Seppo Rouvinen, Jari Varjo ja Kari T. Korhonen GPS ... · kana. Vaihteluvälin suuruus oli tavallisesti yhden tai kahden satelliitin luokkaa, mutta kahdella koe-alalla vaihteluväli

51

Rouvinen, Varjo & Korhonen GPS-paikannuksen tarkkuus metsässä

Metsätieteenaikakauskirja

t u t k i m u s a r t i k k e l i

Seppo Rouvinen, Jari Varjo ja Kari T. Korhonen

GPS-paikannuksen tarkkuusmetsässä

Rouvinen, S., Varjo, J. & Korhonen, K.T. 1999. GPS-paikannuksen tarkkuus metsässä.Metsätieteen aikakauskirja 1/1999: 51–63.

GPS (Global Positioning System) -paikannuksen tarkkuutta testattiin kahdessa eri aineistossa jakahdella eri laitteistolla. Kiteen aineistossa, joka käsitti 63 koealaa, käytettiin kahdeksankana-vaista vastaanotinta ja suuremmassa, VMI-aineistossa oli käytössä yksikanavainen vastaanotin.

Tulokset osoittavat, että käytettäessä differentiaalikorjausta päästään metsäoloissa tarkkoi-hin tuloksiin. Erot karttamittauksiin ovat muutaman metrin luokkaa 8-kanavaisella vastaanotti-mella, mutta huomattavasti suuremmat 1-kanavaisella vastaanottimella. Korjaussignaalia ja 8-kanavaista vastaanotinta käytettäessä saadaan sijaintitietoa, joka on riittävän tarkkaa esimerkik-si satelliittikuvatulkinnassa käytettäväksi. Tutkimuksen aineistoissa metsikön puulaji, puustonpituus, pohjapinta-ala tai muut puustotunnukset eivät vaikuttaneet paikannuksen tarkkuuteenmerkitsevästi. Ongelmia satelliittipaikannuksessa voi sen sijaan aiheuttaa se, ettei GPS-vastaan-otin saa signaalia riittävän monesta satelliitista kaikkialla metsässä.

Asiasanat: GPS, VMI, differentiaalikorjaus, satelliittipaikannus, metsikkökoealaYhteystiedot: Rouvinen, Joensuun yliopisto, metsätieteellinen tiedekunta, PL 111, 80101 Joen-suu; Varjo ja Korhonen, Metsäntutkimuslaitos, Helsingin tutkimuskeskus, Unioninkatu 40 A, 00170Helsinki. Puh. (013) 251 4402, sähköposti [email protected]äksytty 26.1.1999

Seppo Rouvinen

Jari Varjo

Kari T. Korhonen

52

Metsätieteen aikakauskirja 1/1999 Tutkimusartikkeli

1 Johdanto

Metsistä kerättävän tiedon käyttökelpoisuudenedellytyksenä on usein tiedon paikkasidon-

naisuus. Esimerkiksi kaukokartoitus- ja maastotie-tojen yhdistämiseen perustuvissa inventoinneissamaastotietojen tarkka paikantaminen on kuvatulkin-nan onnistumisen edellytys. Paikkaansidottua tie-toa voidaan hankkia monella eri tavalla, esimerkik-si kaukokuvatulkintana, maastotyönä tai muiden tie-tojärjestelmien tiedoista. Kun halutaan tarkkaa jaajantasaista tietoa, joudutaan usein turvautumaanmaastomittauksiin. Tällöin sijainnin tarkka selvit-täminen on hankalaa ja aikaavievää. Paikan (esimer-kiksi koealan) sijainti voidaan määritellä karttaa,kompassia ja mittanauhaa käyttäen. Kompassi jamittanauha voidaan korvata takymetrilla tai jolla-kin muulla tarkkuusmittauskojeella. Tarkka mittaa-minen perinteisillä menetelmillä on kuitenkin niinkallista, että sitä voidaan käyttää vain erityistapauk-sissa.

Halutun pisteen koordinaatit voidaan määrittää au-tomaattisesti nykyisin myös satelliittipaikannuksella(GPS). Yhdysvaltain puolustushallinnon 24 GPS-satelliittia kiertävät maapalloa ja lähettävät navi-gointisignaalia, jonka perusteella maassa olevaGPS-vastaanotin laskee oman sijaintinsa. Kaksiulot-teinen paikantaminen edellyttää samanaikaisesti sig-naalia vähintään kolmesta satelliitista ja kolmiulot-teinen paikannus vähintään neljästä satelliitista.Suomessa nämä ehdot täyttyvät lähes jatkuvasti ai-nakin avoimessa maastossa. Siksi GPS-paikannustarjoaa kiinnostavan mahdollisuuden tarkasti paik-kaansidotun metsätiedon tuottamiseen. Käytettävyy-den edellytyksenä kuitenkin on, että paikannus onmyös metsäoloissa riittävän tarkkaa ja että mittaus-laitteiston hankinta- ja käyttökustannukset eivät ylitäpaikannuksella saatavaa lisähyötyä.

GPS-paikannuksen tarkkuuteen vaikuttavat mo-net tekijät. Siviilikäyttöön tarkoitettua signaalia häi-ritään tahallisesti (S/A). Muita epätarkkuutta aihe-uttavia tekijöitä ovat satelliittien kello- ja ratavir-heet sekä vastaanottimen virheet. Lisäksi ilmake-hän muuttuvat ominaisuudet ja satelliittien keski-näinen sijainti taivaankannella (satelliittigeometria)vaikuttavat mittaustarkkuuteen. Satelliittien signaa-lit eivät läpäise kiinteitä esteitä (puut, rakennuksetjne.) vaan heijastuvat niistä. Tätä signaalin moni-

tieheijastusta (multipath effect) pidetään suurena,ellei suurimpana virhettä aiheuttavana tekijänä(Leick 1995). Tällä hetkellä ei ole olemassa mene-telmää oikean signaalin erottamiseksi heijastunees-ta. Pahimmassa tapauksessa kiinteät esteet estävätkokonaan signaalin tulon GPS-vastaanottimeen.Korjaamaton sijaintitieto on epätarkkaa: mittaustu-los on 95 %:n todennäköisyydellä alle 100 m:n pääs-sä oikeasta tuloksesta (Leick 1995). Paikannustavoidaan tarkentaa ns. differentiaalikorjauksella.Tällöin GPS-vastaanottimen antamaa sijaintitietoakorjataan jossakin koordinaateiltaan tarkasti tunne-tussa paikassa olevan kiinteän vastaanottimen avul-la. Differentiaalikorjatun sijaintitiedon virheen ole-tetaan olevan korkeintaan muutaman metrin luok-kaa riippuen laitteistosta ja olosuhteista.

