不同坡位對(duì)GPS項(xiàng)圈定位性能的影響

溫惠 袁學(xué)林 曹引弟 任國(guó)鵬,4* 黃志旁,2,4* 肖文,2,3,4

（1 大理大學(xué)東喜瑪拉雅研究院，大理 671003）（2 國(guó)際生物多樣性與靈長(zhǎng)類保護(hù)中心，大理 671003）（3 大理大學(xué)三江并流區(qū)域生物多樣性保護(hù)與利用云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，大理 671003）（4 中國(guó)三江并流區(qū)域生物多樣性協(xié)同創(chuàng)新中心，大理 671003）

隨著全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)技術(shù)的發(fā)展，GPS 項(xiàng)圈已廣泛應(yīng)用于大中型野生動(dòng)物的行為監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理工作(Bowmanet al., 2000; Loarieet al., 2009; Wilsonet al., 2013;Hertelet al., 2019; Paganoet al., 2020)。給野生動(dòng)物佩戴GPS 項(xiàng)圈，可實(shí)時(shí)記錄其活動(dòng)位點(diǎn)，在野生動(dòng)物的棲息地選擇、活動(dòng)節(jié)律、家域和遷移擴(kuò)散等研究中發(fā)揮著重要作用(Johnsonet al., 1998;Rouyset al., 2001; Schmidet al., 2003; Sawyeret al., 2006; Osborneet al., 2006; Renet al., 2010;Hullet al., 2016；周世強(qiáng)等，2016；張晉東等，2019)。實(shí)際使用GPS 項(xiàng)圈時(shí)，由于各種因素的影響，GPS 項(xiàng)圈數(shù)據(jù)可能存在定位誤差(location er‐ror) 和定位數(shù)據(jù)缺失偏歧(fix rate bias) (D’Eonet al.,2002;Frairet al.,2004)。定位誤差指定位點(diǎn)與參照點(diǎn)(“真實(shí)位置”) 之間的距離。定位數(shù)據(jù)缺失偏歧指GPS 項(xiàng)圈在計(jì)劃的時(shí)間段內(nèi)，未能成功記錄到預(yù)期的定位數(shù)量。若不考慮這兩種誤差，對(duì)野生動(dòng)物的生態(tài)學(xué)研究如日活動(dòng)距離、棲息地選擇、家域范圍等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。因此，在使用GPS 項(xiàng)圈定位數(shù)據(jù)之前，應(yīng)先進(jìn)行定位性能評(píng)估(Dussaultet al., 1999; Swanlundet al., 2016;Vanceet al.,2017)。

植被覆蓋和地形條件是影響GPS 項(xiàng)圈定位性能的兩類主要環(huán)境因素。已有研究證實(shí)，植被蓋度越高，定位數(shù)據(jù)缺失偏歧越嚴(yán)重，而定位誤差也越大(Rempelet al., 1995; Moenet al., 1996; Di Orioet al., 2003; Cargneluttiet al., 2007; Campet al.,2016; Vanceet al., 2017)。比如Moen 等(1996) 發(fā)現(xiàn)，在成熟落葉闊葉林，冬季項(xiàng)圈定位成功率(fix success rate) 大于90%；但在夏季降低至60% ~70% (Bourgoinet al.,2009)。相比植被覆蓋，地形對(duì)GPS 項(xiàng)圈定位性能的影響，主要是因?yàn)樯絽^(qū)復(fù)雜的地形可能會(huì)阻礙GPS 項(xiàng)圈接受衛(wèi)星的信號(hào)(D’Eonet al., 2002; Cainet al., 2005; Swanlundetal.,2016)。一些研究認(rèn)為，地形對(duì)GPS項(xiàng)圈定位性能的影響甚微(Campet al., 2016)，這些研究主要集中在北美地勢(shì)較為平緩的地區(qū)。另一些研究則認(rèn)為，在崎嶇的山區(qū)，GPS項(xiàng)圈定位性能與坡度和海拔相關(guān)，坡度越小，海拔越高，定位性能越好，山脊的項(xiàng)圈性能優(yōu)于山谷(D’Eonet al.,2002;Frairet al., 2004; Zweifel-Schiellyet al., 2007)。但這些研究所在的山區(qū)海拔高差僅有幾百米。

