全球卫星导航系统GNSS(global navigationsatellite system)是所有在轨工作的卫星导航系统的总称，主要包括美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的全球卫星导航系统GLONASS、欧盟的伽俐略系统Galileo以及中国的北斗卫星导航系统BeiDou(COMPASS)等。完整的GNSS系统卫星数目可达90颗，可利用的卫星数目大大提高，导航精度可以达到4.06 m(韩婷婷等，2009)。GPS早已为林业工作者所熟识，在森林资源调查、飞机导航、荒漠化监测、林火监测等生产与科研方面有广泛应用;但由于受森林环境的限制，在林业上多是应用精度较低的手持GPS接收机，标称精度通常优于10 m。近年来，随着精密单点定位技术(precise pointpositioning，PPP)、空基增强系统(satellite-basedaugmentation system，SBAS)与GPS+GLONASS双星甚至多星系统定位技术的发展，接收机的定位精度大大提高，单点绝对定位精度可达分米级，差分定位精度可达厘米级，使得GNSS定位在森林中有了更广阔的应用前景。

卫星导航定位的动态相对定位方法主要有实时伪距差分定位(real-time differential，RTD)与实时载波相位差分定位(real-time kinematic，RTK)，RTK定位具有高效、高精度、高可靠性等优点，在工程测量中广泛应用。在森林中进行RTK测量，由于地形与树冠影响卫星信号，会使接收机难以锁定卫星，并产生多路径效应，使RTK难以实施或产生较大误差。整周模糊度快速解算技术、多路径干扰抑制技术、多星系统定位技术的发展使得RTK在森林中进行精确定位成为可能，可满足高精度边界与面积测量、样地设置、遥感图像校准、树木单株定位、水土流失监测等高精度测量需求。

近年来，RTK技术在林业上的应用与研究受到较多重视(赖家明，2005;陈炳超等，2006;李广安等，2009;Pirti et al.，2010);但由于受地形与冠层的影响，在森林中卫星信号会被阻挡或削弱，通过单一的GPS卫星系统定位，初始化时间长，而且容易失锁。而双星定位系统的卫星数达到48颗以上，可接收的卫星数大大增加，提高了实时载波相位差分定位的性能(Pirti et al.，2010)，可以消除因卫星数较少而形成的间隙时段(刘基余，2003)，甚至在密林中进行定位也有较好的效果(雷迎春等，2010)。

GNSS RTK在森林中具有广阔的应用前景，目前国内外虽有一些研究，但主要集中于应用试验、面积测定、与传统定位方法的比较等方面，还处于试验与初步研究阶段。RTK的应用是为了满足森林中快速、高精度的定位要求，但在森林中由于林冠与地形的影响，在观测条件不好时会不断地进行初始化，需要较长的定位时间甚至不能完成定位，测量员也会对RTK定位的可用性产生疑惑。RTK能不能在森林环境中进行定位?森林环境条件是如何影响RTK定位的?不能快速得到固定解时还能否进行定位?合理的观测时间是多少?……都是需要进行研究的问题。本文以杨桦次生林为例，采用林冠开阔度反映森林环境条件，研究GNSS RTK在森林中定位的可用性，并明确开阔度对初始化时间的影响，确定进行GNSS RTK定位的适合观测时间，为GNSS RTK技术在森林中的应用提供参考和科学依据。

研究地点位于河北省木兰围场国有林场管理局下属桃山林场。桃山林场位于围场县西部，属于燕山山脉余脉，地理坐标为116° 52'—117°16' E，41°55'—42°10'N。属半干旱向半湿润、暖温带向寒温带过度的大陆性季风型高原山地气候，冬春寒冷干燥多风，夏季炎热少雨，无霜期110天，年均气温3 ℃，年均降水量450 mm，且主要集中在7，8，9月，年蒸发量1 350 mm。平均海拔1 250 m，土壤多为黑色棕壤土和沙壤土。

杨桦次生林是本地区的典型森林类型，是在云杉(Picea spp.)、华北落叶松(Larix principisrupprechtii)、蒙古栎(Quercus mongolica)、辽东栎(Quercus liaotungensis)等被砍伐、火烧和开垦后形成的。杨桦次生林以白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、色木槭(Acer truncatum)、棘皮桦(Betula dahurica)等树种为主，伴生有毛榛(Corylus m and shurica)、蒙古栎、稠李(Padusracemosa)、山荆子(Malus baccata)等(金辉等，2012)。研究样地林分年龄为44年，平均海拔1 420 m，坡向为东，坡位为中下坡，平均坡度15°，郁闭度0.85，每公顷株数1 168株。

