第15 卷第 5 期2000 年10 月 地球科学进展 ADVANCE IN EART H SCIENCES Vol. 15 No. 5 Oct. , 2000 新学科·新发现·新技术 运用差分 GPS 动态获取高精度土地 资源变化数据的新技术 张显峰, 崔伟宏 ( 中国科学院遥感应用研究所, 北京 100101) 摘要: 由于经济的飞速发展, 许多耕地被占用变为非农业用地.土地管理部门需要及时准确地掌 握城镇和农村用地的变化格局, 为耕地保护政策的制定提供依据. 但传统的土地变更测量方法存在 难于准确获取变化边界坐标, 成图困难且周期长、 人为操作随意性大等不足. 在分析各种 GPS 差分 技术的基础上提出了运用移动差分GPS 技术获取土地利用变化信息的新方法. 作为国家" 九·五" 攻关项目的研究内容, 该方法在包头市郊区县进行了实验, 结果证明与传统测量方法相比, 具有快 速、 准确, 操作简便, GPS 数据输入 GIS, 可以快速成图等优点. 关键词: 差分 GPS; 土地资源动态监测; 移动差分 中图分类号: P208 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8166( 2000) 05-0609-05 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[ 1] .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于确定, 面积 量测不准确等问题; 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. 由于以上原因, 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. 由于 GPS 能快速、 准确和全天候地提供三维位 置数据和精确授时, 被广泛应用于精密测绘、 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 基金项目: 国家科技部" 九五" 攻关项目" 3S 技术在县级资源环境动态监测中的工程示范研究" ( 编号: 96-B02-a-07) 资助. 第一作者简介: 张显峰( 1967-) , 男, 四川人, 助理研究员( 在读博士) , 主要从事 RS、 GIS 和GPS 的应用研究. 收稿日期: 2000-01-10; 修回日期: 2000-03-06. 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( SPS) 的C/ A 码实时定位精度为 15 m, 在实施 SA 政策以后 为100 m.根据《 土地利用详查规程要求》 , 1∶1 万 比例尺的详查图上成图要求精度为 8 m.差分 GPS 系统由一台基准站 GPS 和一台或多台测站 GPS 组成.基准站是一已知准确大地坐标的点.在此点上 架设 GPS 天线与测站 GPS 同时接收 GPS 卫星观 测量, 并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误 差的影响, 从而极大地提高相对定位精度. 从目前的 产品来看, 通过对载波相位观测量进行静态差分, 定 位精度可达 5 mm±10- 6 , 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) ; 基于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 5mm± 10- 6 *D ( D 为基 线长度) , 实时 动态差分系统 ( RT K) 可达厘米级( 1~2 cm±10- 6 *D) 的定位精 度, 但价格较贵, 系统也较复杂; 伪距差分是用得最 多的差分方法, 精度为米级[ 2] . 2. 2 差分方法的选择——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.基于载波相位的实时动 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于 15 km, 在测量工作 中, 由于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.基于 C/ A 伪距码的动 态差分方法精度可达米级.( 如Magellan 公司的 M ark 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 于伪距码的差分 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. 表1两种差分方式的比较 Table 1 Comparison between two differential methods 差分方式 观测量 初始化 时间 失锁后重新 锁定卫星 精度成本 操作RT K 载波相位 数分钟 长 厘米级 高 较复杂 后处理移 动差分 C/ A 伪距、 载波相 位多谱勒观测量 数秒 很短 米级 低 简单 基于以上考虑, 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Promark X-cm 接收机作为测量工具.该机具有 10 个接收通道, 可接收 L1 载波和 C/ A 码观测量, 而且具有接收 RT CM 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 4 M 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[ 3] . 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.由于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 量工具现场测量来完成的.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 绘来更新图件, 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 610 地球科学进展 第15 卷 系统( GPS) 测量规范》 , 由于将差分 GPS 运用于土 地测量尚处于研究阶段, 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 2 ) 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. 2. 1 测量前的准备工作 准备工作包括熟悉Promark X-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 种复杂情况基础上, 制定出适合 GPS 测量特点的操 作规程. 3. 