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Par Michael Joyce, Ph.D. Ron Moen, Ph.D. Numéro de rapport : NRRI/TR -2018/28, version 1.0
RÉSUMÉ
Le type de récepteur GPS utilisé est l'un des principaux facteurs qui influent sur la précision de la localisation GPS. En général, les récepteurs plus coûteux (par exemple, les récepteurs de qualité cartographique ou de qualité topographique) offrent une meilleure précision, et les utilisateurs du GPS doivent trouver un équilibre entre le coût du récepteur GPS et la précision de la localisation lorsqu'ils déterminent le récepteur à utiliser. Les applications du GPS nécessitent souvent l'utilisation de récepteurs GPS dans des conditions qui ne sont pas idéales, alors que les fabricants de GPS indiquent souvent les spécifications de précision auxquelles on peut s'attendre dans des conditions idéales. Les couverts forestiers réduisent la précision du GPS en interférant avec la transmission des signaux entre les satellites GPS et le récepteur GPS et en provoquant des erreurs dues à des trajets multiples. Lorsque les récepteurs GPS doivent être utilisés en forêt et que des seuils de précision doivent être respectés, il est important d'effectuer des tests de précision en forêt plutôt que de se fier aux spécifications de précision fournies par le fabricant.
Nous avons testé la précision du SXBlue II + GNSS, un récepteur GPS modulaire de qualité cartographique, sous les canopées forestières du nord-est du Minnesota. Nous avons estimé la précision cumulative pour évaluer la relation entre la période de collecte et la précision. Les sites d'essai GPS couvraient une gamme de conditions de canopée. Nous avons comparé la précision entre les sites afin de déterminer l'influence de la fermeture du couvert sur la précision de la localisation. Enfin, nous avons comparé des méthodes post hoc pour évaluer la précision en fonction des caractéristiques des sites et des coordonnées GPS acquises. Le récepteur GNSS SXBlue II + a généralement fourni une précision de l'ordre du mètre ou inférieure au mètre, même sous le couvert forestier. La précision maximale a été atteinte après 10 à 30 minutes. La précision était plus faible sur les sites où le couvert forestier était plus dense. Dans les sites où la fermeture de la canopée était supérieure à 65 %, la précision maximale était réduite à 1,5 m. Un filtrage post hoc pour éliminer les valeurs aberrantes n'a pas permis d'améliorer la précision. Il y avait une relation forte et positive entre 50% CEP, une mesure de la précision de la localisation, et la précision, ce qui suggère que 50% CEP peut être utilisé pour l'évaluation de la précision a posteriori. Nos résultats suggèrent que le SXBlue II + GNSS offre une précision suffisante pour une large gamme d'applications, y compris celles qui nécessitent une mesure de la localisation GPS dans des conditions forestières.
Ce rapport et toutes les mises à jour futures peuvent être téléchargés à partir du site University of Minnesota Digital Conservancy (https://conservancy.umn.edu). Pour toute question relative aux rapports NRRI, contactez-nous à l'adresse nrrireports@umn.edu. Site web : http://www.nrri.umn.edu ©2018 par les Régents de l'Université du Minnesota
INTRODUCTION
Avec la disponibilité croissante des données LiDAR pour les applications forestières et fauniques, un positionnement géographique précis est essentiel pour s'assurer que les caractéristiques d'intérêt (par exemple, les emplacements des parcelles de terrain, les emplacements des animaux, etc.) peuvent être comparées directement avec les données LiDAR correspondantes ou les produits dérivés. Le chevauchement spatial est affecté à la fois par la précision du système de positionnement global (GPS) et par la précision horizontale des données LiDAR. La précision du GPS est généralement une source plus importante d'erreur de positionnement (White et al. 2013). Les données LiDAR ont souvent une précision horizontale d'un mètre. Les récepteurs GPS relativement bon marché destinés aux loisirs (également appelés récepteurs grand public) ont généralement une précision THE d'environ 9 mètres lorsqu'ils sont utilisés sous un couvert forestier fermé (Wing et Eklund 2007, Wing 2008).
Les récepteurs GPS de qualité topographique peuvent atteindre une précision de l'ordre du centimètre, mais leur coût est généralement prohibitif pour de nombreuses applications (Laes et al. 2011, White et al. 2013). Les lignes directrices relatives à la modélisation de l'inventaire forestier à l'aide du LiDAR recommandent généralement l'utilisation de récepteurs GPS de qualité cartographique capables d'obtenir des localisations avec une précision inférieure au mètre sous le couvert forestier (Laes et al. 2011). Les récepteurs de qualité cartographique coûtent moins cher que les récepteurs de qualité topographique, et ils permettent généralement d'obtenir une précision de l'ordre de 2 m à moins d'un mètre (White et al. 2013). Les récepteurs GPS modulaires de qualité cartographique désormais disponibles sont moins coûteux mais toujours aussi précis.
