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利用GPS在森林中的定点测量信息工程学院12海洋1班201214590110佟嘉岐摘要：GPS是以接收卫星传递的信息进行现地定位和导航等技术的系统。能够快速、高效、准确的提供点、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，它不受时间和空间的限制，定位、导航方便，准确、快捷。具有全天候、高精度、高效率的显著特点。关键字：GPS，动态绝对定位，定位精度,手持GPS接收机正文：1.全球定位系统（GPS）的简介在森林、树丛和山系中考察时，如何辨别方向，如何返回，是林业工作者面临的实际问题。森林、树丛中没有定位、导向路标，如何返回出发地和标本采集地亦是难题。有许多人在科学考察中可能有过时间长短不一的迷路经历。全球定位系统（GPS）的出现，是林业工作者在野外有了新的导向、定位工具。GPS利用分布于外层空间的多颗卫星为地球表面任意一点提供定位、导航和测绘服务。除了军事用途外，GPS也广泛用于民用。GPS定位导航仪利用接到的卫星播放的信号，经过几何计算来确定位置。全球定位系统播放卫星星历和卫星位置推算信号，前者给出系统中每一颗卫星的位置和状况，后者给出播放信号之卫星的定位信息。GPS定位导航仪接到信号后，根据接收信号的时间与发射初始时间之差计算出定位导航仪与卫星之间的距离。当算出与至少三颗定位卫星之间的距离后，GPS定位导航仪就能确定其在地球表面的空间位置。现在，全球定位系统接收仪的体积越来越小，象袖珍计算器的大小，重量不足400克的手持式全球定位系统定位导航仪的面世，给野外的定位、导向和测速带来了极大的便利。使用全球定位系统能在两分钟内确定工作人员所在位置的经纬度和海拔高度。其天线亦可以分离安装在汽车的挡风玻璃上。民用型GPS定位仪的单机精度一般为15米，实际使用时定位精度可能更高些。目前，人们提出了几种校正GPS定位导航仪精度的方法，如位置差分、伪距差分、载波相位差分等。对于林业工作者而言，尤其是长期在野外工作的人员，其活动范围常常达到数公里、数十公里，对于在野外的定向，即使误差15米目标物一般也已在肉眼可见范围内。然而，当进行高精度测量时，就必须利用上述方法进行校正。2.测量环境森林中（相对平坦的区域），选择天气为阳光明媚（能见度高）。3.定位方法绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收天线所处的位置。动态定位在定位过程中，接收机天线处于运动状态。这种运动状态也是相对的，通常是指待定点的位置，相对其周围的点位发生显著的变化，或针对所研究的问题和事物来说,其状态在观测期内不能认为是静止的可以忽略。动态绝对定位原理GPS绝对定位主要是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基本观测量，利用已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收天线在协议地球坐标系中所处的位置。动态绝对定位是确定处于运动载体上接收机在运动的每一个瞬间。接收机天线处于运动状态，天线点位的坐标是一个变量，这样，确定每一瞬间天线坐标的观测方程只有极少的多余测量。因此，其精度较低，一般仅有几十米的精度，在SA政策影响下，其精度甚至低于百米。4．测量仪器GarminGPS72是一款12通道GPS接收机，它采用了内置的四螺旋天线,收星更灵敏，抗遮蔽性更好。GPS72具有一个6厘米×4.5厘米的大屏幕，可以更加清晰、方便的看到显示的内容。GarminGPS72提供了两种测量面积的方式，对于不规则的待测区域，可以使用航迹测面积；对于较规则的待测区域，可以使用航线测面积。如果已知了某个待测区域的边界点的坐标，您就可以通过航线测面积的方法，将边界点所围的面积计算出来。航迹测面积的方法更适合用于测量较大区域的面积，对于较小的区域建议使用航线测面积的方法来测量。使用这两种方法，GPS72一共可以为您记录下60个区域的面积。此外，GarminGPS72还具有测量平均位置功能，从而可以更加准确的得到某一地点的准确坐标。5.测量仪器使用方法5.1开机关机按住红灯泡键2s后即开机,在开机状态按住红灯泡键2s后即关机。5.2界面设置开机后连续按翻页键3次,即可迅速进入第一界面捕捉卫星界面,该界面可观察搜寻卫星状况。建议将该界面左上角和右上角显示内容分别设置为高度和精度。再按翻页键进入第二界面地图导航界面,建议用以上方法将本界面左上角和右上角显示内容分别设置为方位和当前距离。再按翻页键进入第三界面罗盘导航界面,建议用以上方法将本界面左上角和右上角显示内容分别设置为转向角和当前距离。再按翻页键进入第四界面公路导航界面,建议用以上方法将本界面左上角和右上角显示内容分别设置为速度和里程表。再按翻页键进入第五界面当前航线界面。建议用方向键左右动其显示内容设置为段距离。5.3参数设置(1)“时间”格式设置(2)“单位”格式设置(3)“坐标”格式设置5.4存储坐标点(1)输入已知坐标点名称或代号(2)输入已知坐标值(以米为单位)5.5面积测算使用GPS72“面积计算”功能(航迹测量),此方法是直接将单个地块边界自动记录并保存为一条航迹的方法。