地形是否對(duì)GPS 項(xiàng)圈性能產(chǎn)生影響，可能取決于山區(qū)地形的復(fù)雜程度。在高山峽谷地區(qū)，復(fù)雜地形是否會(huì)對(duì)GPS 項(xiàng)圈的定位性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響？本研究通過在中國(guó)西南高山峽谷區(qū)對(duì)比相同海拔不同坡位(山脊，山谷) 項(xiàng)圈的定位性能，來(lái)量化地形對(duì)GPS項(xiàng)圈的定位性能的影響。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

大理蒼山位于云南省大理白族自治州(北緯25°34′~26°00′，東經(jīng)99°55′~100°12′，圖1)，是橫斷山區(qū)云嶺山系的重要組成部分。蒼山海拔范圍從漾濞江河谷的1 560 m 升高到馬龍峰4 122 m，山體高大，溝谷切割險(xiǎn)峻(穆靜秋，2006)。森林植被呈現(xiàn)明顯的垂直分層，從低海拔到高海拔，植被類型主要包括云南松(Pinus yunnanensis)林、華山松(Pinus armandii) 林、云南鐵杉(Tsuga du‐mosa)、蒼山冷杉(Abies delavayi) 等(袁睿佳等，2008)。蒼山自然環(huán)境復(fù)雜多樣，森林覆蓋率為79.73%，為野生動(dòng)物提供了良好的棲息地(陳冰等，2017)。記錄有國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物云南紅豆杉(Taxus yunnanensis)、松口蘑(Tricholoma mat‐sutake)等10 種，國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物喜馬拉雅小熊貓(Ailurus fulgens)、中華鬣羚(Capricornis milneedwardsii)、亞洲黑熊(Ursus thibetanus) 等22 種(張羽等，2019)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

將項(xiàng)圈靜態(tài)放置于玉局峰、龍泉峰的山脊，黑龍溪、白鶴溪的山谷。為排除海拔和植被因素的影響，靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)都設(shè)置在海拔2 600 m 的華山松林(圖1)，將GPS 項(xiàng)圈固定在離地面1.5 m 的樹干上。受可達(dá)性影響，4 個(gè)山區(qū)靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)的海拔都略高于2 600 m(表1)。對(duì)照組放置于大理大學(xué)第三教學(xué)樓樓頂東南角，該位置既無(wú)植被，也無(wú)地形遮擋，稱為開闊地(open site)，以視為GPS 項(xiàng)圈在理想狀態(tài)下的定位性能。

圖1 研究區(qū)域及項(xiàng)圈靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)示意圖Fig. 1 Test points at Cangshan Mountain,Dali,Yunnan

表1 靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)圈測(cè)試時(shí)間Table 1 Test duration of the stationary points

GPS 項(xiàng)圈是杭州粵?？萍加邢薰旧a(chǎn)的太陽(yáng)能供電GSM YH-XQG0150 系列(http://www.zjy‐hkj.com/a/product/beast/)項(xiàng)圈。為排除設(shè)備差異的影響，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)同時(shí)放置兩個(gè)GPS 項(xiàng)圈。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)GPS 項(xiàng)圈按1 h 的間隔返回定位數(shù)據(jù)。從安放日次日凌晨(00: 00) 開始，連續(xù)收集31個(gè)全天數(shù)據(jù)(預(yù)期744條定位數(shù)據(jù))。安放于白鶴溪山谷的2 個(gè)項(xiàng)圈，因太陽(yáng)光照不足難以持續(xù)供電，僅返回17個(gè)全天數(shù)據(jù)(表1)。

為獲得5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的參考坐標(biāo)，使用智能手機(jī)(小米9)上的GPS 工具(南京未來(lái)鴻網(wǎng)絡(luò)科技有限公司)，在可用衛(wèi)星數(shù)大于15 顆且數(shù)值在3 min內(nèi)維持穩(wěn)定時(shí)，記錄獲取參考點(diǎn)地理坐標(biāo)及海拔。

1.3 數(shù)據(jù)分析

GPS項(xiàng)圈的定位性能通過定位成功率(Fix suc‐cess rate, FSR)、水平定位誤差(Horizontal location error, LE) 和水平定位精確度(Horizontal location precision,LP)來(lái)指示(公式1~5)。