Satelliittipaikannustekniikan kehittyminen onavaamassa monipuolisia mahdollisuuksia metsälli-siin sovelluksiin. USA:n metsähallinto (USDA Fo-rest Service) on listannut jo vuonna 1992 yli 130mahdollista GPS:n metsäsovellusta (Kruczynski jaJasumback 1993). Nykyisin GPS-tekniikkaa käy-tetään Suomessa laajemmassa mitassa puutavarankuljetuksen ohjauksessa sekä metsäkoneiden kart-tajärjestelmien osana. Metsätalouden muissa sovel-luksissa GPS:n käyttö on vielä vähäistä. Suomenvaltakunnan metsien 8. inventoinnissa GPS-laittei-ta on käytetty Pohjois-Suomessa suunnistuksen apu-välineenä sekä testattu koealojen paikannuksessa 9.inventoinnin alussa vuonna 1996. Metsävaratieto-jen ajantasaistuksen ja hakkuun suunnittelussa taitoteutuksessa GPS-paikannus saattaa tarjota uusiamahdollisuuksia (vrt. Holopainen ym. 1996, Hyp-pänen ym. 1996, Räsänen ym. 1997, Varjo 1997).

GPS:n käyttöä kuviorajojen määrittämisessä japinta-alojen laskennassa ovat tutkineet mm. Berg-ström ja Olsson (1993), Hellström ja Johansson(1993a,b), Johansson (1993), Hämäläinen ja Räsä-nen (1994), Liu ja Brantigan (1995), Hyppänen ym.(1996), Jasumback ja Chamberlain (1996) ja Här-könen ja Kumpare (1997). Erilaisissa metsissä GPS-signaalin saantia ovat tutkineet mm. Hämäläinen jaRäsänen (1994) ja D’Eon (1995). Hellström ja Jo-hansson (1993a) ovat verranneet pisteen mittaus-tarkkuutta avoimella istutusalueella ja hakkuukyp-sässä metsässä. GPS-paikannusta metsäautotiever-kon päivittämisessä ovat tutkineet Johansson jaGunnarsson (1994). Erilaisten mittauslaitteistojen

53


toimintaa ja tarkkuutta metsäolosuhteissa ovat tut-kineet mm. Jasumback (1996) ja Courteau ja Dar-che (1997). Metsäkoneissa GPS:n soveltamista ontutkinut mm. Thor ym. (1996).

Tässä työssä selvitetään GPS-laitteiden paikan-nustarkkuutta puustoisissa kohteissa metsän inven-toinnin sovelluksia silmällä pitäen. Käytettävät lait-teet ovat Trimble Pro XR ja Garmin GPS 45.

2 Aineisto ja menetelmät

2.1 Kiteen aineisto

Kiteeltä, Pohjois-Karjalasta, mitattiin syyskuunalussa vuonna 1997 yhteensä 63 koealaa erilaisistametsiköistä. Koealoista 24 oli männiköissä, 18 kuu-sikoissa, 14 koivikoissa ja 7 erilaisissa sekametsis-sä. Pohjois-eteläsuunnassa koealojen maksimietäi-syys oli noin 16,0 km ja itä-länsisuunnassa noin 7,1km. Koealojen jakautuminen eri pohjapinta-ala- ja

pituusluokkiin on esitetty kuvissa 1 ja 2. Koealojenoikeiden koordinaattien määrittämiseksi valittiintukipisteiksi kiinteistöjen rajapyykkejä ja pellonkul-mia tms. pisteitä, joille saatiin kartalta (mitta-kaava 1:10 000) koordinaatit melko tarkasti, sekäkahta kolmiomittauspistettä (P = 6884604,628 m,I = 4507708,421 m ja P = 6889493,775 m, I =4510625,416 m). Kustakin tukipisteestä siirryttiinmetsään 0–30 m, ja näin saatuun paikkaan sijoitet-tiin koealan keskipiste. Siirtyminen tehtiin siten, ettätulevasta koealan keskipisteestä oli näköyhteys tu-kipisteeseen. Ympäristöstään poikkeavia pienialai-sia kohtia (aukkoja ja tihentymiä) pyrittiin välttä-mään keskipistettä valittaessa. Koealakeskipisteensuunta tukipisteestä mitattiin bussolilla ja etäisyysForestor Vertex -etäisyysmittarilla. Koealalta mitat-tiin puuston pohjapinta-ala puulajeittain (mänty,kuusi, lehtipuut), keskipituus ja -läpimitta sekä lä-himmän puun etäisyys, läpimitta ja puulaji. Kaikkimittaukset tehtiin sateettomissa olosuhteissa ja pui-den ollessa lehdessä.

Kiteen GPS-mittaukset tehtiin kahdeksankanavai-

Kuva 1. Koealojen jakautuminen pohjapinta-alaluokkiin Kiteen aineistossa.

