ATTENDIBILITÀ DEL POSIZIONAMENTO PLANIMETRICOSATELLITARE GNSS IN AMBITO FORESTALECON STRUMENTAZIONE GPS SEMPLIFICATA (1)

AMATO BONAVITA (*) - LORENZO PINI (*) - PAOLO PELLEGRINI (**)

ATTENDIBILITÀ DEL POSIZIONAMENTO PLANIMETRICO SATELLITARE GNSS IN AMBITO FORESTALE

CON STRUMENTAZIONE GPS SEMPLIFICATA (

)

La presente indagine riguarda la determinazione dell’esattezza e della precisione conseguibili nel posizionamento assoluto con strumenti GPS di tipo stand-alone, nel rile- vamento planimetrico in ambiente forestale.

Le posizioni sono state acquisite alla frequenza di 1 fix/sec e successivamente mediate su intervalli di tempo contigui per durate diverse, simulando tempi di acquisizio- ne più lunghi e valutando l’effetto sui parametri in esame.

Il poligono di prova è situato alle pendici di un rilievo montuoso appenninico rite- nuto rappresentativo delle condizioni morfologiche e vegetazionali della fascia basale.

Come riferimento, gli Autori hanno considerato un parametro indicato dalle case costruttrici (CEP) e le Guidelines for Digital Map Base Updates of Cartographic Speci- fications and Symbols (EM-7140-24).

I risultati circa l’esattezza e la precisione del dato evidenziano una sensibile influenza esercitata dalla copertura arborea, anche in assenza delle foglie e presentano sensibili miglioramenti all’aumentare dei tempi di posizionamento fino a circa 5 minuti.

Parole chiave: GNSS; GPS; esattezza; precisione; copertura forestale.

Key words: GNSS; GPS; accuracy; precision; tree canopy cover.

1. P

La copertura arborea costituisce uno dei principali fattori limitanti per l’impiego di strumentazioni di posizionamento satellitare GNSS (Glo- bal Navigation Satellite System) in ambiente forestale. I rami, i fusti, le chio- me nel loro complesso interferiscono con il corretto funzionamento dei ricevitori (T

e L

, 2002) al punto che numerose ricerche hanno indagato l’influenza di tali elementi sull’affidabilità del posizionamento

(*) Dottore di Ricerca in Ingegneria Agro-Forestale.

(**) Professore Associato, Dipartimento Ingegneria Agraria e Forestale, Università degli Studi di Firenze.

1Il contributo è frutto della sperimentazione comune degli Autori.

– L’Italia Forestale e Montana / Italian Journal of Forest and Mountain Environments 64 (3): 185-195, 2009

© 2009 Accademia Italiana Scienze Forestali doi: 1041.29/ifm.2009.3.03

sotto copertura e hanno messo in evidenza l’effetto positivo di tempi di sta- zionamento più lunghi, così da poter ottenere per le coordinate del punto un valore mediato nel tempo (U.S.D.A., 2000; C

, 2002).

Allo stato attuale, la diffusione dei sistemi di posizionamento satellitare di tipo GPS (Global Positioning System) nel settore forestale vede un largo utilizzo di apparecchiature semplificate concepite principalmente per l’im- piego di tipo escursionistico (U.S. F

S

, 2003; S

e F

, 1994). Questi ultimi ricevitori non risultano configurabili dall’utente per alcuni parametri critici (PDOP, numero di fix utilizzabili, numero e altezza dei satelliti in vista, rapporto segnale/rumore) che di fatto costituiscono ele- menti di primaria importanza nel determinare la qualità delle acquisizioni.

Nei confronti di strumenti capaci di migliori prestazioni, come ad esem- pio i GPS topografici, tali apparecchiature presentano i vantaggi della sem- plicità di utilizzo, del minor ingombro, del contenimento dei costi d’acquisto e della minore criticità delle condizioni richieste, a discapito tuttavia di una sensibile riduzione di affidabilità del dato.

Analoghe considerazioni possono essere fatte quando si confrontano strumenti concepiti per impieghi escursionistici con ricevitori di tipo diffe- renziale e con quelli utilizzati per la costruzione e l’aggiornamento di carto- grafie tematiche e di Sistemi Informativi Territoriali (M

, 2002); questi ultimi, infatti, seppur presentino prestazioni inferiori agli strumenti topogra- fici in senso stretto consentono, ma solo se in buone condizioni operative, posizionamenti certamente più attendibili dei GPS semplificati.

Esattezza e precisione non indicano il medesimo concetto: l’esattezza riferisce quanto una misura si discosti dal valore vero; la precisione, d’altra parte, indica quanto una misura si discosti dal valore medio della serie di misure della quale fa parte.

