无人机测量与RTK技术在西藏自然保护地勘界上的应用初探

童建明

(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)

西藏自治区作为重要的国家生态安全屏障，自然保护地分布广泛，种类典型，是我国生态文明高地建设的重要组成部分。自然保护地在保护西藏全区生物多样性、野生动植物资源、改善生态环境质量等方面具有举足轻重的作用。因此，科学合理的勘界对西藏自然保护地的建设和发展至关重要。

勘界是对自然保护地边界和功能区界线走向等信息的分析和勘正，具有法律效力。结合现场调查和数据信息处理，确定保护地的各类界线，能有效为加强保护地管理和实时监管提供基础信息和法律依据。

近年来，无人机成为很多行业上的应用热点，也逐步成为许多领域研究的前沿焦点。同时，高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点使无人机测量(unmanned aerial vehicle survey)在危险区域和小区域实时图像的快速获取方面具有明显优势[1]，是传统测量手段的有力补充。

RTK技术(real time kinematic)也称为载波相位差分技术，是基于对两个测站的载波相位及时处理，实时提供观测点的三维坐标，最终实现厘米级高精度[2-3]。

1 研究区概况

西藏地处祖国西南边陲，面积120多万km2，约占全国国土面积的1/8，仅次于新疆，为我国第二大省(区)。西藏北部的唐古拉山和昆仑山与新疆维吾尔族自治区、青海省毗邻，东隔金沙江与四川省相望，南与印度、不丹、尼泊尔等国接壤，国界线近4000 km，平均海拔达4 000 m，号称“世界屋脊”，是我国西南的屏障[4]。

西藏的气候主要受地形、地貌、大气环流等因素的影响，具有独一无二、复杂和多样化的特点，总体上表现为西北严寒干燥、东南温暖潮湿[5]。因此，气候类型从东南到西北依次为热带、亚热带、高原温带、高原亚寒带、高原寒带。同时，西藏受地形地貌和水热条件变化的影响，形成了多种植被类型，以森林、灌木、草甸、草原、沙漠为主。

2 自然保护地现状

2.1 自然保护地数量

据初步统计，西藏目前有81处自然保护地(不包括全区风景名胜区和水产种质资源保护区)，约占全区国土面积36%。其中，有国家级自然保护区11处，自治区级自然保护区12处，市县级自然保护区24处，国家级森林公园9处，国家级湿地公园22处，地质公园3处。

2.2 自然保护地存在的问题

西藏自然保护地主要存在4个方面的问题：一是自然保护地的界线不明确，部分保护地的范围仅靠图纸或简要文字说明，没有准确、具体的界线；二是不同类型的自然保护地重叠复杂。据初步统计，全区现落图自然保护地存在三种不同类型的重叠，即自然保护区与自然保护区重叠、自然保护区与自然公园重叠、自然公园与自然公园重叠；三是自然保护地内矛盾冲突明显，主要涉及城镇建成区、永久基本农田、成片商品林、矿业权、开发区、村庄和人口等矛盾冲突；四是勘界技术手段和设备落后，如坐标系统不统一、本底数据来源和精度不一等。

3 无人机测量及RTK技术

3.1 无人机测量

无人机测量原理是基于无人机平台和遥控无人机平台携带的各种测量设备，对待观察区域的地形和地物进行拍照，然后对拍摄到的图像进行一定的算法处理和组合，在消除一定误差后获取待观察区域的地形图像[7]。目前，无人机平台搭载的设备主要包括数码相机、光学相机、扫描仪和磁测仪等。

3.2 RTK技术

RTK技术的原理是利用安装在参考站上的接收器观测可见的GPS卫星，然后将观测数据通过无线传输传送到地面的观测站。观测站接收到GPS卫星数据后，通过无线传输设备实时获取参考站的观测数据[8]，基于相对定位原理，计算GPS卫星和观测站的观测数据，得到待观测点的三维坐标及相应的误差[9]。实践表明，RTK技术的测量误差仅1～2 cm。

3.3 无人机测量和RTK技术特点

无人机测量+RTK技术的联合已逐步应用在林草调查和监测、测绘等多种领域，这种联合测量方法的主要特点有：

1)效率明显提高。无人机+RTK联合测量技术可在较短时间内完成测绘任务，与传统测绘方式相比，基于无人机+RTK测量技术的测绘面积每天可达数十万平方公里[10]。

2)具有强大的建模能力[11]。基于无人机+RTK联合测量技术，可依托高精度、高分辨率设备获取高精度地表信息，完成地形三维景观模型、三维正射影像图的构建以及其他基于获得信息的可视化数据处理[12-13]。

