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    全球定位系統(tǒng)跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離的準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

    2018-02-03 00:47:30劉鴻優(yōu)唐小明陳彥龍
    體育學(xué)刊 2018年1期
    關(guān)鍵詞:字型折線直線

    劉鴻優(yōu) 唐小明 陳彥龍

    摘 要:通過實(shí)驗(yàn)測試的方法,對(duì)可穿戴全球定位系統(tǒng)(GPS Catapult Optimeye S5)在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離的信效度進(jìn)行檢驗(yàn)。選取10名大學(xué)生足球運(yùn)動(dòng)員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,分別以不同的速度完成了8組60 m直線跑、50 m轉(zhuǎn)彎直線跑和40 m “Z字型”折線跑。GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每種測試的跑動(dòng)距離分別為(57.65±2.76)、(46.19±4.09)和(36.50±2.59) m。GPS在跟蹤60 m直線跑時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測試平均次間CV為0.03(0.01~0.05),平均次間SE為0.61(0.25~1.06),平均Bias為4.9%(1.8%~10.7%),平均SEE為2.4%(1.8%~3.0%);在跟蹤50 m轉(zhuǎn)彎直線跑時(shí),平均次間CV為0.06(0.04~0.11),平均次間SE為1.05(0.63~1.76),平均Bias為8.4%(3.1%~17.3%),平均SEE為4.9%(2.2%~10.3%);在40 m “Z字型”折線跑時(shí),平均次間CV為0.06(0.03~0.11),平均次間SE為0.79(0.42~1.51) ,平均Bias為9.5%(3.8%~14.4%),平均SEE為4.6%(3.0%~5.7%)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明GPS Catapult Optimeye S5裝備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離時(shí)具備足夠的準(zhǔn)確性,跟蹤到的運(yùn)動(dòng)員移動(dòng)數(shù)據(jù)擁有足夠的信效度用于科研與教練指導(dǎo)用途。

    關(guān) 鍵 詞:競賽與訓(xùn)練;運(yùn)動(dòng)監(jiān)控;足球;跑動(dòng)距離;全球定位系統(tǒng)

    中圖分類號(hào):G843 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1006-7116(2018)01-0132-05

    Abstract: By means of experimental test method, the authors verified the reliability and validity of Catapult Optimeye S5, a wearable global positioning system, tracking football players running distances. The authors selected 10 university students as experiment objects, who completed 8 rounds of 60m straight line running, 50m turning straight line running and 40m Z-shape fold line running at different speeds. As tracked by the GPS, the experiment objects running distances in the tests were (57.65±2.76)m, (46.19±4.09)m and (36.50±2.59)m respectively. When the GPS tracked 60m straight line running, the experiment objects average within-player CV was 0.03 (0.01~0.05), their average within-player SE was 0.61 (between 0.25 and 1.06), their average Bias was 4.9% (1.8%~10.7%), their average SEE was 2.4% (between 1.8% and 3.0%); when the GPS tracked 50m turning straight line running,, the experiment objects average within-player CV was 0.06 (0.04 ~0.11), their average within-player SE was 1.05 (between 0.63 and 1.76), their average Bias was 8.4% (between 3.1% and 17.3%), their average SEE was 4.9% (between 2.2 and 10.3%); when the GPS tracked 40m Z-shape fold line running,, the experiment objects average within-player CV was 0.06 (between 0.03 and 0.11), their average within-player SE was 0.79 (between 0.42 and 1.51), their average Bias was 9.5% (between 3.8% and 14.4%), their average SEE was 4.6% (between 3.0% and 5.7%). The experiment results prove that the GPS Catapult Optimeye S5 equipment is provided with adequate accuracy when it tracks football players running distances, and the players moving data it tracks have adequate reliability and validity for the purposes of scientific research and coach guidance.

    Key words: competition and training;sports monitoring;football;running distance;global positioning systemendprint

    可穿戴的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)可以跟蹤運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練和比賽中的移動(dòng)距離、移動(dòng)軌跡、移動(dòng)速度和加速度等外部運(yùn)動(dòng)負(fù)荷變量,因而越來越受到運(yùn)動(dòng)隊(duì)、教練員和科研人員的青睞[1]。