L'erreur de position du GPS est généralement causée par des interférences avec le signal émis par le satellite et reçu par l'appareil GPS. Étant donné que les satellites GPS se trouvent à environ 20 000 km au-dessus de la terre, il n'est pas surprenant que des interférences se produisent. Le couvert forestier fait obstacle au signal, en particulier en cas d'humidité (Johnson et Barton 2004, Edson et Wing 2012), et peut également réfléchir le signal et provoquer des interférences par trajets multiples dans lesquelles le récepteur a du mal à identifier le signal parmi le bruit (Wing 2008). Pour ces raisons, l'utilisation du GPS dans les environnements forestiers est souvent associée à une précision réduite. Une solution pour améliorer la précision consiste à utiliser la correction différentielle avec une station de base. Si une station de base est située à un endroit connu, l'erreur de position peut être calculée, bien que les stations de base ne soient généralement pas situées sous le couvert forestier. Si les mêmes satellites sont utilisés, l'erreur devrait être la même à l'endroit inconnu où se trouve l'unité GPS, et le résultat de cette correction différentielle est une plus grande précision. Les approches GPS différentielles comprennent à la fois la correction différentielle en temps réel, pour laquelle l'unité GPS reçoit des corrections en temps réel d'une station de base, et le post-traitement lorsque les corrections sont appliquées après l'acquisition des données GPS.
Une autre solution pour réduire les erreurs du GPS est l'utilisation de systèmes de renforcement basés sur l'espace (SBAS), tels que le Wide Area Augmentation System (WAAS) qui couvre l'Amérique centrale et l'Amérique du Nord. Le SBAS utilise un réseau de stations de référence au sol dont les emplacements sont connus et qui fournissent des informations à une station maîtresse qui calcule les corrections pouvant être appliquées sur une zone étendue. Le SBAS calcule des facteurs de correction distincts pour les différentes sources d'erreur (par exemple, les erreurs ionosphériques, les erreurs de synchronisation des satellites GPS, les erreurs d'orbite des satellites GPS) plutôt que de calculer l'effet total de ces facteurs. Les corrections sont diffusées par une constellation de satellites géostationnaires, ce qui permet d'utiliser le SBAS pour des corrections en temps réel sans avoir à communiquer avec une station de base GPS différentielle.
Nos objectifs étaient de tester la précision d'un récepteur GPS modulaire de qualité cartographique sous le couvert forestier dans le nord-est du Minnesota. Le récepteur GPS que nous avons testé est capable d'une précision GPS inférieure au mètre dans des conditions idéales, mais il n'a pas été testé dans des conditions de couvert forestier. Nous avons (1) évalué la relation entre la durée de la période de collecte des données et la précision, (2) identifié l'effet de la fermeture du couvert forestier sur la précision et (3) testé des méthodes post hoc potentielles pour évaluer la précision sur la base des caractéristiques du site ou des données GPS. Nos résultats sont spécifiques au récepteur et au logiciel que nous avons utilisés, mais ils pourraient logiquement être étendus à d'autres unités GPS dans des conditions similaires.
MÉTHODES
Essais sur le terrain
Nous avons testé la précision horizontale du récepteur SXBlue II + GNSS (Geneq Inc., Montréal, Québec, Canada), un récepteur compact du système mondial de navigation par satellite (GNSS). Dans des conditions idéales, avec une vue dégagée du ciel, le SXBlue II + GNSS devrait fournir une précision horizontale inférieure à un mètre 95 % du temps (Geneq Inc., 2014). Dans de nombreux endroits, la vue du ciel est obstruée par des arbres, des flancs de colline ou d'autres structures. Nous avons déterminé les précisions attendues lors de l'utilisation du récepteur SXBlue II sous le couvert forestier.
Le récepteur SXBlue II + GNSS utilise les corrections différentielles conventionnelles en temps réel obtenues à partir d'un système de renforcement spatial (SBAS) pour améliorer la précision de la position. L'unité SXBlue II + GNSS reçoit des informations de localisation des constellations de satellites GPS et GLONASS. L'utilisation des deux systèmes de satellites améliore la précision et réduit le risque qu'une mauvaise géométrie des satellites réduise la précision de la position en augmentant le nombre de satellites disponibles pour déterminer la position.
