ÉtuDe De lA précision Du système GPS en milieu forestier
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1. des m thodologies du mat riel et des sites d tude ainsi que le nombre variable de r p titions des mesures r alis es conduisent des r sultats h t rog nes D autre part les points de r f rence servant estimer les carts de localisation sont souvent mesur s ou calcul s de fa on diff rente selon les diff rents tests ce qui limite les possibilit s de comparaison Rev For Fr LIV 5 2002 429 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT Dans ce contexte l objectif de cet article est de quantifier de fa on fiable l effet du couvert v g tal pour diff rents mat riels de terrain et diff rentes saisons Nous souhaitons galement valuer l effet de diff rents param trages des GPS qui peuvent conditionner la pr cision de loca lisation c est dire l cart entre la localisation d un site mesur e au GPS et ses coordonn es r elles Ces param trages concernent le nombre d enregistrements utilis s pour calculer la position d un site l intervalle de temps entre deux enregistrements le filtrage du signal re u dans les mauvaises configurations satellitales seuillage du PDOP et l effet de la correction diff rentielle Pour effectuer ce travail nous avons tudi trois sites dont deux forestiers en r alisant un grand nombre de r p titions des mesures effectu es MAT RIELS ET M THODES Pr sentation du syst me GPS Le GPS est un syst me de localisation par satellites mis en pl2. diff rentielle diff rentielle Mat riel Nombre d enregistrements 60 Nbre eng 1 Nbre eng 60 Nbre eng 60 Seuil PDOP 6 PDOP 6 PDOP 25 PDOP 6 Intervalle de temps 1 point s Intervalle 1 Intervalle 1 Intervalle 10 Garmin 97 non P 4 0 P 4 3 corrig 7 7 172 T 9 F 11 4 F 13 9 GeoExplorer 57 non P 3 2 P 4 1 P 1 3 Piia P 1 1 corrig 4 7 T 3 9 T 3 3 T 4 5 T 5 T 2 8 corrig 3 5 F 6 9 F 6 2 F 10 1 F 7 3 F 4 1 Pro XR 74 non P 2 5 P 0 8 P 0 8 P 0 8 P 0 8 corrig 3 0 T 2 6 T 46 T3 T 2 3 T 1 4 corrig 1 5 F 3 9 F 2 2 F 3 1 F 3 2 F 1 9 Remarque Bonne Efficacit Fort effet du Fort effet Augmenter le Une Augmenter r ception de la couvert de la nombre diminution l intervalle du Garmin correction v g tal sur correction d enregistrements du seuil de de temps est sous diff rentielle la pr cision diff rentielle est surtout PDOP est efficace en couvert surtout Pr cision surtout efficace en efficace en milieu ferm ferm pour le moyenne du en milieu milieu ferm milieu dans une Pro XR Garmin gt 10 m ouvert et avec le ferm plus gamme de 1 en futaie pour le Garmin ou le particuli rement 10 Pro XR GeoExplorer pour le secondes GeoExplorer L am lioration est plus La d gradation faible lorsque est plus faible le nombre lorsque le d enregistrement seuil de est grand PDOP est lev fichiers enregistr s pendant 5 minutes dont lun contiend
3. le pr sent dans le tableau V ci dessus Valeur de PDOP Les mod les Trimble permettent de cesser l enregistrement lorsque la constellation satellitale devient d favorable une localisation pr cise Il suffit de param trer un seuil de PDOP au del duquel la localisation n est plus calcul e Lors de difficult s de capture de signal il est cepen dant possible d augmenter le seuil de PDOP pour enregistrer sa position sans que l on connaisse exactement les cons quences induites sur la pr cision de localisation L objectif de ce test est donc de quantifier l effet de ces variations sur la pr cision des donn es en simulant 7 seuils de PDOP chelonn s de 4 50 Pour ce test seuls sont concern s les appareils de marque Trimble qui permettent de modifier ce param trage en utilisation standard les donn es sont corrig es par correction diff rentielle En milieu ouvert la valeur du PDOP n influe pas du tout sur la pr cision de localisation des appareils Trimble GeoExplorer et Pro XR En milieu ferm taillis futaie par contre la pr cision de localisation se d grade de fa on lin aire avec le logarithme de la valeur du PDOP tableau VI ci dessous Cette d gradation est cependant moindre pour le Pro XR que pour le GeoExplorer TABLEAU VI Param tres et signification statistique du mod le y a b In x o y est la pr cision de localisation en m tres et x est la valeur seuil de PDOP utilis e pour loca
4. 22 1993 HURN GPS a guide to the next utility Sunnyvale California Trimble navigation Ltd 1989 76 Pp HURN J Differential GPS explained Sunnyvale California Trimble navigation Ltd 1993 55 p KRUCZYNSKI L R JASUMBACK A Forestry management applications forest service experiences with GPS Journal of Forestry August 1993 pp 20 24 LECLERC D Utilisation du syst me GPS en for t ONF 1996 11 p rapport interne LECLERC D PERROTTE G RIGONDAUD C Global positionning system le GPS mode d emploi Arborescences n 66 1997 pp 2 11 LEJEUNE P HELLEMANS P Effet du couvert v g tal sur la pr cision d un syst me de positionnement global diff rentiel dGPS Biotechnol Agron Soc Environ vol 4 n 1 2000 pp 41 49 SHARUN C GPS and GIS operation use of GPS for cutblock layout under forest canopy GIS 93 symposium Vancouver British Columbia 1993 WOLNIEWICZ W GPS accuracy test performance in open area and under forest canopy GIM inter national n 5 15 2001 pp 56 59 TUDE DE LA PR CISION DU SYST ME GPS EN MILIEU FORESTIER R sum De d veloppement encore r cent le syst me GPS fait l objet de nombreuses applications cartographiques foresti res mais ses possibilit s et limites sont encore mal connues Le principal objectif de ce travail est d valuer l int r t d
