• 摘要
• 简介
  • GPS的定义
  • GIS的定义
• 方法
  • 网站描述
  • 设备和数据收集
• 结果
• 讨论
  • 投机
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

自1995年导航星全球定位系统(GPS)建成以来，GPS与地理信息系统(GIS)技术的融合已扩展到大量生态保护应用领域。然而，在热带雨林生态学中，尽管该技术潜力巨大，但相对被忽视。尽管成本很高，但这主要是由于(1)在茂密的森林冠层下难以接收高质量的卫星，以及(2)精细尺度植被制图存在一定程度的空间误差。在这里，我们报告了GPS/GIS在乌干达Kibale国家公园雨林中的技术使用，以及获得高精度空间测量所需的方法。我们得出的结论是，当站在雨林树冠下时，很少能获得高精度所需的严格操作参数。将GPS天线提高到25-30米的高度解决了这个问题，可以快速收集到单个雨林树木的空间分散情况。我们讨论了1996年总统决定指令的影响，该指令在2000年5月1日暂停了美国军事引起的GPS误差，并评论了GPS/GIS技术在热带雨林生态研究和保护中的潜在应用。

关键词:乌干达Kibale国家公园，生物多样性保护，冠层干扰，差异校正，食果动物，地理信息系统，全球定位系统，种子传播，空间生态学，热带雨林，植被测绘。

出版日期:2001年11月20日

对空间的占有和利用是任何生态调查中隐含的，也是生态理论的核心(Dale 1999, Folt and Burns 1999)。在这方面，树木的空间分散长期以来一直吸引着生态学家(Wallace 1878)，并刺激了数十年的研究(Diggle 1979, Condit et al. 2000, Plotkin et al. 2000)。在热带地区，对单个树木的测绘开始深入了解补充限制、种子传播和热带树木多样性的模式(Wills et al. 1997, Hubbell et al. 1999, Condit et al. 2000, Harms et al. 2000)。事实上，哈姆斯及其同事(2000)的工作是如此引人注目，以至于用豪伊和米里蒂(2000:434)的话来说，现在“毫无疑问:种子传播很重要。”然而，尽管这项研究强调了脊椎动物种子传播模式和热带物种多样性之间的假设关系(见Howe 1989)，它也引起了人们对目前热带生态系统面临的第六次大规模灭绝的关注(1999年5月，Pimm和Raven 2000年)。因此，森林绘图和物种多样性测量是森林保护和管理的重要组成部分(Hubbell和Foster 1983)，因为正如Plotkin等人(2000)所强调的那样，这些技术能够回答有争议的问题，例如:栖息地丧失与脊椎动物和植物物种灭绝有什么关系?怎样设计一个自然保护区才能最大限度地增加现存物种的数量或遗传多样性?

然而，森林绘图通常是一项乏味的工作。经典的地面测绘方法经常涉及从已知点进行三角测量，在雨林中，这可能需要大量的劳动，而不是非常准确。使用侦察式测绘的距离精度，手持罗盘最多只能达到80分之一(4.5°)，手持林务员罗盘最多只能达到300分之一(1.2°)(Mosby 1959)。这些技术已经很好地服务于热带生态，但通过利用全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)技术，今天可以大大提高测绘的准确性和效率。GPS和GIS技术相对较新的发展似乎非常适合于保护工作，因为它们使生态学家能够快速获取、存储、分析和显示生物及其环境的空间数据(Johnston 1998, Wadsworth和Treweek 1999)。例如，在乌干达的布温迪国家公园，GPS被用来确定山地大猩猩(大猩猩白令盖大猩猩偏好睡在公园边界以外的地方(Goldsmith 2000)。这一发现具有重要的保护意义，因为许多植物物种可能同时依赖大猩猩和它们的睡眠场所来传播种子和招募幼苗(Tutin et al. 1991, Rogers et al. 1998)。因此，简单地扩大布温迪保护区的范围，将这些保护区包括在内，似乎是保护脆弱的大猩猩和整个系统多样性的重要一步。在这方面，综合GPS/GIS技术在栖息地利用模型中的应用尤其强大，因为它能够识别那些最容易受到人类入侵的栖息地，以及对物种种群成功至关重要的栖息地(例如，Breininger等人，1991,1995,Duncan等人，1995)。

