探析GPS土地測繪精度的影響因素

陳 樺，李安康

（南陽高新區(qū)大地測繪有限公司，河南 南陽 473000）

隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和空間技術(shù)的進(jìn)步，高效的土地和水資源管理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，其中地理信息系統(tǒng)和GPS土地測繪系統(tǒng)的作用功不可沒。這些技術(shù)從根本上改變了管理自然資源，特別是土地測繪的方式和精確程度。GPS有助于測量土地尺寸以及地理參考標(biāo)簽。GPS的技術(shù)發(fā)展通過利用人造高功率輻射源來提高成像效率，該輻射源從安裝在跟蹤器上的自由形狀傳感器發(fā)射激光或微波束。越來越多的基于GPS和地理信息系統(tǒng)的土地測繪研究與實(shí)地調(diào)查相結(jié)合，以有效挖掘GPS技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的擴(kuò)展?jié)摿Γ@將完善和規(guī)范當(dāng)前的應(yīng)用，并發(fā)展新的方法和應(yīng)用。

1 GPS土地測繪簡介

GPS，是全球位置系統(tǒng)的簡稱。GPS的土地測量技術(shù)主要是以導(dǎo)航衛(wèi)星技術(shù)為基本，在完成定位目標(biāo)的過程中，從GPS衛(wèi)星軌道到信息接收機(jī)間的一段距離才是最基本檢測目標(biāo)。在檢測接收機(jī)對準(zhǔn)四顆上面的衛(wèi)星信號以后，就可以利用微距測試實(shí)現(xiàn)時(shí)間的估計(jì)，再經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析和研究后，就可以實(shí)現(xiàn)測定三維位置。眾多GPS的土地監(jiān)測實(shí)踐都證明了，在國土測量的具體實(shí)踐中，采用GPS的土地測量技術(shù)還存在著四個(gè)方面的優(yōu)勢：第一，GPS土地測量技術(shù)定位精度很高，對50 000 m左右的區(qū)域內(nèi)其偏差范圍在5 m以內(nèi)；其次，由于GPS土地測繪的觀測持續(xù)時(shí)間比較短，因此，它對20 000 m左右區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)定位一般在一定時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)，并且針對各個(gè)臺站，都可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)確定，所耗費(fèi)的檢測時(shí)間也在三秒以內(nèi)；其三，GPS的土地測量技術(shù)在具體應(yīng)用的過程中，兩個(gè)臺站間基本不需通視，只需確保在實(shí)施測定之前，監(jiān)測地點(diǎn)上方的空域相對開放即可，這樣在較大程度上就減少了測量成本；第四，技術(shù)較為簡單，尤其是由于新型技術(shù)的不斷問世，GPS土地測量通信接收機(jī)的容量也不斷減小，系統(tǒng)的智能化程度進(jìn)一步增強(qiáng)。

GPS土地測繪是一種有效、可靠的土地覆蓋與土地利用制圖技術(shù)。GPS土地測繪在處理多源遙感數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其與遙感的融合是一個(gè)很有吸引力的研究方向，可以應(yīng)用于圖像分類。同時(shí)，地理定位系統(tǒng)還允許對遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的空間分析。土地覆蓋與土地利用數(shù)據(jù)集一般采用多源遙感數(shù)據(jù)，通過圖像處理軟件提取，利用GPS進(jìn)行分析。

在遙感系統(tǒng)中，圖像的探索是識別不同對象、顏色、形狀、大小、圖案和紋理等。熱成像傳感器被數(shù)碼相機(jī)取代，以提供比傳統(tǒng)成像源更好的重建圖像空間信息。先進(jìn)的數(shù)字圖像處理技術(shù)有利于有效重建所采集的圖像和提取圖像特征。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析圖像特征，以在最小跨越距離內(nèi)基于相似特征聚類方法進(jìn)行邊緣分離。傳統(tǒng)的調(diào)查成本增加了收集信息的成本和時(shí)間，并且通常需要對同一地點(diǎn)進(jìn)行充分的訪問以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，傳統(tǒng)的調(diào)查記錄表明，由于知識不足、天氣條件不確定、系統(tǒng)錯(cuò)誤、意外錯(cuò)誤和計(jì)算錯(cuò)誤等原因?qū)е率占降男畔⒋嬖谌藶殄e(cuò)誤。在與其他測量方法相關(guān)的同時(shí)，特定區(qū)域的物理測量變得困難，記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低。基于衛(wèi)星和GPS接收機(jī)三邊測量的GPS測量機(jī)制有助于計(jì)算地球表面位置的經(jīng)緯度。實(shí)時(shí)應(yīng)用程序嵌入了地理地圖和 GPS，通過組合至少4個(gè)不同的衛(wèi)星信號來提供觀察者的準(zhǔn)確位置。GPS 空間部分由28顆繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星組成，每12小時(shí)航行20 000余公里，可在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、距離測量、速度測量和時(shí)間測量。衛(wèi)星在土地覆蓋上的實(shí)時(shí)可用性和連續(xù)成像驅(qū)動(dòng)性，也證實(shí)了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對土地覆蓋中的物體進(jìn)行分類的有效性。

