METSÄTEHO S/ 1994 GPS-PAIKANNUS METSÄOLOSUHTEISSA Jarmo Hämäläinen Tapio Räsänen Tutkimul?.sessa selvitettiin satelliitteihin perustuvan paikannusjärjestelmän käyttömahdollisuuksia metsätalouden tarpeita silmällä pitäen. Paikannussignaalien vastaanotto kävi varsin hyvin päinsä myös metsäolosuhteissa, runsaspuustoisissakin metsissä. GPS-paikannusta voidaan käyttää esimerkiksi erilaisten käsittelykuvioiden rajauksessa, pinta-alojen mittauksessa, pistemäisessä sijainnin määrityksessä esim. koealojen mittauksen yhteydessä sekä suunnistuksessa. GPS:n tarkoituksenmukainen soveltaminen edellyttää yleensä paikkatietojärjestelmää, jossa sijaintitietoa voidaan jatkokäsitellä ja hyödyntää muiden ominaisuustietoj en kanssa. Jotta sijaintitieto saataisiin riittävällä tarkkuudella, on yleensä tarpeen käyttää tukiasemaan perustuvaa differentiaalipaikannusta. Maastokäyttöön soveltuvat paikannusvastaanottimet ovat vielä varsin kalliita, hinnaltaan kymmeniä tuhansia markkoj a. Erillistä vastaanotinta olennaisesti halvempia paikannuskortteja on kuitenkin jo saatavissa. Kortit voidaan liittää mm. maastotiedon keruussa ja analysoinnissa käytettäviin käsitietokoneisiin. ~ METSÄTEOLLISUUS
JOHDANTO Global Positioning System (GPS) on Yhdysvaltain puolustusministeriön rakentama ja ylläpitämä paikannusjärjestelmä, jonka avulla voidaan periaatteessa määrittää minkä tahansa pisteen sijainti maapallolla. Järjestelmä perustuu satelliittien lähettämiin paikannussignaaleihin, joiden vastaanotto ja sijainnin laskenta tapahtuvat ns. paikannuslaitteiden avulla. 2-ulotteinen paikannus edellyttää samanaikaista yhteyttä vähintään kolmeen satelliittiin ja -ulotteinen paikannus, joka käsittää myös korkeuslukeman määrityksen, vähintään ~eljään satelliittiin. Järjestelmän tarkkuuden ilmoitetaan olevan yksittäisvastaanotinta käytettäessä 20-0 mja tunnetussa pisteessä olevaa tukiasemaa (ns. differentiaalipaikannus) käytettäessä 1-5 m. Maanmittaustarkoituksiin rakennetuilla huippulaitteilla päästään jopa muutamien senttimetrien tarkkuuksiin. USA:n puolustusministeriö on katsonut aiheelliseksi rajoittaa strategisista syistä järjestelmän käyttöä huonontamalla järjestelmän tark_kuutta ns. häirintäkoodin avulla. Se aiheuttaa yksittäisvastaanotinta käytettäessä noin 100 m :n sijaintivirheen, mutta ei vaikuta differentiaalipaikannuksen tarkkuuteen. Järjestelmän käyttö on ainakin toistaiseksi maksutonta, ja sen soveltaminen eri tarkoituksiin on laajenemassa kovaa vauhtia. Metsätehossa selvitettiin ensimmäisen kerran GPS-järjestelmän soveltamismahdollisuuksia metsätalouden tarpeisiin syksyllä 1990. Tuolloinjärjestelmän rakentaminen oli vielä puolitiessä, ja paikannusta voitiin tehdä vain muutaman tunnin ajan vuorokaudessa. Yhteyden saanti metsäolosuhteissa oli sangen epävarmaa (Metsätehon katsaus 20/ 1990). Tutkimusta jatkettiin vuosina 1992 ja 199. Syksyllä 1992 paikannusjärjestelmään kuuluvasta 24 satelliitista 19 oli lähetetty radalleen, ja syksyllä 199 järjestelmä oli kokonaan valmis. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää GPS-paikannuksen soveltamismahdollisuuksia metsäolosuhteissa. Tutkimuksen pääkysymykset olivat: - miten GPS-paikannus onnistuu metsäolosuhteissa - miten GPS-vastaanottimen kanavien määrä vaikuttaa yhteyden saantiin - mikä on GPS:n paikannustarkkuus ilman tukiasemaa ja tukiaseman kanssa toimittaessa. Maastokokeilut toteutettiin seuraavanlaisilla kohteilla: 2 aukeaa uudistusalaa taimikkoa 1 nuori kasvatusmetsikkö 4 varttunutta kasvatusmetsikköä uudistuskypsää metsikköä 2 siemenpuualaa. Kohteilta mitattiin koealoja, joilta määritettiin paikannuksen onnistuminen ja laatu, puustotunnukset sekä osalta kohteista myös kasvupaikkatunnukset. Lisäksi kokeiltiin erilaisten käsittelyalueiden rajausta ja pinta-alan mittausta GPS:n avulla. Liikkuvan ajoneuvon paikannusta kokeiltiin tiejaksolla, johon kuului kapeaa metsäautotietä ja maantietä. Paikannustarkkuutta kokeiltiin maanmittaushallituksen Lopella sijaitsevalla kiintopisteellä. Kiintopisteeltä mitattiin peräkkäisiä paikannushavaintoja muutaman minuutin jaksoissa. Tutkimuksessa käytettiin Trimble N avigationin valmistamia paikannuslaitteita. Maastokäytössä olivat - ja -kanavaiset Pathfinder-vastaanottimet (syksyllä 199 vain -kanavainen laite) ja r eferenssiasemana Pathfinder Community Base Station -laitteisto. Vastaanottimen kanavien määrä vaikuttaa siihen, kuinka moneen satelliittiin voidaan pitää samanaikaisesti yhteyttä. Monikanavaisten laitteiden on arveltu tuovan etua nimenomaan peitteisissä olosuhteissa, koska vastaanotin voi paremmin pitää yhteyttä paikannuksen kannalta edullisimpiin satelliitteihin. Kokeilussa käytettyjen vastaanottimien nykyiset hinnat ovat ohjelmistoineen ja tarvittavine varusteineen noin 55 000 mk. Tulosten laskennassa käytettiin Pathfinder-ohjelmistoa. Geostar Oy lainasi kokeilua varten muut laitteet ja ohjelmistot paitsi -kanavaisen vastaanottimen, joka saatiin lainaksi Metsäntutkimuslaitokselta. Geostar Oy keräsi differentiaalipaikannuksen edellyttämän referenssiaineiston ja teki tarvittavat korjauslaskelmat. Vuoden 1992 aineisto kerättiin lokakuussa. Aineiston keruuaikana satelliitteja oli käytettävissä 5-8 kpl vuorokauden ajan mukaan, eli kokeiluedellytykset olivat siltä osin varsin hyvät. TUTKIMUSMENETELMÄ JA -AINEISTO Vuoden 199 aineisto kerättiin syyskuun lopussa. Kokeilun aikana satelliitteja oli käytettävissä 5-9 kpl (kuva 1). Paikannusta kokeiltiin yhteensä 18 erilaisella maastokohteella. Aineisto kerättiin Yhtyneet Paperitehtaat Oy:n mailta Karkkilan seudulta. Paikannustarkkuutta huonontava häirintäsignaali oli molempien kokeilujen aikana päällä. 2