然而，当在森林中使用GPS时，人们面临着两个关键问题:(1)目前在自主GPS坐标中发现的10-30米的空间误差不适合绘制和区分单个树木，(2)茂密的森林冠层可能对精确的GPS卫星接收和数据采集构成重大的物理障碍(Wilkie 1989, Petersen 1990, D’eon 1995, Wills 1996, Phillips等人1998)。我们在乌干达Kibale国家公园的目标是在潮湿和偏远的环境中缓解这些问题。我们对快速和高度准确(即±1米)的单个树木绘图感兴趣，以了解脊椎动物种子传播的分散和聚集模式(sensu Howe 1989)如何解释成年树木的空间分散(N. J. Dominy和B. Duncan，未出版的手稿)。我们在这里的目的是报告的可行性和系统能力的12通道背包GPS与卫星为基础的差分校正在雨林环境。我们相信，这些发现可以通过提高数据收集和分析的效率、减少空间误差、减少存档记录的数量、简化数据管理以及增加热带生态学家之间的信息共享来帮助有效的管理决策。

Navstar全球定位系统(GPS)是指由美国国防部(USDOD)拥有和维护的24颗地球同步卫星。每颗卫星都装有原子钟，发出独特的无线电信号，由地球上的GPS接收器接收。GPS接收机中的石英钟通过GPS信号中的信息被校准到卫星的原子钟。由于每个GPS接收器与每个卫星同时产生相同的唯一代码，因此它能够测量发送和接收无线电信号之间的时间差。由于无线电信号以标准速度(299,460公里/秒)传播，因此精确的地球位置是求解四个半径已知的球体相交的三角方程(半径是接收机和卫星之间的测量距离)。因此，理论上至少需要四次精确的距离测量，才能确定地球表面的精确三维位置。由于六个轨道平面中的每一个都包含至少四颗与赤道呈55度角倾斜的卫星，因此地球的所有区域在任何给定时间都至少有四颗卫星可见。

GPS数据通常以相对于称为世界大地测量系统1984基准(或WGS-84)的数学模型的经度和纬度表示。WGS-84模型中的坐标是基于原点和GRS-80椭球，GRS-80椭球是最接近地球形状的标准。在2000年5月1日之前，GPS误差的最大来源被称为选择性可用性(S/A)，它指的是美国国防部故意引起的星历误差(epsilon)和卫星时钟误差(抖动)。10 ~ 30米的自主GPS精度被限制在美国军方及其盟国授权的范围之外。S/A和其他误差来源(例如，电离层和对流层延迟)的组合导致95%的民用GPS位置与真实值在100米以内(Trimble Navigation 1998)。尽管最近总统取消S/A的决定现在将民用GPS精度提高到10-30米(McDonald 1999)，差分校正仍然是必要的，以补偿误差源，使当前GPS技术的精度可能低于1米。

地理信息系统是一种能够存储、分析和显示空间和非空间数据的信息技术(Parker 1988)。尽管一些现代计算机辅助设计(CAD)系统可以将地理特征与数据库中的属性联系起来，但它们仅仅被认为是图形系统(Cowen 1988)。GIS的应用(Scholten和de Lepper 1991)在以下方面更为复杂:

1. 存储、管理和集成与点(例如，单个树)、线(例如，河流、道路)和多边形(例如，森林边界、栖息地类型、领土范围)相关的空间引用数据;
2. 进行空间查询(例如，搜索特定物种或特征出现的区域);
3. 从事地理分析(例如，栖息地与繁殖成功之间关系的统计分析);而且
4. 以高质量地图的形式显示数据。

