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森林环境中民用与专业级设备多模态定位精度比较研究

武红敢 罗鹏 杨云风 谢继会 张恒

引用本文:
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森林环境中民用与专业级设备多模态定位精度比较研究

    通讯作者: 罗鹏, luopeng@ifrit.ac.cn
  • 中图分类号: S771.8

Comparison on Multimodal Positioning Accuracy of Commercial and Professional Receiver in Forest Environment

    Corresponding author: LUO Peng, luopeng@ifrit.ac.cn ;
  • CLC number: S771.8

  • 摘要: 目的 探究多种立地条件下中高郁闭度林分中民用(智能手机等)和专业级GNSS设备的定位精度差异,旨在改变森林环境下民用类定位设备应用泛滥的现状。 方法 采集了两种类型定位设备在森林环境中的GNSS信号,并定量计算了平面和垂直方向的定位误差,以及GNSS几何精度因子和信噪比等参数。 结果 通过1 min以上时长相关观测参数的平均值、极值、绝对误差的对比分析表明,专业机性能指标总体优于民用机,两者间天线和GNSS模块的差异是其根本原因。 结论 选用专业设备、单点求平均是满足林下高可靠性(优于5 m)定位需求的重要手段与方法,智能手机等民用级产品只适合森林环境中低可靠性(10 m左右)的概略定位作业要求。
  • 图 1  第1块样地1 min定位轨迹

    Figure 1.  Positioning track maps of two devices in 1 min (NO.1 plot)

    图 2  第23块样地10 mins定位轨迹图

    Figure 2.  Positioning track maps of two devices in 10 mins (NO.23 plot)

    表 1  1 min位置信息平均误差对比

    Table 1.  Comparison of average errors of position information in 1 min

    样地号
    Plots
    ΔX/mΔy/mΔminX/mΔmaxX/mΔminY/mΔmaxY/mΔH/m
    Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
    1 1.82 0.67 1.961.15 −1.35 0.56 9.00 1.85 −0.76 −0.60 4.33 2.06 31.46 1.44
    2−1.860.279.601.987.59−0.1612.703.53−2.71−0.71−0.671.3837.62−9.42
    33.77−1.62−4.84−1.35−9.23−2.113.89−0.262.10−3.006.19−0.1921.679.24
    46.955.921.585.401.582.141.587.856.954.226.956.9222.73−1.10
    5−0.942.23−1.210.33−5.79−1.191.201.02−2.971.602.243.38−3.25−0.51
    62.891.820.360.22−2.18−0.205.501.120.140.2011.533.2918.934.24
    76.360.27−1.700.84−3.15−0.84−0.081.374.10−0.658.552.318.996.87
    84.164.99−0.63−0.97−5.19−2.141.77−0.10−0.044.2514.765.8630.893.94
    91.41−0.112.735.12−6.123.657.057.15−0.11−1.276.231.857.32−8.49
    10−5.395.34−3.313.34−3.311.92−3.315.24−5.394.08−5.396.3113.359.06
    11−7.34−0.81−8.62−1.53−9.95−3.01−7.03−0.92−9.20−4.24−4.572.0819.925.86
    123.304.15−2.714.15−5.621.331.006.39−0.47−0.5110.606.967.819.70
    132.930.39−0.252.42−0.871.710.903.191.79−0.574.801.2022.86−1.83
    14−8.00−1.22−1.312.75−5.640.552.163.55−18.39−2.82−4.371.00−7.78−4.85
    15−0.09−5.425.014.78−1.002.3310.616.21−2.49−5.784.86−5.014.68−3.47
    164.160.230.25−1.06−3.04−1.362.69−0.431.44−0.726.411.048.040.18
    171.67−0.58−1.862.55−4.721.330.963.01−1.09−1.543.190.0810.23−1.84
    18−0.43−4.36−5.320.18−7.04−0.82−0.931.20−3.20−5.133.05−2.1619.95−0.22
    190.412.094.211.932.57−2.756.403.92−1.911.321.202.596.571.26
    200.00−1.871.101.67−1.371.304.012.62−2.09−3.742.52−0.7913.440.39
    212.130.44−1.482.86−1.490.05−0.908.612.11−1.972.716.6615.700.29
    220.761.732.91−1.40−0.19−1.676.51−1.10−0.640.832.492.309.071.76
    |max|8.005.959.605.409.953.6512.708.6118.395.1314.766.9637.629.70
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    表 2  1 min卫星信号平均值对比

