不同坡位对GPS项圈定位性能的影响

温惠 袁学林 曹引弟 任国鹏,4* 黄志旁,2,4* 肖文,2,3,4

（1 大理大学东喜玛拉雅研究院，大理 671003）（2 国际生物多样性与灵长类保护中心，大理 671003）（3 大理大学三江并流区域生物多样性保护与利用云南省创新团队，大理 671003）（4 中国三江并流区域生物多样性协同创新中心，大理 671003）

随着全球定位系统(Global Positioning System,GPS)技术的发展，GPS 项圈已广泛应用于大中型野生动物的行为监测与保护管理工作(Bowmanet al., 2000; Loarieet al., 2009; Wilsonet al., 2013;Hertelet al., 2019; Paganoet al., 2020)。给野生动物佩戴GPS 项圈，可实时记录其活动位点，在野生动物的栖息地选择、活动节律、家域和迁移扩散等研究中发挥着重要作用(Johnsonet al., 1998;Rouyset al., 2001; Schmidet al., 2003; Sawyeret al., 2006; Osborneet al., 2006; Renet al., 2010;Hullet al., 2016；周世强等，2016；张晋东等，2019)。实际使用GPS 项圈时，由于各种因素的影响，GPS 项圈数据可能存在定位误差(location er‐ror) 和定位数据缺失偏歧(fix rate bias) (D’Eonet al.,2002;Frairet al.,2004)。定位误差指定位点与参照点(“真实位置”) 之间的距离。定位数据缺失偏歧指GPS 项圈在计划的时间段内，未能成功记录到预期的定位数量。若不考虑这两种误差，对野生动物的生态学研究如日活动距离、栖息地选择、家域范围等会产生严重偏差。因此，在使用GPS 项圈定位数据之前，应先进行定位性能评估(Dussaultet al., 1999; Swanlundet al., 2016;Vanceet al.,2017)。

植被覆盖和地形条件是影响GPS 项圈定位性能的两类主要环境因素。已有研究证实，植被盖度越高，定位数据缺失偏歧越严重，而定位误差也越大(Rempelet al., 1995; Moenet al., 1996; Di Orioet al., 2003; Cargneluttiet al., 2007; Campet al.,2016; Vanceet al., 2017)。比如Moen 等(1996) 发现，在成熟落叶阔叶林，冬季项圈定位成功率(fix success rate) 大于90%；但在夏季降低至60% ~70% (Bourgoinet al.,2009)。相比植被覆盖，地形对GPS 项圈定位性能的影响，主要是因为山区复杂的地形可能会阻碍GPS 项圈接受卫星的信号(D’Eonet al., 2002; Cainet al., 2005; Swanlundetal.,2016)。一些研究认为，地形对GPS项圈定位性能的影响甚微(Campet al., 2016)，这些研究主要集中在北美地势较为平缓的地区。另一些研究则认为，在崎岖的山区，GPS项圈定位性能与坡度和海拔相关，坡度越小，海拔越高，定位性能越好，山脊的项圈性能优于山谷(D’Eonet al.,2002;Frairet al., 2004; Zweifel-Schiellyet al., 2007)。但这些研究所在的山区海拔高差仅有几百米。

地形是否对GPS 项圈性能产生影响，可能取决于山区地形的复杂程度。在高山峡谷地区，复杂地形是否会对GPS 项圈的定位性能产生严重影响？本研究通过在中国西南高山峡谷区对比相同海拔不同坡位(山脊，山谷) 项圈的定位性能，来量化地形对GPS项圈的定位性能的影响。

1 研究方法

1.1 研究区域

大理苍山位于云南省大理白族自治州(北纬25°34′~26°00′，东经99°55′~100°12′，图1)，是横断山区云岭山系的重要组成部分。苍山海拔范围从漾濞江河谷的1 560 m 升高到马龙峰4 122 m，山体高大，沟谷切割险峻(穆静秋，2006)。森林植被呈现明显的垂直分层，从低海拔到高海拔，植被类型主要包括云南松(Pinus yunnanensis)林、华山松(Pinus armandii) 林、云南铁杉(Tsuga du‐mosa)、苍山冷杉(Abies delavayi) 等(袁睿佳等，2008)。苍山自然环境复杂多样，森林覆盖率为79.73%，为野生动物提供了良好的栖息地(陈冰等，2017)。记录有国家重点保护野生植物云南红豆杉(Taxus yunnanensis)、松口蘑(Tricholoma mat‐sutake)等10 种，国家重点保护野生动物喜马拉雅小熊猫(Ailurus fulgens)、中华鬣羚(Capricornis milneedwardsii)、亚洲黑熊(Ursus thibetanus) 等22 种(张羽等，2019)。