为了分析大型果食动物种子传播对热带雨林成年树木空间分布的影响，收集了空间数据(N. J. Dominy和B. Duncan，未出版的手稿)。在这里，我们描述了我们使用GPS和GIS技术来绘制代表大象-猿-猴子种子传播连续体的三种树种的个体。它们分别是:Balanites wilsoniana(Balanitaceae),Chrysophyllum gorungosanum(山榄科)Uvariopsis congensis(番荔枝科)。

该研究位于乌干达Kibale国家公园(北纬0°13′至0°41′，东经30°19′至30°32′)的Kanyanchu研究区(平均海拔1300米)。森林冠层通常在25 - 40米之间，尽管一些树木的高度可达50米。植被分类范围从湿润常绿森林(但与湿润山地森林密切相关)到低地热带雨林，与山地和混合热带落叶雨林都有亲缘关系(langdal - brown et al. 1964, Struhsaker 1997)。年平均降雨量1700毫米(1990-1996;c·a·查普曼和l·j·查普曼，未发表的数据)和双峰分布，出现在两个不同的雨季:3 - 5月和8 - 11月。

从1999年4月到7月，我们使用了一个12通道的GPS探路者Pro XRS系统(Trimble Navigation 1998)，并订购了卫星差分校正服务(fugroo - omnistar, Houston, Texas)。该装置的选择是基于雨林环境的要求和对尽可能高的精度的需要(该装置具有亚米级的能力)。除了重量轻(1.35公斤)和电池供电外，这款背包GPS还有其他几个适合满足这些需求的功能:(1)同时跟踪12颗卫星的能力;(2)实时差分校正能力;(3)坚固、防水的外壳;以及(4)内置多路径抑制技术。

使用制造商建议的关键设置收集数据。位置精度稀释(PDOP)蒙版设置为<6.0，信噪比(SNR)蒙版设置为>6.0，仰角蒙版设置为15°。PDOP是一种衡量卫星在太空中的聚集程度以及三边基准在确定地球上位置时的强度的指标。卫星在空间分布越均匀，三边基准越好，PDOP值越低。信噪比是衡量卫星信号强度的指标;因此，数字越高，信号越强。仰角掩模通过消除地平线上较低的卫星，有助于防止GPS单元使用不利的卫星。在配置了关键设置后，我们在Pro XRS和卫星差分服务(XSAT卫星，1538.053 MHz，数据速率:2400 bps)之间建立了链路。给定理想的物理环境和这些配置，Fugro-OmniSTAR为非洲的研究地点指定了100万数据的期望(M. Huff，个人沟通)。这是因为omnstar在非洲南部的10个区域基站及其独特的“广域解决方案”为任何用户，无论距离或位置，提供了大约相同的1米精度(Huff 1995)。

我们通过一系列旨在评估设备功能的测试开始收集数据。为了比较差异校正和未校正数据之间的差异，我们沿着一条相对开放和通畅的测井道路行走，每7秒采集一个位置点。然后，我们绘制并分析了未校正和校正数据之间的差异，以确定差异是否在美国国防部自主GPS规范的预期范围内(图1)。在获得令人满意的结果后，当Trimble的Quick Plan软件显示出最佳条件时(即在一天中PDOP <6.0的卫星数量最多的时候)，我们开始绘制单个树的地图。

图1所示。在乌干达Kibale森林沿着一条被广泛砍伐的伐木道路行走时，比较差校正的GPS数据和正常的GPS数据。在本研究中，选择性可用性导致点距离真理50-100米。到2000年5月1日，正常误差减小到10-30米。

为了测量树木的位置，我们将GPS天线放置在未受干扰的森林和冠层间隙附近的单个树桩上。如果地面上没有GPS和差分(DGPS)读数，则使用安全带和白金汉树攀爬器(基本上是用钢钩和小腿绑在脚上)登上树木。然后，有关单个树木的属性和空间位置的数据被下载到便携式笔记本电脑上，并导出到GIS软件(ArcView 3.1版，环境系统研究所，Redlands, California, USA)。