RTK系统主要由基准站、流动站和通讯系统3部分组成，以获取基准站到流动站的精密基线向量进行相对定位。测量仪器采用中海达V30 GNSSRTK系统，系统采用PCC BD970系统模块，支持美国GPS以及俄罗斯GLONASS的双频卫星信号，Maxwell 6技术可减少多路径效应，具有低仰角跟踪技术，RTK定位平面精度为±(10+1×10^-6D)mm，高程精度为±(20+1×10^-6D)mm。

基准站:基准站一般选择在视野较开阔、地势较高的地方，周围无大面积水域与大型建筑物，并远离微波站、通信塔以及高压输电线路、通讯线路等地点。由于区域内制高点较远且大面积森林覆盖，离样地较远时由于森林阻隔信号传输困难，因此基准站架设在距离样地较近的对面山脊上开阔林空地中，截止高度角设置为10°，坐标通过系统平滑获取，天线高度为2.06 m，为保障信号传输，使用外挂电台，并把天线升高到最大高度。

移动站:主机与数据采集手簿通过蓝牙连接，天线高度设置为2.0 m，截止高度角设置为10°。测量时，移动站的气泡应尽可能居中，观测时间最长不越过25 min。测站点在林分中随机选取，距离基准站50～450 m，在测站上空有较低的灌木、幼树与林木侧枝时，清开遮挡以利于信号接收。测量的同时利用秒表记录达到固定解的初始化时间，并记录星空图与卫星信息。共测量65个测站点，记录18点108颗卫星信息。各测站的平均开阔度为0.27，最大值为0.46，最小值为0.13，变异系数为22.64%。

测站上空的半球影像图可较准确地反映测站的开阔度情况。在各测站进行RTK测量后，在同一测站点与RTK测量的同等高度，采用佳能CannonEOS 50D单反相机、 Sigma EX-DC 4.5 mm鱼眼镜头拍摄各测站点上空的半球影像。拍摄时采用自平衡支架调平相机，通过指北针调整相机方向，设置为手动调焦、无限远。为保证准确，重复拍摄2张，共拍摄半球影像130张。

外业测量数据在手簿中保存为Excel可打开的csv格式，并通过数据线导入到计算机中，得到各测站点的坐标与卫星数、共用卫星数、均方根误差等信息。通过记录的星空图与卫星信息得到卫星号、方位角、高度角、 L1信噪比等信息。为研究开阔度对单个卫星信噪比的影响，在AutoCAD 2007中将各测站点的星空图(图 1)与相对应的半球影像图(图 2)相叠加。考虑到卫星的运动与枝叶摆动，以各卫星为中心做略等于卫星图标大小的小正方形，每个正方形划分为25个网格，计算天空所占网格数与总网格数的比例作为各卫星的开阔度。

	图 1 卫星星空 Fig. 1 Satellite skyplot

	图 2 冠层半球影像 Fig. 2 Hemispherical photograph of canopy

通过HemiView 3.2软件计算半球影像中天空可见部分的像素占天空总像素的比例，得到各测站点的开阔度。为使开阔度范围与移动站的截止高度角一致，取天顶角为80°。

数据分析与处理通过Excel 2003进行。

目前，林冠对RTK在林下定位的影响多采用郁闭度(canopy cover)(Holden et al.，2002;赖家明，2005)，但从卫星导航定位的原理来分析，接收机可接收到的卫星分布在地平线以上的半球天空，卫星与接收机间要满足“电磁波通视”，不只是在正上方，而是任何处于卫星与接收机连线上的物体都会对观测产生影响，因此郁闭度不能准确地反映森林中测站点上的森林环境条件。林冠开阔度(canopyopenness)指从林地一点向上仰视，未被树木枝体所遮挡的天空球面的比例(Jennings et al.，1999;朱教君等，2005)，与进行GNSS定位的半球视野环境(Sigrist et al.，1999)相一致，可较好地反映森林环境对GNSS定位的影响。林冠开阔度反映的是林分内单点上空的开阔程度，也能反映单点的遮蔽程度，是点尺度的中心投影;而郁闭度反映的是林分内的平均遮蔽程度，是林分尺度的垂直投影。

