度易受到各种外界因素影响,出现误差属正常现象,故一般采用多组重复、多次求平均的方式求算。

3.4 GPS技术的应用从根本上改变了传统的森林资源信息管理的方式,成为现代林业经营实行动态管理可视化的崭新工具,前景广阔看好。

[1]寇艳红译.GPS原理与应用 (美 )[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2]许筱阳、夏友福.测量学[M].西安:科技出版社 ,1994.

[3]周立.GPS测量技术[M].郑州:黄河水利出版社,2005.

GPS’S APPL ICATI ON ON FOREST INVENTORY AND AREA M EASUREM ENT

ZHENG Cheng-cai1,HUANGLiang2,WU Jian-lin2,L I Fu-yu1,SIMing-hua2,ZHANGMing-hui2,YE Pei-zhong2
(1.The Forest Inventory Programm ing Plan Group of Sanyuan D istrict,Sanyuan Sanm ing Fujian365001,China;2.Louyuan Logging and Silvicultural Cam p,Sanyuan D istrict,Sanyuan Sanm ing Fujian365001,China)

In this paper,the portable GPS’s application was introduced for forest area measurement.Due to the observation data from 5 different kinds of woodlands,the measurement error and accuracywere analyzed.The results indicated that the portable GPS could provide satisfaction precision for forest area measurement.The portable GPS could be an advanced tool that could substitute forestry compass.

GPS;area measurement;accuracy analysis

S758.4

A

1001-4276-(2010)01-0069-07

2010-09-10

郑成才,男,(1965-),林业工程师,研究方向:林业调查规划设计。