GPS在林业中的应用研究与探讨
摘要
社会经济的高速发展，森林资源的开发和保护需要紧紧跟上经济发展的步伐，及时掌握资源动态变化，正确作出决策就显得尤为重要。
GPS技术这一全新的现代定位方法已经全面取代光学和电子仪器，它与现代通迅和计算机技术相结合，使用测定三维坐标的方法，将测量定位技术扩展到海洋和外层空间，同时从定点扩展到区域，从表态扩展到动态，精度达到毫米级，从而大大拓宽应用范围，在地球物理学、气象、海洋、交通等领域获得广泛应用。
GPS系统是一个高精度，全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。随着它应用的不断深入，它已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性的高新技术产业。
GPS技术的普遍应用必将促进林业工作向着精确、高效、现代化的方向发展。是今后林业部门作业中必不可少的工具，如广泛使用一定会取得巨大的经济效益和社会效益。
关键词：GPS定位导航测算快速高效准确
前言
将GPS这一先进的测量技术应用在林业工作中,能够快速、高效、准确地提供点、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.GPS技术在确定林区面积,估算木材量,计算可采伐木材面积,确定原始森林,道路位置,对森林火灾周边测量和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。在森林中进行常规测量相当困难,而GPS优越的定位、导航技术可以发挥它的优越性,精确测定森林位置和面积,绘制精确的森林分布图。
GPS在林业中的应用已经不再局限于以上这些功能，它在林业应用中的不断深入和扩展必将改变林业现状，使林业步入现代化的行例，为社会和经济的发展提供有力的保障。
1.全球定位系统(GPS)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。
1.1应用功能
林业工作者在野外工作中手持GPS定位导航仪有定位、测距、测速和导向等
功能
1.1.1 GPS定位功能
在野外工作中确定位置是定向测距的第一步。GPS定位导航仪具有自动抽样定位功能。有些型号能每10分钟自动开机定位将数据记录于缓冲区，然后自动关机，有的能够连续25小时自动定位记录信息。利用GPS的定位功能，不但可以将标本或数据采集地点的精确位置记录下来，而且依靠其导向功能多少年后，即使地表景观和标志物改变了，亦能找到过去的标本采集地点，并不需要借助地图。这一优点在大海、大湖、沙漠和林业中显得更为重要。
通过GPS可以将地理位置转化成GIS的数据格式并输入到GIS中，通过GIS来产生地图，如过火区边缘，交通道路，防火隔离带都可以用GPS将其采集到GIS中。GPS可以把野外采集到的地理位置转化成点，线，或多边形数据。GPS与扑火队伍和运载配备GPS和相应的通讯设施后，就可以将队伍行进的位置和路线及时传输到指挥部的GIS系统之中，GIS就可以准确地定位到地图之中。从而就可以对行动的方向，位置，到达的目标地，及时的纠正和调整。
1.1.2 GPS测距功能
利用输入定位点数据，或某地点的经纬度和海拔高度，GPS定位导航仪能计算地球表面上任意两点间的距离。在野外工作中，可以将出发点或工作点储存为定位点。然后可随时测定距这地点的距离。亦可测定任意两个定位点间的距离。于是，解决了野外样线调查时样线长度的测定。样线的长度常达数千米或数万米。若用皮尺和记步器测定，或是无法实现或是误差较大。当我们研究野生树种的生长区域或生长地点时，利用GPS定位导航仪将这些地点定位并储存后，可以研究某些树种在某些区域的分布，以及这些树种的生存条件如地理位置、地貌、气候、湿度，同时也可研究该林区的整个生态系统的不同组成的分布。当测定某树种的分布区域时，只要将分布区的最宽处两点定位。GPS定位导航仪均能在瞬间计算出分布区域的宽度，也可通过测得的数据算出其面积。同时把不同的树种的数据记录并描绘成图，就可以得到该区域内树种的分布图，并可根据最新发现随时更新旧图。
