森林地区定位精度与准确度的对比外文翻译资料

 2022-12-07 16:24:43

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森林地区定位精度与准确度的对比

Hisashi Hasegawa

摘要:本研究的目的是了解全球定位系统（GPS）在无selective availability (SA)影响的情况下在森林地区中的的性能。在本次研究中，我们在森林地区进行了实地测试，通过对不同点的横向和纵向定位误差研究，计算不同点的定位精确度和准确度，并将其结果进行对比分析。此外还采用方差分析法对精度进行了分析（方差分析），讨论差分GPS（DGPS）对精度的影响以及SA技术的必要性。其结果是，我们发现最大的水平精度误差在人工森林，其次是天然森林和森林道路。另外，我们可以发现在没有障碍物的空旷地，标准误差最小，我们可以利用DGPS技术大大提高水平精度。较大的垂直精度误差产生于人工森林、森林道路而在天然森林中那些空旷地区垂直精度误差则相对小的多。总之，树冠会很大程度影响误差，而DGPS技术不能提高横向标准误差但却能提高水平精度。独立全球定位系统在水平误差最大允许10m的测量条件下，还是能够充分发挥其作用的。然而，为了达到更高的测量精度，DGPS技术应该用于测绘测量是必要的。

关键词：精度；差分；DGPS；GPS；标准

1 引言

全球定位系统（GPS）是一个基于卫星的由美国相关部门设计和经营的导航系统，主要用于国防军事和民用导航。因为selective availability (SA)影响的存在，所以很难获得准确的位置数据。为了美国的国家安全，通常用户收到的信号是在星历表数据中加入位置误差约100米的抖动时间的信号，即降低精度后的导航信息。因此，差分GPS（DGPS）才被用来提高定位或导航精度。然而，在2000年5月2日上午4点（UTC）的几分钟之后SA系统被关闭了，作为结果，官方声明独立定位系统的水平定位误差已经减少到大约33米。（国防部部长助理、控制、通信、和情报部门于2000声明）。

本研究的目的是了解全球定位系统（GPS）在无SA影响的情况下在森林地区中的的性能。我们可以知道树檐篷会减弱全球定位系统的信号，因此树檐篷会影响全球点位系统点位。许多研究表明，树檐篷在森林地区对GPS和DGPS性能的影响。马丁等人于2001年基于典型的周边檐篷即位置精度因子（PDOP）和天空开放程度的比率对爱尔兰森林道路的位置标准和精度作了一个评估系统。这项研究还表明，当外周阻力降低时，DGPS的精度误差和标准误差两者都会提高。Naelig;sset与1999年发现全球定位系统的定位精度显示利用12通道GPS接收机获取的信息精度要高于6通道GPS接收机，而利用C/A码结合载波相位获得的数据精度相比于单独使用C/A码获得的数据精度要高。 Kobayashi等人在2001年通过对比独立的GPS、实时DGPS和载波相位GPS观测结果的精度对五个全球定位系统接收器进行评估。结果表明，独立的全球定位系统和实时DGPS系统在SA系统的影响下观测精度分别为15.4~48.6米以及2.7~21.7米。Sawaguchi 等人在2001年讨论了影响实时DGPS系统定位精度与独立GPS系统定位精度的条件，并通过多元回归分析法发现了影响定位精度的因素。 Mori和Takeda在2000年发现了无SA系统影响的实时DGPS系统的定位精度。然而Sawaguchi在2001年以及Mori和Takeda在2000年都只是讨论了在部分外围条件该变的情况下，在森林区域无SA系统影响的GPS定位精度情况。许多其他的研究都是在有SA系统影响的条件下进行的此外，几乎所有的研究讨论都是水平定位误差而不是垂直误差。而在本次研究中，我们在森林地区进行了实地测试，通过对不同点的横向和纵向定位误差研究，计算不同点的定位标准和精度，并将其结果进行对比分析。此外还采用方差分析法对精度进行了分析（方差分析），讨论差分GPS（DGPS）对精度的影响以及无SA系统影响的必要性。

2 方法

2.1 GPS定位

研究地点位于日本西部和歌山京都大学森林的边界处，具体地点为北纬35°424.4~31.6N和经度135°3147.3~3217.6E（WGS-84）海拔1045~1112m的山脊上。在开始现场测试之前，每个定位点的参考坐标通过一个固定分辨率的双频卫星定位接收机获取，定为测量平均值。