La differenza tra l’esattezza e la precisione è dovuta ad «errori sistematici».

L’esattezza che caratterizza una misura appare tanto auspicabile quanto difficile da ottenere: la sua stima richiede il controllo rigoroso circa le fonti dell’errore sistematico.

Con l’impiego di GPS semplificati tale controllo diviene difficile da attuare anche a causa del fatto che i suddetti strumenti non risultano configu- rabili dall’utente per alcuni parametri critici che influenzano, seppur in modo diverso, la qualità dei dati acquisiti.

Da oltre una decina d’anni l’impiego di strumentazioni di posiziona- mento satellitare si è via via diffuso nel settore del rilievo tematico del territo- rio e in ambito forestale (S

et al., 1999). Oggi risulta molto importante

‘leggere’ i dati rilevati con apparecchiature satellitari, con la consapevolezza

dell’attendibilità che può essere loro attribuita, generalmente attraverso la

stima dell’errore che caratterizza il dato stesso (N

et al., 2006).

187

POSIZIONAMENTO GPS IN AMBITO FORESTALE

Sulla base di tali considerazioni, si è ritenuto opportuno avviare una sperimentazione volta a definire le prestazioni di GPS palmari di stesso modello operanti in condizioni diverse di copertura forestale, in considera- zione anche della scarsa attenzione all’argomento nella letteratura nazionale del settore forestale.

2. A

Le prove sono state condotte in un’area test scelta in modo da risulta- re rappresentativa delle condizioni morfologiche e forestali della fascia basale del territorio appenninico collocata in una porzione di territorio montuoso nel comune di Vaglia (FI). Il territorio risulta caratterizzato dalla presenza di boschi cedui quercini a foglia caduca alternati ad aree aperte. I dati di posizionamento sono stati registrati in un’area situata presso i margi- ni del bosco esposta a nord-est a 350 ÷ 400 m di quota.

3. M

I test di carattere statico, eseguiti in contemporanea, sia nel periodo vegetativo che in quello di riposo, hanno consentito di ottenere per ciascun posizionamento dati da porre a confronto secondo una metodologia appo- sitamente predisposta. I dati successivamente elaborati hanno consentito di determinare, per ciascun punto di stazionamento, l’esattezza e la precisione dei ricevitori in relazione alla copertura arborea e ai tempi di acquisizione.

3.1 Modalità di posizionamento GPS

Gli stazionamenti sono stati effettuati, nell’area utilizzata come poligo- no di prova, su tre punti di coordinate note:

– il primo, rappresentato da un caposaldo istituito in occasione dei rilievi relativi alla progettazione della linea TAV, tratta Firenze-Bologna;

– il secondo e il terzo, ricavati dal suddetto caposaldo e da punti trigono- metrici di orientamento, attraverso operazioni di rilievo topografico con impiego di tacheometro elettronico con distanziometro integrato (stazio- ne totale).

Tali punti, pur essendo posti a poche decine di metri l’uno dall’altro, sono caratterizzati da condizioni diverse di copertura forestale. In particola- re, sono stati individuati tre differenti gradi di copertura, stimati a vista (Fig. 1):

– Totale (100%): area caratterizzata dalla presenza di polloni maturi di

Roverella (Quercus pubescens) e Orniello (Fraxinus ornus);

– Intermedia (40%): tagliata di ceduo matricinato, effettuata nell’anno, dove la componente arborea è costituita dalle sole matricine;

– Assente (0%): area a prato-pascolo priva di vegetazione arborea.

In contemporanea, sono stati eseguiti rilievi con il medesimo modello di GPS e l’impiego di antenna esterna, su un punto di coordinate note situato fuori dal bosco a pochi chilometri di distanza dagli altri punti. I valori registrati in corrispondenza di tale punto, posto in condizioni di piena visibilità del cielo, sono stati considerati per valutare la funzionalità del sistema satellitare GNSS durante i rilevamenti. Le coordinate del sud- detto punto sono state determinate preliminarmente mediante operazioni di rilievo topografico, con impiego di stazione totale, facendo riferimento a tre punti fiduciali istituiti dall’Agenzia del Territorio di Firenze.

Figura 1 – Diversa copertura arborea che caratterizza i punti di stazionamento nell’ambito del poligo- no di prova.

Copertura assente

Copertura totale

Copertura intermedia

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POSIZIONAMENTO GPS IN AMBITO FORESTALE

Con la presente indagine sono stati sottoposti a prova ricevitori pal- mari Garmin serie 76 in grado di operare con l’acquisizione di un fix al secondo, in modalità statica.