5. environ 11 000 euros Garmin type 12 MAP prix d acquisition indicatif 450 euros Les donn es des appareils Trimble ont t corrig es l aide d une base fixe localis e au Centre de Nancy de l cole nationale du G nie rural des Eaux et des For ts ENGREF et dont les donn es sont disponibles gratuitement sur internet partir des sites web de l ENGREF ou de l INRA Sites d tude et protocole d acquisition des donn es Trois sites d tude ont t choisis dans trois formations v g tales diff rentes milieu ouvert taillis futaie feuillue selon les crit res suivants pr sence d une borne IGN dans un rayon de moins de 80 m tres distance la base fixe inf rieure 50 km et situation plane ou position de cr te Les coordonn es de ces sites exprim es dans le syst me de coordonn es Lambert 1 avec une pr cision d cim trique sont les suivantes Milieu ouvert borne de Laneuvelotte Meurthe et Moselle de coordonn es X 890 525 48 Y 1121 123 23 Z 258 73 La borne a directement t utilis e pour les mesures Taillis site situ dans le bois de Faulx commune de Malleloy Meurthe et Moselle de coordonn es X 882 065 86 Y 1127 055 87 Z 369 88 La borne IGN tant plac e le long d un chablis le point de relev a t localis au th odolite 30 m tres de la borne Futaie feuillue site situ dans le bois de la Grande Goutte commune d
6. soit estimer la faisabilit de son utilisation en milieu forestier Leclerc et al 1997 Leclerc 1996 Evans et al 1992 Bilodeau et al 1993 Lejeune et Hellemans 2000 soit tester diff rents param trages Les r sultats tr s variables du fait des diff rences de m thodologies employ es dans les tudes montrent que la pr cision varie de 1 15 m en milieu forestier lorsque le signal est corrig l aide d informations fournies par une antenne de position connue GPS utilis en mode diff rentiel ou DGPS Gehue et al 1993 Leclerc et al 1997 Deckert et Bolstad 1994 Bilodeau et al 1993 Wolniewicz 2001 L effet n gatif du couvert forestier sur la pr cision est constat il est semble t il plus marqu dans le cas de peuplements de r sineux que dans celui des peuplements de feuillus Deckert et Bolstad 1994 D autre part la pr cision s am liore significativement lorsqu on augmente le nombre d enregistrements permettant de localiser un site Deckert et Bolstad 1994 et ce notam ment jusqu 100 r p titions ce qui est confirm par August et al 1994 Toutes les tudes montrent enfin une forte h t rog n it des r sultats en fonction du mat riel utilis Wolniewicz 2001 Cependant les tests r alis s g n ralement Outre Atlantique sont souvent tr s sp cialis s test d un ou deux crit res et peu d entre eux s int ressent aux milieux forestiers La multiplicit
7. 0 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes n cessite l utilisation d une base fixe dont la localisation pr cise est connue antenne fixe ou satellite g ostationnaire et qui enregistre sa position au moment des mesures de terrain La diff rence de position entre les coordonn es r elles de la base fixe et ses coordonn es mesur es permet de d terminer tout moment l erreur de localisation Cette erreur tant connue les corrections en X Y et Z appliquer aux mesures de terrain peuvent tre facilement mises en uvre Selon le mat riel utilis la correction diff rentielle peut se faire en temps r el r ception des corrections sur le terrain ou en temps diff r de retour du terrain apr s r cup ration des donn es de la base Lorsque la d gradation par les militaires am ricains tait activ e le DGPS permettait d am liorer la pr cision de l ordre d un facteur 10 August et al 1994 Aujourd hui alors qu elle n est plus activ e l int r t de la correction diff rentielle en milieu forestier reste pr ciser Les appareils GPS utilis s lors de la mise en uvre des tests Quatre appareils ont t utilis s pour r aliser les tests Leurs r f rences techniques sont les suivantes Trimble GeoExplorer 1 version 2 20 1999 prix d acquisition indicatif 4 500 euros Trimble GeoExplorer 2 version 2 20 1999 galement 4 500 euros environ Trimble Pro XR version 1 10
8. 6 6 4 11 2 GeoExplorer 2 0 9 0 8 1 7 3 1 2 8 5 1 3 2 2 4 6 4 3 3 2 7 6 7 17 2 4 8 16 2 9 7 5 9 21 9 Pro XR 0 8 0 6 1 8 2 5 2 3 4 6 1 6 1 2 3 6 2 6 2 4 4 4 12 2 1 8 4 2 3 9 3 7 6 7 La correction diff rentielle am liore sensiblement la pr cision de localisation dans les milieux ouverts ou avec l utilisation du Trimble Pro XR Les milieux ouverts sont ceux pour lesquels lim pr cision de localisation est essentiellement due aux erreurs li es aux satellites et la travers e 436 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes de l atmosph re par le signal Dans les milieux forestiers le multitrajet du signal occasionn par les peuplements forestiers est la source principale des erreurs de localisation Seul le Pro XR qui corrige cet effet voit ses performances s am liorer sensiblement avec la correction diff rentielle Dans ces deux cas la correction diff rentielle permet de diviser par 2 ou 3 l erreur de localisa tion des sites Pour les GeoExplorer la pr cision de localisation s am liore peu sous peuplement forestier lorsqu on utilise des donn es corrig es car ces appareils ne poss dent pas de fonction de correction du multitrajet et la correction diff rentielle ne corrige pas ce ph nom ne local EFFETS DES R GLAGES DES APPAREILS Nombre d enregistrements utilis s pour calculer la position d un site ponctuel Le nombre d enr