郁闭度根据林冠的垂直投影进行测定与计算，反映的是林分中平均天顶上方的遮蔽情况。不同高度角的卫星数(图 3)表明，较小和较大高度角的卫星数均较少，大多数卫星的高度角集中在16°～75°之间，位于中等高度角的卫星数最多，位于天顶上方的卫星数很少，郁闭度难以准确反映林冠对大多数卫星的影响。而林冠开阔度可准确反映天顶上方与侧方的林冠遮蔽情况，是一个较为适合的指标。

	图 3 不同高度角的卫星数 Fig. 3 Satellite number of different elevation angle

卫星系统的可用性主要受卫星数与其空间几何分布的影响(胡自全等，2012;Kaplan et al.，2012)，但对于具体地点的可用性还受观测环境的限制。在对卫星信号“硬阻挡”的环境中，卫星信号不能通过障碍物，定位可用性能通过卫星数与空间几何分布来反映;在对卫星信号“软阻挡”的环境中，虽然卫星信号可被接收，但卫星信号质量却受到较大影响。本文以信噪比来反映观测环境条件对卫星信号的影响，从卫星数、空间几何分布与信噪比3方面来研究GNSS RTK在森林中定位的可用性。

通过GNSS进行测量定位，定位的基本信息就是空间星座中卫星的瞬时位置与地面点到卫星的站星距离。对于单独的GPS系统来说，接收机需要至少跟踪到4颗卫星才能进行三维定位，但对于GPS+GLONASS双系统来说，需要至少跟踪到5颗卫星。对本次测量的65个测站点，按照移动站接收机的接收卫星数与共用卫星数进行统计(图 4、图 5)可知，在杨桦次生林中进行定位，最少接收卫星数为9颗，最多为16颗，平均为13.4颗。GPS接收卫星数平均为8.2颗，占61.2%;GLONASS接收卫星数平均为5.2颗，占38.8%。出现12～15颗卫星的点数较多，占总点数的83.1%。共用卫星数最少为7颗，最多为12颗，平均为9.5颗，出现9～11颗卫星的点数较多，占测量总点数的73.8%。在林下进行RTK测量，应用GPS+GLONASS双系统可以捕捉到足够的卫星，能够满足RTK测量的卫星数目要求。

	图 4 不同接收卫星数的测站点数 Fig. 4 Number of observation point of different received satellite number

	图 5 不同共用卫星数的测站点数 Fig. 5 Number of observation point of different common satellite number

通过双系统进行定位时可用卫星数增加，可解决在森林中由于GPS卫星数少而无法定位的问题，提高系统的可用性;也可以改善观测卫星的几何分布，得到较小的PDOP(position dilution of precision)值。同时，观测到的卫星数越多，求解整周模糊度的数据也就越多，结果的可靠性越好，所需的观测时间也可大大缩短。

由于森林环境的复杂性，地形或浓密树冠对卫星的遮挡有较大的随机性。由接收机跟踪到的接收卫星数及共用卫星数与开阔度的关系(图 6、图 7)可知，接收卫星数与开阔度没有明显的关系，在开阔度较小时，接收机也能跟踪到较多的卫星;在开阔度较大时，跟踪到的卫星数也不一定多。共用卫星是基准站与移动站都能捕获、跟踪并参与解算的卫星，对共用卫星数来说，受基准站与移动站双方观测条件的共同影响，整体上表现为开阔度越大，共用卫星数越多，且共用卫星数(y)与开阔度(x)呈显著的线性关系:

	图 6 开阔度与接收卫星数的关系 Fig. 6 Relationship between canopy openness and received satellite number

	图 7 开阔度与共用卫星数的关系 Fig. 7 Relationship between canopy openness and common satellite number

y=7.551x+7.391 2。(R=0.959 6，P=0.000 6)

在森林中能接收到较多的卫星，并能满足伪距测量的需要，但载波相位测量要求较高的卫星信号质量，有部分卫星不能参与整周模糊度的解算。开阔度对接收卫星数没有明显的影响，但对共用卫星数有明显影响，在森林中进行RTK测量，开阔度越大，越有利于测量工作的实施。

PDOP值反映了GNSS系统定位时空间的卫星几何分布，PDOP值越小，卫星几何分布越好。进行RTK定位，PDOP ＜ 4时，观测窗口状态为良好;4≤PDOP≤6时，观测窗口状态为可用;PDOP ＞ 6时，观测窗口状态为不可用(骆光飞等，2010)。从各测站点的PDOP值来看，有92.3%的测站点的PDOP ＜ 4，满足窗口状态良好的要求，所有点的PDOP值均小于6，均能达到可用的观测窗口状态。

