不同坡位對GPS項圈定位性能的影響

溫惠 袁學林 曹引弟 任國鵬,4* 黃志旁,2,4* 肖文,2,3,4

（1 大理大學東喜瑪拉雅研究院，大理 671003）（2 國際生物多樣性與靈長類保護中心，大理 671003）（3 大理大學三江并流區域生物多樣性保護與利用云南省創新團隊，大理 671003）（4 中國三江并流區域生物多樣性協同創新中心，大理 671003）

隨著全球定位系統(Global Positioning System,GPS)技術的發展，GPS 項圈已廣泛應用于大中型野生動物的行為監測與保護管理工作(Bowmanet al., 2000; Loarieet al., 2009; Wilsonet al., 2013;Hertelet al., 2019; Paganoet al., 2020)。給野生動物佩戴GPS 項圈，可實時記錄其活動位點，在野生動物的棲息地選擇、活動節律、家域和遷移擴散等研究中發揮著重要作用(Johnsonet al., 1998;Rouyset al., 2001; Schmidet al., 2003; Sawyeret al., 2006; Osborneet al., 2006; Renet al., 2010;Hullet al., 2016；周世強等，2016；張晉東等，2019)。實際使用GPS 項圈時，由于各種因素的影響，GPS 項圈數據可能存在定位誤差(location er‐ror) 和定位數據缺失偏歧(fix rate bias) (D’Eonet al.,2002;Frairet al.,2004)。定位誤差指定位點與參照點(“真實位置”) 之間的距離。定位數據缺失偏歧指GPS 項圈在計劃的時間段內，未能成功記錄到預期的定位數量。若不考慮這兩種誤差，對野生動物的生態學研究如日活動距離、棲息地選擇、家域范圍等會產生嚴重偏差。因此，在使用GPS 項圈定位數據之前，應先進行定位性能評估(Dussaultet al., 1999; Swanlundet al., 2016;Vanceet al.,2017)。

植被覆蓋和地形條件是影響GPS 項圈定位性能的兩類主要環境因素。已有研究證實，植被蓋度越高，定位數據缺失偏歧越嚴重，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) 發現，在成熟落葉闊葉林，冬季項圈定位成功率(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GPS 項圈定位性能的影響，主要是因為山區復雜的地形可能會阻礙GPS 項圈接受衛星的信號(D’Eonet al., 2002; Cainet al., 2005; Swanlundetal.,2016)。一些研究認為，地形對GPS項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較為平緩的地區。另一些研究則認為，在崎嶇的山區，GPS項圈定位性能與坡度和海拔相關，坡度越小，海拔越高，定位性能越好，山脊的項圈性能優于山谷(D’Eonet al.,2002;Frairet al., 2004; Zweifel-Schiellyet al., 2007)。但這些研究所在的山區海拔高差僅有幾百米。

地形是否對GPS 項圈性能產生影響，可能取決于山區地形的復雜程度。在高山峽谷地區，復雜地形是否會對GPS 項圈的定位性能產生嚴重影響？本研究通過在中國西南高山峽谷區對比相同海拔不同坡位(山脊，山谷) 項圈的定位性能，來量化地形對GPS項圈的定位性能的影響。

1 研究方法

1.1 研究區域

大理蒼山位于云南省大理白族自治州(北緯25°34′~26°00′，東經99°55′~100°12′，圖1)，是橫斷山區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，溝谷切割險峻(穆靜秋，2006)。森林植被呈現明顯的垂直分層，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)。蒼山自然環境復雜多樣，森林覆蓋率為79.73%，為野生動物提供了良好的棲息地(陳冰等，2017)。記錄有國家重點保護野生植物云南紅豆杉(Taxus yunnanensis)、松口蘑(Tricholoma mat‐sutake)等10 種，國家重點保護野生動物喜馬拉雅小熊貓(Ailurus fulgens)、中華鬣羚(Capricornis milneedwardsii)、亞洲黑熊(Ursus thibetanus) 等22 種(張羽等，2019)。

1.2 數據收集

將項圈靜態放置于玉局峰、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，靜態測試點都設置在海拔2 600 m 的華山松林(圖1)，將GPS 項圈固定在離地面1.5 m 的樹干上。受可達性影響，4 個山區靜態測試點的海拔都略高于2 600 m(表1)。對照組放置于大理大學第三教學樓樓頂東南角，該位置既無植被，也無地形遮擋，稱為開闊地(open site)，以視為GPS 項圈在理想狀態下的定位性能。

圖1 研究區域及項圈靜態測試點示意圖Fig. 1 Test points at Cangshan Mountain,Dali,Yunnan

表1 靜態測試點項圈測試時間Table 1 Test duration of the stationary points

GPS 項圈是杭州粵?？萍加邢薰旧a的太陽能供電GSM YH-XQG0150 系列(http://www.zjy‐hkj.com/a/product/beast/)項圈。為排除設備差異的影響，每個測試點同時放置兩個GPS 項圈。在每個測試點，每個GPS 項圈按1 h 的間隔返回定位數據。從安放日次日凌晨(00: 00) 開始，連續收集31個全天數據(預期744條定位數據)。安放于白鶴溪山谷的2 個項圈，因太陽光照不足難以持續供電，僅返回17個全天數據(表1)。