    Table 2.  Comparison of average values of GNSS signal parameters in 1 min

    样地号
    Plots
    卫星数量/颗
    Satellite numbers
    PDOP HDOPVDOP信噪比
    Signal to noise ratio
    Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
    118.4218.51 2.201.38 1.120.81 1.881.1024.7034.24
    216.9721.14 1.911.20 1.080.74 1.560.9127.1336.68
    319.3711.00 1.752.09 1.051.20 1.441.6525.7334.63
    419.8510.14 1.561.96 0.971.07 1.181.6026.7236.39
    520.7519.32 2.101.30 0.940.70 1.861.1025.1532.91
    613.4216.7351.341.5836.010.8036.521.3028.4233.02
    719.0723.69 1.791.49 1.090.91 1.411.1223.4531.36
    816.9713.54 3.023.04 1.261.60 2.692.5825.9633.54
    915.2717.6936.301.8424.660.9826.301.5127.7132.66
    1021.009.44 1.562.25 0.971.24 1.191.8523.6832.59
    1118.5612.07 1.973.25 1.151.56 1.602.7924.9131.46
    1219.9311.39 2.072.13 1.060.99 1.811.8525.2433.15
    1317.1711.49 1.803.52 0.911.65 1.533.0627.2433.93
    1419.7315.10 1.521.59 0.850.84 1.271.3224.3930.75
    1517.1218.76 1.932.21 1.151.07 1.561.8925.7933.57
    1619.3714.29 1.642.66 0.901.34 1.392.2425.2933.27
    1718.9522.47 1.511.33 1.020.86 1.090.9923.5432.91
    1819.4613.76 1.511.73 0.961.16 1.151.2524.1033.40
    1919.8311.51 1.613.16 0.971.96 1.292.4325.6034.33
    2020.8013.58 1.581.84 0.911.09 1.301.4026.0233.16
    2117.4620.42 2.005.02 0.964.22 1.804.7028.9836.03
    2217.1527.64 1.591.21 0.930.69 1.330.9629.8036.95
    |max|21.0027.6451.345.0236.014.2236.524.7029.8036.95
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    表 3  1 min观测值的标准差对比

    Table 3.  Comparison of Standard Deviation of GNSS observation variables in 1 min

    样地号
    Plots
    X/mY/mH/m卫星数量/颗
    Satellite numbers
    PDOPHDOPVDOP信噪比
    Signal to noise ratio
    Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
    12.010.843.560.3817.633.321.980.56 0.21 0.02 0.04 0.02 0.25 0.001.570.88
    20.590.481.260.97 1.770.852.021.33 0.08 0.02 0.04 0.02 0.05 0.031.030.83
    31.020.862.860.49 1.363.091.380.00 0.07 0.39 0.07 0.13 0.08 0.391.240.39
    40.000.590.001.75 0.491.491.270.68 0.07 0.07 0.06 0.12 0.06 0.001.041.06
    52.090.412.800.57 1.940.871.561.38 0.33 0.01 0.10 0.01 0.35 0.001.251.69
    62.041.121.170.34 3.842.194.000.6365.91 0.0146.83 0.0146.45 0.002.970.59
    71.490.840.820.46 0.611.770.782.22 0.19 0.05 0.06 0.04 0.20 0.041.400.87
    84.200.552.340.49 2.470.614.440.85 1.05 0.01 0.10 0.01 1.11 0.042.000.60
    91.220.893.781.3214.902.453.821.8858.19 0.2141.49 0.1441.01 0.171.810.73
    100.000.660.001.20 0.270.521.220.91 0.15 0.40 0.16 0.22 0.09 0.351.161.44
    111.292.180.710.58 1.603.370.981.40 0.29 0.20 0.23 0.08 0.17 0.201.081.34
    123.302.521.891.78 0.242.851.230.58 0.06 0.15 0.09 0.07 0.09 0.151.002.83
    130.670.600.360.43 0.912.282.610.77 0.13 0.36 0.10 0.22 0.08 0.281.150.82
    143.431.352.450.94 0.552.271.040.75 0.09 0.05 0.06 0.04 0.11 0.041.080.72
    152.160.273.551.18 0.351.501.351.72 0.24 0.04 0.14 0.03 0.20 0.041.280.79
    161.650.491.440.33 0.461.461.251.62 0.05 0.05 0.00 0.03 0.03 0.071.760.61
    171.640.481.700.54 0.231.351.052.27 0.11 0.11 0.11 0.07 0.03 0.101.991.53
    182.560.682.140.53 0.401.051.641.69 0.04 0.25 0.07 0.20 0.05 0.161.370.70
    190.890.281.252.06 0.503.882.571.74 0.19 0.45 0.12 0.19 0.18 0.451.630.87
    201.561.011.850.32 0.270.581.390.49 0.09 0.00 0.03 0.00 0.11 0.001.011.34
    210.091.020.090.99 0.492.201.891.39 0.0017.79 0.0517.94 0.0017.661.091.99
    220.920.432.260.15 0.190.231.492.71 0.14 0.07 0.05 0.04 0.11 0.051.350.28
    |max|4.202.523.782.0617.633.884.442.7165.9117.7946.8317.9446.4517.664.202.52
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    表 4  辽东栎林分中10 mins观测值的平均值