9. Geo 1 et 2 4 Gar Geo 1 et 2 3 Geo 1et 2 4 Gar Geo 1 test s et 2 Pro XR Pro XR Pro XR Pro XR et 2 Pro XR Milieux 3 prairie taillis et futaie Saisons 2 t et hiver Nombre total de modalit s test es 24 18 264 126 96 Nombre maximum de fichiers trait s 150 par modalit 3600 2700 39600 18900 14400 R SULTATS Effets de la formation v g tale et de la saison e Taux de capture Le taux de capture est le rapport entre le nombre d enregistrements r ellement acquis sur le nombre de points th oriquement capt s d fini en fonction du temps de mesure et de l intervalle de capture Il varie sensiblement d une formation l autre tableau Il ci dessous en passant des milieux ouverts la futaie le taux de capture passe de 93 50 en moyenne Il existe une grosse disparit entre les appareils de la marque Trimble dans les milieux ferm s le GeoEx plorer 2 capte tr s mal en futaie moins de 10 du temps alors que le Pro XR capte plus de TABLEAU Il Taux de capture en des diff rents GPS dans les trois formations v g tales tudi es Formation Garmin GeoExplorer 1 GeoExplorer 2 Pro XR Prairie 2 stre oreire 100 85 90 98 Tailliss ss ssaeciensvis 96 65 46 67 FUTAIR Lee 96 40 8 56 Ensemble des formations 97 63 50 74 434 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes la moiti du temps dans ce milieu
10. Le Garmin fonctionne plus r guli rement il capte les donn es de fa on quasi continue quels que soient les milieux L effet de la saison t hiver sur le taux de capture a t test une fois tenu compte du couvert et du type d appareil Le test ne montre pas d effet significatif du feuillage sur le taux de capture des diff rents appareils e Qualit du positionnement La qualit du positionnement a t mesur e selon les modalit s d crites dans le paragraphe mat riels et m thodes p 430 Pour le GeoExplorer 2 le nombre r el de fichiers test s est parfois tr s inf rieur au nombre th orique de 150 par combinaison de facteurs 50 tirages al a toires dans chaque fichier quotidien et 3 r p titions par saison du fait du mauvais taux de capture de cet appareil Le tableau IIl ci dessous indique le nombre de fichiers r ellement utilis s pour effectuer les tests pour chaque combinaison de facteurs TABLEAU lli Nombre de fichiers de 60 enregistrements test s pour d terminer la qualit du positionnement et r aliser les tests statistiques associ s Formation v g tale Saison Garmin GeoExplorer 1 GeoExplorer 2 Pro XR Total Praile ss dise pess Et 150 150 150 150 600 Hiver 149 150 150 150 599 Halls Et 150 139 98 145 532 Hiver 150 137 106 109 502 FUTAIE 2 4 era Et 149 150 26 132 457 Hiver 150 150 8 150 458 Total uma 898 876 538 836 3148 L observation
11. OUTILS ET M THODES TUDE DE LA PR CISION DU SYST ME GPS EN MILIEU FORESTIER CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT Bien que les territoires aient toujours t au c ur des pr occupations du forestier ceux ci ont souvent fait l objet d une cartographie approximative du fait des difficult s li es aux m thodes de lev s topographiques traditionnels L arriv e du syst me GPS Global Positionning System syst me de positionnement global par satellite a permis l utilisation d un outil de terrain a priori efficace et facile utiliser August 1994 Kruczynski 1993 Sharun 1993 Leclerc et al 1997 ont ainsi compar la dur e de mise en uvre de campagnes de localisation au GPS et au th o dolite pour le compte de l Office national des For ts ONF l quivalent de 24 jours de travail pour une personne ont t n cessaires pour les lev s au th odolite des sites contre 8 heures de travail au GPS Cette facilit de mise en uvre a conduit une g n ralisation du syst me GPS dans certains pays notamment en Am rique du Nord Ainsi en 1998 90 des entreprises fores ti res de l Est du Canada int graient des syst mes d information reposant sur le GPS et les Syst mes d Information g ographique SIG dans leurs activit s Emeyriat et al 1998 Si l utilisation du GPS commence tre r pandue les tests permettant de pr ciser le domaine de validit sont peu nombreux Ils cherchent
12. ace par le D partement am ricain de la d fense dans les ann es 1970 Il permet de d terminer les coordonn es g ographiques d un point situ n importe quel endroit la surface du globe 24 h sur 24 Le syst me comporte 24 satellites r partis autour de la terre de telle fa on que 4 8 d entre eux soient toujours visibles quelle que soit la position d un utilisateur Botton et al 1998 Gosselin et al 1993 Hurn 1989 Chaque satellite met un signal capt sur terre par le r cepteur de terrain qui permet de mesurer tr s pr cis ment la distance s parant l metteur du r cepteur gr ce la mesure du temps de parcours La mesure de la distance par rapport un satellite donn permet donc de situer le r cepteur sur une sph re centr e sur ce satellite Avec la r ception des signaux de quatre satellites trois pour obtenir le point d intersection des trois sph res un quatri me pour la synchronisation du temps le r cepteur mobile est capable de calculer sa position g ographique par triangulation avec une pr cision variant pour le mat riel utilis par les fores tiers de quelques d cim tres une trentaine de m tres Gosselin et Bilodeau 1993 La qualit de localisation est fonction de diff rents param tres August et al 1994 Botton et al 1998 Hurn 1989 Kruczynski et al 1993 Deckert et Bolstad 1994 les r fractions du signal li es au passage dans l ionosph re et dans
