GPS在定位和面积量测中的误差分析

 谢鹏芳，付　冉，黄家荣 

（河南农业大学林学院，河南 郑州 450002）

GPS在定位和面积量测中的误差分析

谢鹏芳，付冉，黄家荣

（河南农业大学林学院，河南 郑州 450002）

以河南农业大学校区为研究区域，通过手持GPS仪探讨了不同观测时长、不同观测时间以及不同区域面积对GPS精密度和稳定性的影响。结果表明：不同观测时长对GPS定位的坐标没有影响；不同观测时段中，定位时长为60 s和120 s的稳定度相差不大，而实时定位的稳定度比120 s的稳定度高3倍以上；当地块面积在3 600 m2以下时，GPS测量结果的变化幅度较大，呈不稳定状态，当地块面积在3 600 m2以上时，GPS测量结果的变化幅度逐渐变小，呈现面积越大、误差越小、精度越高的趋势。

手持GPS仪；定位；面积量测；观测时长；稳定度；误差

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS；其主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，该项目耗资2 000亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星己布设完成[1]。用户利用该系统能够在任何地方做到不间断、全天候、及时地测量目标的三维位置及时间信息。此外，用户还可以操纵该系统进行高精确度的精密定位和高精准度的时间传递。目前，GPS技术已经投入运营近20 a了，无论是稳定性、精度还是服务政策上都有很大水平地提高。在林业领域，GPS主要应用于固定样地选点、样地导航和林地面积量测[2-3]等方面。

21世纪的林业工作必须由现代化思想来指引，现代化林业的一个最重要的思想就是要采用高新技术去支持林业的持续发展[4-6]。GPS技术在林业中的应用主要包括以下几个方面[7-8]。（1）导航和定位。手持GPS的观测值较为稳定，与古老的测量定位方法比较，比较适用于大部分的林业工作。（2）固定样地的建立与恢复。固定样地调查是我国森林资源和生态环境综合监测以及评价的重要的基础工作。（3）测量林地面积。实际上用于面积量测的方式非常多，但事实证实，利用GPS量测地块的面积具有大范畴、迅速、准确、可以与GIS连用等好处，能够做到信息和图形的一体化。

利用GPS的基本功能在河南农业大学进行实地测量，研究了不同测量时长对GPS测量结果定位精度的影响，以及不同时间段测得数据的稳定性与地块面积测量的误差关系，目的在于减少人们在使用GPS的定位和面积测量功能时面对的信任争议，为今后手持GPS的使用提供一定的依据。

1　研究区概况

1.1地理位置概况

河南农业大学位于河南省会城市郑州，具体位置在文化路与农业路的交叉部分，地势呈现西高东低的趋势，气候一年四季分明、雨热同期、复杂多样。研究区如图1所示。

图1　研究的区域（虚线部分）

1.2试验环境状况及仪器

试验日期为2016年4月28～29日，两天天气晴朗，温度为15～23℃左右，无风。试验1、2周围有一栋5层建筑，有少许树木，试验3周围没有建筑和树林。

2　研究内容与方法

2.1试验方法设计

从观测时长、观测时间段、面积大小3个方面进行试验，利用手持GPS进行多次测量求得的平均值作为基础数据，研究GPS的定位、面积测量误差和精度3因素的规律及内在联系。试验GPS测量数据是在北京54坐标系下测定的。

试验1在河南农业大学三号楼前一块较平坦的地块进行，在此地块上选取3个不同的测量点，于2016年4月28日测量3个点在不同时长的结果，然后与实时定位坐标作对比分析，得出试验结论。

试验2与试验1所选地点与测点一致，于2016年4月29日上午9∶00和下午14∶00进行多次观测，记录实时定位、30 s、60 s、120 s的坐标值，对比不同时间段的坐标值，利用稳定度计算公式（1）进行数据的稳定度分析[9]。m值越大表示稳定性越高，m值越小表示稳定性越差。

式中：|LL|代表相同观察时间的不同观察时段的测量结果差值，n为比较差值的数量。

试验3在河南农业大学操场上进行，用卷尺量取不同的长和宽截取大小不同的面积，然后用GPS顺时针和逆时针绕选取地块匀速行走一圈得出面积。每次分别从长方形不同点出发，每个面积进行多次试验，最后求出平均值，用该结果分别与标准面积（即卷尺所量的面积）作误差分析。

2.2实验工具

常规实验工具有标杆、卷尺、记号笔、记录本等，试验用手持GPS型号为美国佳明eTrex301。

3　结果与分析

3.1不同观测时长对手持GPS定位精度的影响

GPS具备在观察站之间不需要通视、观察所用时间较短、操作步骤简略易懂、定位精确度高、可以实现全天候连续工作等优点，因此在森林调查中得到了广泛的应用，大部分森林调查人员都是通过GPS导航和定位来确定位点的精确坐标。随着高新技术的成长，如今GPS已经可以替代一些传统意义上的调查方法，因此GPS在森林调查领域显现出广阔的前景。试验1用手持GPS对选定的测点进行测量，在不同点上每间隔相同时间记录下GPS所测得的坐标，结果如下表1所示。从表1中可以看出，在同一个测点连续观测超过1 min时，3个测点上不同时长测量的X坐标值与实时定位的最大差值在0.7 m以内，不同时长测量的Y坐标值与实时定位的最大差值在0.3 m以内。X、Y坐标值的误差均保持在1 m以内，说明测定的数据基本上达到了稳定状态。

