孟慶東

[摘要]土地測量是惠及人民群眾的民心工程，既可增加耕地有效而積、確保耕地點補平衡，又能提高用地質(zhì)量，促進農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收。而GPS測量的技術(shù)設(shè)計是進行GPS測量定位的最基礎(chǔ)性工作，它是根據(jù)國家現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程而運作的。文章針對移動GPS在土地測量中的算法進行研究，以期通過尋求測量算法的影響因素，達到優(yōu)化移動GPS在土地測量中的算法的目的。

[關(guān)鍵詞]GPS測量；土地測量；算法研究

[DOI]1013939/jcnkizgsc201630185

隨著社會和經(jīng)濟的飛速發(fā)展，土地管理工作顯得越來越重要，而土地測量是土地管理中極其關(guān)鍵的工作，其工作精度和工作效率的高低直接影響土地管理工作的質(zhì)量。土地測量工作包括地籍測量、地形測量、土地利用狀況測量、土地后備資源調(diào)查等諸多工作，而在實際工作中土地測量工作往往要面臨各種各樣的復(fù)雜狀況，例如在農(nóng)村土地測量時測量面積大、地形復(fù)雜，工作量很大，使得常規(guī)的土地測量技術(shù)存在工作難度大，工作時間長等弊端；而在城市土地測量工作中由建筑物的密集遮擋以及土地類型繁多，給土地測量工作帶來困難。GPS（全球定位系統(tǒng)）技術(shù)投入民用以來，因其全天候、高精度、高效益、自動化等顯著優(yōu)點，已在國民經(jīng)濟建設(shè)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。在土地測量中，GPS實時動態(tài)技術(shù)技術(shù)可以利用GPS衛(wèi)星對土地測量數(shù)據(jù)進行采集并通過無線傳輸裝置將數(shù)據(jù)實時傳送給用戶，因此可以很好地解決這些難題。

1GPS實時動態(tài)技術(shù)原理

一般來說，GPS定位土地測量技術(shù)分為靜態(tài)定位測量和動態(tài)測量兩種，其中靜態(tài)定位測量是在基線布設(shè)完畢后，將若干臺GPS接收機分別安置在基線的端部，依據(jù)基線的長度以及測量精度要求進行觀測和采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)處理的過程需要經(jīng)歷一系列工作，因此，得到的數(shù)據(jù)實時性不強。另一種動態(tài)測量則只需兩臺GPS接收機，一個是固定的，另一個則可移動，通過無線電傳輸將固定站點和移動站點的數(shù)據(jù)進行綜合處理，因而通過信號傳輸而使各設(shè)備成為一個有機的整體。

GPS實時動態(tài)測量系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星、基準站、無線電傳輸設(shè)備、用戶流動站等，其中基準站和用戶流動站上都安裝有GPS數(shù)據(jù)接收機，在實際工作中，安裝在基準站上的GPS接收機會對GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過無線電傳輸裝置傳輸?shù)接脩袅鲃诱?，與此同時用戶流動站的GPS接收機也接收到GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后利用相對定位原理即可計算出用戶流動站的二維坐標，因此可以保證觀測精度。

2基于移動GPS的土地測量算法優(yōu)化

GPS移動監(jiān)控測量系統(tǒng)的車載終端和手持終端均采用的是u-blox的NEO-7M模塊，它屬于u-blox獨立式GPS/GNSS模塊中最新的NEO-7系列，位置誤差最大為25米CEP（圓周誤差），航向誤差在05度以內(nèi)，速度精度可達01m/s，但只有在GPS模塊可用衛(wèi)星數(shù)量超過六顆時，精度才可能達到上面的精度。實際上，我們在單點靜態(tài)定位時，得到的GPS坐標是在誤差范圍內(nèi)變化的，尤其是在非空曠地域或是天氣糟糕的情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)若干個誤差很大的坐標值。因為系統(tǒng)終端的使用場合的原因，無法采用更高精度定位的方式（如差分定位），所以我們在提取到GPS坐標以后，數(shù)據(jù)不能直接存儲用來計算，而是應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行的異常點剔除等優(yōu)化工作。