2. 2 现有测绘控制网的评价与加密 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 区内已有足够数量的 WGS 84 GPS 控制点和北京 54 坐标控制点, 则完全可满足我们的需要, 至于测 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 20*10 - 6 *D, 足以满足农村 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, 这样便于数据的 内业处理和存档管理.如文件名为 07160305. mob, 表示测量时间为 7 月16 日, 3 号机第 5 个数据文 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. 3. 2. 4 基准站的建设 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 抗多路径效应的天线架 在已知点上.打开 GPS 接收机进行初始化, 设置采 样率( 大于或等于移动站) 和天线视角( 基准站一般 为10° ) 等参数.一旦准备工作完成 , 即可开始采样 ( 对ProMark X-cm 来说, 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 外的已知点引点建立测绘控制点( 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. 3. 2. 5 变化图斑的识别与标识 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. 为了加速测量工作, 在测量之前应该先识别出变化 地块的大致位置并标识在图上, 供野外测量中使用. 在本项目中, 通过遥感数据与 1992 年的土地详查数 据进行复合分析来发现变化地块的空间分布.对于 通过遥感手段不能发现的变化, 可以根据用地申报 数据来标识变化地块. 3. 2. 6 利用移动站 GPS 接收机采集数据 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. 测量中移动站和天线视角最好大于 基准站的天线视角, 一般来说, 移动站离基准站的距 离每增加 100 km, 移动站的天线视角就增加 1° [ 4] , 这样保证移动站的所有可见 GPS 卫星都包含在基 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 的汽车上进 行测量时, 对精度没有影响.在测量中, 天线要架在 一个支撑杆上, 举过人的头顶垂直移动天线, 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[ 5] . 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 中应该将天线放置在其中心线或设置一个天线偏移 量进行移动测量, 并记录下该线状地物的属性信息, 并输入GPS 接收机. 面状地物. 在土地利用调查中, 面状地物即地块是 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) , 则需测量变化边 界.从变化边界的起点开始, 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. 611 第5期张显峰等: 运用差分 GPS 动态获取高精度土地资源变化数据的新技术 属性数据.GPS 最初是设计用来定位的, 而不 是用来采集 GIS 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 的关联是通过在 GIS 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. Trimble 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] . 这种方法的不足在于属性采集工具与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 业处理中可以识别测量地块的属性信息, 通过交互 编辑赋给图斑. 3. 2. 7 内业差分处理 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. M STAR 是随 Promark X- 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 2~5 m. 在差分处理前应将 GPS 数据 集中的 2D( 二维定位数据) 去除, 以免影响差分精 度.产生 2D 数据的原因主要是由于天线接收条件 差, 接收到的 GPS 卫星少于 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, 由于高压线对 GPS 天线的干扰, 部分测量 结果属于 2D 数据, 如果不将它们剔除, 会产生 160 m 左右的定位误差. 3. 2. 8 GPS 数据与 GIS 数据转换 由于我国的土地、 地形测量是以北京 54 坐标系 为参照, 而GPS 测量数据是以 WGS 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. 由于差分 GPS 的工作区域 相对于 GPS 控制网来说要小, 一般在 50*50 km 2 以内. 因此采用在二维平面上进行相似变换的方法. ( 1) 当工作区内有足够的已知 W GS 84 和北京 54 坐标的情况时, 可计算坐标转换的 7 参数或 3 参数( 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 个已知WGS 84 和北京 54 坐标的控制点时, 可根据下式计算 WGS 84 到54 坐 标系的转换参数: x 54 = x + k1x84 + k2 y84 y54 = y + k1 y84 + k2x84 其中, x 、y 、 k1 和k2 为转换参数. 多余的1 个点用作 检验. ( 3) 在只有一个已知点的情况下, 可用基准站 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 W GS 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 WGS 84 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, 我们采用 多个公共点计算 WGS 84 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 WGS 84 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, 同时运用基准 站的 54 坐标直接进行差分, 得到伪 54 坐标值, 二者 差值在 1 m 以内.