54


sella Trimble Pro XR -vastaanottimella, johon yh-distetyssä TDC2-maastotallentimessa oli Asset Sur-veyor -ohjelma (versio 3.12). Vastaanottimessa olisisäänrakennettu MSK-differentiaalikorjaussignaa-lin vastaanotin. Valmistaja ilmoittaa differentiaali-korjauksen jälkeen laitteen paikannustarkkuudeksi68 %:n todennäköisyydellä 75 cm + 1 ppm × tuki-aseman ja vastaanottimen välinen etäisyys (Trim-ble Pro... 1996) eli Kiteen aineistossa noin 85 cm.Differentiaalikorjauksen tekemiseen oli periaattees-sa kolme eri mahdollisuutta: 1) YLEn FOKUS-pal-velun RDS-korjaussignaali (reaaliaikainen), 2)MSK-korjaussignaali (reaaliaikainen) tai 3) korjausjälkikäteen. YLEn korjaussignaalia kokeiltiin, muttasen saanti havaittiin laitteen heikolla antennilla mit-tausalueella epävarmaksi. Jälkikäteen tehtävä kor-jaus olisi ollut mahdollista tehdä esim. Geodeetti-sen laitoksen Joensuun lähellä sijaitsevan kiinteänGPS-aseman keräämien tietojen perusteella (Olli-kainen ym. 1997). Tutkimuksessa valittiin kuiten-kin käytettäväksi Outokummun tukiasemalta saa-tava MSK-korjaussignaali, sillä sen avulla korjaus

saatiin reaaliaikaisesti ja signaalin saatavuus osoit-tautui tutkimusalueella hyväksi.

Vastaanottimen antennin korkeus oli 2,0 m maan-pinnasta. Mittauksissa käytettiin kolmiulotteistakartoitusta. PDOP-maksimiarvoksi (Positional Di-lution of Precision) asetettiin 20, SNR-maksimiar-voksi (Signal-to-Noise Ratio) 6 ja korkeusmaskiksi13°. PDOP-arvo kertoo satelliittigeometriasta: mitäpienempi ko. arvo on, sitä tarkemmin on mahdolli-suus saada pisteen koordinaatit. PDOP-arvoja alleneljän pidetään erinomaisina, neljästä kuuteen hy-vinä, kuudesta kahdeksaan melko hyvinä ja yli kah-deksan heikkoina. SNR-arvo on satelliittisignaalinvoimakkuuden tunnusluku: mitä suurempi ko. arvoon, sitä voimakkaampi signaali on. Heikko signaalikertoo usein heijastuksista. Korkeusmaski määrit-tää minimin horisontin ja satelliitin muodostamallekulmalle. Mittausajankohdat valittiin etukäteen si-ten, että vähintään viisi satelliittia olisi näkyvissäja PDOP-arvo olisi enintään kuusi.

Kiteen GPS-mittauksissa paikan koordinaatit otet-tiin 20 mittauksen keskiarvona mittausvälin ollessa

Kuva 2. Koealojen jakautuminen pituusluokkiin Kiteen aineistossa.

55


yksi sekunti. Jokaisesta havainnosta laitteisto tal-lensi koordinaattien lisäksi mm. jokaisessa erillises-sä mittauksessa käytettyjen satelliittien määrän jaPDOP-arvon.

GPS:llä mitattujen ja ”todellisten” sijaintien väli-set erot x-y-tasossa laskettiin Pythagoraan lauseel-la. ”Todelliset” sijainnit määritettiin kahdella eri ta-valla. Ensimmäisessä menetelmässä sijainnin mää-rityksen lähtökohdaksi otettiin tukipisteelle kartal-ta mitattu sijainti. Toisessa menetelmässä lähtökoh-tana käytettiin tukipisteelle GPS:llä mitattua sijain-tia. Tällä menettelyllä haluttiin poistaa karttamitta-uksessa mahdollisesti ollutta virhettä. Laitteen mit-taamaa z-koordinaattia ei käytetty tulosten analy-soinnissa.

2.2 Pohjois-Savon ja Keski-Suomenaineistot

Valtakunnan metsien 9. inventoinnin (VMI) yhtey-dessä Pohjois-Savon ja Keski-Suomen metsäkes-kuksien alueilla mitattiin koealojen sijainti perin-teisesti bussoliin ja mittanauhaan perustuen, minkälisäksi näin sijoitetut koealat paikannettiin GPS-lait-teella. Koealat sijoitetaan lohkolle aloittamalla mit-taus kartalla ja maastossa tarkasti paikannettavissaolevasta aloituspisteestä, josta siirrytään mittana-uhalla mittaamalla ja mahdollisuuksien mukaan esi-merkiksi raja- tai sähkölinjaa edeten tai kompassi-suuntaa käyttäen lohkolinjalle (ts. koealoja yhdis-

tävälle linjalle). Koealat sijoitetaan maastoon mit-taamalla lohkolinjaa kompassia käyttäen. Lohkolin-ja ja koealojen sijainti tarkistetaan aina sopivanmaastokohdan sattuessa linjan läheisyyteen ja mah-dollinen linjan mittausvirhe kirjataan ylös ja korja-taan seuraavalla koealavälillä (kuva 3).

GPS-laitteena Pohjois-Savon ja Keski-Suomenmittauksissa oli Garmin GPS 45 yksikanavainenlaite. Mittauksissa käytettiin YLEn FOKUS-palve-lun RDS-korjaussignaalia (10 m:n tarkkuus) ja GPS-mittaus toistettiin 5 kertaa jokaisella koealalla, jol-le saatiin RDS-signaali ja yhteys vähintään kolmeensatelliittiin. Paikannukseen käytettyjen satelliittienlukumäärä, PDOP ja VDOP (Vertical Dilution ofPrecision) tallennettiin muistiin jokaisesta paikan-nuksesta. Aineistosta poistettiin selvät mittausvir-heet, joissa perinteisen paikannuksen ja GPS-pai-kannukset eroksi tuli yli 200 m. Tällöin jäljelle jäi539 koealaa 184 VMI-lohkolla. VMI-aineistossa oliedustettuna kattavasti eri ikäluokat ja puulajivaltai-suudet.

