差分GPS动态获取高精度土地资源变化数据新技术

1、差分GPS动态获取高精度土地资源变化数据新技术        1.前言1984年国务院部署了以县为单位进行的土地利用现状调查工作，到 1996年全国各县基本完成。由此获得的土地利用详查成果为各级政府制定国民经济发展计划提供了最基础的依据，为建立土地登记、土地统计制度、制定土地利用总体规划提供了第一手的数据。但是近20年和今后的数十年内，都将是我国经济快速发展的时期，土地利用的形式将发生一系列的变化，因此随时摸清土地利用形式的变化，进行土地利用变更登记将是我国各级土地管理部门的一项重要的和经常性的工作。目前我国土地管理部门进行

2、土地利用变更调查的方法是在土地详查成果的基础上，根据变更申报到现场勘查，在详查图上标绘宗地变化的边界位置、权属变化和利用类型的变化，填写土地利用变更登记表。这种方法明显存在缺点：难以准确获取变化边界的地理坐标。由于缺乏测绘控制点，仅从相邻关系进行外推量测，难以准确获取变化边界的空间位置坐标；在填写变更登记表时通常关心面积、宗地四至关系等属性数据，导致变化宗地的空间位置难干确定，面积量测不准确等问题泪各种统计数据是通过基层上报而得，人为干扰大，存在错报、漏报。由干以上原因，笔者认为目前的土地利用变更登记方法有待进一步改进，必须引进简便科学的手段获取土地利用变化的地理位置和属性数据。由干GPS能快

3、速、准确和全大候地提供三维位置数据和精确授时，被广泛应用干精密测绘、交通工具导航定位、交通管理等领域。将之用在土地测绘中尚不多见。在国家九五”科技攻关项目的支持下，我们与内蒙古包头市土地管理局合作，开展运用遥感、地理信息系统和GPS集成技术进行土地资源动态监测的研究，本文只涉及运用差分GPS技术获取土地利用变化数据的内容。2.差分GPS技术2.1差分GPS系统的原理与构成差分GPS系统是由两台GPS接收机相对定位。我们知道，利用GPS进行单点定位时，其定位精度受到卫星轨道误差、钟差、信号传播误差及SA政策等诸多因素的影响，降低了定位精度。在实施SA政策以前，按95%概率计算，标准定位服务（SP

4、）的C/A码实时定位精度为 15m，在实施 SA政策以后为100 m。根据土地利用详查规程要求，l：l万比例尺的详查图上成图要求精度为 8m。差分GPS系统由一台基准站GPS和一台或多台测站GPS组成。基准站是一己知准确大地坐标的点。在此点上架设GPS大线与测站GPS同时接收GPS卫星观测量，井由基准站计算出误差改正数，传递给测站GPS并对测站GPS观测量进行差分改正，获得测站GPS的定位数据。如果测站与基准站之间距离越近，那么同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差、电离层和对流层延迟误差及SA政策等对观测量的影响具有越大的相关性，经差分改正后就可以有效地消除或减弱上述

5、误差的影响，从而极大地提高相对定位精度。从目前的产品未看，通过对载波相位观测量进行静态差分，定位精度可达 5 m m士 10，对 C/A伪距码观测量进行差分改正，精度可达米级。根据差分GPS基准站发送到测站的信息的不同可将差分GPS定位分为3类。所不同的仅仅是发送的误差改正数的具体内容不一样，不同差分方式的精度也不一样。其中位置差分是最简单的差分方法，误差较大（10 m）；基干载波相位的差分是最复杂的差分方法，精度最高，静态定位可达 5m m士10 XD（D为基线长度），实时动态差分系统（RTK）可达厘米级（l- 2 cm士 10x D）的定位精度，但价格较贵，系统也较复余，伪距差分是用得最多

6、的方法，精度为米级。2.2差分方法的选择一后处理移动差分根据土地利用变更调查的特点和精度要求，应该选用动态差分作业模式。基干载波相位的实时动态差分方法虽然能提供厘米级的定位精度，但要求测站与基准站的基线长度小干 15 km，在测量工作中，由干地物遮挡等原因导致卫星失锁。需要重新求解整周模糊度，可靠性降低。基干Ca伪距码的动态差分方法精度可达米级。（如 M agellan公司的M。止 X-Cm为 2-5 m），能够满足测量精度，如果在测量过程中，卫星发生失锁，重新锁定卫星的时间很短（ <1 S=，而且接收机价格较低，所以我们认为基干伪距码的差分GPS即可满足土地利用变更调查的需要，同样基于

7、投资的考虑，采用后处理差分方式而不是实时差分方式，可以减少数据传输链的建设费用。表1是移动差分与RTK的比较。基干以上考虑，我们采用后处理移动差分方式来获取土地利用的变化数据。在比较各公司的产品综合性能和价格性能的基础上，选取 M agellan公司的PromarkX-cm接收机作为测量工具。该机具有10个接收通道，可接收 L；载波和 C/A码观测量，而且具有接收RTCM差分信息的功能，可进行位置差分、伪距静态差分、移动差分、载波相位差分和实时动态差分。机器自带4M内存，能连续观测记录30 h伪距码或8 h载波相位数据，对野外连续作业十分方便，此外随机而配差分处理软件功能强大，提供多种数据接口

