森林環(huán)境中民用與專業(yè)級設(shè)備多模態(tài)定位精度比較研究

武紅敢，羅 鵬＊，楊云風(fēng)，謝繼會，張 恒

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091；2. 國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實驗室，北京 100091；3. 北京合眾思壯科技股份有限公司，北京 100176)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是指能在地球表面或近地空間任何地點為用戶提供全天候3 維坐標、速度和時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。除了大家熟知的美國GPS 外，還包括俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO 和中國北斗（以下簡稱BDS）等4 大全球系統(tǒng)。自2013 年后的中高端智能手機不但具有GPS，也有BDS、GLONASS和輔助全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（AGNSS）等定位模式，極大地便利了導(dǎo)航定位，故倍受百姓推崇。現(xiàn)在很多智能手機用戶都認為定位數(shù)據(jù)只要與地圖（百度、高德、谷歌等）匹配良好就表明絕對定位精度高，實際這是一個嚴重誤區(qū)，如國內(nèi)App 通常是通過高德、百度等第三方SDK 接口獲取定位信息，因此在定位能力和精度上會有所差異[1-2]。再如在GNSS 衛(wèi)星信號弱、WIFI 數(shù)據(jù)庫陳舊、臨時移動基站區(qū)域，定位精度就會有較大偏差。實際上智能手機在典型應(yīng)用場景中（如沿路導(dǎo)航）會采用軟件算法對硬件定位結(jié)果進行糾偏，即把定位結(jié)果強行切換到對應(yīng)場景的位置（如默認行駛中的車輛在正確行駛的車道上），給人造成定位很準（在對應(yīng)場景內(nèi)）或者定位很差（不在對應(yīng)場景內(nèi)）的錯覺。

森林資源調(diào)查與管護對導(dǎo)航、定位和面積量算有多種需求。主要表現(xiàn)在森林種類、分布、立地條件、生長狀態(tài)等紛繁復(fù)雜，其次管護要求也千差萬別，導(dǎo)致定位設(shè)備應(yīng)用場景和技術(shù)要求復(fù)雜多樣且參差不齊。在智能手機出現(xiàn)之前，林業(yè)的GNSS 技術(shù)應(yīng)用主要依靠專業(yè)（或工業(yè)）級設(shè)備完成。專業(yè)和民用（或商用）級設(shè)備的主要差異表現(xiàn)在兩個方面，一是三防（防水、防塵、防摔）性能，二是GNSS 模塊性能差異導(dǎo)致的定位精度不同。民用級產(chǎn)品是為良好工作環(huán)境和定位精度要求不高的應(yīng)用場景設(shè)計，而專業(yè)級產(chǎn)品則是為野外惡劣環(huán)境且對定位精度有一定要求的復(fù)雜作業(yè)條件而定制。就GNSS 技術(shù)在林業(yè)中應(yīng)用來說，所謂簡單場景是指如新造林地、沙漠灌木林、林間開闊地等植被高度低于1 m 的林地環(huán)境，復(fù)雜場景是指林冠遮天蔽日、山高坡陡的喬木林、灌木林環(huán)境，因為樹葉、枝條和樹干等對衛(wèi)星信號會產(chǎn)生極大的干擾，從而嚴重影響GNSS 接收機的定位導(dǎo)航性能[3-9]。