    Table 4.  Comparison of average values of GNSS observation variables in 10 mins

    样地号Plots2324252627
    Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
    ΔY/m −6.98 0.18 4.33 −0.33−4.29
    ΔX/m −4.39−1.45 2.32 1.22−4.42
    ΔH/m 10.68−3.89−8.68−10.24−1.42
    卫星数量/颗
    Satellite numbers
    17.8212.0416.6813.4318.8716.0616.8222.4317.6623.93
    PDOP 2.42 1.99 1.94 1.53 1.97 1.41 2.04 2.31 2.35 1.38
    HDOP 1.54 1.21 0.97 0.84 1.06 0.90 0.98 1.61 1.30 0.75
    VDOP 1.86 1.51 1.68 1.22 1.65 1.03 1.78 2.04 1.93 1.10
    信噪比
    Signal to noise ratio
    24.2128.3726.5835.6030.2435.1626.3837.2226.0134.20
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  • [1] 万家欢, 万 玮, 陈秀万, 等. 一种适用于手机基站定位的地图匹配方法[J]. 测绘科学, 2014(1):114-116.

    [2] 张星霞. 基于手机定位地图匹配的车辆组合定位研究[D]. 重庆, 重庆大学, 2005.

    [3] 聂玉藻, 冯仲科, 邓向瑞, 等. 林冠与山地对GPS定位精度的影响及消减对策[J]. 北京林业大学学报, 2004, 26(2):1-5. doi: 10.3321/j.issn:1000-1522.2004.02.001

    [4] 徐文兵, 李卫国, 汤孟平, 等. 林区地形条件对GPS定位精度的影响[J]. 浙江林业科技, 2011, 31(3):19-24. doi: 10.3969/j.issn.1001-3776.2011.03.005

    [5] 李永宁, 刘利民, 崔立艳, 等. 林冠开阔度对GNSS RTK在森林中定位可用性及初始化时间的影响[J]. 林业科学, 2014, 50(2):78-84.

    [6] 张慧春, 周宏平, 郑加强. 立地类型和定位模式对精准林业GPS定位的影响[J]. 南京林业大学学报: 自然科学版, 2014,38(6):72-76.

    [7] 李永宁, 高慧娟, 霍艳玲, 等. GNSS RTK在山区森林中定位的应用研究——以桦树次生林中的3种地形条件为例[J]. 林业资源管理, 2013,(5):125-130. doi: 10.3969/j.issn.1002-6622.2013.05.025

    [8] 雷迎春, 李大军, 王向阳, 等. 双星系统在密林区的测量方法及应用效果分析[J]. 测绘通报, 2010,(4):40-43.

    [9] 胡凯龙, 刘清旺, 穆喜云. 差分GNSS系统在大兴安岭地区森林资源调查中的精度分析[J]. 林业调查规划, 2015, 40(4):1-6. doi: 10.3969/j.issn.1671-3168.2015.04.001

    [10]

    Christopher D, Paul V B. Global Positioning System (GPS) accuracies in Eastern U. S. deciduous and conifer forests[J]. Southern Journal of Applied Forestry, 1996, 20(1-2): 81-84.
    [11]

    Galan C O., Rodriguez P J R., Garcia C S. Analysis of the influence of forestry environments on the accuracy of GPS measurements by means of recurrent neural networks[J]. Mathematical and Compuer Modelling, 2013, 57(7-8): 2016-2023. doi: 10.1016/j.mcm.2012.03.006
    [12] 徐文兵, 高 飞. 天宝Trimble 5800单点定位在林业测量中的应用探析[J]. 浙江林学院学报, 2010, 27(2):310-315.

    [13] 闫 飞, 王春博, 吴永睿, 等. 森林BDS/GPS组合定位算法研究与精度分析[A/OL]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.S.20190218.1757.016.html, (2019-02-19).