8、和坐标系统。3.应用实例3.1获取土地变化数据的要求我国农村地籍调查包括权属调查和土地利用现状调查，土地利用现状调查分为初始调查和变更调查。我国1984年由国务院统一部署开始了全国范围的土地利用详查工作，到 1996年基本完成，形成了最基础的资料和数据。随着经济的发展，土地利用格局不断发生变化，作为具有法律效力的土地管理工作要求土地利用现状数据的准确性和现实性，随时掌握土地利用的动态变化，更新过时的数据和图件。由干航空摄影测量成本高、周期长，不适合变更调查。实际上，我国各县目前变更调查是运用常规测量工具现场测量未完成的。有的只调查面积不进行变化边界的测量，或粗绘在详查成果图上，再经过编绘未更新

9、图件，很难做到一年周期的调查工作。为了科学地管理土地资源，需要一种新的测量技术，精确、快速地获取土地利用的变化信息。在国家“九五”攻关项目的支持下，笔者开展了运用GPS技术获取农村土地利用的变化数据，实现以一年为周期的土地利用变更登记工作。3.2 GPS外业测量工作的实施目前我国针对大地测绘已经制定出全球定位系统（GPS）测量规范，由干将差分GPS运用干土地测量尚处干研究阶段，没有相关的规程出台。笔者1997年和1998年先后两次在内蒙古包头市郊区县（面积2 083 km）进行了GPS野外测量，获取土地利用变化数据。综合上述工作，总结出运用差分GPS进行土地利用调查的实施方法与步骤。3

10、3;2·l测量前的准备工作准备工作包括熟悉PromarkX-cm GPS接收机的操作，差分处理软件的熟练使用，制定野外测量操作规程及组建作业队伍等。根据笔者的经验，制定明细的操作规程十分重要。在分析土地利用调查的各种复杂倩况基础上，制定出适合GPS测量特点的操作规程。考虑到差分计算的要求以及将GPS数据与土地详查等 GIS数据叠加配准时需要进行坐标转换，所以，测区内必须有一定数量的测绘控制点。如果测区内己有足够数量的W GS84 GPS控制点和北京54坐标控制点，则完全可满足我们的需要，至干测绘控制点的精度，即使是E级控制点，其常量误差为 10 mm，相对误差为20x 10x D，足

11、以满足农村地籍测量需要。如果测区内没有GPS测绘控制点，或密度不够。可以用GPS静态差分定位技术进行引点或加密。测绘控制点（网）的建立或加密的具体方法参见有关文献。3·2·3测量中数据组织与编码一般说来，用一台GPS接收机作为基准站，测站GPS接收机则有数台，同时进行测量。为了避免差分处理时数据管理混乱，我们对每台移动测站GPS接收机进行编码，如 1号， 2号， 3号，N号，在每一台移动接收机进行测量时，其数据文件名须包含日期、机号、文件序号等信息，这样便干数据的内业处理和存档管理。如文件名为 071 60305. m oh，表示测量时间为 7月 16日， 3号机第 5个数

12、据文件。此外，在野外测量中除采集变化边界的空间坐标外，还要采集权属、土地利用类型等属性信息。因此在测量前应该对各属性进行统一编码。编码原则应该与土地详查中的编码原则一致。如果测区内有足够数量的GPS测绘控制点，将基准站设置在测区中心位置。基准站周围要求无高大建筑物、树木等地物的遮挡，无强的电磁干扰（如变电站、高压线等）。将GPS抗多路径效应的大线架在己知点上。打开GPS接收机进行初始化，设样率（大干或等干移动站讨口大线视角（基准站一迁为10o）等参数。一旦准备工作完成，即可开始采样（对ProMarkX-cm未说，选用dif+2模式）。如果测区内没有任何测绘控制点，则需从测区外的己知点引点建立测

13、绘控制点（引点时最好有两个点，其中一点用做交汇检验）；如果测区面积大，测绘控制点太少，则需要进行加密。土地利用变更调查需要调查土地利用属性发生变化的地块，测量它们的变化边界和登记变化属性c为了加速测量工作，在测量之前应该先识别出变刊地块的大致位置并标识在图上，供野外测量中使用c在本项目中，通过遥感数据与 1992年的土地详查数据进行复合分析未发现变化地块的空间分布。对亏通过遥感手段不能发现的变化，可以根据用地申报数据未标识变化地块。根据土地变更调查的要求，需要采集两类数据：一是变化地块的地理坐标数据；二是属性数据如权属、利用类型等。测量中移动站和大线视角最好大于基准站的大线视角，一般未说，移动