在天空相对开放且无障碍物的条件下，始终能够定位和跟踪至少4颗处于最佳位置和最佳强度信号的卫星，从而能够持续实时采集高精度数据。然而，地面上试图记录森林冠层下经过差异校正的数据点的尝试往往完全失败。虽然GPS接收器有时能够定位所需的至少四颗卫星，但很少获得高质量、差分校正位置所需的狭窄信号参数。在森林内部绘制树木的尝试失败了，因为茂密的树叶使信噪比变得如此复杂，甚至很少达到跟踪四颗卫星的最低要求(图2一个)。在将GPS天线放置在冠层间隙附近的试验中，手持数据记录器显示了良好的信噪比水平，但由于卫星定位差或PDOP (图2 b)。为了减轻这些因素，我们爬上了树，以尽可能多地逃避信号干扰。从25-30 m高度开始，信噪比增加，PDOP下降，足以实现高精度的DGPS测量。这种策略总是有效的，尽管GPS接收器有时需要10-15分钟来定位具有最佳PDOP的卫星，以收集最高质量的测量数据。在135次DGPS测量中，我们跟踪了6.65 ~ 0.92颗卫星(平均1 SD)， PDOP为2.48 ~ 0.75。

图2所示。GPS卫星信号接收与雨林冠层干扰。(A)尽管卫星的几何形状很好，但密集的树叶会使卫星信号(SNR)衰减，使得数据收集不可能。(B)虽然6颗卫星在地平线上，但只有4颗是可用的，因为信号被冠层衰减了。通过冠层间隙附近的卫星信噪比最优，但正交定位差导致PDOP高，数据采集不可靠。

地图(图3)显示了利用地理信息系统技术绘制高精度GPS数据的程度。Uvariopsis congensis例如，(Annonaceae)异常密集:最近的同数之间的模态距离为3.95米(最小为0.023米)。每棵树都用一个点表示，因为除了爬树所需的绝对时间外，相对于树本身的周长，误差程度被认为是很小的。

图3所示。研究树木地图:红色，Uvariopsis congensis(番荔枝科);绿色,Chrysophyllum gorungosanum(山榄科);和棕色的,Balanites wilsoniana(Balanitaceae)。此数据来自Lucas et al.(2001)，经允许使用。

在Kibale森林，我们经历了GPS技术的主要限制之一。茂密的森林冠层对GPS信号的接收质量构成了明显的物理障碍。尽管研究人员已经描述了在非洲(Wilkie 1989)、东南亚(Wills 1996)和中美洲(Phillips et al. 1998)的热带雨林树冠下使用GPS技术，但没有人试图减轻诱导或固有的信号误差。即使在没有S/A的情况下重复测量，他们的方法也不包括差分校正，因此会导致至少10-30米的误差(McDonald, 1999)。尽管这种程度的误差对于许多生态应用来说可能是可以接受的，但细比例尺植被制图需要较高的空间精度。传统的绘图技术不太可能产生这里报道的树木之间的差异。

我们在热带雨林环境中实现高空间采样精度的解决方案只是当今可用技术的众多解决方案之一。我们选择使用卫星订阅服务来进行DGPS测量，而不是使用基站。基站是一个附加的GPS接收机，其天线安装在一个区域，该区域具有通畅的天空视野，并且相对接近研究地点(至少在1500公里以内，或最高精度为250公里)。理想情况下，该装置的天线将被测量，以便精确地知道其位置。在探测车收集现场数据时，一个基站同时工作。由于基本天线位于已知位置，地理位置接近，并且在漫游车收集数据的同时运行，因此它的文件可以用来消除GPS信号中固有的不必要的错误。这被称为后处理差分校正，因为校正是在现场数据收集完成后应用的。