  • [1] 张守攻 . 单木生长模型边缘误差的传播规律*. 林业科学研究, 1994, 7(1): 1-6.
    [2] 曾伟生唐守正 . 利用度量误差模型方法建立相容性立木生物量方程系统. 林业科学研究, 2010, 23(6): 797-803.
    [3] 王琒瑜李希菲 . 密度—直径关系研究中变量变换形式的选择和变量误差矩阵的估计. 林业科学研究, 1996, 9(6): 568-572.
    [4] 张敏张怀清陈永富 . 虚拟森林环境构建研究. 林业科学研究, 2008, 21(Z1): 55-59.
    [5] 郑景明张春雨周金星赵秀海余新晓秦永胜 . 云蒙山典型森林群落垂直结构研究. 林业科学研究, 2007, 20(6): 768-774.
    [6] 赵一鹤赖建东杨宇明杨时宇田昆官微王智慧 . 云南丽江拉市海汇水区不同森林枯落物的持水性能. 林业科学研究, 2014, 27(3): 410-416.
    [7] 吴章文 . 森林旅游区生态环境研究. 林业科学研究, 2005, 18(6): 761-768.
    [8] 孙翠玲李重和顾万春 . 城市森林绿地和环境质量定量评价的研究*. 林业科学研究, 1991, 4(3): 302-307.
    [9] 骆土寿刘伟钦尹光天罗瑞强李意德陈德祥 . 顺德森林改造区不同林分土壤环境质量研究. 林业科学研究, 2004, 17(4): 441-446.
    [10] 张会儒 . 基于减少对环境影响的采伐方式的森林采伐作业规程进展. 林业科学研究, 2007, 20(6): 867-871.
    [11] 王一刘彦春刘世荣 . 暖温带森林土壤酶活性对增温的响应及其环境解析. 林业科学研究, 2017, 30(1): 117-124. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.01.016
    [12] 王彦辉金旻于澎涛 . 我国与森林植被和水资源有关的环境问题及研究趋势. 林业科学研究, 2003, 16(6): 739-747.
    [13] 卢凤珠陈飞马灵飞马乃训 . 不同加热面毛竹材燃烧性能研究. 林业科学研究, 2007, 20(5): 726-730.
    [14] 亚林所苏梦云 . 浙江省首次树木生理生化专业学术研讨会在桐庐县召开. 林业科学研究, 1991, 4(5): 588-588.
    [15] 张玲 . 中国林学会资源昆虫专业委员会召开第四届学术讨论会. 林业科学研究, 1995, 8(4): 407-407.
    [16] 汪有奎杨全生倪自银蒋志成刘勋才王零 . 青海云杉林昆虫群落垂直结构研究. 林业科学研究, 2006, 19(4): 431-435.
    [17] 陈科屹张会儒雷相东娄明华卢军 . 云冷杉过伐林垂直结构特征分析. 林业科学研究, 2017, 30(3): 450-459. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.03.013
    [18] 周志春秦国峰李光荣黄光霖陈炳星程传演 . 马尾松天然林木材化学组分和浆纸性能的地理模式*. 林业科学研究, 1995, 8(1): 1-6.
    [19] 梁成杰赵玲黄金义蒙美琼罗基同李吉钧 . 航空喷洒设备及监测技术的研究 Ⅰ.喷洒设备性能测试. 林业科学研究, 1998, 11(6): 607-611.
    [20] 周志翔徐永荣王鹏程徐向阳汪长江 . 几种化学调节剂及其组合对板栗雌花数量及结实性能的影响. 林业科学研究, 2000, 13(2): 153-159.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-16
  • 录用日期:  2020-01-20
  • 网络出版日期:  2020-05-19
  • 刊出日期:  2020-08-01

森林环境中民用与专业级设备多模态定位精度比较研究

    通讯作者: 罗鹏, luopeng@ifrit.ac.cn
  • 1. 中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091
  • 2. 国家林业和草原局林业遥感与信息技术实验室,北京 100091
  • 3. 北京合众思壮科技股份有限公司,北京 100176

摘要:  目的 探究多种立地条件下中高郁闭度林分中民用(智能手机等)和专业级GNSS设备的定位精度差异,旨在改变森林环境下民用类定位设备应用泛滥的现状。 方法 采集了两种类型定位设备在森林环境中的GNSS信号,并定量计算了平面和垂直方向的定位误差,以及GNSS几何精度因子和信噪比等参数。 结果 通过1 min以上时长相关观测参数的平均值、极值、绝对误差的对比分析表明,专业机性能指标总体优于民用机,两者间天线和GNSS模块的差异是其根本原因。 结论 选用专业设备、单点求平均是满足林下高可靠性(优于5 m)定位需求的重要手段与方法,智能手机等民用级产品只适合森林环境中低可靠性(10 m左右)的概略定位作业要求。

English Abstract

  • 全球导航卫星系统(GNSS)是指能在地球表面或近地空间任何地点为用户提供全天候3维坐标、速度和时间信息的空基无线电导航定位系统。除了大家熟知的美国GPS外,还包括俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO和中国北斗(以下简称BDS)等4大全球系统。自2013年后的中高端智能手机不但具有GPS,也有BDS、GLONASS和辅助全球导航卫星定位系统(AGNSS)等定位模式,极大地便利了导航定位,故倍受百姓推崇。现在很多智能手机用户都认为定位数据只要与地图(百度、高德、谷歌等)匹配良好就表明绝对定位精度高,实际这是一个严重误区,如国内App通常是通过高德、百度等第三方SDK接口获取定位信息,因此在定位能力和精度上会有所差异[1-2]。再如在GNSS卫星信号弱、WIFI数据库陈旧、临时移动基站区域,定位精度就会有较大偏差。实际上智能手机在典型应用场景中(如沿路导航)会采用软件算法对硬件定位结果进行纠偏,即把定位结果强行切换到对应场景的位置(如默认行驶中的车辆在正确行驶的车道上),给人造成定位很准(在对应场景内)或者定位很差(不在对应场景内)的错觉。

