GPS在定位和面積量測(cè)中的誤差分析

?謝鵬芳，付　冉，黃家榮?

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002）

GPS在定位和面積量測(cè)中的誤差分析

謝鵬芳，付冉，黃家榮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002）

以河南農(nóng)業(yè)大學(xué)校區(qū)為研究區(qū)域，通過手持GPS儀探討了不同觀測(cè)時(shí)長、不同觀測(cè)時(shí)間以及不同區(qū)域面積對(duì)GPS精密度和穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：不同觀測(cè)時(shí)長對(duì)GPS定位的坐標(biāo)沒有影響；不同觀測(cè)時(shí)段中，定位時(shí)長為60 s和120 s的穩(wěn)定度相差不大，而實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定度比120 s的穩(wěn)定度高3倍以上；當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以下時(shí)，GPS測(cè)量結(jié)果的變化幅度較大，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以上時(shí)，GPS測(cè)量結(jié)果的變化幅度逐漸變小，呈現(xiàn)面積越大、誤差越小、精度越高的趨勢(shì)。

手持GPS儀；定位；面積量測(cè)；觀測(cè)時(shí)長；穩(wěn)定度；誤差

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國陸海空三軍聯(lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS；其主要目的是為陸海空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)搜集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，該項(xiàng)目耗資2 000億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星己布設(shè)完成[1]。用戶利用該系統(tǒng)能夠在任何地方做到不間斷、全天候、及時(shí)地測(cè)量目標(biāo)的三維位置及時(shí)間信息。此外，用戶還可以操縱該系統(tǒng)進(jìn)行高精確度的精密定位和高精準(zhǔn)度的時(shí)間傳遞。目前，GPS技術(shù)已經(jīng)投入運(yùn)營近20 a了，無論是穩(wěn)定性、精度還是服務(wù)政策上都有很大水平地提高。在林業(yè)領(lǐng)域，GPS主要應(yīng)用于固定樣地選點(diǎn)、樣地導(dǎo)航和林地面積量測(cè)[2-3]等方面。

21世紀(jì)的林業(yè)工作必須由現(xiàn)代化思想來指引，現(xiàn)代化林業(yè)的一個(gè)最重要的思想就是要采用高新技術(shù)去支持林業(yè)的持續(xù)發(fā)展[4-6]。GPS技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面[7-8]。（1）導(dǎo)航和定位。手持GPS的觀測(cè)值較為穩(wěn)定，與古老的測(cè)量定位方法比較，比較適用于大部分的林業(yè)工作。（2）固定樣地的建立與恢復(fù)。固定樣地調(diào)查是我國森林資源和生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)以及評(píng)價(jià)的重要的基礎(chǔ)工作。（3）測(cè)量林地面積。實(shí)際上用于面積量測(cè)的方式非常多，但事實(shí)證實(shí)，利用GPS量測(cè)地塊的面積具有大范疇、迅速、準(zhǔn)確、可以與GIS連用等好處，能夠做到信息和圖形的一體化。

利用GPS的基本功能在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，研究了不同測(cè)量時(shí)長對(duì)GPS測(cè)量結(jié)果定位精度的影響，以及不同時(shí)間段測(cè)得數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與地塊面積測(cè)量的誤差關(guān)系，目的在于減少人們?cè)谑褂肎PS的定位和面積測(cè)量功能時(shí)面對(duì)的信任爭議，為今后手持GPS的使用提供一定的依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

1.1地理位置概況

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)位于河南省會(huì)城市鄭州，具體位置在文化路與農(nóng)業(yè)路的交叉部分，地勢(shì)呈現(xiàn)西高東低的趨勢(shì)，氣候一年四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣。研究區(qū)如圖1所示。

圖1　研究的區(qū)域（虛線部分）

1.2試驗(yàn)環(huán)境狀況及儀器

試驗(yàn)日期為2016年4月28～29日，兩天天氣晴朗，溫度為15～23℃左右，無風(fēng)。試驗(yàn)1、2周圍有一棟5層建筑，有少許樹木，試驗(yàn)3周圍沒有建筑和樹林。

2　研究內(nèi)容與方法

2.1試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

從觀測(cè)時(shí)長、觀測(cè)時(shí)間段、面積大小3個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)，利用手持GPS進(jìn)行多次測(cè)量求得的平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究GPS的定位、面積測(cè)量誤差和精度3因素的規(guī)律及內(nèi)在聯(lián)系。試驗(yàn)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)是在北京54坐標(biāo)系下測(cè)定的。

