基于GPS衛(wèi)星定位土地面積測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

楊 帆 ，危志遠(yuǎn)

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢 430073）

傳統(tǒng)的土地面積測(cè)量方法主要有人工丈量法和常規(guī)儀器法。人工丈量不僅耗時(shí)費(fèi)工效率過低，而且不適于進(jìn)行大規(guī)模的土地測(cè)量。常規(guī)儀器法則一般利用經(jīng)緯儀或全站儀對(duì)土地面積進(jìn)行測(cè)量，它要求由專業(yè)人員操作，大大增加了成本[1-4]。GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，該系統(tǒng)利用衛(wèi)星可在全球范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位[5-8]。基于GPS衛(wèi)星定位的面積測(cè)量?jī)x操作簡(jiǎn)單，攜帶方便且精度較高[9-10]。基于此特點(diǎn)文中設(shè)計(jì)了GPS衛(wèi)星定位土地面積測(cè)量?jī)x。

1 面積測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)

GPS土地面積測(cè)量裝置采用STM32系列的STM32F407嵌入式微處理器作為核心。該款芯片需要電源、時(shí)鐘、復(fù)位等外圍電路才能正常工作。

在系統(tǒng)中，首先由GPS北斗模塊接收衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊再利用多個(gè)定位坐標(biāo)按預(yù)設(shè)的算法，對(duì)待測(cè)土地面積進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送至人機(jī)交互模塊進(jìn)行顯示。GPS面積測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS土地面積測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of GPS land area measuring instrument

1.1 GPS北斗模塊設(shè)計(jì)

GPS模塊通過NMEA-0183協(xié)議獲取各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息。根據(jù)該協(xié)議，通過對(duì)其數(shù)據(jù)幀格式的解析可以讀取到GPS定位信息，包括經(jīng)緯度、可見衛(wèi)星數(shù)目以及高度等。

在此所設(shè)計(jì)的GPS北斗模塊采用S1216F8-BD模組為核心。該模組體積小且性能優(yōu)異，可以通過串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并能保存到內(nèi)部Flash中。模塊中PPS引腳與S1216F8-BD模組的1PPS端口相連，通過PPS燈能夠快速判斷模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)：常亮，表示模塊已開始工作；閃爍，表示模塊定位成功。IPX接口可以外接一個(gè)有源天線。由于測(cè)量時(shí)頂部可能存在遮擋物，外接有源天線可以提高模塊的接收能力。GPS北斗模塊的設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 GPS北斗模塊設(shè)計(jì)電路Fig.2 GPS Beidou module design circuit

GPS北斗模塊與數(shù)據(jù)處理模塊僅需通過VCC，GND，TXD，RXD這4根線相連。其中，VCC和GND用于給GPS北斗模塊供電；TXD和RXD分別連接STM32芯片的RXD和TXD引腳，用于串口通信。GPS北斗模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接如圖3所示。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊由32位Cortex-M4微控制器及其子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路與復(fù)位電路，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。設(shè)計(jì)中，采用8 MHz無(wú)源晶振為STM32提供處理時(shí)鐘；復(fù)位電路采用操作簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路。

圖3 GPS北斗模塊與數(shù)據(jù)處理模塊的連接Fig.3 Connection between GPS Beidou module and data processing module

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊子系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)Fig.4 Circuit design of data processing module subsystem

1.3 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

GPS土地面積測(cè)量裝置采用10.92 cm的TFT LCD和按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。采用4個(gè)按鍵對(duì)裝置進(jìn)行控制，微處理器定時(shí)循環(huán)掃描GPIO引腳，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，處理器將會(huì)檢測(cè)到相應(yīng)的GPIO口處于低電平狀態(tài)。該裝置液晶模塊選用ALIENTEK TFT LCD模塊，該模塊運(yùn)行速度快，功耗低。

1.4 電源模塊選型

由于裝置需要在戶外進(jìn)行測(cè)量，所以采用7.5 V電壓，容量3200 mA·h的鋰電池為裝置供電。據(jù)估算該裝置工作1 h所消耗電量約為200 mA·h。該電池充電1次可保證裝置正常工作1 d，很適合本裝置使用。

2 軟件設(shè)計(jì)