这场测试只进行了2天，2000年8月25日到26日，因为我们意识到因为电离层和大气环境的影响，随着时间的推移，全球定位系统的位置误差会发生变化。基地站（Trimble 4600ls）与探路者（Trimble探路者pro XR）是分别建立在没有树冠或其他障碍的空旷处，种植园森林，森林道路，自然森林（如图1所示）。在每一点，全球定位系统利用探路者重复定位四次。每次测量观察时间为20min，为了重复观测次数尽可能的多。 Naelig;sset 在1999年将位置变化的精度分析观察期设为2.5到30分钟不等。观察在此范围内20分钟内沉降量。

图1

在空旷的地区，探路者周围无障碍物如树木或山坡且天空开放时，这时测得的点位精度和其他外部条件下测得的点位精度相较于参考坐标而言比较高。在人工森林中，将探路者设置在种植于1958年的一片日本雪松（柳杉）树冠下，其平均树高为17米、树的平均直径（DBH）为30.7厘米、森林密度为1200棵/公顷。在森林道路上，探路者设置在离路堑边坡基地约1米的地方，另一边，沿填坡边上有一些自然树，林道宽5.5米,坡高5.2米。在天然森林中，探路者建立在包含山毛榉、鹅耳枥属、 槭属等树木的树荫处。表1显示了在本场测试中使用的接收器设置，全球定位系统的定位显示在表2中。在表2中，每一天进行8个观察周期，并且两天中每个观察周期的观察时间段几乎相同。此外，每个点的重复观察时间段都是一天中不同的时间段，因为卫星几何分布会随时间变化而变化，这会影响定位误差。现场试验的卫星可见数目如图2所示。根据图2和表2可知，这个实地试验只有当全球定位系统卫星的可见数量等于或超过5个时才会进行。全球定位系统每天收集的GPS数据的差异校正都是通过Trimble探路2.80版本的办公软件完成的。

表1

表2

图2

图3

2.2 水平位置误差

在这项研究中，需要计算水平位置误差的精度和准确度。精度指的是样本的观测值的均值接近真值的程度，而准确度是指各样本观测值之间的离散程度。在图3 A、B、C中对精度和准确度进行了简要说明，其中中心位置表明观测点的真实位置。黑点表示用全球定位系统观测出的点位分布。图3A表示观测精度低准确度高，相反图3B表示观测精度高准确度低，图3C则表示观测精度与准确度都高。在这项研究中，水平精度用计算出来的均方根（RMS）衡量，其概率达到64%~77%（Leick 1995）。计算均方根值的公式如下：

上式中sigma;H_precision表示RMS，sigma;x表示RMS沿X轴方向的误差，sigma;y表示RMS沿y轴方向的误差，计算公式如下：

上式中Sigma;表示求和，下标K表示第K个观测点，字母上方的横线代表均值，n代表观测点的数量，而观测值准确度的求解公式如下：

上式中sigma;H_precision表示观测值准确度，x、y的英文下标表示真值。

2.3 垂直位置误差

垂直位置误差也需要计算垂直位置误差的精度和准确度，公式如下：

上式中sigma;V_precision代表精度，sigma;V_accuracy代表准确度，Z代表观测高程，下标K同样代表第K个观测点，字母上方的横线代表均值，英文下标代表真值。

3 结果与讨论

3.1 水平位置误差

水平精度在空旷地、人工森林、森林道路上、天然森林中的精度分别表示在表3中。如表3所示，最大的精度误差在人工森林，其次是天然森林，然后是森林道路，而周围没有障碍物的空旷地区精度误差最小。在人工森林和天然森林以及森林道路上精度误差较大是由于全球定位系统的信号在经过附近的树檐篷时引起多路径结构对信号进行反射从而导致信号的减弱或中断。根据表3，我们还发现独立GPS和DGPS的精度误差存在细微的差别。从表3中4个点的观测数据我们可以知道利用DGPS可以大大提高观测精度，另外DGPS在空旷地区提高的精度要优于在人工森林、森林道路上、天然森林提高的精度。