2 GPS的實(shí)際應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)采集

工程測量數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜程度也比較高，易受工程區(qū)域地理位置、氣候環(huán)境等的影響。通過使用地理信息系統(tǒng)，可以通過矢量和柵格的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與保存，通過使用GPS定位技術(shù)，還可以設(shè)定測量對象的坐標(biāo)方位，從而將大量數(shù)據(jù)錄入至地理信息系統(tǒng)中，此外，通過聯(lián)合使用數(shù)字掃描裝置、攝像機(jī)、激光雷達(dá)裝置、衛(wèi)星等，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。在地理信息系統(tǒng)的實(shí)際使用中，不但可以收集大量數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、剪輯等處理，從而可以有效減少對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所耗費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換

在GPS的實(shí)際使用中，針對各種數(shù)據(jù)信息主導(dǎo)方法，需通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件，對各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編輯等預(yù)處理方法。而GPS的應(yīng)用管理系統(tǒng)軟件，能夠自行標(biāo)記出各種空間屬性統(tǒng)計(jì)信息間的關(guān)系，并同時(shí)將復(fù)雜空間實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)系。在大數(shù)據(jù)挖掘方面，需注重對空間向量統(tǒng)計(jì)信息的相互關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息結(jié)果進(jìn)行解析。在各種數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化方面，在測量過程中可能會發(fā)生交叉點(diǎn)和直線脫離的情形，這將會嚴(yán)重影響觀察成果的準(zhǔn)確性，甚至造成原版圖上存在污點(diǎn)。因此可通過GPS對污點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)刪除處理。

3 GPS 土地測繪技術(shù)中測繪精度的影響因素

3.1 SRB影響因素

太陽射電暴（SRB）是影響全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)性能的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。考慮到不同威脅因素的影響，GPS開發(fā)人員對系統(tǒng)進(jìn)行了升級，以修正系統(tǒng)的精度和防噪特性。特別是當(dāng)GPS逐漸用L2頻率發(fā)射信號功率增加的新一代設(shè)備（GPS IIR-M、GPS IIF、GPS III）和新的民用碼取代“老”衛(wèi)星（GPS IIA、GPS IR-A、GPS IIR-B）。研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，發(fā)射信號功率的增加和新的民用編碼可能會增強(qiáng)GPS運(yùn)行的穩(wěn)定性。現(xiàn)代化衛(wèi)星發(fā)射信號功率的增加，在面對伴隨太陽射電暴的嚴(yán)重和極端耀斑的威脅時(shí)，能夠有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 傳播途徑因素

在對GPS信息進(jìn)行傳遞的過程中，傳輸路徑給整個(gè)測量精度產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響。一般表現(xiàn)在以下三個(gè)主要方面：首先，電離層落后因素。在地球上空出現(xiàn)的電離層對電磁波產(chǎn)生了很大的折射效果，而由于GPS信息是一個(gè)電磁波，這也就使得GPS信息在傳遞的過程中，傳播速度、傳輸路徑等相關(guān)方面都會有相應(yīng)的改變，表現(xiàn)為電離層落后。具體延遲效應(yīng)的顯著程度和電磁波頻譜、電離層折射影響程度等相關(guān)方面都存在著直接關(guān)聯(lián)；其次，對流層落后。地球上產(chǎn)生的對流層對電磁波也有相應(yīng)的折射效果，使得GPS信號傳遞速率也發(fā)生了相應(yīng)的改變。總而言之為以下兩點(diǎn)：