14、站离基准站的距离每增加100 km，移动站的大线视角就增加l；这样保证移动站的所有可见GPS卫星都包含在叁准站的可见卫星中。GPS接收机可由人手持步行；或放在自行车、摩托车、汽车等载体上。根据笔者的实验，当GPS接收机放在时速为60 km的汽车上趔行测量时，对精度没有影响。在测量中，天线要架在一个支撑秆上，举过人的头顶垂直移动大线，避免严重的地物遮挡。如果发生这种情况，可能导致跟踪的卫星数目小于4个，不能进行三维定位”。否则应该将不能进行三维定位的数据从序列中除剔以免影响差分结果。线状地物。诸如水渠、道路等线状地物，在测量中应该将大线放置在其中心线或设置一个天线偏移量进行移动测量，并记录下该线

15、状地物的属性信息；井输入GPS接收机。面状地物。在土地利用调查中，面状地物即地块6最重要的测量对象。如果一个地块的部分发生了用地类型的变化（如水浇地变成居民地），则需测量变化文界。从变化边界的起点开炕沿边界移动天线至终点，终止当前文件记录，形成一个封闭的多边形。点状地物。如果有点状地物如界桩、控制点等需要测量，最好采取静态差分的方法记录数据，这样能够达到厘米级的精度。属性数据。GPS最初是设计用未定位的，而不是用来采集 G IS数据。土地的属性数据与地理坐标数据同样重要。目前GPS不具备属性数据采集功能，只能通过其它方式来采集。因而坐标的采集和属性的采集没有很好地集成到GPS接收机。它们之间的

16、关联是通过在 G IS内部交互式编辑来完成的。不过，许多GPS接收机生产厂家开始改变这种现状。Trim ble公司采取用一台便携式计算机与 GPS接收机相连，通过Geolink软件来负责属性数据的采集6。这种方法的不足在干属性采集工具与 GpS接收机集成差，增加了野外作业难度。在本项目中，根据土地利用变更调查的特点，启用Promark X-cm接收机中，每开始一个新文件名时，可以输入 72个字符的文件描述信息。借此功能，我们在开始移动采集数据前，输入地块变化边界的左右地块属性，例如13 52表示沿测量方向，左边地块为13（水浇地），后边地块为52农村居民点）。通过这种办法，在内业处理中可以识别

17、测量地块的属性信息，通过交互编辑赋给图斑。内业差分处理的任务是根据基准站和移动站得到的观测量，按某种差分算法解算出移动测站在WGS84坐标系下的坐标值。MSTAR是随PromarkX-cm型GPS接收机配备的差分后处理软件。本项目中利用移动差分功能对野外获取的土地利用变化数据，精度为2-5m。在差分处理前应将GPS数据集中的ZD（二维定位数据）去除，以免影响差分精度。产生ZD数据的原因主要是由干大线接收条件差，接收到的GPS卫星少干4颗，因此不能进行3维定位。例如，在包头的实验中，发现在高压线附近测量时，由干高压线对GPS大线的干扰，部分测量结果属干2D数据，如果不将它们剔除，会产生160m左

18、右的定位误差。由干我国的土地、地形测量是以北京54坐标系为参照，而 GPS测量数据是以 W GS 84地心坐标系作为参照，这两个坐标系所采用的参考椭球体不同，因此必须进行坐标转换。不同的研究目的对坐标转换的精度要求也不一样。由干差分GPS的工作区域相对干GPS控制网来说要小，一般在50x 50 km以内。因此采用在二维平面上进行相似变换的方法。（l）当工作区内有足够的己知 W GS 84和北京54坐标的倩况时，可计算坐标转换的7参数或3参（旋转参数、尺度参数和平移参数）进行坐标转换。（2）当工作区内有 3个己知 W GS 84和北京 54坐标的控制点时，可根据下式计算WGS 84到54坐标系的

19、转换参数：其中，为转换参数。多余的1个点用作检验。（3）在只有一个己知点的倩况下，可用基准乌的地心坐标与该点的北京54坐标之差作为平移常数，但这样转换精度较低。 （4）当控制点精确的WGS 84坐标无法获取时，可以在基站输入该点的北京54坐标进行差分计算，结果是 W GS84与北京 54坐标的一个混合体；称为“伪54”坐标，它与真54坐标之间存在一个误差。如果坐标转换精度要求不高而又无法获得控制点的精确地心坐标（WGS 84）时，这种方法也是可行的。在包头市郊区县GPS野外测量中，我们采且多个公共点计算 W GS84地心坐标到北京54坐标的转换 7参数，用基准站 W GS 84坐标进行差分，然后将差分结果从 W GS84坐标系转换到 54坐标系；得到移动站测量结果的真54坐标值，同时运用基作站的54坐标直接进行差分，得到伪54坐标值，二者差值在lm以内。证明在难干获得足够的公共点时，直接用基准站的54坐标进行差分，其结果能够满足土地利用动态监测的精度要求。我国1：1万的农村地籍图