证明在难于获得足够的公共点 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 万的农村地籍图是按 3° 带高斯—克吕 格投影到二维平面直角坐标系下, 所以GPS 测量数据 必须进行投影才能与GIS 数据进行匹配.在本项目中 我们开发了一个功能模块, 其主要功能是读入 M ST AR 输出的差分数据, 完成精确投影转换和数据 格式转换, 输出 Arc/ Info 能够接收的 GEN 格式. 4 结论GPS 技术曾给测绘技术带来一场革命, 而且正 在深入到各个应用领域. 将遥感、 地理信息系统和全 球定位系统技术( 3" S" ) 运用于土地资源的动态监 测、 变更调查和土地数据的管理工作中, 可以改变我 国土地管理的落后状况. 与传统方法相比较, 有以下 优点: 不要求测站之间的通视, 不受时间、 气象条 件限制, 具有全天候观测能力, 仪器体积小, 野外操 作简便; 测量精度高, 且费用比航空摄影测量方法 低得多, 十分适合土地利用变化数据获取的要求; 测量结果是统一在W GS 84 坐标系下的三维地理数 据, 彼此之间相关性好, 共享容易; GPS 测量结果 612 地球科学进展 第15 卷 经坐标变换和数据格式转换后可直接输入地理信息 系统中, 与其它数据进行复合分析、 制图; 由于信 息自动接收、 自动存储, 内外业结合紧密, 减少了传 统方法中繁琐的中间过程, 提高了测量速度和成果 的可靠性. 从运用 ProMark X-cm GPS 接收机的移动差 分技术来获取包头市郊区县 2 083 km 2 的土地利用 变化信息( 相对于 1992 年) 看, 测量快速、 准确, 得到 了用户的认可( 表2) .本文推荐的方法适用于县级 大比例尺土地单元的动态监测, 不适用于小比例尺 大区域的数据获取( 测绘量太大) . 鉴于以上分析, 该项技术可以在我国其它县市 的土地利用动态监测工作中加以推广运用. 参考文献 [ 1] 查宗祥. 土地管理信息化建设中 GIS 应用现状及近期规划[ J] . 地理信息世界, 1998, (1) : 18~19. 表2传统方法与移动差分 GPS方法的比较 ( 以前明乡为例) Table 2 Comparison between traditional way and mobile differential GPS 项目手段投入技术人员 ( 人) 有效工作时间 ( 天) 成图精度 ( mm ) 人工调查 10 15 0. 5~0. 8 移动差分 GPS 方法 6 < 5 0. 2~0. 5 [ 2] 王 广运, 郭秉义, 李洪涛, 等. 差分 GPS 定位技术 与应用[ J] . 北京: 电子工业出版社, 1996. 48~55. [3] 王侬, 廖元 焰, 主编. 地籍 测量 [ M ] . 北京: 电 子工 业出 版社, 1996. 125. [ 4] Michael Kennedey. Global Positioning System and GIS: An Intr oduction[ M] . USA : Ann Arbor Press, 1996. 133. [ 5] Mag ellan Professional Products: Oper ation Mannuals [ M ] . USA, 1995. 566. [6] Jack A Bernard. Attribute Collection and GPS[ M ] . AM/ FM, U SA, 1995. 189. USING DIFFERENTIAL GPS TECHNOLOGY TO UPDATE LAND USE DATA ZHANG Xian-feng CU I Wei-hong ( Institute of R emote S ensing Applications, CA S , Beij ing 100101, China) Abstract: Due to the rapid development of economy, a great deal of cultivated land w as transformed into residence, roads and industry area. In order to support policy-making for cultivated land protection, it is necessary for land administration to understand the quality and quantity of land change. How ever, the traditional w ay to update the land data is outdated and difficult to accurately acquire the spatial location of the changed boundary and map the change. Surveyors' carelessness often affects the accuracy. Based on the analysis of various GPS differential methods, this paper proposes a new method to use mobile differen- tial GPS technology to update the land use data. The method is implemented in Baotou City to update the land use data of 1992. The result shows that it has the advantages of high accuracy, efficiency and easiness to manipulate. T he GPS data can be easily transferred to GIS system to establish cadastral management in- formation system and output paper maps. Key words: Differential GPS; Dynamic monitoring; Land use data; M obile differential. 613 第5期张显峰等: 运用差分 GPS 动态获取高精度土地资源变化数据的新技术
下载该文档