1.2 数据收集

将项圈静态放置于玉局峰、龙泉峰的山脊，黑龙溪、白鹤溪的山谷。为排除海拔和植被因素的影响，静态测试点都设置在海拔2 600 m 的华山松林(图1)，将GPS 项圈固定在离地面1.5 m 的树干上。受可达性影响，4 个山区静态测试点的海拔都略高于2 600 m(表1)。对照组放置于大理大学第三教学楼楼顶东南角，该位置既无植被，也无地形遮挡，称为开阔地(open site)，以视为GPS 项圈在理想状态下的定位性能。

图1 研究区域及项圈静态测试点示意图Fig. 1 Test points at Cangshan Mountain,Dali,Yunnan

表1 静态测试点项圈测试时间Table 1 Test duration of the stationary points

GPS 项圈是杭州粤海科技有限公司生产的太阳能供电GSM YH-XQG0150 系列(http://www.zjy‐hkj.com/a/product/beast/)项圈。为排除设备差异的影响，每个测试点同时放置两个GPS 项圈。在每个测试点，每个GPS 项圈按1 h 的间隔返回定位数据。从安放日次日凌晨(00: 00) 开始，连续收集31个全天数据(预期744条定位数据)。安放于白鹤溪山谷的2 个项圈，因太阳光照不足难以持续供电，仅返回17个全天数据(表1)。

为获得5 个测试点的参考坐标，使用智能手机(小米9)上的GPS 工具(南京未来鸿网络科技有限公司)，在可用卫星数大于15 颗且数值在3 min内维持稳定时，记录获取参考点地理坐标及海拔。

1.3 数据分析

GPS项圈的定位性能通过定位成功率(Fix suc‐cess rate, FSR)、水平定位误差(Horizontal location error, LE) 和水平定位精确度(Horizontal location precision,LP)来指示(公式1~5)。

FSR 指返回定位记录数占期望返回记录数的比例。

其中NS为返回定位记录数，N 为期望返回定位记录数。

项圈返回的定位记录和测试点的参考坐标都是地理坐标(WGS1984 坐标系统)。在R Statistics软件平台下(R Core Team, 2020) 使用sf 包(Pebe‐sma,2018)，将这些地理坐标投影为通用横轴墨卡托坐标(UTM WGS-1984 47N)。

LE指项圈定位点到参考点的欧氏距离。

其中XGPS和YGPS为项圈返回数据的UTM 坐标，XREF和YREF为测试点参考位置的UTM坐标(单位：m)。

每个测试点GPS 项圈的LP，可分别计算定位点X 方向(东西方向)和Y 方向(南北方向)的标准误差(SE)来指示。

其中Xi和Yi为定位点的坐标，Xmedian和Ymedian分别为全部定位点X 和Y 坐标的中位数，n为定位点的总数。

2 结果

2.1 地形条件对定位成功率的影响

GPS 项圈在两个山谷的定位成功率(21.7%,21.9%) 低于在两个山脊的定位成功率(29.2%,37.8%)，并显著低于开阔地(79.2%)。三维定位率，开阔地测试点为75.5%，山脊测试点降低至24.6% 和36.0%，而山谷测试点仅为13.8% 和14.7%(图2)。

图2 不同坡位测试点的定位成功率Fig. 2 Fix success rate of test points at different topographic posi‐tions

2.2 地形条件对水平定位误差的影响

GPS项圈在山谷的定位误差大于山脊，并远大于开阔地(图3)。在两个山谷中，定位误差的中位数(50%)分别为21 m和28 m，两个山脊分别为13 m和20 m，而开阔地仅为5 m。在开阔地，90%的三维定位点定位误差小于14 m，但在两个山脊测试点，增至95 m和690 m，而山谷分别为843 m 和2 837 m。