13. bonnes conditions ou pendant 1 h 30 au maximum avec arr t temporaire automatique de l enregistre ment pour les valeurs de PDOP sup rieures 50 appareils de marque Trimble uniquement Les valeurs de PDOP ainsi que les heures de d but et de fin d acquisition sont galement enregis tr es pour les appareils de marque Trimble qui disposent de cette fonction l issue de la phase de terrain les quatre appareils test s avaient t utilis s au cours de 6 journ es diff rentes 3 pour l t et 3 pour l hiver et chacun dans les 3 types de formations v g tales Traitement des donn es et variables test es La phase de correction diff rentielle a t r alis e pour chacun des fichiers initiaux issus des appareils Trimble l aide du logiciel Pathfinder Office de la marque Trimble Les fichiers issus du Garmin 12 MAP sont utilis s sans correction diff rentielle tel que le GPS le permet en utilisation 432 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes courante Les fichiers ont ensuite t export s avec et sans correction diff rentielle selon le syst me de coordonn es Lambert 1 pour la suite des traitements l aide du logiciel Pathfinder Dans chacun de ces fichiers figurent le num ro du fichier GPS le nom du site l heure le PDOP et les coordonn es X Y et Z Les tests men s ont t r alis s pour valuer d une part l effet de la formation v g tale et de la saison avec et sans correction dif
14. des distributions des erreurs de localisation sur quelques exemples met en vidence des variations parfois fortes de pr cision de localisation d un moment ou d un jour l autre alors que la position des sites est relev e avec le m me mat riel sous le m me peuplement et avec les m mes r glages Ainsi 2 fichiers de 60 enregistrements pris des moments diff rents FIGURE 2 DISTRIBUTION DES ERREURS DE LOCALISATION EN FUTAIE pour le Garmin sans correction diff rentielle le GeoExplorer 1 avec correction diff rentielle et le Pro XR avec correction diff rentielle Les moyennes m dianes et 90 percentile des distributions sont ajout s Les fichiers extraits en t et en hiver ont t joints Nombre de fichiers Nombre de fichiers Nombre de fichiers 120 80 Garmin 80 GeoExp 1 Pro XR 100 60 80 60 60 40 40 40 20 56 20 o o o o 2 40 60 80 12 16 20 24 4 6 8 10 Erreur de local m Erreur de local m Erreur de local m 90 perc 23 2 Moy 11 4 Med 7 0 Med 5 7 90 perc 4 2 Moy 2 2 Med 1 8 90 perc 9 9 Rev For Fr LIV 5 2002 435 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT dans les m mes conditions avec un Garmin sous futaie peuvent avoir des erreurs de localisation qui varient de o 80 m figure 2 p 435 Cette variabilit s tend de o une vingtaine de m tres pour le GeoExplorer et de o une dizaine de m tres pour le Pro XR Les
15. distributions des erreurs peuvent tre tr s dissym triques ainsi 50 des fichiers issus du Garmin ont des erreurs de localisation inf rieures 7 m la valeur de la m diane tandis que les fichiers de l autre moiti ont des erreurs qui varient de 7 80 m L effet de la saison estim partir de tous les appareils dans toutes les conditions de peuple ments semble nul tr s faible bien qu il soit significatif d un point de vue statistique pour les appareils Trimble La pr cision de localisation semble am lior e en moyenne de 0 8 m en t ce qui semble peu coh rent avec la d gradation th orique de la qualit de localisation entra n e par le feuillage Le Garmin semble a contrario plus pr cis de quelques m tres en hiver qu en t dans les futaies Cet effet faible et peu coh rent a conduit joindre les fichiers d t aux fichiers d hiver pour la suite des analyses L effet du peuplement forestier sur la qualit de localisation au GPS est tr s important Pour tous les appareils la qualit du positionnement se d grade des milieux ouverts aux futaies tableau IV ci dessous Dans les milieux ouverts les appareils Trimble atteignent une pr cision de localisa tion de l ordre du m tre cette pr cision moyenne se d gradant tr s peu pour le Pro XR dans les conditions ferm es Le Garmin a des r sultats moins bons que ceux des GeoExplorer mais qui restent cependant tr s convenables avec une pr c
16. e Mazerulles Meurthe et Moselle de coordonn es X 898 444 39 Y 1125 334 51 Z 281 62 Le site a t localis au th odolite 60 m tres de la borne IGN situ e en lisi re de for t Les caract ristiques dendrom triques des peuplements situ s sur les sites de taillis et de futaie ont t relev es par un inventaire complet des diam tres sur une surface de 400 m pour les tiges de diam tre compris entre 2 5 et 17 5 cm et de 1 ooo m pour les tiges de diam tre sup rieur Les densit s l hectare sont pr sent es par classes de diam tre dans la figure 1 p 432 Le peuplement de taillis a une surface terri re totale de 22 m ha partir du diam tre 2 5 cm et une hauteur totale de 10 12 m Les essences dominantes fr quentes en milieu calcaire sont l rable champ tre le Charme le Ch ne le H tre et des feuillus divers Rev For Fr LIV 5 2002 431 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT FIGURE 1 HISTOGRAMME DES DENSIT S PAR CLASSES DE DIAM TRE DES PEUPLEMENTS DE TAILLIS ET DE FUTAIE Taillis Futaie Nombre de tiges l hectare Nombre de tiges l hectare 6000 250 200 4000 iso nl 100 2000 a E Ea _ _ 5 10 15 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Classes de diam tre cm Classes de diam tre cm Le peuplement appel futaie feuillue est un ancien taillis sous futaie converti petits et moyens bois dominants Sa surface terri