3 Tulokset

3.1 Kiteen kolmiomittauspisteet

Ensimmäinen kolmiomittauspiste (P = 6884604,628m, I = 4507708,421 m) sijaitsi sekametsässä, jonkapuuston pohjapinta-ala oli 23 m2/ha ja keskipituus

Kuva 3. Koealojen sijainti Valtakunnan metsien 9. inventoinnin aineistos-sa Pohjois-Savossa ja Keski-Suomessa.

56


21,9 m. GPS-vastaanotin sai signaalia viidestä sa-telliitista ja PDOP-arvo oli 3,2. Poikkeama kolmio-mittauspisteelle Maanmittauslaitoksesta saaduistakoordinaateista oli 0,81 m. Sekä P- että I-koordi-naatit olivat GPS-mittauksessa pienempiä kuin oi-keat koordinaatit (erot: P 0,47 m ja I 0,66 m).

Toinen kolmiomittauspiste (P = 6889493,775 m,I = 4510625,416 m) sijaitsi pellon ja nuoren män-tymetsän (puuston pohjapinta-ala 24 m2/ha ja kes-kipituus 9,8 m) rajalla. Tässä pisteessä oli käytettä-vissä kuuden satelliitin signaalit ja PDOP-arvo oli4,6. Eroksi tuli tässä tapauksessa 0,73 m. Sekä P-että I-koordinaatit olivat suurempia kuin oikeatkoordinaatit (erot: P 0,44 m ja I 0,58 m).

3.2 Kiteen muut koealat

Varsinaisten koealojen mittauksissa satelliittienmäärä vaihteli neljästä kahdeksaan. Yksittäiselläkoealalla satelliittien määrä vaihteli mittausten ai-kana. Vaihteluvälin suuruus oli tavallisesti yhdentai kahden satelliitin luokkaa, mutta kahdella koe-alalla vaihteluväli oli neljä satelliittia. Yhteys sa-

Taulukko 1. Satelliittien määrä eri puulajien metsiköis-sä (Kiteen aineisto).

Satelliittien määrä

Keskiarvo Mediaani Minimi Maksimi Keskihajonta

Männikkö 6,05 6 4 8 1,08Kuusikko 5,14 5 4 7 0,77Koivikko 6,08 6 4 8 0,96Sekametsä 4,92 5 4 6 0,75

Kuva 4. Paikannuksessa käytössä olleiden satelliittien määrä eri puulajin metsiköissä Kiteenaineistossa. Pylväs osoittaa kuinka monessa mittauksessa tietty satelliittimäärä on ollut mu-kana ja pylvään päällä oleva luku on satelliittien määrän prosenttiosuus kaikista ko. puulajinmetsiköiden mittauksista.

Taulukko 2. PDOP-arvo eri puulajien metsiköissä (Ki-teen aineisto).

PDOP


Männikkö 3,12 2,72 2,00 5,73 0,86Kuusikko 4,85 4,22 2,00 8,75 2,12Koivikko 3,61 3,00 1,90 11,54 2,43Sekametsä 3,87 3,43 2,8 5,5 1,09

57


telliitteihin pysyi katkeamattomana koko 20 sekun-nin mittausajan 60:lla koealalla 63:sta. PDOP-arvooli yhdeksällä koealalla osan mittausajasta yli kah-deksan. Parhaiten yhteys satelliitteihin saatiin män-niköistä ja koivikoista ja heikoiten sekametsistä (tau-lukko 1, kuva 4). PDOP-arvot olivat alimpia (par-haita) männiköissä ja korkeimpia kuusikoissa (tau-lukko 2). Differentiaalikorjaussignaalin saanninkanssa ei ollut ongelmia missään metsiköissä.

Kartalta määritettyjen ja GPS:llä saatujen koor-dinaattien poikkeamien itseisarvojen keskiarvo oli4,74 m. Pienimmillään ero oli 0,22 m ja suurimmil-laan 15,96 m (taulukko 3). Eron itseisarvon P-kom-ponentin keskiarvo oli 3,15 m (mediaani 2,22 m) jaI-komponentin keskiarvo oli 3,06 m (mediaani 1,66m). Kun tukipisteen (rajapyykin tai pellonkulman)”todellisena” sijaintina käytettiin GPS:llä tukipis-teelle saatua arvoa, niin ero kartta- ja GPS-määri-tyksen välillä oli keskimäärin 1,75 m. Suurimmil-laan ero oli 8,14 m. Eron itseisarvon P-komponen-tin keskiarvo oli 1,46 m (mediaani 0,83 m) ja I-kom-ponentin keskiarvo oli 0,67 m (mediaani 0,56m).Koealojen jakautuminen eroluokkiin on esitetty ku-vissa 5 ja 6.

Eri puulajien metsiköissä erot vaihtelivat hieman.Kun vertailukohtana oli kartalta määritetty sijainti,niin suurimmat erot olivat keskimäärin kuusikoissaja pienimmät männiköissä (taulukko 3). Männiköis-sä ero oli kolmella koealalla yli 6 m (12,5 %:lla män-nikkökoealoista), koivikoissa neljällä (28,6 %) jakuusikoissa yhdeksällä (50 %) (kuva 5). Paikannus-virheen ja puustotunnusten välillä ei ollut kuiten-kaan tilastollisesti merkitsevää riippuvuutta (ks.myös kuva 7).

Kun tukipisteen sijainniksi otettiin GPS:llä saatusijainti, tulokset muuttuivat edellä esitetystä. Ensin-näkin poikkeamat olivat pienempiä (taulukko 3,kuva 6). Toiseksi kuusikon ja koivikon tulokset oli-vat keskimäärin tarkimmat, ja epätarkimmat tulok-set saatiin männiköistä ja sekametsistä. Erot eri puu-lajivaltaisuuksien välillä eivät kuitenkaan olleet ti-lastollisesti merkitseviä. Metsikön pohjapinta-alanja pituuden vaihtelulla ei ollut vaikutusta mittaus-tarkkuuteen (kuva 7).

