野外地质测量中GPS定位的误差分析

张涛

（湖南省地质矿产勘查开发局402队 湖南长沙 410000）

野外地质测量中GPS定位的误差分析

张涛

（湖南省地质矿产勘查开发局402队 湖南长沙 410000）

GPS由于其具有一定的优越性和方便性，被广泛应用于工程测量、导航定位中，在野外地质测量中小巧的GPS机起到一定的辅助定点和导航作用，是新时期实现现代化数字地质调查的基础设备，但由于野外地形、树木等多种环境因素的影响，其测量精度和应用无法得到保障。本文主要对野外地质测量中GPS定位的误差进行分析，并得出有效的修正方案，仅供参考。

野外地质测量；GPS定位；误差分析

1 引言

GPS，就是利用卫星的导航功能，在进行测量时间以及距离的基础上对相关领域进行实时的位置确定，从而实现全球定位系统的作用。由于科技的不断进步，GPS接收机也朝着种类多样化、体积逐渐减小、轻质化的方向发展，在此基础上手持式的GPS被研究并使用，这种手持式的GPS主要是利用蓝牙的无线传输功能，对影响手持式GPS的精度的相关因素进行调查，主要可以分为以下几种：基于GPS卫星的相关原因；基于GPS接收机的相关原因；基于传播途径的相关原因以及数据分析软件和硬件所产生的误差等。

2 野外地质测量中GPS定位的误差分析

2.1 实验方案设计

在该实验中所使用的手持GPS是GPS315手持式仪器，定位经纬度可精确到秒级，GPS误差受到多方面因素的影响，在统计分析原则的基础上，可通过GPS在野外制定若干个样点的坐标，并利用微地形法将其实际位置标注在地形图图纸上，再回到室内进行相关的计算和统计分析，并将分析结果记录下来，分析的内容主要包括每个点的GPS坐标、地形、高程、天气和时间。在实际操作过程中，可利用相关的计算机辅助地质调查系统Geo-Survey，对比计算实际点和GPS所指定点的距离误差以及方位角误差，最后得出各种地形、天气、高程等对GPS定位误差所造成的影响。该实验的流程为：精确数据的获取、数据转录、统计结果的比较、原因分析、提出相应的校正模型。地形图底图自身的误差、野外定点误差、室内转标误差等是导致测量实际点出现误差的主要原因。本次实验主要使用地形图的比例尺为1：2000，在一定程度上，可忽略地形图底图误差和室内转标误差，来分析地形、高程等因素对GPS定位误差所产生的影响。

2.2 数据分析

在本次实验中，对某地区的众多样点进行有效的对比和研究，从该地区的实际情况出发，对手持GPS的精度误差进行针对性分析，实际取得100多个点位的有效数据，见表1。

表1 野外原始定位数据点的实际记录情况

通过对多个样本和手图的实际值进行对比后可得出如图1所示的现象，可以看出GPS点是具有一定的秩序性，从统计结果中可得出：72.2%的漂移距离误差一般在0～80m范围内，72.0%的方位误差可集中在0～90°范围内，误差的分布规律一般认为其是在GPS定位精度中诸多因素中一个具有指导性的指示因素。地形的影响主要是引起信号传播过程中产生多路径效应。

由于接收机受到周围环境的影响，导致接收机所接受到的卫星信号还包括各方面反射及折射信号的影响，甚至接收机无法获取卫星信号，大大降低了定位精度。在城市或者野外使用GPS时，接收机通常只能接收3～4颗卫星信号，而一般6～8颗卫星，才能保障定位精确，再加上时间较短。另外，在地形因素中，水是另一个重要问题，水对电磁波具有较强的反射能力，因此，在有水的地方，GPS定位的精度就无法得到有效保障。通过数据的离散程度可对这种地形下的误差大小进行衡量，通过使用统计学中的AVEDEV函数来对某地形下数据绝对偏差的平均值进行计算。