17. e dans certains milieux et pour certains appareils Ainsi en milieu ouvert on passe de plus de 2 m tres de pr cision moins de 1 m tre pour les appareils de marque Trimble La correction diff rentielle des mesures du Pro XR permet de diminuer de fa on significative l erreur de localisation en milieu ferm Par contre la correction diff rentielle des donn es des Geo Explorer en milieu forestier s av re peu utile Les tests r alis s sur l influence du nombre d enregistrements pour localiser un site et sur lin tervalle de temps entre deux enregistrements cons cutifs fournissent un r sultat int ressant pour un intervalle de temps de 1 10 secondes entre 2 enregistrements la pr cision ne d pend que de la dur e d enregistrement Ainsi la pr cision de localisation est identique pour trois Rev For Fr LIV 5 2002 439 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT TABLEAU VIII Tableau r capitulatif des diff rents effets test s en fonction du mat riel utilis Les valeurs fournies sont des moyennes exprim es en m tres P prairie T taillis F futaie valeurs calcul es avec correction diff rentielle pour les appareils Trimble et sans pour le Garmin valeurs calcul es avec correction diff rentielle Formation Formation Effets Taux Pr cision v g tale v g tale Nombre PDOP Intervalle de capture moyenne sans correction avec correction d enregistrements de temps
18. e entre 1 et 5 secondes faible entre 5 et 10 et nulle ensuite L am lio ration est beaucoup plus sensible pour les GeoExplorer que pour le Pro XR DISCUSSION CONCLUSIONS La campagne de tests men e dans le cadre de cette tude apporte des enseignements clairs tant sur l effet des conditions de milieu dans lesquelles sont r alis es les campagnes de mesures que sur les conditions d utilisation des appareils Une synth se des enseignements fournis par ce travail est indiqu e dans le tableau VIII p 440 L effet de la formation v g tale est tr s important la fois sur le taux de capture et sur la pr ci sion L erreur de localisation semble proportionnelle la surface terri re du peuplement mais ne semble pas li e la pr sence du feuillage des arbres Un positionnement pr cis en for t par exemple pour situer une borne ou une limite de propri t avec une pr cision optimale n cessi tera au moins l utilisation d un appareil de type Pro XR avec l enregistrement d un grand nombre de points et un seuil de PDOP bas pour un seuil de PDOP de 6 il faut passer de 30 400 enre gistrements pour diminuer l erreur de positionnement de 2 5 m 2 m en moyenne Par contre pour la cartographie d un sentier de randonn e sur une carte au 1 25 o0of le GeoExplorer ou le Garmin sont des appareils suffisants En l absence de brouillage du signal par les militaires am ricains la correction diff rentielle s av re util
19. egistrements utilis s pour valuer la position d un site a une influence a priori forte sur la pr cision de localisation Pour tudier ce param tre nous n avons pas tenu compte de l effet n gligeable de la saison nous n avons pas diff renci les r sultats pour les GeoExplorer 1 et 2 et les donn es des appareils Trimble GeoExplorer et Pro XR sont trait es par correction diff rentielle figure 3 ci dessous FIGURE 3 VARIATION DE L ERREUR MOYENNE DE LOCALISATION EN FONCTION DU NOMBRE D ENREGISTREMENTS UTILIS ES POUR CALCULER LA POSITION D UN SITE les donn es du Pro XR et du GeoExplorer sont trait es par correction diff rentielle 16 14 7 ve A Prairie Garmin 12 SE Prairie GeoExplorer ee Prairie Pro Xr g 0 A Taillis Garmin Y g 8 e Taillis GeoExplorer o a Taillis Pro Xr A 6 a i Futaie Garmin e Futaie GeoExplorer 4 Se ne en r A Beea a 14 Futaie Pro Xr gt o T T T T T T T T T T 1 Nombre d enregistrements De fa on g n rale la pr cision de localisation varie avec le logarithme du nombre de points pris en compte pour r aliser la mesure La relation entre ces deux variables indiqu e dans le tableau V p 438 est tr s significative R gt 0 8 pour le GeoExplorer dans toutes les forma tions v g tales et pour le Pro XR sous couvert ferm En milieu ouvert lerreur de localisation mes