3.3 VMI-mittaukset

VMI-koealojen paikannuksessa havaitut siirtymätkorjattiin koealojen koordinaatteihin ja koealoittai-set erotukset GPS-mittaustuloksiin laskettiin kaikilleviidelle samasta pisteestä tehdylle GPS-mittaukselle(taulukko 4). Ensimmäisestä GPS-paikannuksestaviidenteen mittaustarkkuus parani 3,9 m keskiarvonailmaistuna ja 3,1 m mediaanina ilmaistuna. Ilmeisestisyynä paranemiseen oli mittausajan piteneminen.

Toisessa vaihtoehdossa VMI-lohkon keskipistelaskettiin mediaanina lohkon koealojen GPS-pai-kannuksista ja näin saatua estimaattia verrattiin loh-kolle karttamittauksella saatuun keskipisteeseen(taulukko 5). Lohkon GPS-paikannuksen tarkkuusparani ensimmäisestä paikannuksesta viidenteen.

VMI-koealojen paikannukseen sisältyvän mah-dollisen virheen arvioimiseksi aineistosta poimittiinotos, johon hyväksyttiin vain sellaiset lohkot, joi-den aloituspiste oli mahdollisimman tarkasti paikan-nettavissa, esimerkiksi rajapyykki. Tällaisilta loh-koilta valittiin kolme aloituspistettä lähinnä olevaa

Taulukko 3. GPS:llä mitatun paikan sijainnin ero kartalta saatuun sijaintiin nähden.Suluissa olevat tulokset on laskettu käyttäen alkupisteen (pellonkulma tai rajapyyk-ki) koordinaattina GPS:llä saatua arvoa (Kiteen aineisto).

Ero, m


Männikkö 3,25 (1,93) 2,00 (1,44) 0,59 (0,00) 14,68 (8,14) 3,23(1,89)Kuusikko 6,35 (1,58) 5,81 (1,48) 1,92 (0,34) 12,62 (3,50) 3,52 (0,91)Koivikko 5,07 (1,57) 3,26 (0,93) 0,22 (0,08) 15,96 (6,48) 4,95 (1,64)Sekametsä 5,04 (1,98) 2,68 (1,14) 0,64 (0,00) 13,55 (6,87) 5,34 (2,44)

58


Kuva 5. Koealojen jakautuminen eroluokkiin, kun alkupisteinä on käytetty karttapisteitä (Kiteen aineisto).

Kuva 6. Koealojen jakautuminen eroluokkiin, kun alkupisteinä on käytetty GPS:llä mitattuja pisteitä (Kiteen aineisto).

59


Kuva 7. Eri puulajien metsiköiden virheet (erot) metsikön pohjapinta-alan ja pituuden suhteen Kiteen aineistossa.Neliöt kuvaavat eroja, kun alkupisteinä on käytetty karttapisteitä ja kolmiot eroja, kun alkupisteinä käytetty GPS:llämitattuja pisteitä. a) männikkö, b) kuusikko, c) koivikko ja d) sekametsä.

60


koealaa. Lisäksi vaadittiin, ettei aloituspisteen jalohkolinjan välillä tai lohkolinjalla ole mitään vai-keasti ylitettäviä maastokohtia kuten mäkiä tai kos-teikkoja, jotka voisivat aiheuttaa virhettä koealojenpaikannukseen. Tähän tarkasteluun kuului 171 koe-alaa. GPS-paikannuksen tarkkuus näillä koealoillaon esitetty taulukossa 6. Paikannustarkkuus oli pa-rempi kuin kaikki koealat käsittävässä aineistossa(taulukossa 4 esitetyt tulokset). Tulos viittaa siihen,että koealojen karttapaikannuksessa oli virhettä eri-tyisesti kaikki koealat käsittävässä aineistossa.

Paikannustarkkuutta (ts. ensimmäisen GPS-pai-kannuksen ja kartalta mitatun paikan eroa) suhtees-sa satelliittien määrään ja PDOP- ja VDOP-tunnuk-

siin arvioitiin korrelaation perusteella (taulukko 7).Mainitut satelliittitunnukset eivät ko. aineistossajuuri korreloineet paikannustarkkuuden kanssa.

4 Tarkastelu

Kiteen aineistolla saadut tulokset osoittavat, ettäTrimble Pro XR GPS-laitteisto on tarkkuutensa puo-lesta käyttökelpoinen myös metsäolosuhteissa. Lait-teiston paino ei ole este työskentelylle metsässä.Selkäreppuun kiinnitettävä antenni hankaloittaakuitenkin jonkin verran liikkumista erityisesti tihei-köissä. MSK-differentiaalikorjaussignaalin saantionnistui maasto-oloissa hyvin: vastaanotin sai poik-keuksetta korjaussignaalia, kun satelliitteja oli riit-tävästi mittauksiin.

Kiteeltä saadut tulokset osoittavat, että käytännös-sä vaadittava paikannustarkkuus täyttyy. GPS:llämääritettyjen ja kartalta mitattujen koordinaattienerojen itseisarvojen keskiarvo oli 4,74 m. Kun mah-dollista karttamittauksen virheellisyyttä poistetaankäyttämällä tukipisteen koordinaattina GPS:llä saa-tua koordinaattia, ero oli keskimäärin vain 1,75 m.Tämä jälkimmäinen tulos antanee liian positiivisenkuvan paikannuksen tarkkuudesta, sillä tukipisteenmäärityksen virheen poistaminen poistaa myösmuiden pisteiden määrityksen virhettä, jos virheetkorreloivat positiivisesti.