國外就森林環(huán)境中GNSS 的定位精度開展過很多研究，如Christopher Deckert 等[10]就在不同地形（山脊、山坡、溝谷）條件下的針葉林和闊葉林林分中，測試了差分GPS 平面定位精度的變化規(guī)律，結(jié)果表明針葉林（5.6 m）比闊葉林（4.2 m）定位精度低，且從山脊到溝谷誤差逐漸增大；Galán Ordonez 等[11]認為林冠或林分參數(shù)對GNSS信號有很大影響，并建立了基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，研究了觀測誤差、衛(wèi)星信號和林分參數(shù)的關(guān)系。國內(nèi)就GNSS 接收機在林業(yè)應(yīng)用中受復(fù)雜多變地形、山體影響衛(wèi)星圖形分布、樹冠阻擋或削弱衛(wèi)星信號強度等現(xiàn)實問題，也進行了許多研究，認為樹木對衛(wèi)星信號的阻隔程度小于建筑物[12]，觀測精度隨著林分郁閉度的升高會降低，在山谷等更惡劣地形中有時都得不到浮動解，或根本無法定位[4]，并構(gòu)建了林冠開闊度這個指標參數(shù)來反映森林的定位環(huán)境條件，它與衛(wèi)星數(shù)和信噪比呈顯著正相關(guān)[5]，并認為若要在林地中實現(xiàn)精準定位必須采用差分定位技術(shù)[6]，林下BDS/GPS 雙模定位精度較單GPS模式在X、Y、Z方向分別可提高大約1.8、1.7 和3.2 m[13]。

近十多年來，涌現(xiàn)出許多具有定位能力的民用級產(chǎn)品，極大方便和豐富了林業(yè)用戶選型，提高了工作效率和資源監(jiān)管水平，但也給GNSS 技術(shù)的林業(yè)應(yīng)用帶來很多思想上的 “混亂”。由于森林多分布于山高坡陡、人跡罕至的邊遠地區(qū)，為了更科學(xué)掌握民用和專業(yè)級定位設(shè)備的差異與適宜性，本研究通過喬木林林分中數(shù)據(jù)的采集和分析來科學(xué)闡明其定位精度差異，以指導(dǎo)林業(yè)調(diào)查人員終端設(shè)備選擇和GNSS 技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。

1 材料與設(shè)計

1.1 設(shè)備性能及其型號

1.1.1 民用級測試設(shè)備—-華為Honor 8 Honor 8是2016 年7 月華為公司發(fā)布的產(chǎn)品，采用Android 6.0 操作系統(tǒng)，是一款支持4G 網(wǎng)絡(luò)的八核智能手機，定位模組支持GPS/BDS/GLONASS/A-GNSS，衛(wèi)星信號接收采用商用面狀貼片天線。

1.1.2 專業(yè)級對照設(shè)備— 合眾思壯G138BD G138BD（以下簡稱138）是北京合眾思壯公司于2015 年推出可兼容BDS/GPS/GLONASS 衛(wèi)星接收于一體的通用北斗手持終端，干電池/鋰電池/USB 3 種供電模式隨意切換，解決不同工作環(huán)境下電源需求。工業(yè)三防設(shè)計、堅固耐用，防護等級IP67，抗1.5 m 自然跌落，完全適應(yīng)各種野外工作環(huán)境。衛(wèi)星信號接收采用專業(yè)面狀陶瓷天線。

1.2 試驗設(shè)計

山西省關(guān)帝山國有林管理局二道川林場有不同坡度、坡向、坡位、中高郁閉度（0.5～0.8）的油松（Pinus tabuliformisCarr.） 和遼東櫟（Quercus liaotungensisKoidz.）分布，林下有雜灌和草本覆蓋，測試設(shè)備放置于樹冠正下方的地面。林間外業(yè)數(shù)據(jù)采集于2019 年6 月12—15 日，工作時間為每天9:00—20:00，定位數(shù)據(jù)獲取時長分別為1 min、5 mins 和10 mins，定位模式全部為多模狀態(tài)，兩種設(shè)備同步采集NMEA 格式數(shù)據(jù)，用以提取經(jīng)緯度、高程、衛(wèi)星數(shù)量、信噪比、PDOP、HDOP、VDOP 等因子，位置更新率為1 Hz。點位真值來自千尋網(wǎng)的RTK 數(shù)據(jù)。

1.3 樣地信息

共布置樣地27 塊，其中22 塊為有通訊（移動、電信、聯(lián)通）信號的針葉林林分，5 塊為通訊盲區(qū)的闊葉林林分。其中前者用于含AGNSS 模式分析，后者用于純GNSS 模式分析。