文档格式：PDF
更新时间：2014-08-10
下载次数：0
点击次数：1
第15 卷第 5 期2000 年10 月 地球科学进展 ADVANCE IN EART H SCIENCES Vol. 15 No. 5 Oct. , 2000 新学科·新发现·新技术 运用差分 GPS 动态获取高精度土地 资源变化数据的新技术 张显峰, 崔伟宏 ( 中国科学院遥感应用研究所, 北京 100101) 摘要: 由于经济的飞速发展, 许多耕地被占用变为非农业用地.土地管理部门需要及时准确地掌 握城镇和农村用地的变化格局, 为耕地保护政策的制定提供依据. 但传统的土地变更测量方法存在 难于准确获取变化边界坐标, 成图困难且周期长、 人为操作随意性大等不足. 在分析各种 GPS 差分 技术的基础上提出了运用移动差分GPS 技术获取土地利用变化信息的新方法. 作为国家" 九·五" 攻关项目的研究内容, 该方法在包头市郊区县进行了实验, 结果证明与传统测量方法相比, 具有快 速、 准确, 操作简便, GPS 数据输入 GIS, 可以快速成图等优点. 关键词: 差分 GPS; 土地资源动态监测; 移动差分 中图分类号: P208 文献标识码: A 文章编号: 1001- 8166( 2000) 05-0609-05 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[ 1] .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于确定, 面积 量测不准确等问题; 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. 由于以上原因, 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. 由于 GPS 能快速、 准确和全天候地提供三维位 置数据和精确授时, 被广泛应用于精密测绘、 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 基金项目: 国家科技部" 九五" 攻关项目" 3S 技术在县级资源环境动态监测中的工程示范研究" ( 编号: 96-B02-a-07) 资助. 第一作者简介: 张显峰( 1967-) , 男, 四川人, 助理研究员( 在读博士) , 主要从事 RS、 GIS 和GPS 的应用研究. 收稿日期: 2000-01-10; 修回日期: 2000-03-06. 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( SPS) 的C/ A 码实时定位精度为 15 m, 在实施 SA 政策以后 为100 m.根据《 土地利用详查规程要求》 , 1∶1 万 比例尺的详查图上成图要求精度为 8 m.差分 GPS 系统由一台基准站 GPS 和一台或多台测站 GPS 组成.基准站是一已知准确大地坐标的点.在此点上 架设 GPS 天线与测站 GPS 同时接收 GPS 卫星观 测量, 并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误 差的影响, 从而极大地提高相对定位精度. 从目前的 产品来看, 通过对载波相位观测量进行静态差分, 定 位精度可达 5 mm±10- 6 , 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) ; 基于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 5mm± 10- 6 *D ( D 为基 线长度) , 实时 动态差分系统 ( RT K) 可达厘米级( 1~2 cm±10- 6 *D) 的定位精 度, 但价格较贵, 系统也较复杂; 伪距差分是用得最 多的差分方法, 精度为米级[ 2] . 2. 2 差分方法的选择——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.基于载波相位的实时动 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于 15 km, 在测量工作 中, 由于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.基于 C/ A 伪距码的动 态差分方法精度可达米级.( 如Magellan 公司的 M ark 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 于伪距码的差分 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. 表1两种差分方式的比较 Table 1 Comparison between two differential methods 差分方式 观测量 初始化 时间 失锁后重新 锁定卫星 精度成本 操作RT K 载波相位 数分钟 长 厘米级 高 较复杂 后处理移 动差分 C/ A 伪距、 载波相 位多谱勒观测量 数秒 很短 米级 低 简单 基于以上考虑, 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Promark X-cm 接收机作为测量工具.该机具有 10 个接收通道, 可接收 L1 载波和 C/ A 码观测量, 而且具有接收 RT CM 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 4 M 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[ 3] . 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.由于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 量工具现场测量来完成的.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 绘来更新图件, 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 610 地球科学进展 第15 卷 系统( GPS) 测量规范》 , 由于将差分 GPS 运用于土 地测量尚处于研究阶段, 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 2 ) 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. 2. 1 测量前的准备工作 准备工作包括熟悉Promark X-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 种复杂情况基础上, 制定出适合 GPS 测量特点的操 作规程. 3. 