Satelliittien lukumäärä 9 8 7 5 4 2 0 9:00 7:00 11:00 1:00 15:00 17:00 19:00 Aika Kuva 1. Paikannukseen käytettävissä olevien satelliittien lukumäärä vuorokaudenajan mukaan 0.9.199 TULOKSET Paikannuksen onnistuminen ja laatu Esimerkkikohteet kuljettiin rajoja myöten ympäri vastaanottimet säädettyinä siten, että ne rekisteröivät sijainnin automaattisesti kolmen sekunnin välein. Ain~istoista laskettiin, kuinka suurella osalla kiertoajasta saatiin yhteys paikannussatelliitteihin. Yhteyden laatu luokiteltiin sen mukaan mahdollistiko se - vai 2-ulotteisen paikannuksen. Vuoden 1992 esimerkkikohteina paikannus onnistui yleensä yli 90 %:lla paikannusajastaja pääosa niistä oli -ulotteisia paikannuksia. Paikannus onnistui -kanavaisella laitteella jotakuinkin yhtä hyvin kuin -kanavaisellakin. -kanavainen vastaanotin mahdollisti kuitenkin jonkin verran paremmin -ulotteisen paikannuksen kuin -kanavainen laite (kuva 2). Käsittelyalueen rajojen kuvaaminen onnistui molemmilla laitteilla yleensä varsin hyvin (kuva ). % 100 TT--~==~----,--,------------------------r--,---------,--,----- 80 0 2-ulotteinen -ulotteinen 40 20 0 Aukea Taimikko 0.m Taimikko 5m Kasvatusmetsä Uudistuskypsä metsä Kuva 2. Onnistuneiden paikannusten osuus ja paikannuksen laatu esimerkkikohteiden rajauksessa vuonna 1992, - ja -kanavaiset vastaanottimet
+ -kanavainen -kanavainen Kuva. Päätehakkuuleimikon rajat GPS:IIä määritettynä Kuva 5. Varttuneen kasvatusmetsäkuvion rajat GPS:IIä määritettynä Vuonna 199 onnistuneiden paikannusten osuus oli lähes 100 %. Kolmiulotteisen paikannuksen osuus vaihteli kuitenkin melkoisesti kohteittain (kuva 4). Puustoltaan erittäin tiheän, varttuneen kasvatusmetsikön rajauksessa oli eniten yhteyskatkoja, ja rajojen kulku j äi osin epäselväksi (kuva 5). tiin. Paikannus onnistui varsin luotettavasti hyvinkin runsaspuustoisissa kohdissa, joskin -ulotteisen paikannuksen onnistumistodennäköisyys väheni lievästi puuston määrän lisääntyessä (kuva ). Paikannustarkkuus Puuston vaikutus Koealoilta mitattujen puustotietojen pohjalta tarkasteltiin puuston m äärän vaikutusta paikannuksen onnistumiseen. Puuston tilavuus j a r nkoluku eivät vaikuttaneet selvästi yhteyden saan- Pistemäisen paikanmäärityksen tarkkuutta kokeiltiin vuonna 1992 yhdellä tarkasti mitatulla kiintopisteellä. GPS:n tarkkuutta sinänsä on selvitetty varsin mittavasti eri puolilla maailmaa,joten tämän kokeilun tarkoituksena oli lähinnä antaa kuva kokeilulaitteiden mahdollisista eroista. % 100 ~------------7===~--------------------~----------~--~ 80 0 2-uloHeinen -uloheinen 40 20 0 Kasvatusmetsä Uud.kypsä metsä Uud.kypsä metsä Uud.kypsä metsä Siemenpuualue Kuva 4. Onnistuneiden paikannusten osuus ja paikannuksen laatu esimerkkikohteiden rajauksessa vuonna 199, -kanavainen laite 4 e
Runkoluku 1 ha 2000 yhteyden laatu: 2 - ulotteinen - ulotteinen 1500 1000 500 " i' 50 100 150 200 250 00 50 Tilavuus, mjha Kuva. Puuston tilavuuden ja runkoluvun vaikutus yhteyden laatuun Metsätehon aiemmissa kokeiluissa havaittiin, että yksittäisten havaintojen vaihtelu saattaa olla melkoista, joten kustakin havaintokohdasta on syytä ottaa useampia havaintoja. Havainnot mitattiin sen tähden perättäisissä jaksoissa, jotka kukin kestivät 1-2 minuuttia. Kunkin jakson havainnoista laskettiin sen jälkeen keskiarvo ja tehtiin differentiaalikmjaus. -kanavaisella laitteella mitatut havaintoarvot olivat pääosin alle 10 m:n säteellä todellisesta. - kanavaisella laitteella päästiin yleensä h uonompaan tarkkuuteen; suurimmat poikkeamat olivat 20 m todellisesta sijainnista. Laitteiden erojen taustalla lienee se, että -kanavaisella laitteella havainnot olivat useammin -ulotteisia kuin -kanavaisella laitteella (kuvat 7 ja 8). 