1.1.3 GPS测速与导向
GPS具有测定速度和方向导航的功能。在人迹罕至,地形复杂,地物丰富和交通不便的偏远山区,尤其原始森林,天然林中大树遮天,面积广阔,难辨方向,常常造成工作人员迷失方向，GPS的导航功能可以使人们顺利的找到出发的起始地点。
2.GPS在森林调查中的应用
在森林资源清查中的应用。在森林资源一类调查中,利用GPS的导航功能,输入固定样地的坐标,有GPS接收机引导调查人员到达样地,不仅定位速度快,精度高,而且可以将原有的明标改成暗标。在森林资源二类调查中,利用GPS进行测量定位,可以快速,高效,方便地把调查的样本单元落实到地面上进行测量和调查。同时,储存在GPS接收机中的样地坐标及调查数据还可通过数据转化直接形成数据库,从而有利于数据的汇总统计。
2.1 GPS在森林调查及资源管理中的应用
2.1.1测定森林分布区域
测定森林分布区域.美国林业局是根据林区的面积和区内树木的密度来销售木材.对木材面积的测量闭合差必须小于1%.在一块用经纬仪测量过面积的林区,采用GPS沿林区周边及拐角处进行了GPS定位测量并进行偏差纠正,得到的结果与已测面积误差为0.03%,这一实验证明了测量人员只要利用GPS技术和相应的软件沿林区周边使用直升飞机就可以对林区的面积进行测量。过去测定所出售木材的面积要求用测定面积的各拐角和沿周边测量两种方法计算面积,使用GPS进行测量时,沿周边每点上都进行了测量,而且测量的精度很高。
2.1.2进行样地初设与复位
利用手持GPS进行省固,局固监测样地初设与复位,只需输入坐标,不需引点引线,且位置准确,效率高,复位率达100%。在我国去年黑龙江等省的国家一类清查中,采用手持GPS进行复位测定,取得了良好的效果,工作效率提高5-8倍,定位误差不超过7米,其成果受到国家林业局资源司的充分肯定。
2.1.3利用手持GPS导航伐开境界线
利用手持GPS导航伐开境界线,如平坦地林班线的伐开和确立标桩。以往该类工作采用角规,拉线等方法,工作强度大,误差高,准确度低,进场需要反工,浪费严重.采用GPS后,利用其航迹纪录和测角,测距功能,不但降低了劳动强度,而且准确度高,落图简便,极大的提高了效率。
2.1.4利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测,制图和面积求算。
利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测,制图和面积求算。如：各种道路网,局界,场界地类位置和绘制图形并求算面积,转绘于林业基本用图上,达到对各种森林地类变化的动态监测的目的,测量精度达到分米级。
利用差分或测量型GPS进行图面区划界线的精确现地落界,如两荒界,行政区界等.解决现地界线不清和标志位置不准的普遍存在的问题。
2.2 GPS在野生动植物资源调查中的作用
2.2.1在动物资源调查中的作用
在野生动物资源调查中,利用GPS接收机寻找样带的起点,并根据输入的样带终点坐标引导调查人员在规定的样带线内调查。
由于接收机还有存储运动轨迹的功能,因此可以在数据转化时显示调查的速度,轨迹的数据,从而对调查质量进行质量监督和管理。另外GPS还可用于野生动物栖息地的定位,根据栖息地的森林景观类型权数推算总体种群数量。