Le récepteur GNSS SXBlue II + est l'un des composants d'un système modulaire permettant de collecter des informations de localisation sur un site de terrain (Fig. 1). Les deux autres composants du système sont le matériel d'acquisition de données et le logiciel de collecte de données. De nombreux types d'ordinateurs peuvent être utilisés comme matériel d'acquisition, y compris les téléphones intelligents, les ordinateurs portables, les PDA et les tablettes. Il existe également des options pour les logiciels de collecte de données, notamment des applications mobiles gratuites, ArcGIS Collector et des logiciels compatibles avec Microsoft Windows. Le logiciel de collecte de données acquiert les données à partir de l'une des trois options de communication disponibles : (1) port Bluetooth (classe 1), (2) port USB (type B, port femelle) et (3) port série RS-232.
Figure 1. Composants du système que nous avons utilisé :
Nous avons utilisé une tablette (Samsung Galaxy Tab A) et des applications mobiles pour collecter des données de localisation sur les sites d'essai à l'aide du récepteur GNSS SXBlue II +. Nous avons utilisé l'application « GPS Bluetooth » (version 1.3.7, GG MobLab) pour établir une connexion Bluetooth entre le récepteur et la tablette, et l'application « GPSlogger » (version 91, Mendhak) pour collecter les informations de localisation. Les deux applications mobiles sont disponibles gratuitement sur Google Play. Nous avons paramétré le GPSlogger pour qu'il enregistre un point toutes les 2 secondes. Avec ce réglage, les points étaient en fait enregistrés toutes les 3 secondes. Nous n'avons pas pu analyser l'effet du nombre de satellites ou de la dilution des mesures de précision sur l'erreur de localisation car le GPSlogger ne stocke pas ces valeurs.
Nous avons effectué des tests stationnaires sur 9 marqueurs d'enquête géoréférencés (Fig. 2) d'octobre 2016 à novembre 2017. Nous avons obtenu des informations sur les repères topographique à partir du site Web Survey Explorer du comté de Saint-Louis (http://gis.stlouiscountymn.gov/gisviewers/surveyexplorer.aspx). Nous avons consulté les rapports sur les coins des sites potentiels et avons sélectionné les sites qui étaient géoréférencés avec des précisions horizontales déclarées ≤0,05 m. L'ensemble final de sites comprenait une gamme de conditions forestières, des sites ouverts et non boisés aux sites matures à canopée fermée.
Figure 2. Carte des sites d'essai GPS à des repères géoréférencés dans le comté de St. Louis, Minnesota.
Nous avons utilisé un protocole standard sur chaque site pour nous assurer que les données de localisation étaient collectées de manière cohérente. Le récepteur SXBlue II a été assemblé et mis en marche dans une zone offrant une vue dégagée du ciel (c.-à-d. sans végétation directement au-dessus de la tête). Nous avons gardé le récepteur et les antennes dans un endroit avec une vue dégagée du ciel jusqu'à ce que le récepteur indique qu'il avait atteint une position différentielle et qu'il avait obtenu un verrouillage SBAS (c.-à-d. que les voyants lumineux « DGPS “ et ” DIFF » étaient allumés). L'antenne SXBlue II a ensuite été fixée à un trépied et positionnée directement au-dessus du monument d'arpentage. Nous avons mesuré la hauteur de l'antenne au-dessus du sol pour tenir compte des variations de hauteur de l'antenne d'un site à l'autre. Une fois le récepteur en position au-dessus de la borne d'arpentage, nous l'avons laissé suivre les satellites et acquérir les corrections SBAS pendant 5 minutes avant de commencer à collecter les données de localisation. Nous avons collecté des données de localisation pendant au moins une heure sur chaque site (tableau 1). La durée moyenne du test était de 161 minutes (SE = 38, minimum = 60 min, maximum = 370 min).
Nous avons mesuré la fermeture de la canopée sur chaque monument étudié à l'aide d'un densitomètre convexe en utilisant la modification de Strickler (1959). La fermeture moyenne de la canopée sur les sites d'essai était de 57% (SE = 11% ; minimum = 0% ; maximum = 97%). Cinq des neuf sites d'essai présentaient une fermeture du couvert supérieure à 65 % (tableau 1). Nous avons également enregistré les conditions du site (type de couvert forestier, espèces d'arbres, âge ou taille relatifs, etc.) et les conditions météorologiques (couverture nuageuse, conditions de vent, etc.).