    森林资源调查与管护对导航、定位和面积量算有多种需求。主要表现在森林种类、分布、立地条件、生长状态等纷繁复杂,其次管护要求也千差万别,导致定位设备应用场景和技术要求复杂多样且参差不齐。在智能手机出现之前,林业的GNSS技术应用主要依靠专业(或工业)级设备完成。专业和民用(或商用)级设备的主要差异表现在两个方面,一是三防(防水、防尘、防摔)性能,二是GNSS模块性能差异导致的定位精度不同。民用级产品是为良好工作环境和定位精度要求不高的应用场景设计,而专业级产品则是为野外恶劣环境且对定位精度有一定要求的复杂作业条件而定制。就GNSS技术在林业中应用来说,所谓简单场景是指如新造林地、沙漠灌木林、林间开阔地等植被高度低于1 m的林地环境,复杂场景是指林冠遮天蔽日、山高坡陡的乔木林、灌木林环境,因为树叶、枝条和树干等对卫星信号会产生极大的干扰,从而严重影响GNSS接收机的定位导航性能[3-9]

    国外就森林环境中GNSS的定位精度开展过很多研究,如Christopher Deckert等[10]就在不同地形(山脊、山坡、沟谷)条件下的针叶林和阔叶林林分中,测试了差分GPS平面定位精度的变化规律,结果表明针叶林(5.6 m)比阔叶林(4.2 m)定位精度低,且从山脊到沟谷误差逐渐增大;Galán Ordonez等[11]认为林冠或林分参数对GNSS信号有很大影响,并建立了基于递归神经网络的数学模型,研究了观测误差、卫星信号和林分参数的关系。国内就GNSS接收机在林业应用中受复杂多变地形、山体影响卫星图形分布、树冠阻挡或削弱卫星信号强度等现实问题,也进行了许多研究,认为树木对卫星信号的阻隔程度小于建筑物[12],观测精度随着林分郁闭度的升高会降低,在山谷等更恶劣地形中有时都得不到浮动解,或根本无法定位[4],并构建了林冠开阔度这个指标参数来反映森林的定位环境条件,它与卫星数和信噪比呈显著正相关[5],并认为若要在林地中实现精准定位必须采用差分定位技术[6],林下BDS/GPS双模定位精度较单GPS模式在XYZ方向分别可提高大约1.8、1.7和3.2 m[13]

    近十多年来,涌现出许多具有定位能力的民用级产品,极大方便和丰富了林业用户选型,提高了工作效率和资源监管水平,但也给GNSS技术的林业应用带来很多思想上的“混乱”。由于森林多分布于山高坡陡、人迹罕至的边远地区,为了更科学掌握民用和专业级定位设备的差异与适宜性,本研究通过乔木林林分中数据的采集和分析来科学阐明其定位精度差异,以指导林业调查人员终端设备选择和GNSS技术的科学应用。

    • Honor 8是2016年7月华为公司发布的产品,采用Android 6.0操作系统,是一款支持4G网络的八核智能手机,定位模组支持GPS/BDS/GLONASS/A-GNSS,卫星信号接收采用商用面状贴片天线。

    • G138BD(以下简称138)是北京合众思壮公司于2015年推出可兼容BDS/GPS/GLONASS卫星接收于一体的通用北斗手持终端,干电池/锂电池/USB 3种供电模式随意切换,解决不同工作环境下电源需求。工业三防设计、坚固耐用,防护等级IP67,抗1.5 m自然跌落,完全适应各种野外工作环境。卫星信号接收采用专业面状陶瓷天线。

    • 山西省关帝山国有林管理局二道川林场有不同坡度、坡向、坡位、中高郁闭度(0.5~0.8)的油松(Pinus tabuliformis Carr.)和辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz.)分布,林下有杂灌和草本覆盖,测试设备放置于树冠正下方的地面。林间外业数据采集于2019年6月12—15日,工作时间为每天9:00—20:00,定位数据获取时长分别为1 min、5 mins和10 mins,定位模式全部为多模状态,两种设备同步采集NMEA格式数据,用以提取经纬度、高程、卫星数量、信噪比、PDOP、HDOP、VDOP等因子,位置更新率为1 Hz。点位真值来自千寻网的RTK数据。

    • 共布置样地27块,其中22块为有通讯(移动、电信、联通)信号的针叶林林分,5块为通讯盲区的阔叶林林分。其中前者用于含AGNSS模式分析,后者用于纯GNSS模式分析。