（1）電磁波的影響。在衛(wèi)星信息進(jìn)行傳遞的過程中，電磁波頻譜和波段的變化會受到電波效應(yīng)的影響，數(shù)據(jù)和結(jié)果都會發(fā)生一系列變化，這樣接收到的衛(wèi)星信息就將與所傳播信息產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，這便是電磁波誤差。（2）雷達(dá)衛(wèi)星信息在經(jīng)過對流層傳遞過程中，傳遞頻次會受到折射現(xiàn)象的影響，再外加信息傳遞本身受到氣溫、相對濕度和壓力等外界條件的差異，傳遞頻次的變化程度會更加明顯，所以對GPS定位的性能造成一定的影響，進(jìn)而影響其定位速度和準(zhǔn)確度。

3.3 GPS信號接收機(jī)因素

首先，GPS信息接收機(jī)的時(shí)差，導(dǎo)致這種鐘差形成的最主要原因是基于GPS標(biāo)定時(shí)間與GPS信息接收機(jī)鐘面距離的差異；再次，基于GPS訊號接收器管理與軟件層面原因所導(dǎo)致的偏差，即GPS訊號接收器在收到訊號時(shí)，具體的定位數(shù)據(jù)通常都與數(shù)據(jù)處理硬件、軟件等層面原因發(fā)生了密切的聯(lián)系；其三，周跳影響因素。主要是基于GPS信息在接收機(jī)本機(jī)振動(dòng)時(shí)形成的相位和接收機(jī)與衛(wèi)星軌道載荷相位間的差距，但在實(shí)際開展測量時(shí)，通常只能夠觀測到很小部分，也因此直接影響到了GPS信息接收機(jī)的接收效果。

（1）在實(shí)際實(shí)踐中，與地面作業(yè)人員所用的信號接收器有著很大差異，不僅是信息接收的設(shè)備硬件和軟件的不同，對接受信息的實(shí)效性和準(zhǔn)確性以及全面性都有重要影響，這些問題都會對土地測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。（2）在開展GPS定位工作時(shí)，相關(guān)工作人員要對觀測值進(jìn)行確定，同時(shí)在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)檢測，而且需要高度重視實(shí)際測量中心的確定，否則容易忽視周跳狀況，所以在開展測試工作時(shí)，要做到具體問題具體分析，根基實(shí)際情況來進(jìn)行測試，避免危害到相關(guān)的GPS系統(tǒng)定位的坐標(biāo)成果，同時(shí)防止對定位準(zhǔn)確性不利影響的產(chǎn)生。

4 提高GPS土地測繪精度的方法建議

4.1 改善測繪硬件和設(shè)施

檢測設(shè)備的精確度受硬件設(shè)備特性的影響比較大，在實(shí)際的檢測工作進(jìn)行中，由于精確地檢測結(jié)果很易于受到上述各種因素的某些負(fù)面影響。所以就要求在GPS土地測繪中，對相應(yīng)GPS接收機(jī)的特性做出了測試。這其中時(shí)間和天線位置的偏移等容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)需要進(jìn)行詳細(xì)的測試。而且為了提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還需要選用合格的GPS接收器。在土地測繪過程中，一旦這兩個(gè)地方的基準(zhǔn)線間距大于10 km，則就必須使用雙頻GPS接收機(jī)，這一設(shè)備能夠有效減弱相對電離層的影響，同時(shí)也能夠保證測量的準(zhǔn)確性。單頻的GPS接收機(jī)在土地基準(zhǔn)線距離在10 km范圍內(nèi)就能夠滿足要求，而且這種規(guī)格的接收機(jī)能耗量較低，運(yùn)行穩(wěn)定性比較好，所以在使用過程中增強(qiáng)了其可靠性，同時(shí)也能夠更好地適應(yīng)不同土地環(huán)境的需要。

4.2 改進(jìn)測量方法和手段

（1）GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行這一環(huán)節(jié)的工作時(shí)，相關(guān)工作人員需要用GPS基線長度科學(xué)的調(diào)整相差值，以便于精準(zhǔn)度能夠符合相關(guān)要求。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，還可以通過實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息反饋來進(jìn)行網(wǎng)形結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以便使之更符合規(guī)定，更進(jìn)一步保證檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度。

（2）關(guān)于農(nóng)田測量的選點(diǎn)。首先，要確定GPS地面接收器的地平高度角必須在合理的區(qū)域內(nèi)，而且地面接收器所安裝的地方也必須正確，且在信號接收過程中，必須防止對GPS信息產(chǎn)生的負(fù)面影響問題。最后，選擇了一些對電磁波傳播不會產(chǎn)生影響的地方，即遠(yuǎn)離雷達(dá)站、無線電臺等工作地點(diǎn)。如確實(shí)避不開，就必須選擇合適的位置，與雷達(dá)站之間的間距保持合理可控的范圍，有效地減少對電磁波的負(fù)面影響的問題，并減少與事件有關(guān)的誤差問題。