Tutkimuksessa saadut tulokset ovat samaa luokkaakuin Hellströmin ja Johanssonin (1993a) saama kes-kimääräinen ero (noin 4 m) (ks. myös Deckert jaBolstad 1996). Jasumback (1996) sai erilaisia GPS-

Taulukko 4. VMI-koealojen GPS-paikannuksen tulok-sen ero bussoli ja mittanauha -paikannustulokseen.

Mittaus 1 Mittaus 2 Mittaus 3 Mittaus 4 Mittaus 5

Keskiarvo, m 35,8 33,9 33,4 32,6 31,9Keskihajonta, m 39,4 39,0 38,8 38,6 38,5Mediaani, m 23,4 21,7 21,0 20,6 20,3

Taulukko 5. VMI-lohkon GPS-paikannuksen tarkkuusverrattuna karttamittauspaikannukseen.



Taulukko 6. GPS-paikannuksen ero VMI-koealojen pai-kannustulokseen lähellä aloituspistettä sijaitsevilla koe-aloilla.



Taulukko 7. Ensimmäisen GPS-paikannuksen ja kartal-ta mitatun paikannuksen eron korrelaatio PDOP- jaVDOP-tunnuksiin ja satelliittimäärään (VMI-aineisto, lä-hellä aloituspistettä sijaitsevat koealat).

Ero PDOP VDOP Satelliittien lkm

Ero 1 0,077 0,102 –0,037PDOP 1 0,549 –0,107VDOP 1 –0,500Satelliittien lkm 1

61


vastaanottimia Pohjois-Amerikan länsirannikollatestatessaan keskimääräiseksi eroksi 1,34–8,71 m(maksimi 2,16–19,58 m) laitteesta riippuen. Tutki-muksessa Trimble Pro XL oli tarkin laite; keskimää-räinen virhe 1,34 m tai 2,68 riippuen differentiaali-korjausohjelmasta latvuston ollessa kuiva. Jasum-backin (1996) tulokset on saatu mittaamalla 13 tark-kaan tunnettua pistettä metsissä, jotka eivät vastaaSuomen metsiä (esim. puiden rinnankorkeusläpimitta61–127 cm). Tämä tutkimus ja Jasumbackin (1996)tutkimus eivät ole suoraan vertailtavissa, mutta vir-heen suuruusluokkaa voidaan pitää samanlaisena.Jasumback (1996) on myös verrannut yhden laitteentarkkuutta latvuston ollessa joko kuiva tai märkä. Lat-vuston ollessa märkä keskimääräinen virhe oli 2–4kertaa suurempi kuin latvuston ollessa kuiva. Suurim-mat syyt eroon lienevät monitieheijastus ja eri SNR-asetukset (Jasumback 1996). Jasumbackin ja Cham-berlainin (1996) pinta-alan määrittämisen tarkkuuttakoskevassa tutkimuksessa (laitteisto Trimble Pro XL)ei saatu eroa märän ja kuivan latvuston tilanteelle,kun käytettiin samaa SNR-asetusta.

Kiteen aineistolla saatujen tulosten perusteellametsikön puulajilla, puuston pituudella, pohjapin-ta-alalla tai muilla puustotunnuksilla ei ole juurimerkitystä paikannuksen tarkkuuteen, jos saadaanyhteys tarpeeksi moneen satelliittiin. KuusikoissaGPS-paikannuksen tarkkuus on kuitenkin jonkinverran huonompi kuin muiden puulajien metsiköis-sä, mutta ero ei ole tilastollisesti merkitsevä. Ha-vaintojen vähyys on voinut vaikuttaa siihen, ettei-vät tilastolliset testit osoittaneet merkitsevää riip-puvuutta paikannuksen tarkkuuden ja puustotunnus-ten välillä. Tulokset tukevat ruotsalaisten Hellströ-min ja Johanssonin (1993a) esittämiä tuloksia, joi-den mukaan tarkkuus on metsäolosuhteissa hyvä,kun GPS-vastaanotin pystyy tekemään paikannuk-sen (ks. myös Courteau ja Darche 1997). Hämäläi-sen ja Räsäsen (1994) mukaan puuston tilavuus jarunkoluku eivät vaikuttaneet yhteyden saantiin vaanpaikannus onnistui varsin hyvin myös runsaspuus-toisissa kohdissa. Puustoltaan erittäin tiheän, vart-tuneen kasvatusmetsikön tapauksessa oli eniten on-gelmia. Hämäläisen ja Räsäsen tutkimuksessa eitarkasteltu paikannuksen tarkkuutta. Hyppänen ym.(1996) totesivat, että GPS:n toimivuus on melkohyvä männiköissä, mutta kuusivaltaisissa metsissäheikohko: varttunut männikkö ei juuri haitannut

paikannusta, tiheä nuori kuusikko sen sijaan estitehokkaasti paikannussignaalin saatavuuden. Tut-kimuksessa käytetty laite vastasi tässä tutkimuksessaKiteen aineiston mittauksessa käytettyä laitetta.Hyppänen ym. (1996) eivät tutkineet varsinaistapaikannuksen tarkkuutta metsäolosuhteissa. Molem-missa em. suomalaisissa tutkimuksissa paikannusoli dynaamista eli GPS-laitteisto mittasi kuljettaes-sa sijainnin tietyin väliajoin. Tulokset eivät ole si-ten vertailukelpoisia tämän tutkimuksen kanssa.Esimerkiksi monitieheijastus on merkittävämpi on-gelma dynaamisessa paikannuksessa kuin yhdenpisteen staattisessa paikannuksessa (Courteau jaDarche 1997). Tässä tutkimuksessa kahdeksanka-navaisen GPS-vastaanottimen paikannustarkkuusoli erinomainen puustosta riippumatta. Monitiehei-jastus ei ilmeisestikään ole häirinnyt paikannusta.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin laitteistojen tark-kuutta ainoastaan kaksiulotteisesti. Courteaun jaDarchen (1997) tutkimuksen tulokset osoittavat, ettävaikeissakin metsäolosuhteissa eri GPS-laitteidentarkkuus pysyy hyvänä x-y-tasossa. Virheet ovat sensijaan jopa kymmenkertaiset, jos tarkasteluun ote-taan mukaan korkeus (ts. tarkastellaan tilannetta kol-miulotteisesti). Tämä osoittaa, että viimeaikaisestavoimakkaasta teknologian kehityksestä huolimatta,on z-koordinaatin epätarkkuus yhä ongelma.