2 結(jié)果與分析

為了真正模擬民用機日常定位應(yīng)用習(xí)慣，本次林間測試Honor 8 也開啟了AGNSS 功能。測試分析專門編制了專用模塊工具從NMEA 0183 相關(guān)語句中解析經(jīng)緯度、高程、DOP、信噪比等8 個參數(shù)，并把經(jīng)緯度值轉(zhuǎn)化為UTM 3 度帶平面坐標，還計算了點位誤差、極值等分析指標。

2.1 含AGNSS 定位模式的精度分析

對兩種設(shè)備多模狀態(tài)連續(xù)采集的1 min 觀測誤差（60 個數(shù)據(jù)）分別計算了平均值，并提取了極值，對比結(jié)果見表1 和表2。

表1 的1 min 平均誤差值表明了在22 個不同立地和森林條件的樣地中，盡管Honor 8 有AGNSS信號的強力支持，但總體定位精度仍是138 優(yōu)于Honor 8，平面誤差Honor 8 約為10 m 而138 在6 m以內(nèi)，高程誤差Honor 8 在38 m 以內(nèi)而138 在10 m 以內(nèi)，當然在個別點位Honor 8 誤差也會小些。

表1 1 min 位置信息平均誤差對比 Table 1 Comparison of average errors of position information in 1 min

盡管Honor 8 是全模（北斗/GPS/GLONASS/GALILEO/QZSS/IRNSS/AGNSS），而138 為多模（北斗/GPS/GLONASS）狀態(tài)，但表2 表明Honor 8的衛(wèi)星數(shù)量仍總體低于138，平均差近7 顆。在第6 和第9 號樣地處由于Honor 8 為無固定解的狀態(tài)（占總樣地數(shù)的9%），故3 個精度因子指標都非常高，總體的DOP（精度因子）平均值也是138優(yōu)于Honor 8；信噪比數(shù)據(jù)的對比更為突出，138全部優(yōu)于Honor 8，數(shù)值從5～10 不等，平均差異是7.79。表明這兩種類型終端設(shè)備對衛(wèi)星信號的敏感度有著明顯差異。

同時還計算了8 個觀測參量1 min 數(shù)據(jù)的標準差，結(jié)果對比見表3。

由此看來所有樣地8 個分析指標的標準差總體也是Honor 8 高于138，表明前者的離散性更強。圖1 是兩種設(shè)備1 min 數(shù)據(jù)的軌跡和相位圖，138（專業(yè)設(shè)備）明顯穩(wěn)定性更好，其根本原因是專業(yè)和商用面狀天線的性能差異所致。

2.2 單GNSS 定位模式的精度分析

在無任何通訊信號的偏遠遼東櫟林分中共布置5 個樣地，主要位于山脊兩側(cè)的南北坡位置，樹高約10 m，樹齡約50 a。由于無法收取RTK 數(shù)據(jù)，故沒有真值，主要用兩種設(shè)備的差值表述其定位性能的差異性，每點觀測時長10 mins，觀測數(shù)據(jù)總計為3 000 個，所有觀測值的平均值見表4。

由表4 可以看出，如果沒有AGNSS 支持，在觀測時長為10 mins 內(nèi)138（專業(yè)終端）信噪比平均值明顯高于Honor 8（民用終端），DOP 值也同樣。兩者平面位置和高程差異分別在5 m 和10 m左右，與前面針葉林分分析結(jié)果一致。圖2 是兩種設(shè)備10 mins 數(shù)據(jù)的軌跡和相位圖，再次表明專業(yè)設(shè)備的可靠性更好，專業(yè)和民用型面狀天線的性能差異直接關(guān)聯(lián)著定位性能。

表2 1 min 衛(wèi)星信號平均值對比 Table 2 Comparison of average values of GNSS signal parameters in 1 min