（3）土地測繪的主要觀測要求。就是在此測量階段中，需要恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間控制對中方位。在測量之前，必須嚴(yán)密地檢查設(shè)備儀器高度。一旦出現(xiàn)了具有嚴(yán)重影響檢測精度的原因，則必須設(shè)立監(jiān)測墩，以減少這些因素造成的影響，從而增加了測量的準(zhǔn)確性。其次，在進(jìn)行土地計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定時(shí)，應(yīng)該保證計(jì)量時(shí)間的重組型，同時(shí)對計(jì)量頻率進(jìn)行合理安排，以此來確保相應(yīng)采集的數(shù)據(jù)均符合要求，以便于數(shù)據(jù)測量的作用能夠得到有效實(shí)現(xiàn)。

（4）測繪數(shù)據(jù)要保證高度的準(zhǔn)確性。首先，相關(guān)工作人員要對觀察到的所有數(shù)值進(jìn)行檢測，以保障其準(zhǔn)確可靠，然后按照測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)合理的數(shù)據(jù)分析，復(fù)測建筑基線等的大數(shù)據(jù)分析也是其中重要的組成部分。其次，由于高程起算的數(shù)值對內(nèi)部平面坐標(biāo)分布有較強(qiáng)的敏感度，所以在對二者進(jìn)行順序排列和關(guān)系處理時(shí)要保證其均勻性，以保證測量的精準(zhǔn)度，進(jìn)而保證測量工作效用的發(fā)揮。

4.3 做到嚴(yán)謹(jǐn)測量與計(jì)算

在進(jìn)行土地測量的流程中，相關(guān)工作人員要嚴(yán)格按照相關(guān)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)開展工作。嚴(yán)格的檢測可以大大提高土地測繪的準(zhǔn)確性，最大程度地達(dá)到測繪要求。首先，必須要對觀測數(shù)據(jù)認(rèn)真檢測，并且一定要嚴(yán)格按照規(guī)范，做好相關(guān)測量數(shù)據(jù)結(jié)果和信息的收集工作并進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在這一工作環(huán)節(jié)中如果存在不確定數(shù)據(jù)，就要對土地進(jìn)行重新測量，從而保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。

4.4 增強(qiáng) GPS 土地測繪技術(shù)中測繪精度的相關(guān)對策

對GPS信號接收機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行了評價(jià)，其中著重關(guān)注到GPS信號接收機(jī)所產(chǎn)生的信道間偏差和鐘誤差等，盡可能減小其誤差，這樣就可使得整個(gè)GPS測試的誤差范圍可以實(shí)現(xiàn)均勻分布。同時(shí)在完成了此次的GPS測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)定工作后，并未考慮使用完全開放式的網(wǎng)型架構(gòu)，只是選擇或采用了封閉式子環(huán)和閉合環(huán)，而且還在一些前提條件允許的特殊情形下，還選擇或采用了三角形測試結(jié)構(gòu)，這也對整個(gè)測量任務(wù)中的定位精確度和測控網(wǎng)準(zhǔn)確度的提升有著重要的意義。在整個(gè)流程中，盡量避免測繪現(xiàn)場有較多的反射物體，比如：建筑物、坡地、溝谷等；同時(shí)，為減少對電磁波所產(chǎn)生的影響，在選取地點(diǎn)上，也盡可能避免微波中轉(zhuǎn)站、無線電臺、雷達(dá)站等；另外，在此次測量的流程中，針對測量前后的儀器高程選取了其平均數(shù)，并針對有特殊要求的地方建立了觀測墩，也因此減少了對中誤差和整個(gè)測量項(xiàng)目所造成的干擾。

5 總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步，新的時(shí)空數(shù)據(jù)和工程計(jì)算方法層出不窮，工程師能夠基于現(xiàn)有的理論方法超越傳統(tǒng)制圖，允許景觀形態(tài)的定量表征和各種景觀主題信息的整合。提出具體的工程技術(shù)對策，以進(jìn)一步提高GPS地籍測量技術(shù)的測繪精度。文章通過研究GPS土地測量準(zhǔn)確度的主要影響因子，以期對GPS土地測量技術(shù)的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。