2.2.2在植物资源调查中的作用
在野生植物资源调查中利用GPS进行生物密度分析，初设及复位样地对植物的多度和频度进行调查。GPS定位可以对古树名木及稀特有植物进行研究和保护。
3.GPS在林业作业中的应用
3.1 GPS在林业生产和规划中的应用
3.1.1在工程测量中和应用
GPS可以克服山高林密,交通和透视条件差或常规测量困难及精度不高等林业工程测量的不足,可以快速,高效地实现森林资源勘察,地形测量,林区公路勘测等。
3.1.2 GPS在伐区调查设计中的应用.
采伐林地一般是地形陡峭,树高郁闭,灌木丛生,常规伐区调查难度大或精度不高,采用GPS接收机进行伐区调查设计可以克服因植被阻挡和坡度造成的通视困难,随调查人员的运动实时记录下伐区边界坐标及运动轨迹,与计算机接口后方便地进行标图并求出伐区面积。
3.1.3在林业专题图制作中的应用
GPS可用于在森林调查样点和生长预估，观测样点的导航定位,可用于林区公路,涵洞和各种物标的测量,可用于种群分布,数量和野生动物迁移区的确定,GPS在测量学上带来的变革,彻底改变了传统林业专题图在制作上的手工绘制,成图慢,精度低,投入高的确点,GPS配合地理信息系统可以满足多种专题图制作的要求,并实现出图的准确,高效和自动化。
3.2 GPS在造林中的应用
3.2.1 GPS在飞播造成林中的应用
在没有采用GPS之前，飞行员很难对已播和未播林地进行判断，经常会出现重播和漏播的情况，飞播效率很低。采用GPS后，利用其航迹记录功能，飞行员可以轻松了解上次播种的路线，从而有效避免了漏播和重播。此外，利用航线设定功能，飞行员可以在地面对飞行距离和航线进行设定，在飞行中按照预先设定好的航线工作，极大降的降低了作业难度。
3.2.2 GPS在造林分类，清查中的应用
利用GPS的航迹记录和求面积功能,林业工作人员很容易对物种林的分布和大小进行纪录整理,同时了解采伐和更新的比例,对各林业类型进行标注,方便了林业的管理.在我国黑龙江和吉林,内蒙等省份的分类经营,造林普查,资源调查中,已经开始大量采用GPS技术,取得了很好的效果,不但节省了大量的人力,物力和资金,而且极大的提高了工作效率。实践证明,采用GPS完全可以取代传统的角规加皮尺的落后测量手段,并取得极大的经济效益。
3.3 GPS在森林资源评估中应用
在进行森林资产评估时,可以用GPS接收机和数据处理软件系统精确地测定各林种,各不同年龄林分的面积,水资源,农田,荒山,宜林地等面积,从而避免评估中的主观随意性,提高森林资产评估的准确性,公正性和科学性。
4.GPS在森林保护中的作用
4.1 GPS在森林防火中的应用4.1.1 GPS在林火信息管理中的应用
GPS和地理信息系统,卫星遥感技术相结合,可以建立高效,实时,实用的林火信息管理系统,一旦发生森林火灾,只需输入利用遥感技术获得的火点坐标,系统即可自动选定最佳的行进线路,利用GPS接收机对扑火队进行实时的导向和定位,从而及时,准确到达火场,组织扑救工作。另外,GPS还可以简单精确地测定受灾林地面积,估计森林火灾的损失,.并输出森林火灾受害图,火险等级图等,对森林防火有重要的意义。
4.1.2森林防火中GPS的技术应用
利用实时差分GPS技术,美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室共同制定了"FRIREFLY"计划。它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机,使用这些机载设备来确定火灾位置,并迅速向地面站报告。另一计划是使用直升飞机,无人机或轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据,在飞机降落后对数据进行处理并把火灾的周边绘成图形,以便进一步采取消除森林火灾的措施。
采用手持GPS进行火场定位,火场布兵,火场测面积,火灾损失估算,精确度高,安全性强,能够实时,快速,准确地测定火险位置和范围,为防火指挥部门提供决策依据,已为国内外防火机构广泛采用。
4.2 GPS在森林病虫害的监测与防治的应用
4.2.1病虫害的监测
利用GPS对虫害和病害进行跟踪调查，了解病虫害的发生位置，发展程度及分布状况从而正确作出判断及时进行防治。
4.2.2病虫害防治(农药喷洒)
农药喷洒中的应用.飞机属于高速飞行的动态用户,在飞机上加装GPS,不仅可使其在全球范围内获得连续实时的导航能力,而且还能够得到高精度的三维定位和速度信息,这对于飞机的升空,着陆,飞行方向及速度的确定,空中准确投掷及空中交通管制有重要的意义。
5.GPS在林业其他方面的应用
5.1 GPS在森林旅游及探险中的应用
森林旅游多在人迹罕至,地形复杂,地物丰富和交通不便的偏远山区,尤其原始森林,天然林中大树遮天,面积广阔,难辨方向,常常造成游人的失踪和消亡。GPS接收机已被徒步山林旅行,森林荒漠探险,森林草地狩猎的人们视为"护身符"。同时利用安装在旅游车上的GPS,实时获得汽车位置,运行速度和方向,加上"风景导航"系统,便可随时计算出旅游车的位置,并向系统查询景区信息,指示最近的景区特色,解说资料及行走方向,也可自由选择想去的景区并由车上的GPS自动选择最佳的行走路线。
5.2 GPS在林业科学研究中的应用
由于森林资源的具体特点,使林业科研需要借助于大量的资源数据才能进行动态预测和科学经营。GPS是森林资源信息和数据的重要捕捉手段,经过简单的数据和信息转化成为基础的数据库和图形库.在林业地理信息系统的开发研究中,GPS不仅是属性数据和空间数据的重要来源,而且可以改善GPS数据的准确度和数据更新效率,加速地理信息系统在生产实际中的推广应用。
总结：在森林资源调查工作中应用GPS技术，可直接按坐标确定样地位置，解决了小比例尺地形图找明显地形地物为引点的难题，克服了地形图本身有误差、传统的罗盘仪引线测量引起误差以及其它因素造成样地定位不准的问题。实践证明，GPS定位精度高于罗盘仪引线定位。
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.《测量学》中国林业出版社出版主编：李秀江
2.《森林资源动态监测与林业部调查实用技术手册》
宁夏大地音像出版社2005年出版编号：11241 3.《GPS在林业中的应用》作者：贾建刚
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