    最早專門運(yùn)用于團(tuán)體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)控的GPS出現(xiàn)在2003年[2],為澳大利亞GPSports公司生產(chǎn)的GPSports Systems SPI-10,隨后幾年,該公司陸續(xù)改進(jìn)并生產(chǎn)了SPI-Pro、WiSPI和SPIElite等版本。2006年,澳大利亞公司Catapult Innovation陸續(xù)推出了Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列可穿戴GPS設(shè)備。Catapult公司生產(chǎn)的可穿戴GPS設(shè)備能提供更多的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)變量和更精確的算法,從而超越GPSports,成為了體育運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)控專用GPS設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域的主要供應(yīng)商。

    值得注意的是,要將可穿戴GPS設(shè)備運(yùn)用于指導(dǎo)訓(xùn)練和科學(xué)研究,必須先對(duì)該設(shè)備跟蹤獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和信效度進(jìn)行驗(yàn)證,只有在數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確的情況下,才能保證該設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。目前,已有研究對(duì)GPSports的各個(gè)系列設(shè)備和Catapult Minimax系列設(shè)備進(jìn)行了信效度與準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1-8],而Catapult Optimeye系列設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離的準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果尚未見諸報(bào)道。因此,本研究擬通過實(shí)驗(yàn)測試的方法,對(duì)Catapult Innovation公司目前最新版本的Catapult Optimeye S5體育運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)控專用可穿戴GPS設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離時(shí)的準(zhǔn)確性和信效度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    1 研究方法

    1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

    華南師范大學(xué)2014級(jí)體育教育本科專業(yè)足球?qū)_x班學(xué)生10名(年齡(23.1±1.7)歲,足球訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)(6.9±4.6)年,身高(173.5±4.2) cm,體質(zhì)量(67.9±4.4) kg,BMI指數(shù)(22.6±1.2) kg/m2)被選取為本研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。為保證實(shí)驗(yàn)的客觀性,實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑趯?shí)驗(yàn)測試實(shí)施前后均未告知實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

    1.2 實(shí)驗(yàn)過程

    實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2016年6月15日(溫度31°C,相對(duì)濕度92%),為華南師范大學(xué)2014級(jí)體育教育本科專業(yè)足球?qū)_x班2015—2016學(xué)年度下學(xué)期的一次足球?qū)m?xiàng)課。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為華南師范大學(xué)大學(xué)城校區(qū)北區(qū)足球場(天然草皮)。實(shí)驗(yàn)在征得實(shí)驗(yàn)對(duì)象運(yùn)動(dòng)員和任課教師的口頭同意后進(jìn)行。

    參照前人對(duì)于足球跑動(dòng)距離跟蹤設(shè)備的信效度測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[6,9],本研究進(jìn)行了3種類型的跑動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)(如圖1):60 m直線跑:實(shí)驗(yàn)對(duì)象由圖1中的起點(diǎn)(1)直線跑至終點(diǎn)(1);50 m轉(zhuǎn)彎直線跑:實(shí)驗(yàn)對(duì)象由圖1中的起點(diǎn)(2)直線跑至30 m處,然后向左轉(zhuǎn)彎后,直線跑至終點(diǎn)(2);40 m “Z字型”折線跑:實(shí)驗(yàn)對(duì)象由圖1中的起點(diǎn)(3)沿箭頭所示方向,跑至終點(diǎn)(3)。

    在完成必要的熱身活動(dòng)之后,10名實(shí)驗(yàn)對(duì)象依次進(jìn)行了60 m直線跑、50 m轉(zhuǎn)彎直線跑和40 m“Z字型”折線跑測試。在每一類型的測試中,每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象重復(fù)跑8次,每次測試間隔為30~60 s,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求逐次加快跑動(dòng)速度。為了最大限度地保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象的跑動(dòng)距離接近實(shí)際距離,實(shí)驗(yàn)對(duì)象被要求盡量貼近球場所劃定的標(biāo)志線跑動(dòng)。在每類測試之間,實(shí)驗(yàn)對(duì)象有約5 min休息。在整個(gè)熱身和測試階段,所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象始終佩戴GPS Catapult Optimeye S5裝備。整個(gè)測試過程被高清攝像機(jī)以25FPS的頻率攝制記錄。

    1.3 數(shù)據(jù)采集

    通過軟件“DV視頻時(shí)間碼嵌入大師”將攝制的視頻同步衛(wèi)星時(shí)間。由2名實(shí)驗(yàn)人員對(duì)視頻進(jìn)行分析,記錄下每一名實(shí)驗(yàn)對(duì)象在所有測試中通過起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間。將兩名實(shí)驗(yàn)人員采集的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行比對(duì),對(duì)差異較大的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行錄像回看,最終確認(rèn)所有時(shí)間點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