从平均PDOP值与林冠开阔度的关系(图 8)来看，在不同的开阔度时，均有较好的卫星几何分布;但PDOP值不稳定，受林冠孔隙与卫星空间位置的影响，有较大的随机性。在开阔度0.25以上时，随开阔度的增加，平均PDOP值逐渐减小，卫星的空间几何分布增强。

	图 8 PDOP 值与林冠开阔度的关系 Fig. 8 The relationship between PDOP and canopy openness

信噪比(signal tonoise ratio，SNR)是指接收机的载波信号强度与噪声强度的比值，能较好地反映接收卫星的信号质量，信噪比越大，则卫星信号质量越好。当发生多路径效应时，卫星信号质量降低，信噪比也随之变化。典型的L1载波信号的信噪比为37～45 db-Hz。从各卫星的信噪比来看，＞ 45 db-Hz的卫星数占8.1%，37～ 45 db-Hz之间的卫星数占53.1%，信噪比＜ 37db-Hz的卫星数占38.8%。在森林中进行定位，信噪比较低的卫星数较多，受森林环境的影响，信噪比大大降低。

经统计，单个卫星的信噪比与开阔度的关系如图 9所示，信噪比与开阔度呈显著的线性关系，开阔度越大，信噪比越高。林冠开阔度为0.25时，卫星信号的信噪比接近37 db-Hz，可认为，在林冠开阔度0.25以上时，卫星信号有较好的信号质量。

	图 9 信噪比与开阔度的关系 Fig. 9 The relationship between SNR and canopy openness

综上所述，在杨桦次生林中进行GNSS RTK定位，卫星数与空间几何分布均有较好的可用性，但由于受森林环境的影响，卫星信号的信噪比受影响较大。从林冠开阔度与共用卫星数、 PDOP值与信噪比的关系看，在林冠开阔度为0.25以上时，共用卫星数达9颗以上，PDOP值小于4，信噪比为37 dbHz以上，可较好地满足GNSS RTK定位的系统与环境要求。

根据解算整周模糊度的情况，把RTK测量结果分为浮动解与固定解，固定解的精度可达厘米级，RTK达到固定解的初始化时间可作为衡量在森林中定位的可能性与效率的指标。在林下进行RTK定位由于受树干、树枝及树叶的影响，卫星信号发生反射与折射，容易造成卫星信号失锁，因此采用RTK作业有时需要经常重新初始化。

从各测站点的初始化时间与开阔度的关系(图 10)来看，有3个点未能在规定的时间内达到固定解(以时间上限25 min表示)，开阔度均小于0.25。在开阔度大于0.25时，所有点均能在林下达到固定解，完成高精度的定位。在开阔度0.15～0.35范围内，既有初始化时间较长的点，也有初始化时间较短的点，初始化时间的离散度比较大。整体来说，随着林冠开阔度增大，RTK定位所需的平均初始化时间变短。在开阔度大于0.35时，所有点均能在5 min内达固定解。

	图 10 初始化时间与开阔度关系 Fig. 10 Relationship between initialization time and canopy openness 图中 3 个点未能在 25 min 内达固定解 The 3 round dot couldn’ t reach fixed solution in 25 min．

初始化时间越长，可测点的累积百分率越大，在林下可测量的点数就越多。从可测点数的累积百分率(图 11)来看，在初始化时间低于10 min时，延长时间增加的可测点数较多，超过10 min后可测点数增加缓慢。

	图 11 测点百分率、测量效率与初始化时间关系 Fig. 11 Relationship between point percent， surveying efficiency and initialization time

延长测量时间会使可测点数增加，但初始化时间较长的点通常是由于地形与树冠遮挡严重，卫星信号质量较差，可测点数虽然增加了，但大大增加了外业耗用时间。在外业观测中要综合考虑到调查所需的人力、物力成本，要注重测量效率问题。用延长的单位时间内的测量点数表示不同初始化时间所对应的时间增量的测量效率(图 11)，在5 min内测量效率较高，每分钟可测量7.2点，而在15 min后测量效率大大降低并趋于稳定，每分钟可测0.8点。