2. 2 现有测绘控制网的评价与加密 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 区内已有足够数量的 WGS 84 GPS 控制点和北京 54 坐标控制点, 则完全可满足我们的需要, 至于测 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 20*10 - 6 *D, 足以满足农村 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, 这样便于数据的 内业处理和存档管理.如文件名为 07160305. mob, 表示测量时间为 7 月16 日, 3 号机第 5 个数据文 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. 3. 2. 4 基准站的建设 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 抗多路径效应的天线架 在已知点上.打开 GPS 接收机进行初始化, 设置采 样率( 大于或等于移动站) 和天线视角( 基准站一般 为10° ) 等参数.一旦准备工作完成 , 即可开始采样 ( 对ProMark X-cm 来说, 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 外的已知点引点建立测绘控制点( 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. 3. 2. 5 变化图斑的识别与标识 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. 为了加速测量工作, 在测量之前应该先识别出变化 地块的大致位置并标识在图上, 供野外测量中使用. 在本项目中, 通过遥感数据与 1992 年的土地详查数 据进行复合分析来发现变化地块的空间分布.对于 通过遥感手段不能发现的变化, 可以根据用地申报 数据来标识变化地块. 3. 2. 6 利用移动站 GPS 接收机采集数据 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. 测量中移动站和天线视角最好大于 基准站的天线视角, 一般来说, 移动站离基准站的距 离每增加 100 km, 移动站的天线视角就增加 1° [ 4] , 这样保证移动站的所有可见 GPS 卫星都包含在基 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 的汽车上进 行测量时, 对精度没有影响.在测量中, 天线要架在 一个支撑杆上, 举过人的头顶垂直移动天线, 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[ 5] . 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 中应该将天线放置在其中心线或设置一个天线偏移 量进行移动测量, 并记录下该线状地物的属性信息, 并输入GPS 接收机. 面状地物. 在土地利用调查中, 面状地物即地块是 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) , 则需测量变化边 界.从变化边界的起点开始, 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. 611 第5期张显峰等: 运用差分 GPS 动态获取高精度土地资源变化数据的新技术 属性数据.GPS 最初是设计用来定位的, 而不 是用来采集 GIS 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 的关联是通过在 GIS 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. Trimble 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] . 这种方法的不足在于属性采集工具与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 业处理中可以识别测量地块的属性信息, 通过交互 编辑赋给图斑. 3. 2. 7 内业差分处理 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. M STAR 是随 Promark X- 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 2~5 m. 在差分处理前应将 GPS 数据 集中的 2D( 二维定位数据) 去除, 以免影响差分精 度.产生 2D 数据的原因主要是由于天线接收条件 差, 接收到的 GPS 卫星少于 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, 由于高压线对 GPS 天线的干扰, 部分测量 结果属于 2D 数据, 如果不将它们剔除, 会产生 160 m 左右的定位误差. 3. 2. 8 GPS 数据与 GIS 数据转换 由于我国的土地、 地形测量是以北京 54 坐标系 为参照, 而GPS 测量数据是以 WGS 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. 由于差分 GPS 的工作区域 相对于 GPS 控制网来说要小, 一般在 50*50 km 2 以内. 因此采用在二维平面上进行相似变换的方法. ( 1) 当工作区内有足够的已知 W GS 84 和北京 54 坐标的情况时, 可计算坐标转换的 7 参数或 3 参数( 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 个已知WGS 84 和北京 54 坐标的控制点时, 可根据下式计算 WGS 84 到54 坐 标系的转换参数: x 54 = x + k1x84 + k2 y84 y54 = y + k1 y84 + k2x84 其中, x 、y 、 k1 和k2 为转换参数. 多余的1 个点用作 检验. ( 3) 在只有一个已知点的情况下, 可用基准站 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 W GS 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 WGS 84 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, 我们采用 多个公共点计算 WGS 84 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 WGS 84 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, 同时运用基准 站的 54 坐标直接进行差分, 得到伪 54 坐标值, 二者 差值在 1 m 以内.