楊 帆 ，危志遠

（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。人工丈量不僅耗時費工效率過低，而且不適于進行大規(guī)模的土地測量。常規(guī)儀器法則一般利用經(jīng)緯儀或全站儀對土地面積進行測量，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)的簡稱，該系統(tǒng)利用衛(wèi)星可在全球范圍內(nèi)對目標點進行精準定位[5-8]?；贕PS衛(wèi)星定位的面積測量儀操作簡單，攜帶方便且精度較高[9-10]?；诖颂攸c文中設(shè)計了GPS衛(wèi)星定位土地面積測量儀。

1 面積測量儀總體設(shè)計

GPS土地面積測量裝置采用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定位坐標按預(yù)設(shè)的算法，對待測土地面積進行計算，并將結(jié)果發(fā)送至人機交互模塊進行顯示。GPS面積測量儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS土地面積測量儀系統(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

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接口可以外接一個有源天線。由于測量時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)計電路如圖2所示。

圖2 GPS北斗模塊設(shè)計電路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

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)包括時鐘電路與復(fù)位電路，其電路設(shè)計如圖4所示。設(shè)計中，采用8 MHz無源晶振為STM32提供處理時鐘；復(fù)位電路采用操作簡單的阻容復(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Fig.4 Circuit design of data processing module subsystem

1.3 人機交互模塊設(shè)計

GPS土地面積測量裝置采用10.92 cm的TFT LCD和按鍵實現(xiàn)人機交互。采用4個按鍵對裝置進行控制，微處理器定時循環(huán)掃描GPIO引腳，當有按鍵按下時，處理器將會檢測到相應(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行測量，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

GPS土地面積測量儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括人機交互系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計、提取定位信息程序設(shè)計、面積算法設(shè)計、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。

先由按鍵中斷發(fā)送鍵值給主控任務(wù)，由主控任務(wù)來判斷當前工作狀態(tài)，若判斷為啟動面積測量，則此時主控任務(wù)通過發(fā)送信號量給定位數(shù)據(jù)接收，面積測量以及界面顯示這3個任務(wù)。優(yōu)先級較高的定位數(shù)據(jù)接收任務(wù)首先運行，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)，然后運行優(yōu)先級其次的面積計算任務(wù)，負責將定位數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)提取出來進行轉(zhuǎn)換并進行面積計算，再將得出的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)回數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)。最后，運行優(yōu)先級最低的顯示任務(wù)，讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的面積計算結(jié)果并進行顯示。任務(wù)和中斷工作流程設(shè)計如圖5所示。

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

3 面積算法原理

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

為方便計算，需將GPS北斗模塊所接收到的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標。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i的WGS-84坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標的公式為

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

在計算不規(guī)則多邊形面積時，將各端點與坐標原點相連，則每條邊與原點構(gòu)成一個三角形，多邊形面積的分解如圖6所示。計算每條邊所對應(yīng)三角形的面積，在多邊形外的面積值為負，其余為正，計算其代數(shù)和即為多邊形面積，計算公式為

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

4 系統(tǒng)測試

所設(shè)計的系統(tǒng)平臺實物如圖7所示。測試地點為武漢工程大學(xué)流芳校區(qū)的新操場。為便于計算，選取矩形足球場進行測量。先用使皮尺進行人工測量，得到足球場面積的實際值。人工測得足球場長度為107.58 m，寬度為82.80 m，實際面積為8907.62 m2。

圖7 系統(tǒng)平臺Fig.7 System platform

再用面積測量儀進行測量，得到足球場面積測量值。使用測量儀測量時，采集矩形足球場的4個頂點，共測量5次。將面積測量儀的測量值與足球場面積實際值進行對比，得出該測量裝置的誤差。測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

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

由表可知，該測量裝置仍存在一定誤差，但均屬于微小誤差，可忽略不計，該裝置可以完成對土地面積的精準測量。

5 結(jié)語

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