為了減小誤差，本研究采用的算法在提取到GPS數(shù)據(jù)以后，加入了速度位置預(yù)測模塊和直線預(yù)估模塊來提高算法的精度（如下圖所示）。

圖1速度位置微分模塊示意

如圖所示，速度位置預(yù)測模塊依據(jù)的原理是在人為測量過程中，人或車體的速度是不會突變的。也就是說，我們在獲取GPS坐標的同時提取速度，依據(jù)當前點的位置和速度Vc以及上一點的位置和速度Vi，可以進行下一點位置的預(yù)測范圍應(yīng)該是以當前點為圓心的一個圓內(nèi)，圓的半徑是當前點和上一點的距離再乘以一個系數(shù)k，系數(shù)k的大小依據(jù)當前的速度和上一點的速度的比值來決定，為避免出現(xiàn)一些臨界值點等問題，這里我們?nèi)值為：

k=125×VcVi

這里我們是根據(jù)當前點和上一點兩點的位置和速度對下一點進行預(yù)測的，實際上，為了達到更好的效果，我們可以再加入更早的一點做三點預(yù)測。相對于其他的耗時的異常點剔除方法（如計算量龐大的拉依達準則等），速度位置預(yù)測的方法更適合于資源緊張的嵌入式系統(tǒng)。另外，由于速度位置預(yù)測是實時預(yù)測（其他異常點剔除算法均為采集完所有數(shù)據(jù)后根據(jù)整體樣本數(shù)據(jù)進行剔除），所以我們可以有實時測量等更多的測量方式選擇。

速度位置預(yù)測模塊解決的是在測量過程中因為外界對GPS定位精度的影響導(dǎo)致的異常點問題，但是GPS模塊本身的漂移誤差也是一個十分致命的問題，尤其是在小面積或短距離測量時，GPS漂移對最終結(jié)果的影響十分之大。另外，在人或車體沿區(qū)域的邊緣直線測量時會引入人或車體的軌跡不是嚴格直線行走的問題。針對于這兩種問題，我們在速度位置預(yù)測模塊后引入直線預(yù)估模塊，所謂直線預(yù)估的意思是指，對于運動目標在過去一段時間序列的運動方向、速度及位置距離等信息進行分析從而判斷運動目標的實際軌跡是否是一條直線的智能預(yù)測。算法的具體步驟是，首先計算在過去的n個點中是否存在拐點（位置之間的角度并結(jié)合距離判斷），如果不存在拐點則進入直線預(yù)估，這里我們采用最小二乘法進行直線擬合，我們先假設(shè)目標直線的函數(shù)方程為，y=kx+b，式中存在兩個待定系數(shù)，其中k為直線的斜率，b為直線的截距。對于我們在等精度測量得到的n組平面坐標數(shù)據(jù)（xi，yi）（i=1，2，…，n），利用最小二乘法將測量數(shù)據(jù)擬合為直線，得到的待定系數(shù)為：

k=（x2i）（yi）-（xi）（xiyi）

n（x2i）-（xi）2

b=n（xiyi）-（xi）（yi）n（x2i）-（xi）2

速度位置微分模塊用來剔除數(shù)據(jù)中明顯的異常點，直線預(yù)估模塊用來減小GPS定位漂移及人為帶來的誤差。實驗證明，這兩個模塊的加入可以大大提高系統(tǒng)的精度，尤其是在我們常用的規(guī)則區(qū)域測量。

圖2直線預(yù)估模塊示意圖

3結(jié)論

本文主要內(nèi)容是GPS移動監(jiān)控測量系統(tǒng)整體方案概述及基于GPS的土地測量算法的相關(guān)研究。通過引入GPS對“土地動態(tài)測量”的概念，進一步研究GPS移動監(jiān)控測量系統(tǒng)的土地測量算法，對高斯投影坐標變換做了詳細的討論，在此基礎(chǔ)上，對算法提出了進一步優(yōu)化的具體方法。

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