表3

3.2垂直位置误差

4个定位点垂直位置的精度和准确度如表4所示，较大的精度误差产生于人工森林、森林道路以及自然森林，而在那些空旷地区误差较小，并且准确度误差在空旷地区也比较小。DGPS系统在空旷地区具有提高精度误差与准确度误差的功能。

表4

3.3 影响位置误差的因素

方差分析是用来说明全球定位系统定位位置误差测量方法的效果，在这一分析中，空旷地、人工森林、森林道路上、天然森林是测量环境变量，全球点位系统GPS与DGPS系统是测量系统变量，这些变量改变对应定位位置误差改变。表5和6总结了水平精度和准确度分析，而表7和8总结了垂直精度和准确度分析。

根据表5可知，当全球定位系统周围的环境改变时，水平精度存在显著的差异（Ple;0.001），

但独立GPS与DGPS系统测量结果之间没有显著的差异，并且这两中因素之间的相互影响不明显。因此得出结论：当流动基站周围环境改变时，水平精度会发生明显变化，而两种不同测量系统的水平精度测量结果并无明显变化。相反，独立GPS与DGPS系统水平准确度测量结果存在显著的差异（Ple;0.001），而当全球定位系统周围的环境改变时，水平准确度测量结果之间并无明显差异。综上所述，可以得出结论：DGPS不能提高水平定位精度，但可以提高水平定位准确度，而接收器周围环境的变化只会影响水平定位精度而不改变水平定位准确度。

表5

表6

表7

表8

表7显示了垂直精度的方差分析结果，垂直精度的结果类似于水平精度。当全球定位系统周围环境不同时，测量结果存在显著差异（Ple;0.001），而不同的全球定位系统测量系统却不会导致测量结果改变，两个影响因素之间的相互作用也不明显。表8得出的结论是：无论是改变全球定位系统周围的环境，还是利用独立GPS和DGPS两种点位测量系统垂直准确度误差都不会受到影响。

全球定位系统周围环境的变化对水平精度的影响，不同的全球定位测量系统对水平准确度的影响以及全球定位系统周围环境的变化对垂直精度的影响分别在图4、5、6中表示出来。从图4中可以看出人工森林的水平精度位置误差最大，其次是天然森林、森林道路，空旷地区精度最高。这表明，水平精度受树冠影响较大，特别是在人工森林中。如图5所示，DGPS系统与独立的全球定位系统相比大大提高了定位的水平准确度。根据图6可知，在人工森林森林道路以及天然森林中垂直精度误差测量结果比在空旷地区大得多。这一结果也表示树檐篷对垂直精度测量有很大的影响。

图4

图5

图6

在SA关闭之前，水平精度没有得到提高但水平准确度提高了，另外垂直精度和准确度受树檐篷或山坡影响较大，并且DGPS只在空旷地区提高了精度，其他地区并没有提高。总之，树冠大幅度影响了精度误差，DGPS提高水平准确度但不提高水平精度。因此，独立的全球定位系统在允许的最大误差为10米的测量条件下能得到充分利用，而为了提高测准

确度将DGPS技术应用于测绘中是必要的。

4 结论

我们的研究表明，在周围没有障碍物的空旷地区利用独立的GPS测出的水平精度和准确度误差分别为0.15~0.87m以及2.42~6.67 m，这些误差要小于在人工森林、森林道路以及自然森林中的测量结果。例如，独立GPS系统在人工森林中测量的水平精度和准确度误差分别为2.16~6.79 m以及3.26~6.19 m。导致误差这么大的原因是由于树檐篷的影响，全球定位系统的信号会减弱或中断。应该注意的是，在森林道路上水平精度和准确度的误差比在森林的空旷地区大，因为全球定位系统的信号被切坡中断了，同时这还可能会导致多路径误差。我们还发现DGPS技术能够有效地减少定位误差。

参考文献：

[1]Assistant Secretary of Defense for Command, Control, Communications,and Intelligence (2000) Global positioning system standard positioning service performance standard. Department of Defense,Washington, D.C.

[2]Kobayashi H, Yada Y, Chachin T, Okano K, Nogami Y, Torimoto H(2001) Evaluation of GPS receiversrsquo; performance inside and outside forests (in Japanese with English summary). J Jpn For Soc 83:135–142

[3]Leick A (1995) GPS satellite surveying, 2nd edn.

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