20. f rentielle pour chaque appareil et d autre part l effet de diff rents param trages de l appareil tableau p 434 influence du nombre d enregistrements sur la pr cision de localisation 11 modalit s test es influence de l intervalle de temps entre deux enregistrements cons cutifs lors de la loca lisation d un site 4 modalit s test es influence de la configuration satellitale en fixant des seuils de PDOP croissants 7 moda lit s test es Pour chaque effet test nous avons extrait al atoirement de chaque fichier de 2 ooo points enregistr s sur chaque site 50 fichiers comparables des fichiers de terrain standard tableau p 434 Les caract ristiques de ces 50 fichiers ont t choisies pour permettre la r alisation des tests Par exemple pour tester l influence du nombre d enregistrements sur la pr cision de loca lisation 11 s ries de 50 fichiers ont t extraites de chacun des fichiers de 2 ooo points enre gistr s sur le terrain Les caract ristiques de ces fichiers de terrain simul s sont les suivantes seuil sup rieur de PDOP gal 6 intervalle de capture de 1 point par seconde 1 seul enregis trement par fichier pour les 50 fichiers de la premi re s rie 3 enregistrements par fichier pour les 50 fichiers de la seconde s rie 300 enregistrements par fichier pour les 50 fichiers de la 11 s rie Comme 3 fichiers de 2 000 points ont t pris trois dates diff re
21. ieu ferm Le Pro XR permet de descendre en de des 2 m tres d incertitude donn es corrig es avec une d gra dation faible en milieu forestier et un relativement bon taux de capture quel que soit le couvert Le GPS tout en tant facile d utilisation permet de situer avec une pr cision difficile galer les diff rents objets cartographiques manipul s par le forestier limites pistes points remar quables L offre de r cepteurs aujourd hui tr s large permet lachat d un mat riel adapt ses besoins issu du compromis entre la facilit d acquisition en milieu difficile et la pr cision de localisation Les progr s techniques li s une baisse des co ts laissent pr voir une g n rali sation moyen terme du GPS pour le positionnement en for t Christian PIEDALLU Jean Claude G GOUT quipe cosyst mes forestiers et Dynamique des Paysages Laboratoire d tude des Ressources For t Bois UMR INRA ENGREF 1092 COLE NATIONALE DU G NIE RURAL DES EAUX ET DES FOR TS 14 rue Girardet CS 4216 F 54042 NANCY CEDEX piedallu engref fr gegout engref fr Remerciements Nous remercions G rard Lebel de la Direction d partementale de l Agriculture et de la For t de Meurthe et Moselle pour son aide lors de la localisation pr cise des sites utilis s pour les campagnes de test BIBLIOGRAPHIE AUGUST P MICHAUD j LASBASH C SMITH C GPS for environmental applications accu
22. ision moyenne de localisation de l ordre de 8 m tous couverts confondus Les deux GeoExplorer ont des r sultats comparables Cette simili tude a conduit ne pas diff rencier ces deux g n rations d appareils dans les analyses ult rieures La qualit de localisation d un site peut varier fortement d une prise de donn es sur le terrain la suivante pour un appareil et un peuplement donn L erreur de localisation est en g n ral multipli e par deux pour les appareils Trimble lorsqu on passe de la m diane au 90 percentile de la distribution elle est multipli e par trois pour les Garmin Les m dianes varient ainsi de 0 7 7 m selon l appareil et la formation mais les 10 des fichiers les plus mal localis s ont des pr cisions de localisation qui d passent 2 10 m selon la formation v g tale pour les appareils Trimble et 9 25 m pour le Garmin TABLEAU IV Moyenne m diane et 90 percentile entre parenth ses des erreurs de localisation des diff rents GPS dans les diff rentes formations en m tres corrig correction diff rentielle effectu e non corrig correction diff rentielle non effectu e faible nombre de fichiers Prairie Taillis Futaie corrig non corrig corrig non corrig corrig non corrig Garmin 4 0 3 7 8 9 7 2 4 6 14 6 11 4 7 0 23 2 GeoExplorer 1 1 2 0 7 2 8 3 4 3 2 5 9 3 4 2 9 6 2 4 3 3 7 7 8 6 1 5 7 9 9 6
23. la troposph re les d calages d horloge entre le GPS et le satellite et les erreurs sur les orbites des satel lites les multitrajets issus de la r flexion sur des obstacles situ s proximit du r cepteur arbres relief murs Gehue 1993 la configuration satellitale qui peut conduire de mauvais positionnements tous les satellites align s ou mal r partis dans le ciel La qualit de la configuration satellitale est mesur e dans certains GPS par un indice le PDOP Position Dilution Of Precision dont la valeur est d autant plus faible que la configuration satellitale est favorable Des valeurs sous le seuil de 6 sont consid r es comme favorables la d gradation volontaire exerc e par le D partement am ricain de la d fense se tradui sant par une impr cision pouvant aller jusqu 100 m sur le positionnement en temps r el Elle a t d sactiv e le 1 mai 2000 mais elle peut tre th oriquement r activ e tout moment le type de mat riel utilis nombre de canaux qualit de l horloge de l antenne les param trages du GPS seuils moyennes de points Afin de r duire certaines de ces contraintes et notamment l effet du brouillage exerc par les militaires am ricains celui des perturbations atmosph riques et les erreurs li es aux satellites une technique appel e correction diff rentielle ou DGPS a t mise en uvre Hurn 1993 Elle 43