I rilievi puntuali sono stati eseguiti facendo uso dell’antenna interna propria di ciascun ricevitore, tenendo lo strumento all’altezza di circa 1,80 m da terra vincolato, a seconda della situazione, a un cavalletto in legno o a una palina. L’indagine sull’esattezza e precisione del rilievo GPS con gli strumenti di cui sopra è stata svolta in contemporanea ripetendo le acquisizioni per sei volte sugli stessi punti caratterizzati da copertura fore- stale totale, intermedia o assente. L’acquisizione dei dati in campagna è stata condotta per quattro volte durante il periodo vegetativo e per altre due nel periodo di riposo, con l’intento di valutare se la presenza della copertura fogliare avesse influenza sensibile sui parametri indagati. L’acqui- sizione dei dati è stata condotta in assenza di precipitazioni atmosferiche e in condizioni di chioma generalmente asciutta.

3.2 Stima dell’esattezza e della precisione

Ogni singola prova, della durata complessiva di 150 minuti, ha previ- sto l’acquisizione in contemporanea dei dati per ciascuno dei quattro stru- menti: tre sul poligono di prova e uno di controllo. Gli scarti delle coordi- nate Est e Nord sono stati calcolati rispetto al valore noto per la stima del- l’esattezza e rispetto al valore medio (su 150 minuti) per la precisione.

Per valutare l’influenza dei tempi di acquisizione sull’esattezza e la precisione dello strumento, sono state calcolate le medie dei fix su intervalli di tempo di 1 sec (1 fix), 10 sec (10 fix), 30 sec (30 fix), 1 min (60 fix), 5 min (300 fix), 10 min (600 fix), 30 min (1800 fix). Tali medie sono state suc- cessivamente impiegate per la determinazione degli scarti rispetto al valore noto e al valore medio.

Per quanto riguarda l’esattezza, per facilità di confronto con i dati usualmente disponibili, i risultati sono di seguito espressi come CEP (Cir- cular Error Probable), parametro molto diffuso nella documentazione dei costruttori per indicare le prestazioni degli strumenti (U.S. F

S

-

CE

, op. cit.). Quest’ultimo rappresenta il valore dell’errore entro il quale si situa il 50% delle misure effettuate qualora la distribuzione degli errori si possa considerare normale (Z

, 2008). Esso, secondo le indica- zioni dell’U.S. Forest Service 2003, è stato calcolato attraverso la relazio- ne seguente:

CEP = RMSE * 0,83

dove RMSE (Root Mean Squared Error) indica la radice quadrata dell’errore

quadratico medio.

4. R

Le tabelle 1 e 2 mostrano rispettivamente i dati medi dell’esattezza e della precisione di tutte le prove eseguite su uno stesso punto; i risultati sono riportati in una tabella in cui le colonne fanno riferimento al diverso grado di copertura arborea e le righe ai diversi tempi di acquisizione. Inol- tre, i dati sono suddivisi in due serie differenziate in relazione alla presenza o meno della copertura fogliare al momento del rilievo, determinata dallo stato di attività o di riposo vegetativo.

Dalla tabella 1 emerge che, in generale, la copertura forestale (fusti, rami, foglie) riduce in modo evidente l’esattezza del rilievo. Infatti si nota che, per acquisizioni di 1 secondo, i valori di errore che caratterizzano l’e- sattezza si dimezzano o quasi passando dal punto posto sotto copertura totale al punto allo scoperto; ciò vale sia nel periodo vegetativo, sia in quel- lo di riposo.

I risultati relativi alla stima dell’esattezza concordano peraltro con il valore dell’esattezza indicato dalla casa costruttrice nelle caratteristiche tec- niche dello strumento. Nello specifico, per acquisizioni senza correzioni differenziali come WAAS o altre, vengono riportati errori inferiori a 15 metri al 95% delle probabilità. I risultati ottenuti nella presente indagine, se espressi come esattezza al 95%, appaiono sempre al di sotto del suddetto valore e quindi pienamente in accordo con lo stesso. Inoltre, i risultati otte- nuti concordano con i valori indicati da C

(op. cit.) in studi condotti sul modello Garmin serie 76.

In modo analogo, tabella 2, si può rilevare come per acquisizioni di 1 secondo la precisione passi da valori di circa 1,5 m per i punti posti allo scoperto a valori di 3-4 m per i punti posti sotto copertura intermedia e totale.