图3 不同地形下定位点的定位误差比Fig. 3 Comparison of location errors of stationary points under different topographic conditions

2.3 地形条件对水平定位精度的影响

两个山谷测试点的定位精度最低，分别为56.5 m (东西方向44.2 m，南北方向35.2 m) 和106.3 m(东西方向92.4 m，南北方向52.7 m)；山脊测试点定位精度略高，分别为21.6 m(东西方向15.8 m，南北方向14.8 m) 和40.9 m (东西方向29.3 m，南北方向28.5 m)；开阔地定位精度最高，为7.3 m(东西方向6.2 m，南北方向4.0 m)(图4)。

图4 静态测试点在东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 讨论

3.1 地形对项圈定位性能的影响

很多研究认为地形对GPS 项圈定位性能影响甚微 (Rempelet al., 1995; Moenet al., 1996;Dussaultet al.,1999;Campet al.,2016)，这可能与其研究地点地形起伏较小有关(Cainet al., 2005)。本研究中，GPS 项圈在山脊测试点的定位性能高于山谷测试点，但复杂山地环境(山脊和山谷) 测试点的定位性能显著低于开阔地，这与D’Eon 等(2002) 发现GPS 项圈在山脊顶部的定位性能要优于陡峭的谷底一致。

3.2 GPS项圈定位性能对相关研究的影响

GPS 项圈技术的发展和应用，极大方便了大型动物的监测和研究(Rempelet al., 1995; 张晋东等，2019; Foley and Sillero-Zubiri, 2020; Smithet al.,2021)。2003—2005 年，研究人员获得38 只雪羊(Oreamnos americanus)在卡斯卡德山区的86 826个活动位点，如果不是应用GPS 项圈，这样覆盖整个卡斯卡德山的数据几乎不可能获得(Wellset al.,2011)。但分析雪羊的生境选择时，需要对不同环境条件下定位数据缺失偏歧进行校正(Wellset al.,2011)。与卡斯卡德山区类似，Vance 等(2017) 发现基于GPS 项圈跟踪数据，欧洲马鹿(Cervus ela‐phus)对平坦的高海拔区域利用频率被高估，而对陡峭沟谷的利用频率则被低估。因此，在野生动物保护管理中，对GPS 项圈跟踪数据的分析需要谨慎，否则可能会错误地判断野生动物的生境偏好，进而做出不当的保护管理规划(Vanceet al.,2017)。

水平定位误差会对动物日移动距离和家域研究产生影响。本研究发现，虽然开阔地90%的三维定位点水平误差小于14 m，但山谷测试点，这个数值增加到2 837 m。非人灵长类动物的平均日活动距离不到10 km(Chirchiret al.,2016)，例如神农架川金丝猴(Rhinopithecus roxellana)日移动距离320~3 110 m(李义明等，2016)；滇金丝猴(R. bi‐eti) 的平均日移动距离不到3 000 m (Renet al.,2009；王浩然等，2021)。山谷中如此大的GPS 水平定位误差，对于日移动距离和家域研究的影响显而易见。

本研究在苍山同一海拔段的两个山谷和两个山脊对杭州粤海科技公司的GSM 兽类项圈的定位性能做了静态放置测试。放置在开阔地的GPS 项圈，在理想状态下其定位率与其他研究结果相近，说明项圈型号对定位性能的影响较小。此外，在复杂地形中不同季节和不同树冠层下，GPS 项圈的定位性能可能会有所差异(Unoet al., 2010;Swanepoelet al.,2010)，还需深入研究。实际应用GPS 项圈时，动物行为也会影响项圈的定位性能(Moenet al.,2001;Mattissonet al.,2010)。

通过本研究结果，我们建议在高山峡谷地区使用GPS 项圈监测动物位点时，需要先评估不同地形条件下的定位性能。进行动物家域行为研究时，建议筛除那些可能定位误差较大的点。进行动物栖息地选择研究时，应考虑不同坡位定位成功率的差异，谨慎分析数据。

致谢：本项目获得杭州粤海科技有限公司和云岭滇金丝猴云南省野外科学观测研究站(202105AM0 70008) 的支持，在此表示感谢。感谢大理大学东喜玛拉雅研究院空间分析小组王建蝶、侯鑫磊、龙秀洁、戴其权等同学协助本研究的野外工作。