GPS在定位和面積量測中的誤差分析

?謝鵬芳，付　冉，黃家榮?

（河南農業大學林學院，河南 鄭州 450002）

GPS在定位和面積量測中的誤差分析

謝鵬芳，付冉，黃家榮

（河南農業大學林學院，河南 鄭州 450002）

以河南農業大學校區為研究區域，通過手持GPS儀探討了不同觀測時長、不同觀測時間以及不同區域面積對GPS精密度和穩定性的影響。結果表明：不同觀測時長對GPS定位的坐標沒有影響；不同觀測時段中，定位時長為60 s和120 s的穩定度相差不大，而實時定位的穩定度比120 s的穩定度高3倍以上；當地塊面積在3 600 m2以下時，GPS測量結果的變化幅度較大，呈不穩定狀態，當地塊面積在3 600 m2以上時，GPS測量結果的變化幅度逐漸變小，呈現面積越大、誤差越小、精度越高的趨勢。

手持GPS儀；定位；面積量測；觀測時長；穩定度；誤差

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS；其主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報搜集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，該項目耗資2 000億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星己布設完成[1]。用戶利用該系統能夠在任何地方做到不間斷、全天候、及時地測量目標的三維位置及時間信息。此外，用戶還可以操縱該系統進行高精確度的精密定位和高精準度的時間傳遞。目前，GPS技術已經投入運營近20 a了，無論是穩定性、精度還是服務政策上都有很大水平地提高。在林業領域，GPS主要應用于固定樣地選點、樣地導航和林地面積量測[2-3]等方面。

21世紀的林業工作必須由現代化思想來指引，現代化林業的一個最重要的思想就是要采用高新技術去支持林業的持續發展[4-6]。GPS技術在林業中的應用主要包括以下幾個方面[7-8]。（1）導航和定位。手持GPS的觀測值較為穩定，與古老的測量定位方法比較，比較適用于大部分的林業工作。（2）固定樣地的建立與恢復。固定樣地調查是我國森林資源和生態環境綜合監測以及評價的重要的基礎工作。（3）測量林地面積。實際上用于面積量測的方式非常多，但事實證實，利用GPS量測地塊的面積具有大范疇、迅速、準確、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業大學進行實地測量，研究了不同測量時長對GPS測量結果定位精度的影響，以及不同時間段測得數據的穩定性與地塊面積測量的誤差關系，目的在于減少人們在使用GPS的定位和面積測量功能時面對的信任爭議，為今后手持GPS的使用提供一定的依據。

1　研究區概況

1.1地理位置概況

河南農業大學位于河南省會城市鄭州，具體位置在文化路與農業路的交叉部分，地勢呈現西高東低的趨勢，氣候一年四季分明、雨熱同期、復雜多樣。研究區如圖1所示。

圖1　研究的區域（虛線部分）

1.2試驗環境狀況及儀器

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

2　研究內容與方法

2.1試驗方法設計

從觀測時長、觀測時間段、面積大小3個方面進行試驗，利用手持GPS進行多次測量求得的平均值作為基礎數據，研究GPS的定位、面積測量誤差和精度3因素的規律及內在聯系。試驗GPS測量數據是在北京54坐標系下測定的。

試驗1在河南農業大學三號樓前一塊較平坦的地塊進行，在此地塊上選取3個不同的測量點，于2016年4月28日測量3個點在不同時長的結果，然后與實時定位坐標作對比分析，得出試驗結論。

試驗2與試驗1所選地點與測點一致，于2016年4月29日上午9∶00和下午14∶00進行多次觀測，記錄實時定位、30 s、60 s、120 s的坐標值，對比不同時間段的坐標值，利用穩定度計算公式（1）進行數據的穩定度分析[9]。m值越大表示穩定性越高，m值越小表示穩定性越差。

式中：|LL|代表相同觀察時間的不同觀察時段的測量結果差值，n為比較差值的數量。

試驗3在河南農業大學操場上進行，用卷尺量取不同的長和寬截取大小不同的面積，然后用GPS順時針和逆時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出發，每個面積進行多次試驗，最后求出平均值，用該結果分別與標準面積（即卷尺所量的面積）作誤差分析。

