Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Skogsbruket på det norska Västlandet har behov av nya och mer rationella metoder och hjälpmedel
för bland annat vägbyggnad och planläggning. GPS är ett satellitbaserat navigationssystem som
förväntas ha goda förutsättningar för att underlätta dessa verksamheter. Då GPS-signalerna påverkas
av hindrande topografi och vegetation är förhållandena på Västlandet, med stor höjdvariation och tät
skog, mycket svåra. Följdaktligen är det angeläget att få en uppfattning om vilka faktorer som
påverkar resultatet, hur tillförlitlig en beräknad GPS-koordinat kan förväntas vara, samt vilka
möjligheter som fmns för att bedöma denna tillförlitlighet.
I denna studie undersöktes vilka möjligheter som finns för att (l) på förhand, (2) i fält och (3) i
efterhand kunna bedöma tillförlitligheten till en beräknad GPS-koordinat. Undersökningen omfattade
även att undersöka vilka faktorer som påverkar noggrannheten vid positionsbestämmande av punkter
i skog med differentiell GPS. Analysen utfördes huvudsakligen av koordinaterna i markplan, men
även höjdkomponenten undersöktes. Försöket baserades på 42 försökspunkter med kända
koordinater. Dessa försökspunkter representerade olika kombinationer av skogliga faktorer med
avseende på grundyta, medelhöjd, stamantal och de egenkonstruerade variablerna "hinderfaktor" och
"hinderfaktor-syd". Dessa hinderfaktorer uttryckte hur stor del av synfältet som skyms av de
närmaste träden i åtta respektive fem riktningar, där "hinderfaktor" avser hela synfältet medan
"hinderfaktor-syd" avser den sydvända delen av synfältet.
GPS-utrustningen i testet var en relativt billig (ca 30 000 kr) och enkel handhållen GPS-mottagare av
typen Magelian Pro MarkX-CM. Denna mottagare är en en-frekvent, tio-kanals kod- och bärvåg­
mottagare med processeringsoption för kombinationslösningar av kod- och bärvåg-lösningar.
Utrustningen ger under tiden för mätningen via displayen sk. creditmarks som är en indikator på hur
tillförlitlig en beräknad koordinat kan förväntas vara. GPS-koordinater beräknades i varje
försökspunkt för 2-, 5-, 10- och 20-minuters observationsperioder.
Resultatet av undersökningen visade att GPS-koordinaternas noggrannhet främst påverkades av
vilken typ av lösning (kod- eller kombinations-lösning) som uppnåtts, vilket i sin tur påverkades av
observationstid, grundyta, antal "creditmarks" och andelen skymd sikt enligt "Hinderfaktor-syd"­
definitionen. De starkaste indikatorerna på en lösnings tillförlitlighet var lösningstypen samt a priori
standardavvikelsen för lösningen. A priori standardavvikelsen är den standardavikelse progr
ammet
(Magellan Mstar) beräknar vid efterkorrigeringen. Den genomsnittliga avvikelsen från
referenskoordinat var över alla observationer i markplan 2.5 m och i höjd 4 m. Spännvidden för den
absoluta avvikelsen var i markplan 0.0-24.3 m och i höjd 0.0-38.6 m. Alla observationer med mer än
643 creditmarks hade en avvikelse från referens mindre än 5 m och den tydligaste gränsen för en
koordinats tillförlitlighet gick vid ca 500 creditmarks då avvikelsen sjönk från 3.5 m till ca. l m. De
statistiska analyserna i detta arbete visar att observationstid och grundyta hade störst påverkan på
förhandsbedömningen av tillförlitligheten. I fält var "hinderfaktor-syd", antal creditmarks,
observationstid och grundyta de variabler som gav starkast indikation på hur tillförlitlig en GPS­
mätning kan förväntas vara. I den slutgiltiga modellen för slutbedömning av beräknade koordinaters
tillförlitlighet inkluderades lösningstypen, standardavvikelse (GPS-koordinatens a priori
standardavvikelse, beräknad av programmet vid efterprocesseringen), grundyta och PDOP.
Förklaringsgraden (R2) för denna fulla modell var 0.55. Lösningstypen och a priori
standardavvikelsen var de enskilda variabler som var de i särklass starkaste indikatorerna på en GPS­
koordinats tillförlitlighet.
Studien visar att noggrannheten vid GPS-mätningar i skog påverkas av många faktorer och att det
inte finns några helt säkra metoder att bedöma tillförlitligheten. Tidsplanering utifrån satellitkonstellation, förlängning av observationsperioden, att undvika mätningar i punkter med hög
grundyta och stor "hinderfaktor-syd", samt att alltid utföra mätningar till dess minst 500 creditmarks
erhållits är dock åtgärder som kan höja tillförlitligheten väsentligt. Dessutom kan man i efterhand då
koordinaterna processerats se på lösningstypen och standardavvikelsen (a priori) för att göra en
slutgiltig bedömning av noggrannheten. Avslutningsvis konstateras att med kunskap om de
påverkande faktorerna samt praktisk erfarenhet av arbete med GPS kan detta system bli ett värdefullt
hjälpmedel i den skogliga planeringen.

Forestry in western Norway is in great need for more rational methods and tools for road- and
forestry planning. GPS is a navigation system that is expected to be a useful tool in the future for
these activities.
This study investigated what factors affect positional accuracy with post-processed differential GPS.
The study also airned to fmd what factors that could be used to prediet the accuracy before and
during measurements and to evaluate the accuracy after the post-processing. The analysis was airned
primarily at the X- and Y- coordinate components (northing-easting), but also to a limited degree at
the Z-component (height above sea level). Forty-two control points with known coordinates were
used as a basis for the analysis. These points represented different combinations of such key forestry
measures as basal area, average height and stem density. Two other measures were also examined.
The
se were called: l) obstruction facto r and 2) obstruction facto r south. These factors expressed
how much of the total view area that was shadowed by the nearest trees in eight (N-NW-W-SW-S­
SE-E-NE) respective five sectors (W-SW-S-SE-E).
The GPS receiver used in the test was a relativelysimple and low-cost (Magellan Pro Mark X-CP,
SEK 30 000). The receiver had options for Pseudorange-, Carrierphase- and combination-solutions,
so called sub-meter solutions. The receiver displayed creditmarks during all measurements, which
are an indicator of the measurement accuracy.
The results showed that the point-accuracy was mainly depending on what kind of solution the
receiver was able to calculate. The type of solution calculated depended on length of observation
period, basal area, number of creditmarks and degree of view obstruction (according to the
obstruction factor south). The strongest indicators of accuracy were the type of solution and the a
priori standard deviation of the solution (calculated by the post-processing software).
The average absolute distance from the reference coordinate for the GPS-data was 2.5 meters in X/Y
directions and 4.0 meters in Z direction. These values has ranges of 0-24 and 0-38 meters,
respectively. The statistical analysis implied that the observation period and basal area where the best
predietors for accuracy before the measurements had been made. During the measurements the best
predietors were the number of creditmarks and the degree of view obstruction ( obstruction factor
south) together with length of observation period and basal area. At the office, when the post­
processing had been done, the a priori standard deviation, type of solution, basal area and PDOP
were found to be the strongest indicators for accuracy
The study showed that GPS-accuracy is affected by many factors, and that there are no guaranteed
methods to estimate the accuracy. Planning with consideration to satellite-configuration and PDOP,
a lo
ng observation period (>l 0-15min), avoiding areas with high levels of basal area and vie
w
obstruction ( obstruction factor south) and always doing measurements with at least 500 creditmarks
are ways to improve the accuracy.