Valmistaja suosittelee (Trimble Phase... 1996),että paikannuksessa olisi käytössä vähintään viisisatelliittia. Tämä ehto toteutui Kiteen aineistossa 49koealalla. Samoin valmistaja suosittelee, että PDOP-arvo on enintään kuusi. Yli kuuden PDOP-arvojaoli 12 koealalla yhteensä 98 kpl. Kuitenkin vainkahden koealan tapauksessa arvo oli koko 20 se-kunnin mittausajan yli kuusi. Suuret PDOP-arvotliittyivät lähes poikkeuksetta pieniin satelliittimää-riin, mutta eivät kuitenkaan aina. Jos satelliittigeo-metria sattui mittaushetkellä olemaan suotuisa, niinneljällä satelliitilla päästiin pienempiin PDOP-ar-voihin kuin kuudella satelliitilla. Eri puulajin met-siköiden satelliittien määrän keskiarvo oli yli vii-den lukuunottamatta sekametsiä. Samoin PDOP-arvot pysyivät keskimäärin selvästi alle kuuden. Sa-telliittien määrät ja PDOP-arvot eivät vaikuttaneetpaikannustarkkuuteen Kiteen aineistossa. VMI-ai-neistossakaan ko. tunnukset eivät juuri korreloineetpaikannustarkkuuden kanssa.

Kiteen aineistossa mittauspisteet valittiin välttäen

62


pienialaisia tiheikköjä tai aukkoja metsikössä. Sa-moin tutkimuksessa ei mitattu koealoja, jotka olisi-vat sijoittuneet aivan mittauskelvottomiin paikkoi-hin. Tällaisia paikkoja olivat mm. isojen kuustenalaoksien peittämät alueet silloin, kun latvukset ulot-tuvat lähelle maanpintaa. Näin menetellen saatiinkaikille koealoille mitattua GPS:llä koordinaatit japystyttiin laskemaan paikannusvirheet.

Kiteen aineiston koealojen karttapaikantamiseenliittyi muutamia epävarmuustekijöitä, jotka voivatvaikuttaa tuloksiin. Tunnetun pisteen paikka oli vainyhdellä koealalla tarkka: yksi koeala mitattiin käyt-täen koealan keskipisteenä kolmiomittauspistettä.Neljän koealan paikat oli määritetty käyttäen kol-miomittauspistettä tukipisteenä. Muiden koealojenpaikat olivat joko rajapyykin kohdalla tai mitatullaetäisyydellä ja suunnalla rajapyykistä tai pellonkul-masta. Näillä koealoilla kartalta määritettyyn ”to-delliseen” sijaintiin aiheutuu virhettä siitä, että ra-japyykkien tarkkaa sijaintia ei ole saatavissa (sijain-nit oli digitoitu 1:10 000 mittakaavaiselta kartalta).Pellon nurkat taas ovat maastossa monesti epämää-räisemmän muotoisia kuin kartassa. Lisäksi virhet-tä aiheutuu suunnan ja etäisyyden mittauksesta.

Kiteen tutkimusaineisto pyrittiin saamaan resurs-sien puitteissa mahdollisimman kattavaksi. Kuiten-kin 63 koealaa on varsin vähän tällaiseen tutkimuk-seen. Aineistosta jäi puuttumaan puuston pituusluo-kan 10–15 m metsiköt, samoin puustoltaan alle 5m:n pituiset metsiköt. Männyllä muita pituusluok-kia oli kohtuullisesti, mutta kuuselta puuttui koko-naan 18–25 m:n metsiköt ja koivulta 20–30 m:nmetsiköt. Ko. pituusluokkien puuttuminen tuskinkuitenkaan vaikuttaa johtopäätöksiin. Sekametsiä olimäärällisesti vähän, joten niistä saaduista tuloksis-ta ei voi tehdä pitkälle meneviä johtopäätöksiä.

Valtakunnan metsien inventoinnin koealoilla saa-tujen tulosten mukaan GPS-paikannus on selkeästihuonompi kuin Kiteen aineistolla saatujen tulostenmukaan. Aineistojen keruussa oli seuraavia eroja:

1.VMI:n koealat sijaitsivat maantieteellisesti laajem-malla alueella ja vaihtelevammissa olosuhteissa.

2.VMI:n mittauksissa paikannuslaitteena oli yksika-navainen Garmin GPS 45 ja Kiteen aineiston mit-tauksessa 8-kanavainen Trimble Pro XR.

3.Kiteen mittauksissa käytettiin MSK-signaaliin perus-tuvaa differentiaalikorjausta, VMI-mittauksissaYLEn FOKUS-palvelun RDS-signaalia.

4.Vertailupisteiden koordinaattien tarkkuus mittausme-netelmän vuoksi on ollut heikompaa VMI:ssa kuinKiteellä.

Kiteen aineistossa voitiin aineiston pienuuden ansi-osta keskittyä lähellä luotettavia tukipisteitä sijaitse-viin koealoihin. VMI-aineistossa tukipisteiden laa-tu oli vaihtelevampi ja koealojen etäisyys tukipis-teistä suurempi. Koealojen paikannus maastossamittanauhan ja kompassin avulla on epäilemättä ai-heutunut virhettä oikeana pidettyyn kartalta mitat-tuun sijaintiin. Rajaamalla VMI-aineistoa lähelläluotettavia tukipisteitä sijaitseviin koealoihin GPS:nluotettavuus näytti jonkin verran paremmalta, mut-ta poikkeamat olivat edelleen merkittävästi suurem-pia kuin Kiteen aineistossa. On huomattava kuiten-kin, että rajatussakin VMI-aineistossa koealojenetäisyys tukipisteestä oli selvästi suurempi (jopa 600m) kuin Kiteen aineistossa (maksimissaan 30 m).