    通過GPS Catapult Optimeye S5裝備配套的Catapult Sprint軟件,將所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象的跑動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入個(gè)人電腦。由2名實(shí)驗(yàn)人員將上述采集的每一名實(shí)驗(yàn)對(duì)象在每一次測試中通過起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間錄入軟件中,截取由GPS Catapult Optimeye S5裝備跟蹤到的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的跑動(dòng)距離。截取出來的2組數(shù)據(jù)逐個(gè)比對(duì),差異較大的數(shù)據(jù)再次截取,直至兩組實(shí)驗(yàn)人員獲得的數(shù)據(jù)完全一致。

    1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

    由GPS Catapult Optimeye S5裝備跟蹤到的10名實(shí)驗(yàn)對(duì)象的232次測試跑動(dòng)距離(一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象因傷退出測試,未能完成8組40 m“Z字型”折線跑)均被導(dǎo)入到Excel和SPSS 軟件中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。首先對(duì)GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次測試的跑動(dòng)距離進(jìn)行描述性分析。其次,對(duì)每一類型的跑動(dòng)測試中每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測試次間變異系數(shù)(CV)、次間標(biāo)準(zhǔn)誤差(SE)進(jìn)行分析。最后,對(duì)跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次測試的跑動(dòng)距離與球場實(shí)際距離的差值的測試誤差(Bias,為跟蹤距離與實(shí)際距離的差值的絕對(duì)值除以實(shí)際距離的比值)和測試標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEE,為Bias的標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行分析。最后,將每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象在每類測試的8次測試跑劃分為4個(gè)速度類別:第1~2次為慢跑、第3~4次為中速跑、第5~6次為高速跑、第7~8次為沖刺跑,對(duì)10個(gè)GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象不同速度下的跑動(dòng)距離的次間CV、次間SE、Bias和SEE進(jìn)行分析。

    2 研究結(jié)果及分析

    如表1所示,在60 m直線跑測試中,GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次測試的平均距離為57.65 m,標(biāo)準(zhǔn)差為2.76 m。GPS在跟蹤60 m直線跑時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測試平均次間CV為0.03(0.01~0.05)、平均次間SE為0.61(0.25~1.06)、平均Bias為4.9%(1.8%~10.7%)、平均SEE為2.4%(1.8%~3.0%)。在慢跑、中速跑、高速跑、沖刺跑4個(gè)類別中的CV、SE、Bias、SEE分別為:0.06、0.78、5.1%、3.8%;0.04、0.49、4.3%、2.8%;0.06、0.74、5.7%、4.6%;0.04、0.55、5.1%、3.2%。實(shí)驗(yàn)對(duì)象以高速跑的速度完成60 m直線跑時(shí),GPS跟蹤到的跑動(dòng)距離的次間CV、Bias和SEE值最大。endprint

    如表2所示,在50 m轉(zhuǎn)彎直線跑測試中,GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次測試的平均距離為46.19 m,標(biāo)準(zhǔn)差為4.09 m。GPS在跟蹤50 m轉(zhuǎn)彎直線跑時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測試平均次間CV為0.06(0.04~0.11)、平均次間SE為1.05(0.63~1.76)、平均Bias為8.4%(3.1%~17.3%)、平均SEE為4.9%(2.2%~10.3%)。在慢跑、中速跑、高速跑、沖刺跑4個(gè)類別中CV、SE、Bias、SEE分別為0.08、0.87、7.1%、5.6%;0.06、0.63、7.1%、5.3%;0.08、0.84、9.3%、7.0%;0.10、1.00、10.5%、7.9%。GPS在跟蹤實(shí)驗(yàn)對(duì)象以沖刺跑的速度完成50 m轉(zhuǎn)彎直線跑時(shí),跟蹤到的跑動(dòng)距離的次間CV、SE、Bias和SEE都出現(xiàn)最大值。

    如表3所示,在40 m“Z字型”折線跑測試中,GPS跟蹤到的每名實(shí)驗(yàn)對(duì)象每次測試的平均距離為36.50 m,標(biāo)準(zhǔn)差為2.59 m。GPS在跟蹤40 m“Z字型”折線跑時(shí),實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測試平均次間CV為0.06 (0.03~0.11)、平均次間SE為0.79 (0.42~1.51)、平均Bias為9.5% (3.8%~14.4%)、平均SEE為4.6% (3.0%~5.7%)。在慢跑、中速跑、高速跑、沖刺跑4個(gè)類別中CV、SE、Bias、SEE分別為:0.05、0.44、9.2%、4.6%;0.06、0.45、12.9%、4.8%;0.08、0.68、6.7%、4.4%;0.06、0.53、9.3%、5.6%。在40 m“Z字型”折線跑測試中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象跑動(dòng)速度為慢跑時(shí),GPS跟蹤到的跑動(dòng)距離的次間CV和SE值最小。