綜合指標表明專業(yè)機的定位性能優(yōu)于民用機，即在定位精度要求優(yōu)于10 m 時必須選擇專業(yè)設(shè)備。

3 結(jié)論

森林環(huán)境千差萬別，有郁郁蔥蔥的喬木林，也有荒原上的稀疏灌木林。本研究主要探討中等以上郁閉度喬木林分中樹葉、樹枝和樹干等多路徑效應(yīng)以及天線類型對定位精度的影響，結(jié)果表明在茂密的森林中，民用級產(chǎn)品與專業(yè)級產(chǎn)品的定位精度存在差異，用戶需根據(jù)作業(yè)要求和工作場景，合理選擇設(shè)備，以保證數(shù)據(jù)采集的準確性和科學(xué)性。

3.1 智能手機等民用級產(chǎn)品的定位性能低于專業(yè)級產(chǎn)品

林業(yè)外業(yè)調(diào)查等業(yè)務(wù)對導(dǎo)航定位有著多樣化技術(shù)需求，在喬木林環(huán)境中智能手機的DOP 值、信噪比等衛(wèi)星信號性能指標總體低于專業(yè)產(chǎn)品，有時甚至無法獲得固定解導(dǎo)致定位的巨大誤差。因為雖然民用機和專業(yè)機都采用面狀GNSS 天線，但民用機（如智能手機）的GNSS 天線通常采用獨立的FPC 方式或與WIFI、藍牙共用方式，以適應(yīng)配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的技術(shù)要求，天線采用無源增益，由于超薄且擁擠導(dǎo)致穩(wěn)定性相對較差；而專業(yè)機采用相對大而厚的專業(yè)小型面狀陶瓷天線，雖也有方向性特點，但空間稍大增強了穩(wěn)定性，且除無源放大增益外，還有有源二級放大增益，靈敏度更高，從而保障了GNSS 信號的強度。

表3 1 min 觀測值的標準差對比 Table 3 Comparison of Standard Deviation of GNSS observation variables in 1 min

圖1 第1 塊樣地1 min 定位軌跡Fig. 1 Positioning track maps of two devices in 1 min(NO.1 plot)

3.2 單點求平均是提高森林環(huán)境下定位精度的有效方法之一

在實際工作中由于主客觀條件所限但又希望獲得米級高精度定位數(shù)據(jù)時，可以采用一定時長的單點求平均方法來實現(xiàn)精度最優(yōu)化目標。因為在林間樹冠、樹枝等對衛(wèi)星信號有著復(fù)雜影響，會導(dǎo)致信號的很多不確定性與離散性，只有當DOP 值趨于穩(wěn)定后才可獲得最佳的定位數(shù)據(jù)。專業(yè)手持機多數(shù)情況下累積觀測1 min 以上且取平均值時可以滿足水平方向約5 m 的高可靠性定位精度要求。

表4 遼東櫟林分中10 mins 觀測值的平均值 Table 4 Comparison of average values of GNSS observation variables in 10 mins

圖2 第23 塊樣地10 mins 定位軌跡圖Fig. 2 Positioning track maps of two devices in 10 mins(NO.23 plot)

3.3 復(fù)雜的外業(yè)調(diào)查任務(wù)須專業(yè)設(shè)備來完成

專業(yè)（或工業(yè)）級產(chǎn)品三防性能好，不僅防水防塵防跌落，更是在極端溫、濕度等惡劣環(huán)境下仍能夠保持正常工作，如屏幕在高亮環(huán)境仍清晰可見，電源可以保證16 h 滿負荷工作，這些特性都是野外森林環(huán)境工作的重要保障條件。通常民用型設(shè)備只是為室內(nèi)或理想工作場景設(shè)計，為降低成本不會選擇高端專業(yè)元器件，故復(fù)雜森林環(huán)境中的位置服務(wù)或者林下優(yōu)于10 m 的絕對定位精度需求須選擇專業(yè)終端設(shè)備來完成。

致謝：山西省林業(yè)有害生物防治檢疫局關(guān)帝山分局和山西省關(guān)帝山林業(yè)管理局二道川林場對野外工作給予了大力支持，相關(guān)人員全程參與了數(shù)據(jù)采集，在此表示衷心感謝！