主要操作步骤:①抵达待测地块边界的起点;②进入GPS72主菜单,选择“天文”选项,再选择“面积计算”选项,进入“面积计算”页面;③在“面积计算”页面,按下“开始按钮”开始测量;④沿地块边界行进,回至起点处;⑤在“面积计算”页面,按下“停止按钮”停止测量。屏幕显示该地块边界(航迹)的图形及面积数字;⑥按下“存储”按钮保存进入该航迹页面,再按“确定”按钮保存该地块边界为一条航迹。采用这种方法,仪器自动记录、测量,对操作者的要求不高,但地块面积较小时,测量精度不高,误差较大6.数据处理6.1GPS数据预处理目的：（1）对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；（2）统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件；（3）找出整周跳变点并修复观测值；（4）对观测值进行各种模型改正。6.1.1GPS卫星轨道方程的标准化GPS卫星轨道方程标准化一般采用以时间为变量的多项式进行拟合处理。将已知的多组不同历元的星历参数所对应的卫星位置Pi(t)表达为时间t的多项式形式：,利用拟合法求解多项式系数。拟合计算时，时间t的单位需格式化，规格化时间T为6.1.2卫星钟差的标准化来自广播星历的卫星钟差具有多个数值，需要通过多项式拟合求得唯一的，平滑的钟差改正多项式。钟差的多项式形式为：试中，为星钟参数，为卫星星钟参数的参考历元。6.1.3观测值文件的标准化不同的接收机提供的数据记录有不同的格式。例如观测时刻这个记录，可能采用接收机参考历元，也可能是经过改正归算至GPS标准时间。在进行平差（基线向量的解算）之前，观测值文件必须规格化、标准化。具体项目包括：(1)记录格式标准化。(2)记录项目标准化。(3)采样密度标准化。(4)数据单位的标准化。6.2基线向量的解算6.3GPS控制网的三维平差6.3.1三维无约束平差(1)基线向量观测方程=+-（6.3-1）矩阵形式，权对于一端固定点的基线向量，其误差方程式为：（6.3-2）矩阵形式为：，权(2)法方程式的组成及解算由于各基线向量观测值之间互相独立，因而可分别对每个基线向量观测值的误差方程式组成法方程，将单个法方程的系数阵及常数项加到总法方程的对应系数项的常数项上去。对应于(6.3-1)和（6.3-2）的法方程式分别为：-+-=0--=0(6.3-3)总的法方程设为：NdX-U=03.精度评定单位权方差估值为：式中m为基线向量个数，n为网中点数。平差未知数dX的方程估值为：6.误差分析6.1多路径效应影响多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点）位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。目前减弱多路径效应影响的措施有：（1）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。6.2接收设备有关的误差与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。(1)观测误差观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1％。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。(2)接收机的钟差尽管GPS接收机高有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。(3)载波相位观测的整周未知数载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。(4)天线的相位中心位置偏差在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。需要提及的是，安置各观测站的天线时，均奕按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。GPS优越的导航、定位功能不仅提高了地面样地定位精度，而且大大减少了野外作业时间和工作量，节省了时间，提高了工作效率，为林业工作的更深入开展提供了方便，使林业由传统林业向现代林业和数字林业的转变迈进了一步。因此，在林业工作中推广应用GPS技术是非常重要的。参考文献：[1]徐绍铨.张华海.杨志强.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社,2001[2]李天文.GPS原理及应用[M].科学出版社，2010［3］张永胜.李寿珠.田广忠.浅析手持式GPS坐标转换法在实际中的应用[J].《地理空间信息》,2011年04期［4］李海祥.祝茂良.手持式GPS接收机转换参数求取方法及定位精度探索[J].《青海国土经略》，2008年03期［5］姜明.张义军.手持式GPS接收机应用中坐标系统的转换[J].《林业调查规划》，2008年01期［6］谢玉祥.手持式GPS接收机地方坐标测量经验介绍[J].《矿山测量》，2004年03期［7］梁林峰.手持式GPS在林业调