Kiteen mittauksissa käytetyn MSK-signaaliin pe-rustuvan differentiaalikorjauksen pitäisi Trimblenmyyjän antamien tietojen mukaan antaa paikannus-ten virheeksi hyvissä olosuhteissa korkeintaan 1 m.VMI-mittauksissa käytetty YLEn RDS-signaaliinperustuvan korjauksen tarkkuudeksi on luvattu noin10 m. FOKUS-palvelusta on saatavilla myös 2 m:ntarkkuutta lupaava korjaussignaali.

Valtakunnan metsien inventoinnissa koealojensijainnin tarkalla tuntemisella on suuri merkitysetenkin silloin, kun koealatietoa käytetään satelliit-tikuvien tulkinnan tukiaineistona. Tässä tutkimuk-sessa käytetyllä Garmin GPS 45 -laitteella ja 10 m:ntarkkuuden RDS-korjaussignaalilla ei päästy riittä-vään paikannustarkkuuteen. Toisella laitteistoko-koonpanolla, Trimble Pro XR ja 1 m:n tarkkuudenMSK-korjaussignaalilla, saatu sijaintitieto sen sijaanoli riittävän tarkkaa esimerkiksi satelliittikuvatul-kinnassa käytettäväksi. Tulosten perusteella näyt-tää siltä, että metsäoloissa ei yksikanavaisella GPS-laitteella päästä ainakaan kaukokartoitussovelluk-sia ajatellen riittävään paikannustarkkuuteen.

63


KirjallisuusBergström, J. & Olsson, H. 1993. Praktiska erfarenheter

av GPS-mätning för beståndsavgränsning. SwedishUniversity of Agricultural Sciences, Remote SensingLaboratory, Arbetsrapport 1: 1–13.

Courteau, J. & Darche, M.-H. 1997. A comparison ofseven GPS units under forest conditions. Forest Engi-neering Research Institute of Canada, Special ReportSR-120. 32 s.

D’Eon, S. 1995. Accuracy and signal reception of a hand-held Global Positioning System (GPS) receiver. TheForestry Chronicle 71(2): 192–196.

Deckert, C. & Bolstad, P.V. 1996. Terrain and canopyinfluence on code-phase GPS position accuracy. Jul-kaisussa: Heit, M., Parker, H.D. & Shortreid, A.(toim.). GIS applications in natural resources 2. GISWorld, Inc. s. 241–250.

Hellström, C. & Johansson, S. 1993a. Exakta positioneroch arealer med GPS. SkogForsk Resultat 13/1993.

— 1993b. Var går gränsen? –Arealbestämning av slut-avverkningsbestånd med GPS-teknik. SkogForsk Re-sultat 14/1993.

Holopainen, M., Hyppänen, H. & Pasanen, K. 1996. GPS-paikannus ja metsäsovellukset. Metsänhoitaja 2/1996:23–26.

Hyppänen, H., Pasanen, K. & Saramäki, J. 1996. Pääte-hakkuiden kuviorajojen päivitystarkkuus. Folia Fores-talia – Metsätieteen aikakauskirja 1996(4): 321–335.

Hämäläinen, J. & Räsänen, T. 1994. GPS-paikannusmetsäolosuhteissa. Metsätehon katsaus 5/1994.

Härkönen, E. & Kumpare, T. 1997. GPS-paikantimenhyödyntäminen vaatii harjaantumista. Metsähallitus,Kehittämisyksikön tiedote 8/1997.

Jasumback, T. 1996. GPS evaluation: West Coast test site.USDA Forest Service, Missoula Technology and De-velopment Center, Missoula.

— & Chamberlain, K. 1996. GPS traverse methods.USDA Forest Service, Missoula Technology and De-velopment Center, Missoula.

Johansson, S. 1993. GPS i återväxtplaneringen. Skog-Forsk Resultat 6/1993.

— & Gunnarsson, P. 1994. GPS och GIS för inventeringoch àjourhållning av vägnätet. SkogForsk Resultat 2/1994.

Kruczynski, L.R. & Jasumback, A. 1993. Forestry ma-nagement applications. Forest Service experienceswith GPS. Journal of Forestry 91(8): 20–24.

Leick, A. 1995. GPS satellite surveying. Wiley, NewYork. 560 s.

Liu, C.J. & Brantigan, R. 1995. Using differential GPSfor forest traverse surveys. Canadian Journal of Fo-rest Research 25: 1795–1805.

Ollikainen, M., Koivula, H., Poutanen, M. & Chen, R.1997. Suomen kiinteiden GPS-asemien verkko. Geo-deettinen laitos, Tiedote 16. 36 s.

Räsänen, T., Lukkarinen, E. & Vuorenpää, T. 1997. Paik-katietotekniikka puunhankinnassa ja metsänhoidossa.Metsätehon raportti 17. 31.1.1997. 23 s.

Thor, M., Eriksson, I. & Mattsson, S. 1996. Automatiskdatainsamling i maskinen. För förarstöd och uppfölj-ning. SkogForsk Resultat 19/1996.

Trimble Phase Processor. Software user guide. 1996.Trimble Pro XR. Receiver manual. 1996.Varjo, J. 1997. Change detection and controlling forest

information using multi-temporal Landsat TM ima-gery. Acta Forestalia Fennica 258. 64 s.

23 viitettä

Documents

Seppo Rouvinen, Jari Varjo ja Kari T. Korhonen GPS ... · kana. Vaihteluvälin suuruus oli tavallisesti yhden tai kahden satelliitin luokkaa, mutta kahdella koe-alalla vaihteluväli