森林環境中民用與專業級設備多模態定位精度比較研究

武紅敢，羅 鵬＊，楊云風，謝繼會，張 恒

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

全球導航衛星系統（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航定位系統。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。自2013 年后的中高端智能手機不但具有GPS，也有BDS、GLONASS和輔助全球導航衛星定位系統（AGNSS）等定位模式，極大地便利了導航定位，故倍受百姓推崇。現在很多智能手機用戶都認為定位數據只要與地圖（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，如國內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 衛星信號弱、WIFI 數據庫陳舊、臨時移動基站區域，定位精度就會有較大偏差。實際上智能手機在典型應用場景中（如沿路導航）會采用軟件算法對硬件定位結果進行糾偏，即把定位結果強行切換到對應場景的位置（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（在對應場景內）或者定位很差（不在對應場景內）的錯覺。

森林資源調查與管護對導航、定位和面積量算有多種需求。主要表現在森林種類、分布、立地條件、生長狀態等紛繁復雜，其次管護要求也千差萬別，導致定位設備應用場景和技術要求復雜多樣且參差不齊。在智能手機出現之前，林業的GNSS 技術應用主要依靠專業（或工業）級設備完成。專業和民用（或商用）級設備的主要差異表現在兩個方面，一是三防（防水、防塵、防摔）性能，二是GNSS 模塊性能差異導致的定位精度不同。民用級產品是為良好工作環境和定位精度要求不高的應用場景設計，而專業級產品則是為野外惡劣環境且對定位精度有一定要求的復雜作業條件而定制。就GNSS 技術在林業中應用來說，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 的林地環境，復雜場景是指林冠遮天蔽日、山高坡陡的喬木林、灌木林環境，因為樹葉、枝條和樹干等對衛星信號會產生極大的干擾，從而嚴重影響GNSS 接收機的定位導航性能[3-9]。

國外就森林環境中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律，結果表明針葉林（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對GNSS信號有很大影響，并建立了基于遞歸神經網絡的數學模型，研究了觀測誤差、衛星信號和林分參數的關系。國內就GNSS 接收機在林業應用中受復雜多變地形、山體影響衛星圖形分布、樹冠阻擋或削弱衛星信號強度等現實問題，也進行了許多研究，認為樹木對衛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]，并構建了林冠開闊度這個指標參數來反映森林的定位環境條件，它與衛星數和信噪比呈顯著正相關[5]，并認為若要在林地中實現精準定位必須采用差分定位技術[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，涌現出許多具有定位能力的民用級產品，極大方便和豐富了林業用戶選型，提高了工作效率和資源監管水平，但也給GNSS 技術的林業應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，為了更科學掌握民用和專業級定位設備的差異與適宜性，本研究通過喬木林林分中數據的采集和分析來科學闡明其定位精度差異，以指導林業調查人員終端設備選擇和GNSS 技術的科學應用。

1 材料與設計

1.1 設備性能及其型號

1.1.1 民用級測試設備—-華為Honor 8 Honor 8是2016 年7 月華為公司發布的產品，采用Android 6.0 操作系統，是一款支持4G 網絡的八核智能手機，定位模組支持GPS/BDS/GLONASS/A-GNSS，衛星信號接收采用商用面狀貼片天線。

1.1.2 專業級對照設備— 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，解決不同工作環境下電源需求。工業三防設計、堅固耐用，防護等級IP67，抗1.5 m 自然跌落，完全適應各種野外工作環境。衛星信號接收采用專業面狀陶瓷天線。

1.2 試驗設計

山西省關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，測試設備放置于樹冠正下方的地面。林間外業數據采集于2019 年6 月12—15 日，工作時間為每天9:00—20:00，定位數據獲取時長分別為1 min、5 mins 和10 mins，定位模式全部為多模狀態，兩種設備同步采集NMEA 格式數據，用以提取經緯度、高程、衛星數量、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的RTK 數據。

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、聯通）信號的針葉林林分，5 塊為通訊盲區的闊葉林林分。其中前者用于含AGNSS 模式分析，后者用于純GNSS 模式分析。

2 結果與分析

為了真正模擬民用機日常定位應用習慣，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 相關語句中解析經緯度、高程、DOP、信噪比等8 個參數，并把經緯度值轉化為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

對兩種設備多模狀態連續采集的1 min 觀測誤差（60 個數據）分別計算了平均值，并提取了極值，對比結果見表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 優于Honor 8，平面誤差Honor 8 約為10 m 而138 在6 m以內，高程誤差Honor 8 在38 m 以內而138 在10 m 以內，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，但表2 表明Honor 8的衛星數量仍總體低于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（占總樣地數的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優于Honor 8；信噪比數據的對比更為突出，138全部優于Honor 8，數值從5～10 不等，平均差異是7.79。表明這兩種類型終端設備對衛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 數據的標準差，結果對比見表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 是兩種設備1 min 數據的軌跡和相位圖，138（專業設備）明顯穩定性更好，其根本原因是專業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，主要位于山脊兩側的南北坡位置，樹高約10 m，樹齡約50 a。由于無法收取RTK 數據，故沒有真值，主要用兩種設備的差值表述其定位性能的差異性，每點觀測時長10 mins，觀測數據總計為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138（專業終端）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果一致。圖2 是兩種設備10 mins 數據的軌跡和相位圖，再次表明專業設備的可靠性更好，專業和民用型面狀天線的性能差異直接關聯著定位性能。

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

綜合指標表明專業機的定位性能優于民用機，即在定位精度要求優于10 m 時必須選擇專業設備。

3 結論

森林環境千差萬別，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以及天線類型對定位精度的影響，結果表明在茂密的森林中，民用級產品與專業級產品的定位精度存在差異，用戶需根據作業要求和工作場景，合理選擇設備，以保證數據采集的準確性和科學性。

3.1 智能手機等民用級產品的定位性能低于專業級產品

林業外業調查等業務對導航定位有著多樣化技術需求，在喬木林環境中智能手機的DOP 值、信噪比等衛星信號性能指標總體低于專業產品，有時甚至無法獲得固定解導致定位的巨大誤差。因為雖然民用機和專業機都采用面狀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，以適應配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的技術要求，天線采用無源增益，由于超薄且擁擠導致穩定性相對較差；而專業機采用相對大而厚的專業小型面狀陶瓷天線，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據時，可以采用一定時長的單點求平均方法來實現精度最優化目標。因為在林間樹冠、樹枝等對衛星信號有著復雜影響，會導致信號的很多不確定性與離散性，只有當DOP 值趨于穩定后才可獲得最佳的定位數據。專業手持機多數情況下累積觀測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 復雜的外業調查任務須專業設備來完成

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

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