24. liser un site p lt 0 1 p lt 0 01 p lt 0 001 NS non significatif Formation Appareil Constante a Coefficient b Signification R2 Prairie GeoExplorer 4 2 o NS NS Pro XR 0 8 o NS NS Taillis GeoExplorer 1 4 1 11 Lis 0 96 Pro XR 1 0 0 38 Lil 0 99 Futaie GeoExplorer 3 0 1 48 Fr 0 88 Pro XR 1 7 0 37 0 63 438 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes Intervalle de temps entre les enregistrements L intervalle de capture est param trable sur les GPS Trimble mais il doit rester un multiple de celui utilis dans la base fixe 5 secondes pour la base ENGREF Les intervalles de temps entre deux enregistrements de 1 5 10 et 15 secondes ont t test s tableau VII ci dessous TABLEAU VII Pr cision de localisation de la position des sites en m tres selon le type d appareil et le type de formation pour diff rents intervalles de temps entre les enregistrements les donn es sont corrig es par correction diff rentielle Formation Appareil 1 seconde 5 secondes 10 secondes 15 secondes Prairie GeoExplorer 1 2 1 1 1 1 1 Pro XR 0 8 0 8 0 8 0 8 Taillis GeoExplorer 3 2 3 0 2 8 2 8 Pro XR 1 7 1 5 1 4 1 4 Futaie GeoExplorer 6 9 4 3 4 1 4 3 Pro XR 2 2 2 0 1 9 1 9 Une am lioration de la localisation est constat e seulement dans les milieux ferm s L am liora tion est assez important
25. ntes pour une forma tion v g tale un appareil et une saison donn e ce sont 150 fichiers qui sont disponibles par s rie et par combinaison formation appareil saison pour r aliser les tests Cette op ration ayant t r alis e pour les 4 appareils les 3 formations et les 2 saisons test es ce sont 3 600 fichiers qui ont t extraits par s rie de l ensemble des fichiers de terrain soit 39 600 pour les 11 s ries test es tableau p 434 Pour les autres tests tableau p 434 nous avons de la m me fa on fait varier successive ment les modalit s de la variable tudi e et nous avons param tr les autres variables avec les valeurs standard suivantes tableau p 434 heure du premier enregistrement du fichier de terrain simul s lectionn e de fa on al a toire dans le fichier de 2 ooo enregistrements nombre d enregistrements cons cutifs 60 seuil de PDOP mat riel Trimble exclusivement 6 dur e entre deux enregistrements 1 seconde Le grand nombre de fichiers trait s par modalit 150 a permis de r aliser pour chacune d entre elles une distribution des erreurs de localisation et de calculer diverses statistiques telles que la moyenne des erreurs la m diane et le 90 percentile de la distribution neuf fichiers sur dix ont une erreur de localisation inf rieure celle du 90 percentile de la distribution tandis que un sur dix a une valeur sup rieure Les diff
26. on on the quality of measurements is studied The series of measurements studied show up a very strong hardware and canopy effect which entails a variation in average position accuracy of 0 8 to 11 metres The number of records required to position a site the data collection interval differential correction of the data and satellite constellation all have an effect the discrepancy between the GPS determined position and the actual position could be halved 442 Rev For Fr LIV 5 2002
27. racy and precision of locational data Photogrammetric Engineering and Remote Sensing vol 60 n 1 1994 PP 41 45 BILODEAU M GOSSELIN S LOWELL K EDWARDS G GOLD C Operational integration of GPS into forest management activities which use a GIS monitor forest operation GIS 93 symposium Vancouver British Columbia February 1993 BOTTON S DUQUESNE F EGELS Y EVEN M WILLIS P GPS localisation et navigation CNIG Paris dition Hermes 1998 DECKERT C BOLSTAD P V Terrain and canopy influence on Code Phase GPS position accuracy GIS 94 Symposium Vancouver British Columbia 1994 EMEYRIAT R PICORIT C REULOING D Cartographie num rique GPS radiocommunications les nouveaux outils de la logistique de l exploitation foresti re nformations For t n 4 fiche n 579 1998 EVANS D L RONALD W C SIMMONS G T Use of positionning system GPS for Forest Plot Location South Journal of Applied Forestry vol 16 n 2 1992 pp 67 70 Rev For Fr LIV 5 2002 441 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT GEHUE H MCLINTOCK D CANNON M E Georeferencing with GPS performance analysis in a forested environment GIS 93 Symposium Vancouver British Columbia 1993 GOSSELIN S BILODEAU J M Le Syst me de positionnement GPS en foresterie potentiel limites et applications L Aubelle n
28. rait 30 points enregistr s toutes les 10 secondes l autre 60 points enregistr s toutes les 5 secondes et le troisi me 300 points enre gistr s toutes les secondes Outre la dur e d enregistrement le seuil de PDOP choisi a une forte influence sur la qualit de localisation lerreur de positionnement augmente de 50 100 quand on passe d un seuil de PDOP de 4 un seuil de 50 La d gradation est particuli rement marqu e pour le GeoExplorer Les diff rents appareils test s couvrent finalement une large gamme de pr cisions de 0 5 environ 20 m tres dans 90 des cas selon les milieux et les conditions et correspondent des usages diff rents Un appareil d entr e de gamme du type Garmin 12 MAP permet une loca lisation moyenne environ 8 m tres pr s avec une grande facilit de r ception m me sous couvert forestier Cependant il peut subir de fortes variations de pr cision notamment en for t 10 des fichiers enregistr s en futaie pr sentent de 23 80 m d erreur d o la n cessit de 440 Rev For Fr LIV 5 2002 Outils et m thodes pouvoir stocker sur ce type d appareil un nombre important d enregistrements afin de calculer la position moyenne d un site avec une meilleure fiabilit Un r cepteur de type GeoExplorer permet apr s correction diff rentielle d esp rer une erreur de positionnement inf rieure 4 m tres malgr une d gradation assez forte de la qualit de mesure en mil