图1 极坐标系内GPS定点相对于实际点的漂移投影散点图

各种地形因素下的偏差平均值的实际情况可见表2。在地形因素的影响下，偏差平均值越大，数据就越复杂，在这种情况下，GPS的误差也就越大。

表2 地形因素下的偏差平均值

从表2可得出，在野外使用手持型GPS时，在山顶、山脊、山腰、平坦处等地形下，GPS定位误差受到的影响较小，但在陡崖、沟谷等地形，GPS定位误差受到的影响较大，在这种地形，可使用GPS相对定位来代替绝对定位，在山腰等地形处的定位点可加上修正模型予以更正。另外，对误差产生影响的关键因素不是时间和高程，甚至在地表范围内，高程是不会对GPS定位精度产生影响。还有一点应注意的是手持型GPS高程的定位能力较差，在GPS能够接受4颗以上卫星的信号时，可准确计算出本地的三维坐标：经度、纬度和高度。如果只能接受到3颗信号的话，只能将二维坐标计算出来：经度和纬度，且在这种情况下，经度和纬度的值也不准确，这时也可能会计算出高度的数据值，但这个数据是无用的。因此，在野外定点时，不建议使用手持型GPS进行高程测量。

2.3 总结

GPS在野外地质测量中的应用，具有方便携带、定位速度快等特点，但容易受到外界各方面因素的影响，导致定位精度不高。通过各因素对距离误差和方位角误差的影响分析可以看出，相比其它外界因素对GPS测量误差的影响来看，地形因素（多路径效应）对GPS测量误差的影响最大。与此同时，GPS自身的定位精度对其精度的提高起到一定的限制作用，比如GPS315，其定位的精度可精确到秒级，接收机本身可能会存在0.15～0.2m的误差。

与此同时，通过计算机辅助填图系统主要是通过投影转换将GPS所测量的经度和纬度坐标，投影至地图平面上大地坐标的对应位置上，如果不经过坐标转换直接将数据输入进去的话，则会产生一定误差，但误差范围较小，仅在1～3m，实际误差的计算需要通过相应的功能软件进行。

卫星在运动过程中不停的发送信号，接收机在接收到信号后也在不停运算，在这种情况下，可将手持型GPS放在空旷堤防，并保持不动，在定点后，其坐标数据难免会出现波动的现象，且高程的波动值比经度和纬度的波动值要大。在实际定位操作过程中，GPS在开机后不宜立即读数，可按照GPS的手持姿态要求在运行几分钟后在进行读数。

2.4 修正方案

根据以上误差类型的分析，修正方案可分为两种，一是对图2的二维坐标将坐标进行平移，并重新设定原点，并按照以一定半径的圆内落入点数目最多的原则，经过相关实验，选定（36m，50°）为新原点，也就是说对GPS点向50°的方向偏移36m进行修正，修正的数据可见表3。

从表3中可得出，在对其进行修正后，GPS数据的精度在不断得到保障，在对不同地形进行综合考虑后，在山腰及山顶等地形下的数据进度是最为适用的，可将其作为手持型GPS在开阔地区进行测量的主要参考依据。

另外，从计算机辅助区域调查系统所显示的相对定位来看，消除随机误差，可通过未知点在已知点的相对方位进行定点，并在运用这种相对定位方式的过程中，同一类地形条件之间的相对定位较为有效。

3 结束语

综上所述，手持型GPS在野外地质测量的应用中，充分发挥了GPS自身的功能优势，在对手持型GPS的定位精度产生影响的因素进行分析，可获取更为准确的数据，并利用计算机辅助调查系统的定位功能来代替绝对定位功能，并在该基础上，消除随机误差，从而不断扩大手持型GPS在人们生产生活中的应用规模。

[1]朱丽伟.野外地质测量中GPS定位的误差分析[J].黑龙江科技信息，2011（36）：94.

[2]巩锡桥.野外地质测量中GPS定位的误差分析[J].农家科技旬刊，2015（3）.56.

[3]周蓓，陶彣君，湖北省国土测绘院.手持GPS定位在野外地质测量中的误差分析[J].资源环境与工程，2009，23（3）：311.

P228.4

A

1004-7344（2016）24-0169-02

2016-8-3

张涛（1987-），男，助理工程师，本科。