    • 为了真正模拟民用机日常定位应用习惯,本次林间测试Honor 8也开启了AGNSS功能。测试分析专门编制了专用模块工具从NMEA 0183相关语句中解析经纬度、高程、DOP、信噪比等8个参数,并把经纬度值转化为UTM 3度带平面坐标,还计算了点位误差、极值等分析指标。

    • 对两种设备多模状态连续采集的1 min观测误差(60个数据)分别计算了平均值,并提取了极值,对比结果见表1表2

      表 1  1 min位置信息平均误差对比

      Table 1.  Comparison of average errors of position information in 1 min

      样地号
      Plots
      ΔX/mΔy/mΔminX/mΔmaxX/mΔminY/mΔmaxY/mΔH/m
      Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
      1 1.82 0.67 1.961.15 −1.35 0.56 9.00 1.85 −0.76 −0.60 4.33 2.06 31.46 1.44
      2−1.860.279.601.987.59−0.1612.703.53−2.71−0.71−0.671.3837.62−9.42
      33.77−1.62−4.84−1.35−9.23−2.113.89−0.262.10−3.006.19−0.1921.679.24
      46.955.921.585.401.582.141.587.856.954.226.956.9222.73−1.10
      5−0.942.23−1.210.33−5.79−1.191.201.02−2.971.602.243.38−3.25−0.51
      62.891.820.360.22−2.18−0.205.501.120.140.2011.533.2918.934.24
      76.360.27−1.700.84−3.15−0.84−0.081.374.10−0.658.552.318.996.87
      84.164.99−0.63−0.97−5.19−2.141.77−0.10−0.044.2514.765.8630.893.94
      91.41−0.112.735.12−6.123.657.057.15−0.11−1.276.231.857.32−8.49
      10−5.395.34−3.313.34−3.311.92−3.315.24−5.394.08−5.396.3113.359.06
      11−7.34−0.81−8.62−1.53−9.95−3.01−7.03−0.92−9.20−4.24−4.572.0819.925.86
      123.304.15−2.714.15−5.621.331.006.39−0.47−0.5110.606.967.819.70
      132.930.39−0.252.42−0.871.710.903.191.79−0.574.801.2022.86−1.83
      14−8.00−1.22−1.312.75−5.640.552.163.55−18.39−2.82−4.371.00−7.78−4.85
      15−0.09−5.425.014.78−1.002.3310.616.21−2.49−5.784.86−5.014.68−3.47
      164.160.230.25−1.06−3.04−1.362.69−0.431.44−0.726.411.048.040.18
      171.67−0.58−1.862.55−4.721.330.963.01−1.09−1.543.190.0810.23−1.84
      18−0.43−4.36−5.320.18−7.04−0.82−0.931.20−3.20−5.133.05−2.1619.95−0.22
      190.412.094.211.932.57−2.756.403.92−1.911.321.202.596.571.26
      200.00−1.871.101.67−1.371.304.012.62−2.09−3.742.52−0.7913.440.39
      212.130.44−1.482.86−1.490.05−0.908.612.11−1.972.716.6615.700.29
      220.761.732.91−1.40−0.19−1.676.51−1.10−0.640.832.492.309.071.76
      |max|8.005.959.605.409.953.6512.708.6118.395.1314.766.9637.629.70

      表 2  1 min卫星信号平均值对比

      Table 2.  Comparison of average values of GNSS signal parameters in 1 min

      样地号
      Plots
      卫星数量/颗
      Satellite numbers
      PDOP HDOPVDOP信噪比
      Signal to noise ratio
      Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
      118.4218.51 2.201.38 1.120.81 1.881.1024.7034.24
      216.9721.14 1.911.20 1.080.74 1.560.9127.1336.68
      319.3711.00 1.752.09 1.051.20 1.441.6525.7334.63
      419.8510.14 1.561.96 0.971.07 1.181.6026.7236.39
      520.7519.32 2.101.30 0.940.70 1.861.1025.1532.91
      613.4216.7351.341.5836.010.8036.521.3028.4233.02
      719.0723.69 1.791.49 1.090.91 1.411.1223.4531.36
      816.9713.54 3.023.04 1.261.60 2.692.5825.9633.54
      915.2717.6936.301.8424.660.9826.301.5127.7132.66
      1021.009.44 1.562.25 0.971.24 1.191.8523.6832.59
      1118.5612.07 1.973.25 1.151.56 1.602.7924.9131.46
      1219.9311.39 2.072.13 1.060.99 1.811.8525.2433.15
      1317.1711.49 1.803.52 0.911.65 1.533.0627.2433.93
      1419.7315.10 1.521.59 0.850.84 1.271.3224.3930.75
      1517.1218.76 1.932.21 1.151.07 1.561.8925.7933.57
      1619.3714.29 1.642.66 0.901.34 1.392.2425.2933.27
      1718.9522.47 1.511.33 1.020.86 1.090.9923.5432.91
      1819.4613.76 1.511.73 0.961.16 1.151.2524.1033.40
      1919.8311.51 1.613.16 0.971.96 1.292.4325.6034.33
      2020.8013.58 1.581.84 0.911.09 1.301.4026.0233.16
      2117.4620.42 2.005.02 0.964.22 1.804.7028.9836.03
      2217.1527.64 1.591.21 0.930.69 1.330.9629.8036.95
      |max|21.0027.6451.345.0236.014.2236.524.7029.8036.95