2.2實驗工具

常規實驗工具有標桿、卷尺、記號筆、記錄本等，試驗用手持GPS型號為美國佳明eTrex301。

3　結果與分析

3.1不同觀測時長對手持GPS定位精度的影響

GPS具備在觀察站之間不需要通視、觀察所用時間較短、操作步驟簡略易懂、定位精確度高、可以實現全天候連續工作等優點，因此在森林調查中得到了廣泛的應用，大部分森林調查人員都是通過GPS導航和定位來確定位點的精確坐標。隨著高新技術的成長，如今GPS已經可以替代一些傳統意義上的調查方法，因此GPS在森林調查領域顯現出廣闊的前景。試驗1用手持GPS對選定的測點進行測量，在不同點上每間隔相同時間記錄下GPS所測得的坐標，結果如下表1所示。從表1中可以看出，在同一個測點連續觀測超過1 min時，3個測點上不同時長測量的X坐標值與實時定位的最大差值在0.7 m以內，不同時長測量的Y坐標值與實時定位的最大差值在0.3 m以內。X、Y坐標值的誤差均保持在1 m以內，說明測定的數據基本上達到了穩定狀態。

根據表1的數據計算10、20、30、60、120 s與實時定位數據差值的最大值、最小值、變異系數，結果如表2所示。從表2中可以看出，X坐標的變異系數均小于1，說明X的坐標值之間差別不大，趨于穩定狀態；同時，測量點2、3的Y坐標的變異系數均小于1，測量點1的Y坐標變異系數大于1，但與1的差別并不大，可能是測量過程中一些因素的影響，導致結果有一定的誤差，因而也可以認為Y坐標值趨于穩定狀態。這表明，不同時長測定對手持GPS儀的定位精度影響不大。

表1　手持GPS在不同時長的定位測量結果　　　　　　　（m）

表2　不同時長與實時定位測定結果差值的統計分析

3.2不同的時間段對手持GPS測量定位精度的影響

評價一個設備的可靠度一般需要從設備的精準度和穩定性兩方面觀察。對于相同的手持GPS儀，如果外部的觀察條件一致，觀察的時間段不一致，得到的數據就會有一定的差異。假如測量出來的結果沒有必然的規律可以遵循，那么就會影響到測量的精準度和穩定性，所以試驗2從不同的時間段觀測相同的樣點，以此研究手持GPS的穩定性和精準度。

根據表3的數據，利用式（1）得出，實時定位、30 s、60 s和120 s的穩定度分別為±0.42 m、±0.33 m、±0.19 m和±0.15 m。但是，由于測量點3的變化幅度較大，所以刪除掉此測量點所有數據后實時定位、30 s、60 s和120 s的穩定度分別為±0.38 m、±0.27 m、±0.15 m和±0.12 m。由此得知，定位時刻為60 s和120 s的穩定度基本上差不多，而實時定位的穩定度比120 s的穩定度高3倍以上。

表3　不同時間段相同點的觀察結果的差值

3.3面積大小對手持GPS定位精度的影響

面積量測是森林區劃和資源調查的主要工作之一，也是工程量測中比較重要的一個步驟。林業中常規面積測量是先在圖紙上實地勾繪，然后用方格紙或求積儀求算面積；采用對坡勾繪后網點板人工查數面積，耗資費時，精度不高；用小比例尺地形圖勾繪時，誤差偏大，會影響面積量測的精度[10-11]。若用GPS量測則可較準確地測定其面積。由表4可知，順時針測量面積平均誤差率為5.43%；逆量測的誤差率5.71%，比順時針的高0.28個百分點，其平均誤差百分比為5.57%。

為了更直觀地顯示順時針、逆時針測量的誤差變化趨勢，根據表5的數據作順時針、逆時針誤差趨勢圖，如圖2所示。

圖2　順時針、逆時針誤差趨勢圖

從圖2中可以發現，3 600 m2以上的誤差變化幅度穩定且逐漸減少，而3 600 m2之下的誤差變化幅度不穩定、忽高忽低，且變化較大。結合表4和圖2可以得知，當地塊面積在3 600 m2以下時，地塊面積雖小，但是測量結果誤差幅度變化過大，呈不穩定狀態；當地塊面積在3 600 m2以上時，測量結果變化的幅度逐漸降低，呈現面積越大，誤差越小，精度越大的趨勢。

4　結　論

試驗1中，通過極差和變異系數可以得出不同定位時長的GPS數據變化幅度不大，數據基本上趨于穩定狀態。這表明不同的觀察時長對手持GPS坐標數據影響不大。

試驗2中，通過式（1）計算比較，可以得出定位時刻為60 s和120 s的穩定度相差不大，而實時定位的穩定度比120 s的穩定度高3倍以上。

表4　不同面積大小順、逆時針的測量結果

試驗3中，通過順時針、逆時針誤差趨勢圖可知，當地塊面積在3 600 m2以下時，地塊面積雖小，但是測量結果誤差幅度變化過大，呈不穩定狀態；當地塊面積在3 600 m2以上時，面積越大，誤差越小，精度越大。

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（責任編輯：成平）

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

XIE Peng-fang，FU 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

河南省科技攻關項目（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