29. re totale assez importante est de 35 m ha dont 30 m ha au del de 17 5 cm de diam tre La hauteur dominante du peuplement est de 26 m tres Les essences dominantes sont le Ch ne sessile le Charme et le Tilleul Mesures r alis es Six passages trois en t et trois en hiver ont t r alis s en 2001 des dates identiques dans chacun des trois sites afin d liminer les biais induits par les constellations satellitales Ces relev s ont eu lieu pendant une p riode s che sans pluie ni bruine et en conditions de sol sec et apr s analyse des configurations satellitales afin de choisir une p riode durant la journ e avec plus de 5 satellites utiles pendant une p riode d au moins 6 heures Une croix en bois dont chaque axe mesure 3 m est centr e l emplacement de chaque borne et cal e par rapport au nord magn tique Un GPS est plac chaque extr mit de la croix 1 m tre de hauteur sur un pied de th odolite Ce dispositif vise reproduire de fa on la plus fiable possible les conditions de terrain tout en vitant les ventuelles interactions entre les diff rentes machines et en loignant les r cepteurs de toute pi ce m tallique Les coordonn es r elles du site sont recalcul es pour tenir compte de ce dispositif Les machines sont d clench es en m me temps et la prise de donn es est r alis e avec un enre gistrement par seconde jusqu 2 000 points 1 900 pour le Garmin soit 35 mn dans de
30. rences de pr cision de localisation li es au mat riel la saison la formation v g tale et la correction diff rentielle ont t test es l aide d analyses de variance r alis es avec le logiciel SuperANOVA Le lien entre la pr cision de localisation et le nombre d enregistrements pour un site et le seuil de PDOP utilis a t test par des r gressions r alis es l aide du logiciel StatView Rev For Fr LIV 5 2002 433 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT TABLEAU Tableau r capitulatif des param trages et nombre de fichiers de terrain trait s en fonction des diff rents effets test s Effets test s Effet Absence Configuration Sas 3 Nombre satellitale Intervalle de la v g tation de correction F 3 3 or d enregistrements seuil gt de temps Param trages et de la saison diff rentielle de PDOP Nombre 1 modalit 11 modalit s d enregistrements 60 1 3 10 30 45 60 par fichier enregistrements 1 modalit 60 80 100 150 200 300 1 modalit 60 1 modalit 60 Seuil sup rieur 7 modalit s seuils 4 6 8 de PDOP 1 modalit 6 1 modalit 6 1 modalit 6 10 15 25 50 1 modalit 6 Intervalle 4 modalit s de capture 1 modalit 1 5 10 secondes 1 seconde 1 modalit 1 1 modalit 1 1 modalit 1 15 secondes Nombre de GPS 4 Gar Geo 1 3
31. u GPS en milieu ouvert et dans diff rents peuplements forestiers en hiver et en t l aide de plusieurs types d appareils de marque Trimble et Garmin L effet de diff rents param trages des appareils nombre d enregistrements pour localiser un site intervalle de temps entre deux enregistrements variation de configuration satellitale sur la qualit des mesures est analys Les campagnes de mesures mettent en vidence un fort effet du mat riel et du couvert qui conduisent des pr cisions moyennes de localisation qui varient de 0 8 11 m tres Le nombre d enregistrements utilis s pour localiser un site l intervalle de temps entre ces enregistrements la correction diff rentielle des donn es et la configuration satellitale ont tous un effet qui peut permettre de diviser par deux l cart entre position mesur e par le GPS et position r elle STUDY OF GPS ACCURACY IN FOREST ENVIRONMENTS Abstract Although GPS is a comparatively recent technology many forest mapping applications have been devised but their complete potential and limitations are not yet fully appreciated The main aim of this work is to assess the usefulness of GPS in open environment and in various forest stands both in winter and summer using several Trimble and Garmin brand receivers The effect of different parameter settings for the devices number of data acquisitions to determine a position data collection intervals change in satellite constellati
32. ur e avec le Pro XR varie tr s peu autour de 80 cm quel que soit le nombre d enregistre ments pris en compte Le Garmin suit la loi g n rale mais avec des carts plus importants que les appareils de marque Trimble Rev For Fr LIV 5 2002 437 CHRISTIAN PIEDALLU JEAN CLAUDE G GOUT TABLEAU V Param tres et signification statistique du mod le y a b In x o y est la pr cision de localisation en m tres et x est le nombre d enregistrements r alis s pour localiser un site p lt 0 1 p lt 0 01 p lt 0 001 NS non significatif Formation Appareil Constante a Coefficient b Signification Ri Prairie Garmin 4 4 0 09 0 34 GeoExplorer 1 3 0 05 Lie 0 85 Pro XR 0 8 0 00 NS NS Taillis Garmin 10 1 0 66 ji 0 71 GeoExplorer 4 6 0 33 SER 0 98 Pro XR 2 1 0 09 0 84 Futaie Garmin 13 6 0 7 e 0 69 GeoExplorer 10 1 1 0 FAX 0 93 Pro XR 3 2 0 2 KER 0 89 Ces r sultats montrent lint r t de r aliser un grand nombre d enregistrements pour localiser un site surtout pour les appareils d entr e de gamme comme le Garmin Par rapport une mesure r alis e avec un seul enregistrement il est ainsi possible de diminuer l erreur de localisation de 25 en futaie avec l enregistrement de 130 12 et 55 positions pour respectivement les appa reils Garmin GeoExplorer et Pro XR le calcul est effectu partir du mod
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