面向風(fēng)景園林應(yīng)用的面積測量精度對比研究

于清瑤 王紅艷 戴士杰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

0 研究背景

面積測量關(guān)乎風(fēng)景園林學(xué)的研究精度和結(jié)果信度，其在風(fēng)景園林行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，主要包括場地感知、古典園林保護(hù)與更新、城市公園環(huán)境特征評價、園林空間集聚特征分析和園林工程。

目前風(fēng)景園林學(xué)科采用的測量方法主要基于無人機(jī)、手持GPS或手機(jī)測量App?，F(xiàn)有研究多采用單一方式測量研究對象的面積屬性，忽略其測量精度，導(dǎo)致研究結(jié)果信度成為“黑盒問題”。系統(tǒng)性的面積測量比較業(yè)已成為亟待解決的科學(xué)問題。該文基于三種主要的面積測量方法，設(shè)計對比試驗驗證其測量精度和結(jié)果信度，以定量化的方式呈現(xiàn)3種測量方法在各場景下的差別，為根據(jù)實際情況選擇適宜的測量方法提供可能，構(gòu)建精度可控的面積測量體系。

1 研究對象與方法

1.1 研究區(qū)概況

為保證試驗的連續(xù)性，降低外部因素干擾，試驗選擇西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)田徑場（34.262678°N， 108.069433°E）為研究基址。該地地勢開闊平整，周圍無高大建筑物，能有效保證測量設(shè)備同時接受到4顆GPS衛(wèi)星信號，并滿足全站儀各控制點(diǎn)之間通視的條件。

集思寶手持GPS儀、50米卷尺、蘇一光RTS302全站儀、大疆Mavic mini無人機(jī)、土流網(wǎng)測畝儀、天利測畝儀、無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理軟件Pix4Dmapper3.0、移動端無人機(jī)飛行工具Pix4Dcapture3.2。

1.2 試驗內(nèi)容

試驗選取大部分園林綠地中游人的可進(jìn)入面積（50m～5000m）作為試驗范圍，使用全站儀、無人機(jī)、手持GPS、土流網(wǎng)測畝儀以及天利測畝儀5種工具，分別進(jìn)行正方形地塊面積測量（約50m、100m、200m、500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m）和圓形地塊面積測量（約50m、100m、200m、500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m），其中以 全站儀的面積測量結(jié)果作為其他方法的參照。每次試驗重復(fù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。

地塊面積測量結(jié)果的相對誤差如公式（1）所示。

式中：為地塊標(biāo)準(zhǔn)面積，試驗中以蘇一光RTS302全站儀所測算的試驗地塊面積值作為地塊標(biāo)準(zhǔn)面積。該GPS設(shè)備在動態(tài)條件下，測距精度可達(dá)到（1+2ppm×）mm（當(dāng)被測量距離為1km時，儀器的測距精度為1mm+2ppm×1（km）=3mm，即全站儀測距1 km，最大測距誤差不大于3mm），是目前測量精度較高的外業(yè)測量儀器，能夠滿足試驗要求。a為該研究所述的集思寶手持GPS儀、大疆Mavic mini無人機(jī)、土流網(wǎng)測畝儀、天利測畝儀的實際測量值。

在Bigemap中通過“繪制形狀”工具選取與設(shè)定面積相近的控制點(diǎn)，盡量以地面上的突出標(biāo)志物或田徑場邊界線等分點(diǎn)為準(zhǔn)。使用卷尺量取目標(biāo)面積的對應(yīng)邊長，用膠帶在地面劃“+”號，標(biāo)出控制點(diǎn)的位置。

隨著科技的發(fā)展，我們進(jìn)入了信息化時代，信息技術(shù)在社會中的各個行業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然也就能夠在旅游業(yè)中起到一定的作用。旅游人才可以通過社會化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對與旅游相關(guān)的信息進(jìn)行傳播，并通過信息技術(shù)創(chuàng)建新的信息傳播渠道，以提高旅游產(chǎn)品對游客的吸引力以及在旅游行業(yè)中的競爭力，從而提高旅游業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，使旅游業(yè)能夠得到良好發(fā)展。

