測畝儀在農(nóng)田面積測定中的精度研究

石天琪，吳玉德

(延邊大學農(nóng)學院園藝園林系，吉林延吉133000)

測畝儀又名土地面積測量儀、手持式測畝儀等，集成了高精度的GPS定位系統(tǒng)、精確的面積測算方法和智能化掌上電腦系統(tǒng)，能實現(xiàn)不規(guī)則面積實時測試、動態(tài)圖形顯示和數(shù)據(jù)智能化處理和儲存［1］，適用于農(nóng)田、綠地、森林、水域、山坡等面積測量。測畝儀在農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和監(jiān)測、林地勘驗、造林驗收、病蟲害評價及林業(yè)案件技術(shù)鑒定等方面都得到了廣泛應用。與傳統(tǒng)的羅盤儀測定面積相比，采用測畝儀測量面積省時、省工、省費用。利用測畝儀進行農(nóng)田面積的量測，成為近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中農(nóng)田面積測量的重要手段之一和發(fā)展趨勢。但是由于一般的測畝儀單點定位的標稱精度為7～15 m［2］，此精度并不能滿足實際測量要求，用其進行農(nóng)田面積測量時必然會產(chǎn)生一定的面積誤差，因而，只有對其誤差進行研究并糾正，才能使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到真正的應用。

分析現(xiàn)有的測畝儀對農(nóng)田面積測量方面的研究表明，其研究成果較難或不能直接應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。利用差分技術(shù)或秩虧自由網(wǎng)平差［3］等方法進行面積誤差糾正，雖然精度較高，但需要較為復雜的技術(shù)支撐，要求較高，在很多地方都難以實現(xiàn)，后者需要進行皮尺的輔助測量，且需要進行復雜的內(nèi)業(yè)計算，這些方法的可操作性都比較差;其他的一些研究則未能對誤差規(guī)律進行全面、系統(tǒng)的研究。為此，筆者對測畝儀在農(nóng)田面積測定中的誤差規(guī)律性進行初步研究，旨在為今后的生產(chǎn)實踐提供參考。

1 研究方法

1.1 實地光電導線測量 選擇不同面積、不同地形的A、B、C 3塊土地作為面積測量對象，用全站儀(徠卡TS02)和RTK(南方S86)分別對A、B、C 3個地塊進行多次測量，對多次測量結(jié)果取平均值作為3個地塊的面積真值。測得A區(qū)面積為1 188.09 m2，B 區(qū)面積為 6 673.12 m2，C 區(qū)面積為17 540.52 m2。

為了進一步研究測畝儀在農(nóng)田面積測定中的誤差分布規(guī)律，另外再選擇20個面積不同、形狀不同的地塊，用相同的方法分別測量計算出面積真值。

1.2 測畝儀測量 用不同型號的測畝儀(南方S760，集思寶350，Garmin eTrex Venture奇遇)在不同時間、不同天氣的條件下分別對A、B、C 3個地塊的面積進行測量(表1)。用測畝儀分別對20個地塊的面積進行多次測量，所得數(shù)據(jù)與已知面積進行對比，結(jié)果見表2。

表1 測畝儀測量區(qū)域A、B、C面積結(jié)果m2

2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

2.1 誤差計算 將用測畝儀測定的A、B、C的面積與已知的面積對照，計算出相對誤差，相對誤差=(測畝儀測量值－面積真值)/面積真值(表3、4、5)。

2.2 誤差分析

2.2.1 數(shù)據(jù)分析。為了更加直觀地表現(xiàn)測畝儀測量面積的相對誤差(%)與測量區(qū)域面積(m2)大小之間的規(guī)律性，將選取的20個地塊真實面積與測畝儀的相對誤差繪成折線圖(圖1)。