為獲得5 個測試點的參考坐標，使用智能手機(小米9)上的GPS 工具(南京未來鴻網絡科技有限公司)，在可用衛星數大于15 顆且數值在3 min內維持穩定時，記錄獲取參考點地理坐標及海拔。

1.3 數據分析

GPS項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)來指示(公式1~5)。

FSR 指返回定位記錄數占期望返回記錄數的比例。

其中NS為返回定位記錄數，N 為期望返回定位記錄數。

項圈返回的定位記錄和測試點的參考坐標都是地理坐標(WGS1984 坐標系統)。在R Statistics軟件平臺下(R Core Team, 2020) 使用sf 包(Pebe‐sma,2018)，將這些地理坐標投影為通用橫軸墨卡托坐標(UTM WGS-1984 47N)。

LE指項圈定位點到參考點的歐氏距離。

其中XGPS和YGPS為項圈返回數據的UTM 坐標，XREF和YREF為測試點參考位置的UTM坐標(單位：m)。

每個測試點GPS 項圈的LP，可分別計算定位點X 方向(東西方向)和Y 方向(南北方向)的標準誤差(SE)來指示。

其中Xi和Yi為定位點的坐標，Xmedian和Ymedian分別為全部定位點X 和Y 坐標的中位數，n為定位點的總數。

2 結果

2.1 地形條件對定位成功率的影響

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

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

2.2 地形條件對水平定位誤差的影響

GPS項圈在山谷的定位誤差大于山脊，并遠大于開闊地(圖3)。在兩個山谷中，定位誤差的中位數(50%)分別為21 m和28 m，兩個山脊分別為13 m和20 m，而開闊地僅為5 m。在開闊地，90%的三維定位點定位誤差小于14 m，但在兩個山脊測試點，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 地形條件對水平定位精度的影響

兩個山谷測試點的定位精度最低，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)；山脊測試點定位精度略高，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 靜態測試點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 地形對項圈定位性能的影響

很多研究認為地形對GPS 項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地形起伏較小有關(Cainet al., 2005)。本研究中，GPS 項圈在山脊測試點的定位性能高于山谷測試點，但復雜山地環境(山脊和山谷) 測試點的定位性能顯著低于開闊地，這與D’Eon 等(2002) 發現GPS 項圈在山脊頂部的定位性能要優于陡峭的谷底一致。

3.2 GPS項圈定位性能對相關研究的影響

GPS 項圈技術的發展和應用，極大方便了大型動物的監測和研究(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)在卡斯卡德山區的86 826個活動位點，如果不是應用GPS 項圈，這樣覆蓋整個卡斯卡德山的數據幾乎不可能獲得(Wellset al.,2011)。但分析雪羊的生境選擇時，需要對不同環境條件下定位數據缺失偏歧進行校正(Wellset al.,2011)。與卡斯卡德山區類似，Vance 等(2017) 發現基于GPS 項圈跟蹤數據，歐洲馬鹿(Cervus ela‐phus)對平坦的高海拔區域利用頻率被高估，而對陡峭溝谷的利用頻率則被低估。因此，在野生動物保護管理中，對GPS 項圈跟蹤數據的分析需要謹慎，否則可能會錯誤地判斷野生動物的生境偏好，進而做出不當的保護管理規劃(Vanceet al.,2017)。

水平定位誤差會對動物日移動距離和家域研究產生影響。本研究發現，雖然開闊地90%的三維定位點水平誤差小于14 m，但山谷測試點，這個數值增加到2 837 m。非人靈長類動物的平均日活動距離不到10 km(Chirchiret al.,2016)，例如神農架川金絲猴(Rhinopithecus roxellana)日移動距離320~3 110 m(李義明等，2016)；滇金絲猴(R. bi‐eti) 的平均日移動距離不到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，對于日移動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山谷和兩個山脊對杭州粵?？萍脊镜腉SM 獸類項圈的定位性能做了靜態放置測試。放置在開闊地的GPS 項圈，在理想狀態下其定位率與其他研究結果相近，說明項圈型號對定位性能的影響較小。此外，在復雜地形中不同季節和不同樹冠層下，GPS 項圈的定位性能可能會有所差異(Unoet al., 2010;Swanepoelet al.,2010)，還需深入研究。實際應用GPS 項圈時，動物行為也會影響項圈的定位性能(Moenet al.,2001;Mattissonet al.,2010)。

通過本研究結果，我們建議在高山峽谷地區使用GPS 項圈監測動物位點時，需要先評估不同地形條件下的定位性能。進行動物家域行為研究時，建議篩除那些可能定位誤差較大的點。進行動物棲息地選擇研究時，應考慮不同坡位定位成功率的差異，謹慎分析數據。

致謝：本項目獲得杭州粵?？萍加邢薰竞驮茙X滇金絲猴云南省野外科學觀測研究站(202105AM0 70008) 的支持，在此表示感謝。感謝大理大學東喜瑪拉雅研究院空間分析小組王建蝶、侯鑫磊、龍秀潔、戴其權等同學協助本研究的野外工作。