試驗(yàn)1在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)三號(hào)樓前一塊較平坦的地塊進(jìn)行，在此地塊上選取3個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)，于2016年4月28日測(cè)量3個(gè)點(diǎn)在不同時(shí)長的結(jié)果，然后與實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)作對(duì)比分析，得出試驗(yàn)結(jié)論。

試驗(yàn)2與試驗(yàn)1所選地點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)一致，于2016年4月29日上午9∶00和下午14∶00進(jìn)行多次觀測(cè)，記錄實(shí)時(shí)定位、30 s、60 s、120 s的坐標(biāo)值，對(duì)比不同時(shí)間段的坐標(biāo)值，利用穩(wěn)定度計(jì)算公式（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定度分析[9]。m值越大表示穩(wěn)定性越高，m值越小表示穩(wěn)定性越差。

式中：|LL|代表相同觀察時(shí)間的不同觀察時(shí)段的測(cè)量結(jié)果差值，n為比較差值的數(shù)量。

試驗(yàn)3在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)操場(chǎng)上進(jìn)行，用卷尺量取不同的長和寬截取大小不同的面積，然后用GPS順時(shí)針和逆時(shí)針繞選取地塊勻速行走一圈得出面積。每次分別從長方形不同點(diǎn)出發(fā)，每個(gè)面積進(jìn)行多次試驗(yàn)，最后求出平均值，用該結(jié)果分別與標(biāo)準(zhǔn)面積（即卷尺所量的面積）作誤差分析。

2.2實(shí)驗(yàn)工具

常規(guī)實(shí)驗(yàn)工具有標(biāo)桿、卷尺、記號(hào)筆、記錄本等，試驗(yàn)用手持GPS型號(hào)為美國佳明eTrex301。

3　結(jié)果與分析

3.1不同觀測(cè)時(shí)長對(duì)手持GPS定位精度的影響

GPS具備在觀察站之間不需要通視、觀察所用時(shí)間較短、操作步驟簡略易懂、定位精確度高、可以實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)，因此在森林調(diào)查中得到了廣泛的應(yīng)用，大部分森林調(diào)查人員都是通過GPS導(dǎo)航和定位來確定位點(diǎn)的精確坐標(biāo)。隨著高新技術(shù)的成長，如今GPS已經(jīng)可以替代一些傳統(tǒng)意義上的調(diào)查方法，因此GPS在森林調(diào)查領(lǐng)域顯現(xiàn)出廣闊的前景。試驗(yàn)1用手持GPS對(duì)選定的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在不同點(diǎn)上每間隔相同時(shí)間記錄下GPS所測(cè)得的坐標(biāo)，結(jié)果如下表1所示。從表1中可以看出，在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)超過1 min時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)上不同時(shí)長測(cè)量的X坐標(biāo)值與實(shí)時(shí)定位的最大差值在0.7 m以內(nèi)，不同時(shí)長測(cè)量的Y坐標(biāo)值與實(shí)時(shí)定位的最大差值在0.3 m以內(nèi)。X、Y坐標(biāo)值的誤差均保持在1 m以內(nèi)，說明測(cè)定的數(shù)據(jù)基本上達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)計(jì)算10、20、30、60、120 s與實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)差值的最大值、最小值、變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，X坐標(biāo)的變異系數(shù)均小于1，說明X的坐標(biāo)值之間差別不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，測(cè)量點(diǎn)2、3的Y坐標(biāo)的變異系數(shù)均小于1，測(cè)量點(diǎn)1的Y坐標(biāo)變異系數(shù)大于1，但與1的差別并不大，可能是測(cè)量過程中一些因素的影響，導(dǎo)致結(jié)果有一定的誤差，因而也可以認(rèn)為Y坐標(biāo)值趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這表明，不同時(shí)長測(cè)定對(duì)手持GPS儀的定位精度影響不大。

表1　手持GPS在不同時(shí)長的定位測(cè)量結(jié)果　　　　　　?。╩）

表2　不同時(shí)長與實(shí)時(shí)定位測(cè)定結(jié)果差值的統(tǒng)計(jì)分析

3.2不同的時(shí)間段對(duì)手持GPS測(cè)量定位精度的影響

評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)備的可靠度一般需要從設(shè)備的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性兩方面觀察。對(duì)于相同的手持GPS儀，如果外部的觀察條件一致，觀察的時(shí)間段不一致，得到的數(shù)據(jù)就會(huì)有一定的差異。假如測(cè)量出來的結(jié)果沒有必然的規(guī)律可以遵循，那么就會(huì)影響到測(cè)量的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，所以試驗(yàn)2從不同的時(shí)間段觀測(cè)相同的樣點(diǎn)，以此研究手持GPS的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，利用式（1）得出，實(shí)時(shí)定位、30 s、60 s和120 s的穩(wěn)定度分別為±0.42 m、±0.33 m、±0.19 m和±0.15 m。但是，由于測(cè)量點(diǎn)3的變化幅度較大，所以刪除掉此測(cè)量點(diǎn)所有數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)定位、30 s、60 s和120 s的穩(wěn)定度分別為±0.38 m、±0.27 m、±0.15 m和±0.12 m。由此得知，定位時(shí)刻為60 s和120 s的穩(wěn)定度基本上差不多，而實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定度比120 s的穩(wěn)定度高3倍以上。