由表1可知，區(qū)域A、B、C面積在不同時間、不同天氣下的變化和平均值，天氣的不同對測量結(jié)果影響均為隨機影響。從表3～5可以看出，利用測畝儀測量面積時相對誤差在0.2% ～7.5%，基本上在農(nóng)田面積測量誤差允許范圍內(nèi)，將所有觀測的數(shù)據(jù)取平均值后相對誤差較穩(wěn)定，基本滿足實際生產(chǎn)中相對誤差5%的要求，說明測畝儀測量面積時，需要多次重復測量，才能消除或者降低誤差，提高觀測的精度，保證面積數(shù)據(jù)的準確性。從圖1可以看出，實際面積與用測畝儀測量的面積的相對誤差隨著實際測量區(qū)域面積的增大而減小，在實測面積小于0.27 hm2時，相對誤差較大，多數(shù)都在15%以上，當?shù)貕K面積在0.27～1.00 hm2時誤差開始下降，當面積大于1.00 hm2時，誤差基本穩(wěn)定在5%左右，表明在此范圍內(nèi)測畝儀的單次測量結(jié)果與實際面積非常接近，基本滿足在實際生產(chǎn)中的測量面積的精度要求。

表2 測畝儀對地塊面積的測量結(jié)果 m2

2.2.2 理論分析。

2.2.2.1 來自衛(wèi)星的誤差。

(1)衛(wèi)星鐘差。在衛(wèi)星測定與發(fā)射定位信息的時候，均要求其時鐘與地面時鐘同步，它們與理想的GPS時之間存在著難以避免的偏差，約1 ns以內(nèi)(1 ns=10－6s)。在相對定位中，可以通過觀測量差的方法消除［4］。

表3 測畝儀測定區(qū)域A面積與面積真值對照m2

表4 測畝儀測定區(qū)域B面積與面積真值對照m2

表5 測畝儀測定區(qū)域C面積與面積真值對照m2

圖1 實際面積和相對誤差

(2)衛(wèi)星軌道偏差。衛(wèi)星在運行過程中，受到多種攝動力的影響，而這種影響靠在地面的監(jiān)控是無規(guī)律可循的。忽略軌道誤差，不考慮衛(wèi)星軌道實際存在的誤差，以導航電文中獲得的信息為準，適用于測量精度要求較低的單位。

(3)衛(wèi)星信號傳播的誤差。大氣折射誤差，即信號在傳輸過程中，受電離層與對流層折射的影響。多路徑效應影響，是指地面接收機在收到衛(wèi)星直接傳輸信號的同時，還受到經(jīng)周圍建筑物反射后的衛(wèi)星信號，從而產(chǎn)生的誤差。

2.2.2.2 來自測畝儀自身的誤差。主要有接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位［5］觀測的整周不定性影響等。

2.2.2.3 人為因素造成的誤差。主要有觀測誤差、選取路線不恰當造成的誤差和測畝儀放置的位置方向不到位等，一系列無規(guī)律可尋的隨機誤差。人為誤差可以通過試驗前充分的準備和試驗中的謹慎操作盡量避免。

3 結(jié)論

測畝儀所測得數(shù)據(jù)相對誤差可達到5%，滿足農(nóng)田面積測量的精度要求。建議當測量面積小于0.27 hm2時應進行多次測量，提高數(shù)據(jù)的準確性;面積接近以及大于0.27 hm2時測量誤差較為穩(wěn)定，可以進行幾次或一次測量即可。測畝儀在雨、陰、晴等氣候條件下，測量數(shù)據(jù)受天氣的無規(guī)律影響，還與地形和設備本身的配置有關。在使用測畝儀測量農(nóng)田面積的時候，要考慮農(nóng)田面積的大小和對數(shù)據(jù)準確度的要求是否適合測畝儀的測量，且考慮到來自衛(wèi)星的誤差，建議選擇場地較為開闊天氣狀況較好的情況下使用。

［1］吳明亮.使用導航定位手持機勘測山林過火面積［J］.刑事技術(shù)，2005(2):53.

［2］周科亮，馮仲科，張學培，等.林地面積的手持GPS量測［J］.測繪科學，2003(2):48 －49，62 －71.

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［4］鄭成才，黃亮，吳建林，等.GPS在森林調(diào)查及面積勘測上的應用［J］.武夷科學，2010(00):69－75.

［5］張麗娜，楊志強，歐龍，等.手持式GPS定位誤差的研究［J］.工程地球物理學報，2006(6):478－483.