3)应用范围广泛。无人机+RTK联合测量技术结合了两种技术的优点，不仅可以充分发挥各自的优势，还可以结合卫星遥感、地面监测和航测等手段应用于其他场合。

4 勘界流程

自然保护地勘界技术流程主要包括资料准备、制作工作底图、预设点位、实地测量等步骤[6]，具体勘界流程见图1。

图1 自然保护地勘界工作流程

5 无人机测量和RTK技术在边界测量中的应用

5.1 勘界前准备

根据地形图、影像数据等保护区数据，形成边界勘测底图，勘界底图应满足保护地勘界、调查要求为宜，其操作方法、操作程序、精度等均符合数字测绘的要求。实地勘界之前，对基础地理信息数据等进行分析处理，将转换好的保护地矢量图与地形图、影像图叠加，预先设置边界点等校准点，形成边界测量工作的底图。所有地图均采用2000国家大地坐标系和1985国家高程基准，各级自然保护地优先提供1∶10000或更大比例尺地形图。如果没有1∶10000比例尺的地形图，可以使用 1∶50000 比例尺的地形图。对于线性河流的自然保护地，宜采用1∶1000比例尺地形图。由于西藏的特殊性，在满足精度要求的情况下，可以考虑使用高清影像作为边界测绘工作的底图。

依据工作底图，提取初步形成的保护地边界点等点位坐标，然后实地放样，确认坐标能够与实际地物相吻合；通过实地踏勘再次细化保护地各类界线，经二次确认、核实后形成最终点位成果。

5.2 边界点测量

收集保护地所在区域内已有控制点成果，包括国家控制网点、国家GPS网点、城市控制网点及满足要求的相应等级的控制成果，对收集的成果充分分析和利用。如果控制点数量不够或精度不能满足测界要求，则应在测界前进行补充测量，以保证测界精度，使分片施测的边界点能够连接成一个整体并保证整个保护地勘界精度均匀、合理。

边界点是指在自然保护地的边界线上选取一定数量来确定边界线的方向，控制保护地范围和面积、有明确固定位置或周边有明显要素、它可以准确地解释边界地形图或影像图上平面位置的地面特征点，包括边界桩点等校准点。保护地的边界线及功能区界线理论上每1 000 m设置一个边界点，在人为活动频繁地段应适当增加，在人类活动难以到达区域可适当减少。边界点预设尽可能遵循以下要求： ① 保护地界线近弧形边界的两弧端点及弧顶点适宜处选取边界点或定标点；② 保护地界线穿越村庄、企业等情况，在村(企业)两头设立边界点或定标点；③ 保护地界线在人群易见、活动和重要点位处(如交叉路口，绿地休 闲区、公共单位和场所、村庄头尾、道路、耕地边界、取水点、支流 入水口等处)根据实际情况适当设置边界点或定标点；④保护地界线在功能区分界处应设置边界点或定标点。

5.2.1 RTK技术应用

在测量RTK控制点平面坐标时，移动站采集卫星观测数据，通过数据链接收来自CORS系统的数据，在系统中形成差分观测进行实时处理，将观测到的地心坐标转换为指定坐标系中的平面坐标[14]。在获取测区坐标系转换参数时，可以直接使用保护地的已知参数或采用联测周边已有的E级GPS点求取转换参数。

目前，全球RTK仪器种类繁多，功能越来越强大、操作趋向智能化、简便化，但其主要作业流程大同小异。RTK主要作业流程图详见图2。

图2 RTK技术作业流程图

1)手薄新建项目。输入坐标系，将中央子午线改为测量区域的值[15]。

2)基准站设置。在地面采集10次坐标，若数据链显示正常，则基准站发射信号设置成功，转去连接移动站；相反则重新设置基准站发射信号。目前，数据链的类型主要有外挂电台、手机卡、内置电台等3种类型。

3)移动站设置。数据链选择与基准站相对应的类型，设置高度截止角，在成功接收到信号后，进入手薄中的碎步测量，直至得到固定解[16]。若移动站显示单点，可能原因为基站无发射信号、频道不对或波特率不对。其中，参数计算一般使用测区已知较远两个点来计算参数。分别将移动站立在已知两个控制点上，各采集数据10次，然后点击保存。