FSR 指返回定位記錄數(shù)占期望返回記錄數(shù)的比例。

其中NS為返回定位記錄數(shù)，N 為期望返回定位記錄數(shù)。

項(xiàng)圈返回的定位記錄和測(cè)試點(diǎn)的參考坐標(biāo)都是地理坐標(biāo)(WGS1984 坐標(biāo)系統(tǒng))。在R Statistics軟件平臺(tái)下(R Core Team, 2020) 使用sf 包(Pebe‐sma,2018)，將這些地理坐標(biāo)投影為通用橫軸墨卡托坐標(biāo)(UTM WGS-1984 47N)。

LE指項(xiàng)圈定位點(diǎn)到參考點(diǎn)的歐氏距離。

其中XGPS和YGPS為項(xiàng)圈返回?cái)?shù)據(jù)的UTM 坐標(biāo)，XREF和YREF為測(cè)試點(diǎn)參考位置的UTM坐標(biāo)(單位：m)。

每個(gè)測(cè)試點(diǎn)GPS 項(xiàng)圈的LP，可分別計(jì)算定位點(diǎn)X 方向(東西方向)和Y 方向(南北方向)的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)來(lái)指示。

其中Xi和Yi為定位點(diǎn)的坐標(biāo)，Xmedian和Ymedian分別為全部定位點(diǎn)X 和Y 坐標(biāo)的中位數(shù)，n為定位點(diǎn)的總數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 地形條件對(duì)定位成功率的影響

GPS 項(xiàng)圈在兩個(gè)山谷的定位成功率(21.7%,21.9%) 低于在兩個(gè)山脊的定位成功率(29.2%,37.8%)，并顯著低于開闊地(79.2%)。三維定位率，開闊地測(cè)試點(diǎn)為75.5%，山脊測(cè)試點(diǎn)降低至24.6% 和36.0%，而山谷測(cè)試點(diǎn)僅為13.8% 和14.7%(圖2)。

圖2 不同坡位測(cè)試點(diǎn)的定位成功率Fig. 2 Fix success rate of test points at different topographic posi‐tions

2.2 地形條件對(duì)水平定位誤差的影響

GPS項(xiàng)圈在山谷的定位誤差大于山脊，并遠(yuǎn)大于開闊地(圖3)。在兩個(gè)山谷中，定位誤差的中位數(shù)(50%)分別為21 m和28 m，兩個(gè)山脊分別為13 m和20 m，而開闊地僅為5 m。在開闊地，90%的三維定位點(diǎn)定位誤差小于14 m，但在兩個(gè)山脊測(cè)試點(diǎn)，增至95 m和690 m，而山谷分別為843 m 和2 837 m。

圖3 不同地形下定位點(diǎn)的定位誤差比Fig. 3 Comparison of location errors of stationary points under different topographic conditions

2.3 地形條件對(duì)水平定位精度的影響

兩個(gè)山谷測(cè)試點(diǎn)的定位精度最低，分別為56.5 m (東西方向44.2 m，南北方向35.2 m) 和106.3 m(東西方向92.4 m，南北方向52.7 m)；山脊測(cè)試點(diǎn)定位精度略高，分別為21.6 m(東西方向15.8 m，南北方向14.8 m) 和40.9 m (東西方向29.3 m，南北方向28.5 m)；開闊地定位精度最高，為7.3 m(東西方向6.2 m，南北方向4.0 m)(圖4)。

圖4 靜態(tài)測(cè)試點(diǎn)在東西和南北方向上的定位精度Fig. 4 Horizontal precision in the east-west and north-south direc‐tions of stationary points

3 討論

3.1 地形對(duì)項(xiàng)圈定位性能的影響

很多研究認(rèn)為地形對(duì)GPS 項(xiàng)圈定位性能影響甚微 (Rempelet al., 1995; Moenet al., 1996;Dussaultet al.,1999;Campet al.,2016)，這可能與其研究地點(diǎn)地形起伏較小有關(guān)(Cainet al., 2005)。本研究中，GPS 項(xiàng)圈在山脊測(cè)試點(diǎn)的定位性能高于山谷測(cè)試點(diǎn)，但復(fù)雜山地環(huán)境(山脊和山谷) 測(cè)試點(diǎn)的定位性能顯著低于開闊地，這與D’Eon 等(2002) 發(fā)現(xiàn)GPS 項(xiàng)圈在山脊頂部的定位性能要優(yōu)于陡峭的谷底一致。