证明在难于获得足够的公共点 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 万的农村地籍图是按 3° 带高斯—克吕 格投影到二维平面直角坐标系下, 所以GPS 测量数据 必须进行投影才能与GIS 数据进行匹配.在本项目中 我们开发了一个功能模块, 其主要功能是读入 M ST AR 输出的差分数据, 完成精确投影转换和数据 格式转换, 输出 Arc/ Info 能够接收的 GEN 格式. 4 结论GPS 技术曾给测绘技术带来一场革命, 而且正 在深入到各个应用领域. 将遥感、 地理信息系统和全 球定位系统技术( 3" S" ) 运用于土地资源的动态监 测、 变更调查和土地数据的管理工作中, 可以改变我 国土地管理的落后状况. 与传统方法相比较, 有以下 优点: 不要求测站之间的通视, 不受时间、 气象条 件限制, 具有全天候观测能力, 仪器体积小, 野外操 作简便; 测量精度高, 且费用比航空摄影测量方法 低得多, 十分适合土地利用变化数据获取的要求; 测量结果是统一在W GS 84 坐标系下的三维地理数 据, 彼此之间相关性好, 共享容易; GPS 测量结果 612 地球科学进展 第15 卷 经坐标变换和数据格式转换后可直接输入地理信息 系统中, 与其它数据进行复合分析、 制图; 由于信 息自动接收、 自动存储, 内外业结合紧密, 减少了传 统方法中繁琐的中间过程, 提高了测量速度和成果 的可靠性. 从运用 ProMark X-cm GPS 接收机的移动差 分技术来获取包头市郊区县 2 083 km 2 的土地利用 变化信息( 相对于 1992 年) 看, 测量快速、 准确, 得到 了用户的认可( 表2) .本文推荐的方法适用于县级 大比例尺土地单元的动态监测, 不适用于小比例尺 大区域的数据获取( 测绘量太大) . 鉴于以上分析, 该项技术可以在我国其它县市 的土地利用动态监测工作中加以推广运用. 参考文献 [ 1] 查宗祥. 土地管理信息化建设中 GIS 应用现状及近期规划[ J] . 地理信息世界, 1998, (1) : 18~19. 表2传统方法与移动差分 GPS方法的比较 ( 以前明乡为例) Table 2 Comparison between traditional way and mobile differential GPS 项目手段投入技术人员 ( 人) 有效工作时间 ( 天) 成图精度 ( mm ) 人工调查 10 15 0. 5~0. 8 移动差分 GPS 方法 6 < 5 0. 2~0. 5 [ 2] 王 广运, 郭秉义, 李洪涛, 等. 差分 GPS 定位技术 与应用[ J] . 北京: 电子工业出版社, 1996. 48~55. [3] 王侬, 廖元 焰, 主编. 地籍 测量 [ M ] . 北京: 电 子工 业出 版社, 1996. 125. [ 4] Michael Kennedey. Global Positioning System and GIS: An Intr oduction[ M] . USA : Ann Arbor Press, 1996. 133. [ 5] Mag ellan Professional Products: Oper ation Mannuals [ M ] . USA, 1995. 566. [6] Jack A Bernard. Attribute Collection and GPS[ M ] . AM/ FM, U SA, 1995. 189. USING DIFFERENTIAL GPS TECHNOLOGY TO UPDATE LAND USE DATA ZHANG Xian-feng CU I Wei-hong ( Institute of R emote S ensing Applications, CA S , Beij ing 100101, China) Abstract: Due to the rapid development of economy, a great deal of cultivated land w as transformed into residence, roads and industry area. In order to support policy-making for cultivated land protection, it is necessary for land administration to understand the quality and quantity of land change. How ever, the traditional w ay to update the land data is outdated and difficult to accurately acquire the spatial location of the changed boundary and map the change. Surveyors' carelessness often affects the accuracy. Based on the analysis of various GPS differential methods, this paper proposes a new method to use mobile differen- tial GPS technology to update the land use data. The method is implemented in Baotou City to update the land use data of 1992. The result shows that it has the advantages of high accuracy, efficiency and easiness to manipulate. T he GPS data can be easily transferred to GIS system to establish cadastral management in- formation system and output paper maps. Key words: Differential GPS; Dynamic monitoring; Land use data; M obile differential. 613 第5期张显峰等: 运用差分 GPS 动态获取高精度土地资源变化数据的新技术