I valori che caratterizzano l’errore, determinati per il punto sotto copertura intermedia, risultano nel complesso poco inferiori a quelli regi- strati per il punto sotto copertura totale, sia per l’esattezza che per la preci- sione. I risultati sembrano quindi evidenziare che la presenza di copertura arborea intermedia possa determinare errori analoghi a quelli che si verifi- cano in condizioni di copertura totale.

In relazione ai tempi di acquisizione emerge che l’esattezza e la preci-

sione migliorano in modo sensibile passando da 1 secondo a 30 minuti,

soprattutto per i punti posti sotto copertura intermedia e totale. Per i punti

posti allo scoperto, tale incremento appare molto meno evidente e infatti,

anche per acquisizioni di 30 minuti, i valori medi registrati risultano non

molto inferiori a quelli ottenuti da acquisizioni di 1 secondo.

Tabella 1–Esattezza espressa in metri attraverso il parametro CEP (Circular Error Probable). ESATTEZZAESPRESSACOMECEP - DATIMEDI- (m) Periodo vegetativoPeriodo riposo vegetativo Tempo diCopertura Copertura Copertura Punto di Copertura Copertura CoperturaPunto di acquisizioneTotaleIntermediaAssentecontrolloTotaleIntermediaAssentecontrollo 1 sec3,693,041,741,992,892,521,391,45 10 sec3,653,021,731,992,862,501,381,44 30 sec3,522,911,681,972,752,411,321,41 1 min3,312,711,621,942,562,271,231,37 5 min2,392,011,461,801,811,730,911,16 10 min2,031,711,411,721,551,560,821,02 30 min1,611,371,341,641,231,370,790,86 Tabella 2–Precisione espressa in metri: scarti delle coordinate rispetto al valore medio. I valori indicano la media dei 4 stazionamenti effettuati nel perio- do vegetativo e dei 2 eseguiti nel periodo di riposo. PRECISIONE- DATIMEDI- (m) Periodo vegetativoPeriodo riposo vegetativo Tempo diCopertura Copertura Copertura Punto di Copertura Copertura CoperturaPunto di acquisizioneTotaleIntermediaAssentecontrolloTotaleIntermediaAssentecontrollo 1 sec4,193,251,411,553,392,771,521,56 10 sec4,143,221,391,543,352,751,501,55 30 sec3,973,071,321,513,212,631,431,51 1 min3,702,801,221,462,982,441,301,45 5 min2,491,790,941,162,011,660,841,14 10 min1,991,340,840,981,671,410,660,91 30 min1,380,840,750,801,141,110,510,63

In generale, dalle tabelle 1 e 2 si può dedurre un miglioramento dell’e- sattezza e della precisione molto modesto passando da tempi di acquisizio- ne di 1 secondo fino a 1 minuto; variazioni più evidenti emergono invece per acquisizioni oltre i 5 minuti.

Le sopra indicate tabelle consentono inoltre di rilevare come i miglio- ramenti di esattezza e precisione, segnalati dalla riduzione dei valori, cre- scono all’aumentare dei tempi di acquisizione, ma con incrementi via via più ridotti. In definitiva, i due parametri indagati tendono a stabilizzarsi nel tempo man mano che aumenta la durata di stazionamento.

Per quanto riguarda i dati rilevati in assenza di copertura fogliare emergono differenze piuttosto contenute rispetto ai rilievi effettuati nel periodo vegetativo, sia per l’esattezza che per la precisione. Tali differenze possono essere quantificate nell’ordine di 0,5 - 1 m in relazione ad entrambi i parametri considerati.

In particolare, per acquisizioni di 1 secondo sotto copertura totale 100%, il CEP varia da 3,69 m nel periodo vegetativo a 2,89 m del periodo di riposo. Allo stesso modo, sotto copertura intermedia (40%), i valori medi del CEP passano da 3,04 m a 2,52 m. Per tempi di acquisizione più lunghi tali differenze appaiono molto più contenute.

I dati sulla precisione, per acquisizioni di 1 secondo sotto copertura totale, variano da 4,19 m nel periodo vegetativo a 3,39 m nel periodo di riposo. Sotto copertura al 40% i dati passano da 3,25 m a 2,77 m. Anche in questo caso, le differenze tra i due periodi diminuiscono all’aumentare dei tempi di acquisizione.

Tutto ciò lascia supporre che, con tutta probabilità, i rami e i fusti delle piante, piuttosto che le foglie, possono rappresentare elementi di pri- maria importanza nel determinare fenomeni di disturbo per l’acquisizione delle coordinate con strumenti GPS.