20 20 15 10 15 10 5 5-20 - 15-10 -5 5 10 15 20-20 - 15-10 -5 5 10 15 20-5 - 10. 1-5 - 10-15 -15-20 -20 Kuva 7. Eri paikannuskertojen poikkeamat (metriä) kiintopisteen sijainnista, -kanavainen laite Kuva 8. Eri paikannuskertojen poikkeamat (metriä) kiintopisteen sijainnista, -kanavainen laite 5
korjoomolon + kor JOllu +++ Kuva 9. Esimerkki differentiaalikorjauksen vaikutuksesta käsittelykuvion rajauksessa Kuva 10. Autoon asennetun GPS-vastaanottimen kuvaama ajoreitti Differentiaalikorjauksella oli ratkaiseva merkitys paikannustarkkuuteen. Ilman tukiasemaa määritetyt koordinaatit olivat täysin virheellisiä, ja esimerkiksi käsittelykuvioiden muoto oli ilman korjausta monissa tapauksissa varsin outo (kuva 9). ionosfåärin ja ilmakehän olosuhteet. Lehtipuuvaltaisissa metsissä yhteyden saanti on lehdettömänä aikana varmempaa kuin lehdellisenä. Tarkkaan paikantamiseen ei näistä syistä ole välttämättä edellytyksiä koska tahansa ja missä tahansa maastokohdassa. Yhteyskatkojen ja sijaintivirheiden käytännön merkitys riippuu järjestelmän käyttötarkoituksesta. Ajoneuvopaikannus Ajoneuvopaikannusta kokeiltiin noin 110 km:n pituisella tieosuudella, josta metsäautoteitä oli noin 20 km. Onnistuneiden havaintojen osuus oli molemmilla vastaanottimilla noin 75 %, ja niiden perusteella sai johdonmukaisen kuvan ajoreitistä. Ajoneuvopaikannuksen yhteydessä verrattiin myös tukiaseman vaikutusta paikannustarkkuuteen. Ilman tukiaseman käyttöä tien kulku erottui havainnoista johdonmukaisena, mutta sen sijainti poikkesi useita kymmeniä metrejä todellisesta (kuva 10). Puuston merkitys paikannustuloksessa aukeaan alaan verrattuna näkyy selvimmin siinä, että ulotteisen paikannuksen tekeminen vaikeutuu. Jos korkeuslukema jää paikannuksessa saamatta, se heikentää myös x-ja y-koordinaattien luotettavuutta. Virheen suuruus riippuu satelliittien asemasta vastaanottimeen nähden, topografiasta ja siitä, kuinka virheellinen on edellisen kerran määritetty laitteen käyttämä korkeuslukema paikannushetkellä. Tässä kokeilussa -kanavaisella vastaanottimella saatiin lähinnä korkeusasema hiukan paremmin määritetyksi kuin -kanavaisella laitteella. Yleisesti ottaen laitteiden käyttökelpoisuuserot jäivät kuitenkin melko pieniksi. TARKASTELUA GPS:n käyttömahdollisuuksia metsätalouden eri toiminnoissa ovat esimerkiksi: GPS näyttää soveltuvan sijainnin määritykseen myös metsäolosuhteissa. Kokeilussa paikannus kävi päinsä varsin runsaspuustoisissakin olosuhteissa. Yhteyden saantiin ja paikannustarkkuuteen vaikuttavat kuitenkin puuston lisäksi mm. topografiset olosuhteet, satelliittien sijainti ja määrä sekä - pysyvien koealojen tai kertakoealojen paikannus - käsittelykuvioiden rajaus ja pinta-alojen mittaus - metsäteiden, ojalinjojen, suojeltavien kohteiden tms. paikannus - ajoneuvojen paikannus ja suunnistus.