根据表1的数据计算10、20、30、60、120 s与实时定位数据差值的最大值、最小值、变异系数，结果如表2所示。从表2中可以看出，X坐标的变异系数均小于1，说明X的坐标值之间差别不大，趋于稳定状态；同时，测量点2、3的Y坐标的变异系数均小于1，测量点1的Y坐标变异系数大于1，但与1的差别并不大，可能是测量过程中一些因素的影响，导致结果有一定的误差，因而也可以认为Y坐标值趋于稳定状态。这表明，不同时长测定对手持GPS仪的定位精度影响不大。

表1　手持GPS在不同时长的定位测量结果　　　　　　　（m）

表2　不同时长与实时定位测定结果差值的统计分析

3.2不同的时间段对手持GPS测量定位精度的影响

评价一个设备的可靠度一般需要从设备的精准度和稳定性两方面观察。对于相同的手持GPS仪，如果外部的观察条件一致，观察的时间段不一致，得到的数据就会有一定的差异。假如测量出来的结果没有必然的规律可以遵循，那么就会影响到测量的精准度和稳定性，所以试验2从不同的时间段观测相同的样点，以此研究手持GPS的稳定性和精准度。

根据表3的数据，利用式（1）得出，实时定位、30 s、60 s和120 s的稳定度分别为±0.42 m、±0.33 m、±0.19 m和±0.15 m。但是，由于测量点3的变化幅度较大，所以删除掉此测量点所有数据后实时定位、30 s、60 s和120 s的稳定度分别为±0.38 m、±0.27 m、±0.15 m和±0.12 m。由此得知，定位时刻为60 s和120 s的稳定度基本上差不多，而实时定位的稳定度比120 s的稳定度高3倍以上。

表3　不同时间段相同点的观察结果的差值

3.3面积大小对手持GPS定位精度的影响

面积量测是森林区划和资源调查的主要工作之一，也是工程量测中比较重要的一个步骤。林业中常规面积测量是先在图纸上实地勾绘，然后用方格纸或求积仪求算面积；采用对坡勾绘后网点板人工查数面积，耗资费时，精度不高；用小比例尺地形图勾绘时，误差偏大，会影响面积量测的精度[10-11]。若用GPS量测则可较准确地测定其面积。由表4可知，顺时针测量面积平均误差率为5.43%；逆量测的误差率5.71%，比顺时针的高0.28个百分点，其平均误差百分比为5.57%。

为了更直观地显示顺时针、逆时针测量的误差变化趋势，根据表5的数据作顺时针、逆时针误差趋势图，如图2所示。

图2　顺时针、逆时针误差趋势图

从图2中可以发现，3 600 m2以上的误差变化幅度稳定且逐渐减少，而3 600 m2之下的误差变化幅度不稳定、忽高忽低，且变化较大。结合表4和图2可以得知，当地块面积在3 600 m2以下时，地块面积虽小，但是测量结果误差幅度变化过大，呈不稳定状态；当地块面积在3 600 m2以上时，测量结果变化的幅度逐渐降低，呈现面积越大，误差越小，精度越大的趋势。

4　结　论

试验1中，通过极差和变异系数可以得出不同定位时长的GPS数据变化幅度不大，数据基本上趋于稳定状态。这表明不同的观察时长对手持GPS坐标数据影响不大。

试验2中，通过式（1）计算比较，可以得出定位时刻为60 s和120 s的稳定度相差不大，而实时定位的稳定度比120 s的稳定度高3倍以上。

表4　不同面积大小顺、逆时针的测量结果

试验3中，通过顺时针、逆时针误差趋势图可知，当地块面积在3 600 m2以下时，地块面积虽小，但是测量结果误差幅度变化过大，呈不稳定状态；当地块面积在3 600 m2以上时，面积越大，误差越小，精度越大。

[1] 斯钦毕力格. GPS技术在森林资源调查中的应用精度分析[J]. 内蒙古林业调查设计，2001，（z1）：19-20.

[2] 熊志昂，李红瑞. 赖顺香，等. GPS技术与工程应用[M]. 北京：国防工业出版社，2005.

[3] 冯仲科，梁长秀，南永天. 超小图斑面积的RTD GPS量测[J]. 林业资源管理，2001，（5）：70-73.

[4] 易鸣镝，顾洪夫，陈广飞. GPS定位原理浅析及误差分析[J]. 中国数据通信，2005，（3）：25-27.

[5] 李天文. GPS原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2013.

[6] 赖家明. GPS技术在川西低中山区森林资源调查中定位和面积测量应用研究[D]. 雅安：四川农业大学，2005.

[7] 朱秀杰. 基于GPS后处理差分的森林资源调查系统研究[D]. 北京：北京林业大学，2008.

[8] 冯仲科，南永天，刘月苏，等. RTD GPS用于森林资源固定样地调查的研究[J]. 林业资源管理，2000，（1）：50-53.

[9] 李德仁. 误差处理与可靠性分析[M]. 北京，测绘出版社，1992.

[10] 余松柏，林中大，叶金盛. GPS在森林资源清查中的应用[J]. 南京林业大学学报（自然科学版），2004，（1）：84-86.

[11] 冯仲科，张志良，郭学林. GPS基本原理及其在水土保持工作中的应用[J]. 中国水土保持，1999，（10）：38-39.

（责任编辑：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

河南省科技攻关项目（0624050007）

谢鹏芳（1989-），女，河南漯河市人，硕士研究生，主要从事森林资源信息化管理研究。

黄家荣