設(shè)站，在要測量面積的地塊中央位置設(shè)站。

對中和整平，通過腳架對中、腳螺旋對中、腳架整平、腳螺旋整平和平移基座使全站儀的對中整平滿足試驗要求。

面積測量，調(diào)出全站儀的面積測量程序；立鏡員將帶有棱鏡的對中桿豎立在地塊邊緣的一個起始點(diǎn)上，對帶棱鏡的對中桿進(jìn)行整平；將全站儀對準(zhǔn)棱鏡，測出該點(diǎn)坐標(biāo)；立鏡員沿著地塊按照順時針走到地塊的邊緣（多邊形）的另一個角點(diǎn)，用全站儀測出該點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)走完一圈，到達(dá)最后一個角點(diǎn)后，測量該點(diǎn)坐標(biāo)，在全站儀中按動功能鍵，結(jié)束測量。

數(shù)據(jù)記錄，按動計算按鈕，全站儀顯示地塊面積，將地塊面積做好記錄。

在手持GPS“面積測量“功能中新建工程文件，GPS顯示信號接收良好后，沿控制點(diǎn)連線順時針行走一周，記錄顯示的地塊面積。每個地塊面積進(jìn)行3次試驗，取平均值作為最終結(jié)果。

天利測畝儀由天津天利信息科技有限公司于2015年開發(fā)，軟件集成測量土地面積、長度、顯示土地形狀等常見功能。使用手機(jī)App天利測畝儀中的“環(huán)繞測面積”功能測量地塊面積。沿控制點(diǎn)連線順時針行走一周，得到測量結(jié)果并將單位由“畝”換算成“平方米”。每個地塊面積進(jìn)行3次試驗，取平均值作為最終結(jié)果。

土流網(wǎng)測畝儀由土流集團(tuán)有限公司開發(fā)，軟件集成土地面積、周長、海拔高度、坡度顯示土地形狀等常見功能。使用手機(jī)App土流網(wǎng)測畝儀默認(rèn)功能測量地塊面積。沿控制點(diǎn)連線行走一周，記錄顯示的地塊面積。每個地塊面積進(jìn)行3次試驗，取平均值作為最終結(jié)果。

使用Pix4Dcapture預(yù)設(shè)定無人機(jī)自動飛行航線，設(shè)置相對飛行高度為60 m，實地飛行后，獲取照片共76張。在場內(nèi)按正方形分布設(shè)置4個控制點(diǎn)，使用GPS實時RTK模式獲取其坐標(biāo)。Pix4Dmatic是一款針對大面積測繪和廊道測繪的攝影測量軟件，將拍攝得到的照片組導(dǎo)入Pix4Dmapper軟件進(jìn)行像素矯正與合成，并輸入控制點(diǎn)坐標(biāo)對圖片地理信息進(jìn)行校正，最后獲得正射影像圖。

使用Pix4Dmapper對照片組進(jìn)行優(yōu)化處理合成后，獲得場地的正射影像圖，地圖比例為1∶1，拍攝日期為2022-3-8。通過軟件內(nèi)面積測量功能，拾取控制點(diǎn)得出面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 地塊面積對測量精度的影響

對在同一時間段內(nèi)的試驗結(jié)果，僅以地塊面積為變量進(jìn)行分析，分別比較50m～5000m圓形地塊和正方形地塊的面積測量結(jié)果。根據(jù)式（1）的相對誤差計算公式，分別計算各地塊在四種測量工具下的面積測量相對誤差，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，無論基于正方形地塊或圓形地塊，手持GPS、天利測畝儀、土流網(wǎng)測畝儀的測量結(jié)果相對誤差均隨地塊面積增大而降低。地塊面積在2000m以下時4種測量工具誤差變化幅度較大，2000m以上時誤差變化幅度較小。手持GPS、天利測畝儀和土流網(wǎng)測畝儀在地塊面積達(dá)2000m以上時，誤差逐漸降低并趨于穩(wěn)定，而無人機(jī)測量誤差變化曲線則是在地塊面積達(dá)到1000m后就趨于直線。由于手持GPS、天利測畝儀、土流網(wǎng)測畝儀3種工具均基于GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行面積測量，而無人機(jī)基于拍攝-地理配準(zhǔn)的方式進(jìn)行測量，可得出結(jié)論，使用GPS定位的三種測量工具在進(jìn)行兩種形狀的地塊面積測量時，其精度均具有相同的變化趨勢，即隨被測地塊面積增大，面積測量值的相對誤差逐漸減少，當(dāng)被測地塊面積超過2000m時，面積測量相對誤差變化曲線趨于平緩；使用拍攝-地理配準(zhǔn)的測量工具測量誤差隨地塊面積變化不明顯。

2.2 地塊形狀對測量精度的影響

由圖1可知，以地塊形狀為變量對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，3種手持測量工具的測量誤差在測量正方形地塊時，與測量圓形地塊時相比要小，且變化趨勢更穩(wěn)定，而無人機(jī)的測量誤差在測量圓形地塊時，與測量正方形地塊時相比要小，其穩(wěn)定性幾乎不受地塊形狀影響。