4)参数计算。将测量的两个控制点的所有数据添加到相应模块，计算出尺度k值；参数计算完成后，检查控制点，确认操作是否正确。

5)参数精度检核。如计算出的尺度k值接近1，则使用它，否则检查控制点并重新计算。

6)外业数据采集。分别将移动站立在勘界工作底图上的预设点位上，采集相应的坐标点数据，并保存。

7)内业数据处理。将采集到的预设点坐标点导入软件，分析和处理，形成最终边界点测量成果材料。

根据量化保护地边界线的位置，采用坐标法和关系距离法进行放样。

坐标法放样：根据保护地界线范围图，利用地理信息数据处理软件解算保护地边界拐点坐标，采用GPS—RTK法、极坐标法放样保护地边界点位置。

关系距离法放样：根据保护地界线范围图，图上拟定点位位置，并在图上量出点位与邻近现有地物的边长(三条以上)，在实地采用边交会、边角交会等方法放样边界点位置[17]。

5.2.2 无人机测量应用

西藏自然保护地有一部分位于人为活动较少的区域，甚至在无人区，地理位置偏远，交通不便且地形复杂。因此，对于危险地段和人无法到达的区域，可利用无人机进行测量。在高海拔峡谷环境中，人工作业效率低、安全风险高且行动不便，即使采用单独架设基站方式测定，勘测定界成果在成图效率和点位测量精确性上仍然无法保证。另外，在视野受限的情况下难以对保护地界线周边环境全貌有清晰判断，很难结合实际地形、地质、高程、距离等情况做出科学的判断；有时使用谷歌地图照片，由于清晰度低、更新不及时等原因，采集的数据缺乏全面性和科学性，最终影响到边界点等定标点的准确性。

大量实践表明，在针对以上困难时可利用无人机对保护地界线两侧的区域进行航测；生成的DSM，DEM和DLG等数据可以在短时间内完成地形图修改测量[18]。使用无人机在选定区域进行航测，作业流程见图3。

图3 无人机测量流程图

因此，无人机可在保护地边界测量中用于定位和测量，其航空摄影测量技术产生的校正融合数字正射影像(DOM)可以清晰地区分边界周围的不同特征。同时，在人力物力消耗和作业效率上具有明显的优势，与传统手动相比RTK定位优势显着，弥补了单纯依靠RTK技术测点的不足。

5.3 边界地形图更新

边界地形图更新是指对边界线附近发生变化的地形要素(地貌、高程、河流、海岸线、道路、构筑物等)进行替换，对边界线两侧一定范围内影响到边界线走向、面积与确定边界及点位位置有关的地形要素、地理名称进行准确更新。

地形要素发生变化的区域一般采用解译方法直接绘制在地形图上，或者根据正射影像高清影像图进行调整绘制。地形要素变化较大的区域务必进行实地勘测，经处理后将所有变化要素融合进边界地形图。在野外勘察工作中，可以利用无人机进行航测，从而快速获取最新的地形要素数据。通过无人机航测获取地形要素数据，一是可以大大提高工作效率，减少工作量，节约成本；二是能轻易获取危险区域和外业人员难以到达的地段的相关原始数据，保障外业人员人身安全。

5.4 边界线标绘

边界线绘制是在更新后的边界地形图或高清影像图上准确绘制确定的边界点位置，作为编制边界附图的主要依据。

自然保护地界线的管理在一定程度上由所获取的保护地地形的原始数据所决定。边界线标绘主要是以最新边界基础图为依据，基础图局部的地物要素信息的准确性必须较高，且对于部分区域需要单独的影像作为佐证材料。由于西藏地理位置及情况特殊，很多边界线周边的地物信息难以准确获取，另外，部分边界点即使在更新的边界地形图上都难以确认。因此，边界线标绘及边界走向说明书的编写工作，必要情况下需要依赖无人机航测获取最新的高清影像图作为依据，以便准确无误地反映真实要素信息。

6 讨论

西藏自然保护地的建设，不仅是保护珍稀濒危动植物，也是改善生态环境质量和确保自然生态系统完整性、良好调节能力的重大举措，这是西藏各族人民的根本利益所在，也事关全中国人民的共同利益。自然保护地科学合理的勘界，将有效提高保护地边界空间管理精度，提升保护地信息管理化、科学化管理水平，更好地满足新时期保护地建设和监督管理需求。

西藏自然保护地勘界要确保能够精确获取保护地特殊复杂地形的原始数据，仅采用RTK技术在远距离和信号不稳定时使得所获取的数据误差较大。因此，可通过无人机测量对保护地特殊区域的数据进行采集。但是，在使用无人机采集保护区原始地形数据时，由于地面存在危险区域和无人机本身的不足，如续航时间、飞行高度等会对数据的采集造成较大的阻碍。基于两种技术的不足和特点，在西藏自然保护地勘界工作中可尝试联合利用无人机测量和RTK技术来提升工作效率和数据的精确性，为提高自然保护地管理的有效性奠定基础。