GPS土地面積測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括人機(jī)交互系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、提取定位信息程序設(shè)計(jì)、面積算法設(shè)計(jì)、μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)移植與任務(wù)劃分。限于篇幅，在此僅介紹μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)中的任務(wù)和中斷工作流程設(shè)計(jì)。

先由按鍵中斷發(fā)送鍵值給主控任務(wù)，由主控任務(wù)來(lái)判斷當(dāng)前工作狀態(tài)，若判斷為啟動(dòng)面積測(cè)量，則此時(shí)主控任務(wù)通過發(fā)送信號(hào)量給定位數(shù)據(jù)接收，面積測(cè)量以及界面顯示這3個(gè)任務(wù)。優(yōu)先級(jí)較高的定位數(shù)據(jù)接收任務(wù)首先運(yùn)行，在定位數(shù)據(jù)處理完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)，然后運(yùn)行優(yōu)先級(jí)其次的面積計(jì)算任務(wù)，負(fù)責(zé)將定位數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)提取出來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并進(jìn)行面積計(jì)算，再將得出的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)處理緩沖區(qū)。最后，運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最低的顯示任務(wù)，讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的面積計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行顯示。任務(wù)和中斷工作流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 任務(wù)和中斷工作流程設(shè)計(jì)Fig.5 Task and interrupt workflow design

3 面積算法原理

GPS土地面積測(cè)量裝置采用三角形分割法對(duì)面積進(jìn)行計(jì)算。該方法將待測(cè)圖形近似為不規(guī)則多邊形，然后將多邊形分割成若干三角形并計(jì)算其面積，再對(duì)所有三角形面積求和，即為所求的不規(guī)則多邊形面積。

為方便計(jì)算，需將GPS北斗模塊所接收到的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。由于在很小的范圍內(nèi)經(jīng)線和緯線可視為互相垂直，故將經(jīng)線方向視為Y軸，緯線方向視為X軸。取地球半徑為6371116 m，則任意一點(diǎn)i的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的公式為

式中：Xi，Yi為點(diǎn) i的平面坐標(biāo)；R為地球半徑；Li，Bi分別為點(diǎn)i的經(jīng)度、緯度。

在計(jì)算不規(guī)則多邊形面積時(shí)，將各端點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)相連，則每條邊與原點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形，多邊形面積的分解如圖6所示。計(jì)算每條邊所對(duì)應(yīng)三角形的面積，在多邊形外的面積值為負(fù)，其余為正，計(jì)算其代數(shù)和即為多邊形面積，計(jì)算公式為

圖6 多邊形面積的分解Fig.6 Polygon area decomposition

4 系統(tǒng)測(cè)試

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物如圖7所示。測(cè)試地點(diǎn)為武漢工程大學(xué)流芳校區(qū)的新操場(chǎng)。為便于計(jì)算，選取矩形足球場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。先用使皮尺進(jìn)行人工測(cè)量，得到足球場(chǎng)面積的實(shí)際值。人工測(cè)得足球場(chǎng)長(zhǎng)度為107.58 m，寬度為82.80 m，實(shí)際面積為8907.62 m2。

圖7 系統(tǒng)平臺(tái)Fig.7 System platform

再用面積測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，得到足球場(chǎng)面積測(cè)量值。使用測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)，采集矩形足球場(chǎng)的4個(gè)頂點(diǎn)，共測(cè)量5次。將面積測(cè)量?jī)x的測(cè)量值與足球場(chǎng)面積實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，得出該測(cè)量裝置的誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 面積測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Area measurement data statistics

由表可知，該測(cè)量裝置仍存在一定誤差，但均屬于微小誤差，可忽略不計(jì)，該裝置可以完成對(duì)土地面積的精準(zhǔn)測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的土地測(cè)量方法效率低、人工環(huán)節(jié)過多、成本過高等問題，提出了基于GPS衛(wèi)星定位土地面積測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了該裝置的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)中任務(wù)和中斷工作流程、面積算法原理。所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置操作方便，儀器體積小，便于攜帶。由測(cè)試后的數(shù)據(jù)可以得出，儀器誤差在3%以下，符合標(biāo)準(zhǔn)，可以廣泛應(yīng)用于土地面積測(cè)量。