5. C

L’individuazione di un opportuno compromesso tra la durata dei tempi di acquisizione e l’affidabilità del dato, risulta un aspetto di notevole importanza soprattutto ai fini dell’impiego tecnico in bosco degli strumenti GPS palmari.

Tale impiego, in pratica, richiede una certa celerità nelle operazioni di rilievo e allo stesso tempo una sufficiente affidabilità delle posizioni regi- strate.

L’aumento dei tempi di acquisizione, sebbene contribuisca al miglio-

ramento generale del dato, non influisce in modo determinante sul livello di

193

POSIZIONAMENTO GPS IN AMBITO FORESTALE

affidabilità dei rilievi, che quindi rimane nell’ordine dei metri. Dall’esame dei risultati si può notare come, passando da tempi di stazionamento di 1 secondo fino a 30 minuti, l’esattezza e la precisione tendano a migliora- re fino a stabilizzarsi e che, soprattutto nei primi minuti al crescere del tempo di acquisizione si assista a miglioramenti sensibili in termini di affi- dabilità del dato.

La metodologia di rilievo proposta prevede, per ogni singola prova, l’acquisizione di dati in contemporanea da parte dei medesimi strumenti;

ciò allo scopo di confrontare in modo attendibile i dati registrati dai diversi GPS. Al fine di ridurre gli errori derivanti da diverse costellazioni di satelli- ti ‘visibili’ da ciascuno strumento, i punti del poligono di prova sono stati individuati in modo da risultare molto vicini tra di loro e permettendo quindi agli apparecchi di operare con una costellazione satellitare assai simile.

Tale fattore, risulta esercitare un condizionamento più evidente quan- do vengono confrontati i risultati delle prove eseguite in momenti diversi.

Per quelle relative ad uno stesso periodo (vegetativo e non), tuttavia, i dati sono stati mediati tra di loro e non confrontati. Il confronto è avvenuto invece tra i valori medi delle prove eseguite nei due periodi diversi. In que- sto caso si deve sicuramente considerare l’influenza che potrebbe essere determinata dalle diversità nella configurazione e nelle condizioni operative dei satelliti. Proprio al fine di ridurre l’influenza di tali errori e per ottenere un maggior numero di termini di confronto, le prove di comparazione tra le diverse condizioni di copertura forestale sono state ripetute più volte per ciascun periodo considerato.

In definitiva, dal presente lavoro emerge che la copertura arborea condiziona sensibilmente l’esattezza e la precisione del posizionamento GPS; il confronto dei dati relativi alla diversa condizione vegetativa induce a ritenere che la riduzione dell’attendibilità del rilievo satellitare determinata dalla copertura forestale, per le latifoglie prese in considera- zione e per l’apparecchiatura utilizzata, sia da ascrivere principalmente all’ostacolo costituito dai fusti e dai rami, e in minor misura alla copertu- ra fogliare.

A tal proposito, si ritiene opportuno sottolineare che dal confronto tra i dati acquisiti nella fase di attività vegetativa e in quella di riposo emergono differenze di modesta entità e che potrebbero essere in parte condizionate da diverse configurazioni della costellazione satellitare al momento del rilievo.

Dalle esperienze condotte, appare non del tutto conveniente staziona-

re per più di pochi secondi sullo stesso punto da rilevare in quanto, per

ottenere miglioramenti anche soltanto di 1 m, risultano necessari staziona-

menti piuttosto lunghi e spesso di difficile attuazione nella pratica forestale, in ragione delle caratteristiche speditive dei rilievi puntuali.

Nei casi in cui sia richiesto di soddisfare esigenze di maggiore esattez- za o precisione, sarà opportuno l’impiego di strumentazione GPS più com- plessa abbinata a metodi di rilevamento più rigorosi.

SUMMARY

Reliability of GNSS satellite horizontal positioning in forest environment by handheld GPS receivers

The present research refers about accuracy and precision determination by handheld GPS receivers used for planimetric surveys in forest environments.

The position-fixes have been recorded at 1 second frequency and then averaged for different time ranges. In this way it has been possible to simulate increasing acquisition ranges in order to evaluate the effects on accuracy and precision parameters.

The test area is located on the slopes of a mountain in the Apennine mountain range considered representative of morphologic and vegetational conditions of the basal zone.

For this work, the Authors have referred to some parameters usually indicated by producing companies and to the Guidelines for Digital Map Base Updates of Cartographic Specifications and Symbols (EM-7140-24).

The results about accuracy and precision have shown a considerable influence of the number of fixes for each point position and of the canopy cover, even without leaves.

The examined parameters have sensibly improved when the positioning ranges increase from 1 second to 5 minutes.

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