      表1的1 min平均误差值表明了在22个不同立地和森林条件的样地中,尽管Honor 8有AGNSS信号的强力支持,但总体定位精度仍是138优于Honor 8,平面误差Honor 8约为10 m而138在6 m以内,高程误差Honor 8在38 m以内而138在10 m以内,当然在个别点位Honor 8误差也会小些。

      尽管Honor 8是全模(北斗/GPS/GLONASS/GALILEO/QZSS/IRNSS/AGNSS),而138为多模(北斗/GPS/GLONASS)状态,但表2表明Honor 8的卫星数量仍总体低于138,平均差近7颗。在第6和第9号样地处由于Honor 8为无固定解的状态(占总样地数的9%),故3个精度因子指标都非常高,总体的DOP(精度因子)平均值也是138优于Honor 8;信噪比数据的对比更为突出,138全部优于Honor 8,数值从5~10不等,平均差异是7.79。表明这两种类型终端设备对卫星信号的敏感度有着明显差异。

      同时还计算了8个观测参量1 min数据的标准差,结果对比见表3

      表 3  1 min观测值的标准差对比

      Table 3.  Comparison of Standard Deviation of GNSS observation variables in 1 min

      样地号
      Plots
      X/mY/mH/m卫星数量/颗
      Satellite numbers
      PDOPHDOPVDOP信噪比
      Signal to noise ratio
      Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
      12.010.843.560.3817.633.321.980.56 0.21 0.02 0.04 0.02 0.25 0.001.570.88
      20.590.481.260.97 1.770.852.021.33 0.08 0.02 0.04 0.02 0.05 0.031.030.83
      31.020.862.860.49 1.363.091.380.00 0.07 0.39 0.07 0.13 0.08 0.391.240.39
      40.000.590.001.75 0.491.491.270.68 0.07 0.07 0.06 0.12 0.06 0.001.041.06
      52.090.412.800.57 1.940.871.561.38 0.33 0.01 0.10 0.01 0.35 0.001.251.69
      62.041.121.170.34 3.842.194.000.6365.91 0.0146.83 0.0146.45 0.002.970.59
      71.490.840.820.46 0.611.770.782.22 0.19 0.05 0.06 0.04 0.20 0.041.400.87
      84.200.552.340.49 2.470.614.440.85 1.05 0.01 0.10 0.01 1.11 0.042.000.60
      91.220.893.781.3214.902.453.821.8858.19 0.2141.49 0.1441.01 0.171.810.73
      100.000.660.001.20 0.270.521.220.91 0.15 0.40 0.16 0.22 0.09 0.351.161.44
      111.292.180.710.58 1.603.370.981.40 0.29 0.20 0.23 0.08 0.17 0.201.081.34
      123.302.521.891.78 0.242.851.230.58 0.06 0.15 0.09 0.07 0.09 0.151.002.83
      130.670.600.360.43 0.912.282.610.77 0.13 0.36 0.10 0.22 0.08 0.281.150.82
      143.431.352.450.94 0.552.271.040.75 0.09 0.05 0.06 0.04 0.11 0.041.080.72
      152.160.273.551.18 0.351.501.351.72 0.24 0.04 0.14 0.03 0.20 0.041.280.79
      161.650.491.440.33 0.461.461.251.62 0.05 0.05 0.00 0.03 0.03 0.071.760.61
      171.640.481.700.54 0.231.351.052.27 0.11 0.11 0.11 0.07 0.03 0.101.991.53
      182.560.682.140.53 0.401.051.641.69 0.04 0.25 0.07 0.20 0.05 0.161.370.70
      190.890.281.252.06 0.503.882.571.74 0.19 0.45 0.12 0.19 0.18 0.451.630.87
      201.561.011.850.32 0.270.581.390.49 0.09 0.00 0.03 0.00 0.11 0.001.011.34
      210.091.020.090.99 0.492.201.891.39 0.0017.79 0.0517.94 0.0017.661.091.99
      220.920.432.260.15 0.190.231.492.71 0.14 0.07 0.05 0.04 0.11 0.051.350.28
      |max|4.202.523.782.0617.633.884.442.7165.9117.7946.8317.9446.4517.664.202.52