圖1 不同工具測量面積誤差趨勢圖

對上述試驗結(jié)果進(jìn)行分析：全站儀和無人機(jī)地塊的面積測量范圍是控制點(diǎn)連線形成的多邊形，而手持測量工具的測量范圍是試驗者手持儀器經(jīng)過的路徑中自動生成的測量點(diǎn)連線形成的多邊形，其中路徑會有偏差，測量點(diǎn)與控制點(diǎn)也不能對應(yīng)。圓形地塊所需控制點(diǎn)數(shù)量遠(yuǎn)多于正方形地塊，但受全站儀面積測量功能內(nèi)置點(diǎn)數(shù)上限（30）的限制，難以保證控制點(diǎn)數(shù)量隨地塊面積成比例增長。而手持測量工具跟隨試驗者步行移動，其移動路徑難以嚴(yán)格遵循控制點(diǎn)連接而成的多邊形，更接近外接于多邊形的圓形，且儀器內(nèi)部自動生成的測量點(diǎn)比預(yù)設(shè)的控制點(diǎn)數(shù)量更多，導(dǎo)致測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)面積相比偏大。以上3點(diǎn)均說明使用手持測量工具測量圓形地塊產(chǎn)生的誤差較大。

2.3 四種測量工具的精準(zhǔn)度分析

評價一個設(shè)備的可靠度一般采用精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性兩方面指標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。在相同條件下，用四種測量工具對50m～5000m正方形地塊和圓形地塊進(jìn)行面積測量，手持GPS測量面積平均誤差率分別為0.96%、1.23%；天利測畝儀測量面積平均誤差率分別為1.95%、2.97%；土流網(wǎng)測畝儀測量面積平均誤差率分別為6.34%、10.75%；大疆Mavic mini無人機(jī)測量面積平均誤差率分別為6.75%、6.60%。由此可知，測量工具精確度：手持GPS>天利測畝儀>土流網(wǎng)測畝儀>無人機(jī)。

2.4 四種測量工具的穩(wěn)定性分析

變異系數(shù)用于量綱不同的變量間或平均值差別較大的變量間變異程度的比較。一般情況下，變異系數(shù)越小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越高，如公式（2）所示。

式中：為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，為樣本平均值。

由于該試驗中4種測量工具對同一地塊進(jìn)行面積測量的結(jié)果差異較大，選擇變異系數(shù)作為比較穩(wěn)定性的指標(biāo)。以4種測量工具對正方形地塊進(jìn)行面積測量的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對同一測量地塊的3次測量結(jié)果進(jìn)行分析可得，測量結(jié)果的穩(wěn)定性：無人機(jī)>手持GPS>天利測畝儀>土流網(wǎng)測畝儀，其變異系數(shù)平均值分別為0.0020、0.0127、0.0297、0.1006。

3 結(jié)論

以地塊面積為研究變量，4種測量工具所得結(jié)果的相對誤差在地塊面積達(dá)到一定規(guī)模后呈現(xiàn)隨地塊面積增大而減少的趨勢；以地塊形狀為研究變量，面積測量誤差變化無明顯規(guī)律，由于試驗儀器自身條件限制和人工測量過程中的偶然誤差，正方形地塊較圓形地塊測量精度更高；基于精確度對四種測量工具進(jìn)行比較可知，在未對試驗結(jié)果進(jìn)行二次校準(zhǔn)的情況下，手持GPS精確度最高，土流網(wǎng)測畝儀精確度最低；基于結(jié)果穩(wěn)定性對四種測量工具進(jìn)行比較可知，測量結(jié)果的穩(wěn)定性：無人機(jī)>手持GPS>天利測畝儀>土流網(wǎng)測畝儀，其中無人機(jī)的結(jié)果穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于其他測量工具。

通過手持GPS和無人機(jī)進(jìn)行面積測量是當(dāng)前風(fēng)景園林領(lǐng)域測量精度和結(jié)果信度較高的方法。手持GPS具有操作簡單、輕便易攜的特點(diǎn)，但需人工環(huán)繞場地進(jìn)行試驗，若場地郁閉度較高、面積較小，建議使用手持GPS進(jìn)行面積測量；無人機(jī)測量結(jié)果信度最高，但技術(shù)要求較高且結(jié)果須經(jīng)過矯正才可獲得精確數(shù)據(jù)，適用于郁閉度低、較為開闊的場地。