考虑到15 min时可测点数较多，达83.1%，15 min后可测点数增加较少，而且15 min后测量效率大大降低，因此，把15 min作为外业测量的适宜时间限值。延长观测时间可以测定更多的点，但15 min后效率较低，对于一些重要的测站点，可以采用增加观测时间的方式，但建议时间最长不超过20 min。观测时间过长不但效率降低，测量精度也难以保障。林冠开阔度较小不能进行RTK测量时，可采用更换测站点、偏移测量、全站仪辅助测量的方法。

在森林中进行RTK定位，由于林冠对卫星信号的影响，GPS RTK难以在林下完成定位，而GPS+GLONASS双系统可获得较多的卫星，在森林中定位有较好的可用性。林冠开阔度对接收卫星数没有明显的影响，但与共用卫星数呈显著的线性关系，开阔度越大，共用卫星数越多。GNSS RTK在森林中定位时有较小的PDOP值与良好的卫星空间几何分布。森林环境对信噪比有较大影响，信噪比与开阔度呈显著的线性正相关关系，开阔度越大，信噪比越高。林冠开阔度在0.25以上时，反映定位可用性的各指标均较好。在林下通过双星系统进行RTK定位，大多数条件下均能达到固定解，但林冠开阔度越小，平均初始化时间越长。由于受空间卫星分布与林冠结构的共同作用，在林下进行RTK定位存在较大的随机性。在林冠下进行双星RTK定位时，考虑到时间与效率，最好不要超过15 min，超过15 min宜更换点位或采用其他的辅助测量方法。

我国GPS在林业中已有广泛应用，随着精密单点定位(PPP)技术、 RTK技术、双星甚至多星系统的应用，特别是在我国北斗卫星导航系统正式提供区域服务后，森林中高精度定位已成为不可阻挡的发展趋势。在森林中进行定位，可以采取砍树剥枝法、升高天线高于树冠法等提高定位精度(冯仲科等，2000)，但这些方法并不是很实用与可行(Sigrist et al.，1999)。在高覆盖的森林区域，信号的接收是非常困难的，需要特别注意工作区域的选择(Pirti et al.，2010)，避免在容易产生多路径效应的地方设站(霍夫曼-韦伦霍夫等，2009)。通过全天空照片测定林冠开阔度，可较好地反映森林环境对GNSS定位的影响，可为GNSS在森林中的定位提供工作区域选择与预判，提高定位精度与工作效率。

本研究认为，林冠开阔度越小，冠层越密，则初始化时间越长，虽然采用的指标不同，但与其他学者研究的林冠对GNSS定位影响的结果一致或相近(Zheng et al.，2005;陈炳超等，2006;Pirti et al.，2010)。同时要注意，在林分尺度上的研究难以准确反映测站点的森林环境条件，通过林冠开阔度既可反映出整体上林冠越密初始化时间越长的情况，也可在点尺度上反映出GNSS定位时较大的随机性，在部分林冠开阔度较小林冠较密的测站点，也有不少初始化时间较短的点。延长观测时间可提高定位精度(Deckert et al.，1996;Næsset et al.，2000;Næsset，2001)，但考虑到时间与效率，最长观测时间以不超过15 min为宜。

PDOP值反映了空间卫星的几何分布，卫星数越多，相应的PDOP值也越小。本研究认为，采用GPS+GLONASS双星系统进行定位，接收机可跟踪较多的卫星，在各个测站点均能达到PDOP≤6、观测窗口状态可用的要求。有研究表明，林冠影响了PDOP值的大小，PDOP值在森林中比开阔地要大(Pirti et al.，2010)，在有叶时比无叶时要大(Sigrist et al.，1999)。本研究也表明，由于卫星信号的敏感性与林冠分布的异质性，林冠开阔度对PDOP值有较大的影响，在开阔度较小时，PDOP值有较大的随机性;在开阔度较大时，表现出随开阔度增大PDOP减小的趋势。

林冠开阔度可准确反映出测站点上空的GNSSRTK测量环境，既包括了林冠层枝叶的影响，也包括了定位高度以上树干的影响。本文研究了开阔度反映的整体测量环境，还未考虑树干及枝叶的影响差异;同时，林冠开阔度与郁闭度不同，除林分密度外，其他测树因子如树高、冠长等也对其有一定影响，进而会影响到GNSS RTK在林下定位。森林环境对GNSS RTK在林下定位的影响，还需要进行更加精细与深入的研究。