<OMoD []] LmK < OMT G:l TuoK 0 KhK 0 Kk ( ) MT ) < VT < CT ) ) 0 c::j KHk,Sr []] HMr 0 HkMr [!] SrMr Vi []] 0-20 Y. G:l 25-50 Y. c::j 55-75 Y. 0 80-100 X Kivisyys vesohoolloo, olovo G:] nor moo 1 i c::j ei vesihoilloo; rinne Vesi lo 1ousosemo Kuva 11. GPS:IIä paikannetut koealat metsänuudistamisen työmaasuunnittelun kokeilujärjestelmässä Ruotsissa on tutkittu GPS:n tarkkuutta ja soveltuvuutta pinta-alan mittaukseen. Differentiaalimenetelmällä mitatut sijainnit poikkesivat todellisista 1-10m, ja keskimääräinen poikkeama oli vain 4 m. Pinta-alan mittauksessa saatiin myös erinomaisia tuloksia. Yhtä noin 4 ha:n koealuetta mitattiin GPS:llä useaan kertaan, ja keskimääräinen pinta-alavirhe oli 1. 7 % suurimman poikkeaman ollessa % (SkogForsk, Resultat 1/ 199). Yksittäisvastaanottimeen perustuva paikannus ei tulle huonon tarkkuutensa takia kysymykseen muuten kuin karkean tason suunnistuksen apuvälineenä, digitaalisiin karttajärjestelmiin yhdistettynä. Ensimmäinen GPS:ää hyödyntävä puutavaran kuljetusten ohjausjärjestelmä on jo EnsoGutzeit Oy:llä käytössä. Muihin käyttötarkoituksiin tarvitaan tukiasemaa ja differentiaalipaikannusta. Differentiaalipaikannukseen kuuluvan korjauslaskennan on oltava tosiaikaista, jos sitä käytetään suunnistuksen apuvälineenä. Suunnittelun ja pinta-alan mittauksen tarpeisiin riittänee yleensä jälkilaskenta. Tukiasemia ei tarvita kovin tiheään, koska saman tukiaseman varassa arvioidaan voitavan toimia jopa 500 km:n säteellä. Ensimmäiset yleiseen käyttöön tarkoitetut tukiasemapalvelut ovat Suomessa rakenteilla. Tarkoituksenmukainen GPS:n soveltaminen metsätaloudessa edellyttää sen liittämistä muuhun tiedonkeruuseen sekä sijaintitietoa hyödyntävää paikkatietojärjestelmää. Pelkkään koordinaattien erilliseen määrittämiseen se on tarpeettoman kallis menetelmä. Kuvassa 11 on esimerkinluonteisesti havainnollistettu GPS:llä mitattuja koealatietoja metsänuudistamisen työmaasuunnittelun kokeilujärjestelmässä. Järjestelmä on laadittu Metsätehossa Ardlnfo-paikkatieto-ohjelmistolla. Tulevaisuudessa sijaintitiedon määrittämismahdollisuus tullee joustavaksi osaksi maastotiedonkeruuta käsitietokoneisiin liitettävien paikannuskorttien myötä. Käsitietokoneiden paikannusominaisuuksien, kapasiteetin ja käyttöliittymien kehittyminen parantaa metsätaloudellisten paikkatietojärjestelmien käyttöedellytyksiä perinteisen metsätalouden suunnittelun lisäksi myös työmaasuunnittelussa ja tehtyjen toimenpiteiden rekisteröinnissä. Asiasanat: GPS-paikannus, metsätalous 7
Metsäteho Review 5 /1994 GPS IN FOREST The study was concerned with the opportunities for forestry applications offered by a satellite-based positioning system. The reception ofthe positioning system went well in forest conditions, even under heavy canopies. Examples of GPS applications include marking out the boundaries of treatment compartments, measurement of area, point-like determining of location (e.g. when measuring sample plots, ori en teering). The appropriate application of GPS generally requires the availability of a geographic information system in which positioning data can be further processed and made use of alongside other forms of data. In order that the positioning data might be obtained with adequate accuracy,.it is usually necessary to use differential positioning based on reference stations. GPS receivers suitable for field use are still rather expensive - some tens of thousands of Finnish markkas. Boards which are cheaper significantly than stand-alone receivers are already available. The said boards can be slotted in to hand-held computers uaed in collecting field data and their analysis. Key words: Global Positioning System, forestry applications METSÄTEHO ~ Postios: Pl194, 0011 HElSINKI Kotuos: Unioninkatu 17, 0010 HELSINKI Foksi: (90) 59 202 Puhelin: (90) 12 521 ISSN 125-48X - Helsinki 1994 Poinovolmiste