      由此看来所有样地8个分析指标的标准差总体也是Honor 8高于138,表明前者的离散性更强。图1是两种设备1 min数据的轨迹和相位图,138(专业设备)明显稳定性更好,其根本原因是专业和商用面状天线的性能差异所致。

      图  1  第1块样地1 min定位轨迹

      Figure 1.  Positioning track maps of two devices in 1 min (NO.1 plot)

    • 在无任何通讯信号的偏远辽东栎林分中共布置5个样地,主要位于山脊两侧的南北坡位置,树高约10 m,树龄约50 a。由于无法收取RTK数据,故没有真值,主要用两种设备的差值表述其定位性能的差异性,每点观测时长10 mins,观测数据总计为3 000个,所有观测值的平均值见表4

      表 4  辽东栎林分中10 mins观测值的平均值

      Table 4.  Comparison of average values of GNSS observation variables in 10 mins

      样地号Plots2324252627
      Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138Honor 8138
      ΔY/m −6.98 0.18 4.33 −0.33−4.29
      ΔX/m −4.39−1.45 2.32 1.22−4.42
      ΔH/m 10.68−3.89−8.68−10.24−1.42
      卫星数量/颗
      Satellite numbers
      17.8212.0416.6813.4318.8716.0616.8222.4317.6623.93
      PDOP 2.42 1.99 1.94 1.53 1.97 1.41 2.04 2.31 2.35 1.38
      HDOP 1.54 1.21 0.97 0.84 1.06 0.90 0.98 1.61 1.30 0.75
      VDOP 1.86 1.51 1.68 1.22 1.65 1.03 1.78 2.04 1.93 1.10
      信噪比
      Signal to noise ratio
      24.2128.3726.5835.6030.2435.1626.3837.2226.0134.20

      表4可以看出,如果没有AGNSS支持,在观测时长为10 mins内138(专业终端)信噪比平均值明显高于Honor 8(民用终端),DOP值也同样。两者平面位置和高程差异分别在5 m和10 m左右,与前面针叶林分分析结果一致。图2是两种设备10 mins数据的轨迹和相位图,再次表明专业设备的可靠性更好,专业和民用型面状天线的性能差异直接关联着定位性能。

      图  2  第23块样地10 mins定位轨迹图

      Figure 2.  Positioning track maps of two devices in 10 mins (NO.23 plot)

      综合指标表明专业机的定位性能优于民用机,即在定位精度要求优于10 m时必须选择专业设备。

    • 森林环境千差万别,有郁郁葱葱的乔木林,也有荒原上的稀疏灌木林。本研究主要探讨中等以上郁闭度乔木林分中树叶、树枝和树干等多路径效应以及天线类型对定位精度的影响,结果表明在茂密的森林中,民用级产品与专业级产品的定位精度存在差异,用户需根据作业要求和工作场景,合理选择设备,以保证数据采集的准确性和科学性。

    • 林业外业调查等业务对导航定位有着多样化技术需求,在乔木林环境中智能手机的DOP值、信噪比等卫星信号性能指标总体低于专业产品,有时甚至无法获得固定解导致定位的巨大误差。因为虽然民用机和专业机都采用面状GNSS天线,但民用机(如智能手机)的GNSS天线通常采用独立的FPC方式或与WIFI、蓝牙共用方式,以适应配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的技术要求,天线采用无源增益,由于超薄且拥挤导致稳定性相对较差;而专业机采用相对大而厚的专业小型面状陶瓷天线,虽也有方向性特点,但空间稍大增强了稳定性,且除无源放大增益外,还有有源二级放大增益,灵敏度更高,从而保障了GNSS信号的强度。

    • 在实际工作中由于主客观条件所限但又希望获得米级高精度定位数据时,可以采用一定时长的单点求平均方法来实现精度最优化目标。因为在林间树冠、树枝等对卫星信号有着复杂影响,会导致信号的很多不确定性与离散性,只有当DOP值趋于稳定后才可获得最佳的定位数据。专业手持机多数情况下累积观测1 min以上且取平均值时可以满足水平方向约5 m的高可靠性定位精度要求。

    • 专业(或工业)级产品三防性能好,不仅防水防尘防跌落,更是在极端温、湿度等恶劣环境下仍能够保持正常工作,如屏幕在高亮环境仍清晰可见,电源可以保证16 h满负荷工作,这些特性都是野外森林环境工作的重要保障条件。通常民用型设备只是为室内或理想工作场景设计,为降低成本不会选择高端专业元器件,故复杂森林环境中的位置服务或者林下优于10 m的绝对定位精度需求须选择专业终端设备来完成。

      致谢:山西省林业有害生物防治检疫局关帝山分局和山西省关帝山林业管理局二道川林场对野外工作给予了大力支持,相关人员全程参与了数据采集,在此表示衷心感谢!

参考文献 (13)

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