在典型的采集环境中，后处理的GPS数据将产生比实时差分校正技术产生的数据更高的精度。然而，在Kibale森林开始工作之前，我们知道我们不会在典型的GPS采集环境中工作:密集、多层的森林环境是这项技术最具挑战性的环境之一。我们很快就排除了使用单独基站进行后处理的可能性，理由是我们需要购买两台而不是一台。这是有可能的，但考虑到我们的研究预算，可能性不大。此外，很难找到一个已知坐标的测量地点(纪念碑或测量标记)来放置天线。虽然通过第二单元收集和平均数据可以获得固定的参考，但这是耗时的，而且不太可能产生比实时差分校正服务更高的精度。最后，对盗窃的担忧促成了避免使用基站的决定。我们选择Trimble Pro XRS是因为其经过验证的性能和实时差分校正的适用性。

虽然这里描述的方法涉及爬树，这是一项累人且可以说是危险的工作，但我们相信，在GPS天线上安装一根可伸缩杆也能达到同样的效果。虽然如果使用得当，使用伸缩距离杆可以非常有效和高效，但在提升天线时有几个考虑因素。首先是能够简单地控制和平衡拉长的距离杆，这一任务可以通过辅助和/或辅助植被来实现。第二个需要考虑的问题是保护天线和电缆不受植被破坏。最后，如果没有内联中继器，Pro XRS天线电缆可能不超过30米。

然而，在雨林环境中，制造商的精度规格只能用作指导方针。绝对精度只能通过将使用现场技术的DGPS测量结果与已知坐标点进行比较来衡量。不幸的是，我们无法在附近找到一个已知的，高度精确的坐标，所以这个比较没有进行。实时DGPS技术和提升天线可能导致了整体误差，但尽管如此，我们确信我们的测量误差在1 - 2米范围内，大多数误差接近1米。

快速、高精度的测绘技术在雨林中的价值是什么?最近对雨林树木地块的分析研究，现在对招募限制、种子传播和热带树木多样性的模式有了很好的见解(Hubbell等人，1999年，Condit等人，2000年，Harms等人，2000年)。种子沉积模式、幼苗种群分布模式和成树招募模式对于热带雨林栖息地的合理保护决策至关重要(Hubbell和Foster 1983)。鉴于许多热带树木可能相互依赖于易受偷猎和栖息地破坏的大型果食动物，这一点尤其如此(Chapman and Chapman 1995, Chapman and Onderdonk 1998, Balcomb et al. 2000)。随着“生物多样性热点地区”(sensu Myers et al. 2000)的面积迅速缩小，了解这些动物的种子加工如何影响森林组成是至关重要的。在这方面，GPS/GIS技术的主要优点是速度快。此外，GPS/GIS技术与栖息地利用模型的集成特别强，因为它能够识别那些最容易受到人类入侵的栖息地，并且对物种种群成功至关重要(例如，Breininger等人，1991,1995,Duncan等人，1995)。为此，最近用于无线电项圈的GPS接收器的小型化(Moen et al. 1996)将比笨重的无线电遥测设备更快、更准确地获得动物测距数据。总而言之，这里所描述的方法可以应用GPS/GIS对雨林环境进行快速和精细的植被测绘。我们相信，这项技术在解决重要的经验和理论问题方面的效用，以及方法的速度和准确性，是非常值得付出努力和代价的。

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马凯雷雷大学生物野外站、乌干达野生动物管理局和乌干达国家科学技术研究委员会感谢地批准了研究。我们感谢天宝导航的Charles Preuss, ESRI的Jack Dangermond和Marcus Chan，以及fugroo - omnistar的Mike Huff的耐心，友好的技术援助，以及慷慨的设备和服务捐赠。感谢Eastman Ting提供的图纸，特别感谢Patrick Kagoro、Boniface Balyeganira和Moses Musana帮助收集现场数据和爬树。手稿经过彼得·卢卡斯、理查德·科利特和两位匿名审稿人的评论而得到改进。

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