表3　不同時(shí)間段相同點(diǎn)的觀察結(jié)果的差值

3.3面積大小對(duì)手持GPS定位精度的影響

面積量測(cè)是森林區(qū)劃和資源調(diào)查的主要工作之一，也是工程量測(cè)中比較重要的一個(gè)步驟。林業(yè)中常規(guī)面積測(cè)量是先在圖紙上實(shí)地勾繪，然后用方格紙或求積儀求算面積；采用對(duì)坡勾繪后網(wǎng)點(diǎn)板人工查數(shù)面積，耗資費(fèi)時(shí)，精度不高；用小比例尺地形圖勾繪時(shí)，誤差偏大，會(huì)影響面積量測(cè)的精度[10-11]。若用GPS量測(cè)則可較準(zhǔn)確地測(cè)定其面積。由表4可知，順時(shí)針測(cè)量面積平均誤差率為5.43%；逆量測(cè)的誤差率5.71%，比順時(shí)針的高0.28個(gè)百分點(diǎn)，其平均誤差百分比為5.57%。

為了更直觀地顯示順時(shí)針、逆時(shí)針測(cè)量的誤差變化趨勢(shì)，根據(jù)表5的數(shù)據(jù)作順時(shí)針、逆時(shí)針誤差趨勢(shì)圖，如圖2所示。

圖2　順時(shí)針、逆時(shí)針誤差趨勢(shì)圖

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，3 600 m2以上的誤差變化幅度穩(wěn)定且逐漸減少，而3 600 m2之下的誤差變化幅度不穩(wěn)定、忽高忽低，且變化較大。結(jié)合表4和圖2可以得知，當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以下時(shí)，地塊面積雖小，但是測(cè)量結(jié)果誤差幅度變化過大，呈不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以上時(shí)，測(cè)量結(jié)果變化的幅度逐漸降低，呈現(xiàn)面積越大，誤差越小，精度越大的趨勢(shì)。

4　結(jié)　論

試驗(yàn)1中，通過極差和變異系數(shù)可以得出不同定位時(shí)長的GPS數(shù)據(jù)變化幅度不大，數(shù)據(jù)基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這表明不同的觀察時(shí)長對(duì)手持GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)影響不大。

試驗(yàn)2中，通過式（1）計(jì)算比較，可以得出定位時(shí)刻為60 s和120 s的穩(wěn)定度相差不大，而實(shí)時(shí)定位的穩(wěn)定度比120 s的穩(wěn)定度高3倍以上。

表4　不同面積大小順、逆時(shí)針的測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)3中，通過順時(shí)針、逆時(shí)針誤差趨勢(shì)圖可知，當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以下時(shí)，地塊面積雖小，但是測(cè)量結(jié)果誤差幅度變化過大，呈不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)?shù)貕K面積在3 600 m2以上時(shí)，面積越大，誤差越小，精度越大。

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（責(zé)任編輯：成平）

Error?Analysis?of?GPS?in?Positioning?and?Area?Measurement

XIE Peng-fang，F(xiàn)U Ran，HUANG Jia-rong
（College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, PRC）

Taking the campus of Henan Agricultural University as the research area， the influence of different observation duration，different observation time and different areaon the GPS precision and stability was discussed through the handheld GPS instrument.The results showed that the coordinates of GPS positioning were not affected by the different observations duration; in different observation time interval， there was no big difference between 60 seconds and 120 seconds of positioning duration， but the stability of real-time positioning of 60 seconds was 3 times higher than that of 120 seconds; when the plot area was below 3600 m2， the change of GPS measurement result was larger， and it was not stable， when the plot area was more than 3 600 m2， the change range of GPS measurement results was gradually smaller， the larger the area， the smaller the error and the higher the accuracy.

handheld GPS instrument; position; area measurement; observation duration; stability; error

P228.4

A

1006-060X（2016）010-0096-04

2016-07-25

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（0624050007）

謝鵬芳（1989-），女，河南漯河市人，碩士研究生，主要從事森林資源信息化管理研究。

黃家榮