基于移動(dòng)GPS的土地測(cè)量算法優(yōu)化分析

孟慶東

[摘要]土地測(cè)量是惠及人民群眾的民心工程，既可增加耕地有效而積、確保耕地點(diǎn)補(bǔ)平衡，又能提高用地質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收。而GPS測(cè)量的技術(shù)設(shè)計(jì)是進(jìn)行GPS測(cè)量定位的最基礎(chǔ)性工作，它是根據(jù)國家現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程而運(yùn)作的。文章針對(duì)移動(dòng)GPS在土地測(cè)量中的算法進(jìn)行研究，以期通過尋求測(cè)量算法的影響因素，達(dá)到優(yōu)化移動(dòng)GPS在土地測(cè)量中的算法的目的。

[關(guān)鍵詞]GPS測(cè)量；土地測(cè)量；算法研究

[DOI]1013939/jcnkizgsc201630185

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，土地管理工作顯得越來越重要，而土地測(cè)量是土地管理中極其關(guān)鍵的工作，其工作精度和工作效率的高低直接影響土地管理工作的質(zhì)量。土地測(cè)量工作包括地籍測(cè)量、地形測(cè)量、土地利用狀況測(cè)量、土地后備資源調(diào)查等諸多工作，而在實(shí)際工作中土地測(cè)量工作往往要面臨各種各樣的復(fù)雜狀況，例如在農(nóng)村土地測(cè)量時(shí)測(cè)量面積大、地形復(fù)雜，工作量很大，使得常規(guī)的土地測(cè)量技術(shù)存在工作難度大，工作時(shí)間長等弊端；而在城市土地測(cè)量工作中由建筑物的密集遮擋以及土地類型繁多，給土地測(cè)量工作帶來困難。GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)投入民用以來，因其全天候、高精度、高效益、自動(dòng)化等顯著優(yōu)點(diǎn)，已在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。在土地測(cè)量中，GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)技術(shù)可以利用GPS衛(wèi)星對(duì)土地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過無線傳輸裝置將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給用戶，因此可以很好地解決這些難題。

1GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)技術(shù)原理

一般來說，GPS定位土地測(cè)量技術(shù)分為靜態(tài)定位測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N，其中靜態(tài)定位測(cè)量是在基線布設(shè)完畢后，將若干臺(tái)GPS接收機(jī)分別安置在基線的端部，依據(jù)基線的長度以及測(cè)量精度要求進(jìn)行觀測(cè)和采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理的過程需要經(jīng)歷一系列工作，因此，得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。另一種動(dòng)態(tài)測(cè)量則只需兩臺(tái)GPS接收機(jī)，一個(gè)是固定的，另一個(gè)則可移動(dòng)，通過無線電傳輸將固定站點(diǎn)和移動(dòng)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，因而通過信號(hào)傳輸而使各設(shè)備成為一個(gè)有機(jī)的整體。

GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星、基準(zhǔn)站、無線電傳輸設(shè)備、用戶流動(dòng)站等，其中基準(zhǔn)站和用戶流動(dòng)站上都安裝有GPS數(shù)據(jù)接收機(jī)，在實(shí)際工作中，安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)會(huì)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過無線電傳輸裝置傳輸?shù)接脩袅鲃?dòng)站，與此同時(shí)用戶流動(dòng)站的GPS接收機(jī)也接收到GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后利用相對(duì)定位原理即可計(jì)算出用戶流動(dòng)站的二維坐標(biāo)，因此可以保證觀測(cè)精度。

2基于移動(dòng)GPS的土地測(cè)量算法優(yōu)化

GPS移動(dòng)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)的車載終端和手持終端均采用的是u-blox的NEO-7M模塊，它屬于u-blox獨(dú)立式GPS/GNSS模塊中最新的NEO-7系列，位置誤差最大為25米CEP（圓周誤差），航向誤差在05度以內(nèi)，速度精度可達(dá)01m/s，但只有在GPS模塊可用衛(wèi)星數(shù)量超過六顆時(shí)，精度才可能達(dá)到上面的精度。實(shí)際上，我們?cè)趩吸c(diǎn)靜態(tài)定位時(shí)，得到的GPS坐標(biāo)是在誤差范圍內(nèi)變化的，尤其是在非空曠地域或是天氣糟糕的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)若干個(gè)誤差很大的坐標(biāo)值。因?yàn)橄到y(tǒng)終端的使用場(chǎng)合的原因，無法采用更高精度定位的方式（如差分定位），所以我們?cè)谔崛〉紾PS坐標(biāo)以后，數(shù)據(jù)不能直接存儲(chǔ)用來計(jì)算，而是應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的異常點(diǎn)剔除等優(yōu)化工作。