3.2 GPS項(xiàng)圈定位性能對(duì)相關(guān)研究的影響

GPS 項(xiàng)圈技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，極大方便了大型動(dòng)物的監(jiān)測(cè)和研究(Rempelet al., 1995; 張晉東等，2019; Foley and Sillero-Zubiri, 2020; Smithet al.,2021)。2003—2005 年，研究人員獲得38 只雪羊(Oreamnos americanus)在卡斯卡德山區(qū)的86 826個(gè)活動(dòng)位點(diǎn)，如果不是應(yīng)用GPS 項(xiàng)圈，這樣覆蓋整個(gè)卡斯卡德山的數(shù)據(jù)幾乎不可能獲得(Wellset al.,2011)。但分析雪羊的生境選擇時(shí)，需要對(duì)不同環(huán)境條件下定位數(shù)據(jù)缺失偏歧進(jìn)行校正(Wellset al.,2011)。與卡斯卡德山區(qū)類似，Vance 等(2017) 發(fā)現(xiàn)基于GPS 項(xiàng)圈跟蹤數(shù)據(jù)，歐洲馬鹿(Cervus ela‐phus)對(duì)平坦的高海拔區(qū)域利用頻率被高估，而對(duì)陡峭溝谷的利用頻率則被低估。因此，在野生動(dòng)物保護(hù)管理中，對(duì)GPS 項(xiàng)圈跟蹤數(shù)據(jù)的分析需要謹(jǐn)慎，否則可能會(huì)錯(cuò)誤地判斷野生動(dòng)物的生境偏好，進(jìn)而做出不當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)管理規(guī)劃(Vanceet al.,2017)。

水平定位誤差會(huì)對(duì)動(dòng)物日移動(dòng)距離和家域研究產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然開闊地90%的三維定位點(diǎn)水平誤差小于14 m，但山谷測(cè)試點(diǎn)，這個(gè)數(shù)值增加到2 837 m。非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的平均日活動(dòng)距離不到10 km(Chirchiret al.,2016)，例如神農(nóng)架川金絲猴(Rhinopithecus roxellana)日移動(dòng)距離320~3 110 m(李義明等，2016)；滇金絲猴(R. bi‐eti) 的平均日移動(dòng)距離不到3 000 m (Renet al.,2009；王浩然等，2021)。山谷中如此大的GPS 水平定位誤差，對(duì)于日移動(dòng)距離和家域研究的影響顯而易見。

本研究在蒼山同一海拔段的兩個(gè)山谷和兩個(gè)山脊對(duì)杭州粵?？萍脊镜腉SM 獸類項(xiàng)圈的定位性能做了靜態(tài)放置測(cè)試。放置在開闊地的GPS 項(xiàng)圈，在理想狀態(tài)下其定位率與其他研究結(jié)果相近，說明項(xiàng)圈型號(hào)對(duì)定位性能的影響較小。此外，在復(fù)雜地形中不同季節(jié)和不同樹冠層下，GPS 項(xiàng)圈的定位性能可能會(huì)有所差異(Unoet al., 2010;Swanepoelet al.,2010)，還需深入研究。實(shí)際應(yīng)用GPS 項(xiàng)圈時(shí)，動(dòng)物行為也會(huì)影響項(xiàng)圈的定位性能(Moenet al.,2001;Mattissonet al.,2010)。

通過本研究結(jié)果，我們建議在高山峽谷地區(qū)使用GPS 項(xiàng)圈監(jiān)測(cè)動(dòng)物位點(diǎn)時(shí)，需要先評(píng)估不同地形條件下的定位性能。進(jìn)行動(dòng)物家域行為研究時(shí)，建議篩除那些可能定位誤差較大的點(diǎn)。進(jìn)行動(dòng)物棲息地選擇研究時(shí)，應(yīng)考慮不同坡位定位成功率的差異，謹(jǐn)慎分析數(shù)據(jù)。

致謝：本項(xiàng)目獲得杭州粵海科技有限公司和云嶺滇金絲猴云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站(202105AM0 70008) 的支持，在此表示感謝。感謝大理大學(xué)東喜瑪拉雅研究院空間分析小組王建蝶、侯鑫磊、龍秀潔、戴其權(quán)等同學(xué)協(xié)助本研究的野外工作。