為了減小誤差，本研究采用的算法在提取到GPS數(shù)據(jù)以后，加入了速度位置預(yù)測(cè)模塊和直線預(yù)估模塊來提高算法的精度（如下圖所示）。

圖1速度位置微分模塊示意

如圖所示，速度位置預(yù)測(cè)模塊依據(jù)的原理是在人為測(cè)量過程中，人或車體的速度是不會(huì)突變的。也就是說，我們?cè)讷@取GPS坐標(biāo)的同時(shí)提取速度，依據(jù)當(dāng)前點(diǎn)的位置和速度Vc以及上一點(diǎn)的位置和速度Vi，可以進(jìn)行下一點(diǎn)位置的預(yù)測(cè)范圍應(yīng)該是以當(dāng)前點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓內(nèi)，圓的半徑是當(dāng)前點(diǎn)和上一點(diǎn)的距離再乘以一個(gè)系數(shù)k，系數(shù)k的大小依據(jù)當(dāng)前的速度和上一點(diǎn)的速度的比值來決定，為避免出現(xiàn)一些臨界值點(diǎn)等問題，這里我們?nèi)值為：

k=125×VcVi

這里我們是根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)和上一點(diǎn)兩點(diǎn)的位置和速度對(duì)下一點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，實(shí)際上，為了達(dá)到更好的效果，我們可以再加入更早的一點(diǎn)做三點(diǎn)預(yù)測(cè)。相對(duì)于其他的耗時(shí)的異常點(diǎn)剔除方法（如計(jì)算量龐大的拉依達(dá)準(zhǔn)則等），速度位置預(yù)測(cè)的方法更適合于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。另外，由于速度位置預(yù)測(cè)是實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)（其他異常點(diǎn)剔除算法均為采集完所有數(shù)據(jù)后根據(jù)整體樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除），所以我們可以有實(shí)時(shí)測(cè)量等更多的測(cè)量方式選擇。

速度位置預(yù)測(cè)模塊解決的是在測(cè)量過程中因?yàn)橥饨鐚?duì)GPS定位精度的影響導(dǎo)致的異常點(diǎn)問題，但是GPS模塊本身的漂移誤差也是一個(gè)十分致命的問題，尤其是在小面積或短距離測(cè)量時(shí)，GPS漂移對(duì)最終結(jié)果的影響十分之大。另外，在人或車體沿區(qū)域的邊緣直線測(cè)量時(shí)會(huì)引入人或車體的軌跡不是嚴(yán)格直線行走的問題。針對(duì)于這兩種問題，我們?cè)谒俣任恢妙A(yù)測(cè)模塊后引入直線預(yù)估模塊，所謂直線預(yù)估的意思是指，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在過去一段時(shí)間序列的運(yùn)動(dòng)方向、速度及位置距離等信息進(jìn)行分析從而判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)際軌跡是否是一條直線的智能預(yù)測(cè)。算法的具體步驟是，首先計(jì)算在過去的n個(gè)點(diǎn)中是否存在拐點(diǎn)（位置之間的角度并結(jié)合距離判斷），如果不存在拐點(diǎn)則進(jìn)入直線預(yù)估，這里我們采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，我們先假設(shè)目標(biāo)直線的函數(shù)方程為，y=kx+b，式中存在兩個(gè)待定系數(shù)，其中k為直線的斜率，b為直線的截距。對(duì)于我們?cè)诘染葴y(cè)量得到的n組平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)（xi，yi）（i=1，2，…，n），利用最小二乘法將測(cè)量數(shù)據(jù)擬合為直線，得到的待定系數(shù)為：

k=（x2i）（yi）-（xi）（xiyi）

n（x2i）-（xi）2

b=n（xiyi）-（xi）（yi）n（x2i）-（xi）2

速度位置微分模塊用來剔除數(shù)據(jù)中明顯的異常點(diǎn)，直線預(yù)估模塊用來減小GPS定位漂移及人為帶來的誤差。實(shí)驗(yàn)證明，這兩個(gè)模塊的加入可以大大提高系統(tǒng)的精度，尤其是在我們常用的規(guī)則區(qū)域測(cè)量。

圖2直線預(yù)估模塊示意圖

3結(jié)論

本文主要內(nèi)容是GPS移動(dòng)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)整體方案概述及基于GPS的土地測(cè)量算法的相關(guān)研究。通過引入GPS對(duì)“土地動(dòng)態(tài)測(cè)量”的概念，進(jìn)一步研究GPS移動(dòng)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)的土地測(cè)量算法，對(duì)高斯投影坐標(biāo)變換做了詳細(xì)的討論，在此基礎(chǔ)上，對(duì)算法提出了進(jìn)一步優(yōu)化的具體方法。

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