    3 討論

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的視頻分析技術(shù)和可穿戴設(shè)備被運(yùn)用于輔助足球訓(xùn)練和開展相關(guān)科學(xué)研究。但是,需要引起注意的是,這些技術(shù)和設(shè)備首先必須保證其輸出的數(shù)據(jù)足夠準(zhǔn)確的情況下,才能保證它們?cè)谟?xùn)練實(shí)踐和科學(xué)研究的應(yīng)用價(jià)值[10]?,F(xiàn)今,可穿戴GPS設(shè)備已經(jīng)在足球運(yùn)動(dòng)隊(duì)、教練員和學(xué)者中被廣泛應(yīng)用[2]。當(dāng)前最主流的可穿戴GPS設(shè)備包括GPSports公司生產(chǎn)的GPSports Systems SPI-10、SPI-Pro、WiSPI和SPIElite等以及Catapult Innovation公司生產(chǎn)的Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列設(shè)備[2]。GPSports Systems SPI-10、SPI-Pro、WiSPI和SPIElite和Catapult Minimax系列設(shè)備在足球等同場對(duì)抗項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離跟蹤時(shí)的信效度和準(zhǔn)確性已經(jīng)得到國外學(xué)者的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1-9],而最新版本的Catapult Optimeye系列GPS設(shè)備的信效度則尚無相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。本研究通過實(shí)驗(yàn)測試的方法證明了Catapult Optimeye S5體育運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)控專用可穿戴GPS設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員的跑動(dòng)距離時(shí)擁有足夠的準(zhǔn)確性和信效度。

    本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,Catapult Optimeye S5設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員在60 m直線跑、50 m轉(zhuǎn)彎直線跑和40 m“Z字型”折線跑時(shí),跟蹤到的距離都略低于實(shí)際距離(分別為57.65、46.19和36.50 m)。這一結(jié)果與前人對(duì)GPSports[1]和Catapult Minimax[3-7]兩類GPS設(shè)備的信效度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果相符。由表1、表2、表3可以看到,3種類型的測試中,第1次(T1)和第2次(T2)測試跑,GPS跟蹤到的距離都相對(duì)較接近實(shí)際距離,而在之后的測試跑中,GPS跟蹤到的距離則相對(duì)浮動(dòng)較大,且基本上都低于實(shí)際距離。研究方法中已經(jīng)提到,在3種類型的測試中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象都被要求逐次加快跑動(dòng)速度:即T1和T2為慢跑,之后速度逐步加快,從中速跑、高速跑到?jīng)_刺跑遞進(jìn)。在60 m直線跑測試中,GPS跟蹤到的運(yùn)動(dòng)員高速跑的距離的次間CV、Bias和SEE值最大;在50 m轉(zhuǎn)彎直線跑測試中,GPS跟蹤到的運(yùn)動(dòng)員沖刺跑距離的次間CV、SE、Bias和SEE都出現(xiàn)最大值;而在40 m“Z字型”折線跑測試中,Bias和SEE的最大值出現(xiàn)在中速跑和沖刺跑,次間CV和SE的最小值則出現(xiàn)在慢跑。由此可見,Catapult Optimeye S5設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員低速跑動(dòng)時(shí),比在跟蹤中速跑、高速跑和沖刺跑的準(zhǔn)確性要更高。這一現(xiàn)象與前人研究結(jié)果[1,3,5-7]契合。

    本研究實(shí)驗(yàn)還顯示,GPS Catapult Optimeye S5設(shè)備在跟蹤直線跑、轉(zhuǎn)彎直線跑和“Z字型”折線跑時(shí),精確度呈現(xiàn)下降趨勢:3種測試平均次間CV分別為0.03、0.06和0.06,平均次間SE分別為0.61、1.05和0.79,平均Bias分別為為4.9%、8.4%和9.5%,平均SEE分別為2.4%、4.9%和4.6%。前人的研究發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[1-3,5-7]。Jennings等[5]和Portas等[6]的研究認(rèn)為當(dāng)測試次間CV、Bias和SEE小于0.05(<5%)時(shí),GPS設(shè)備跟蹤運(yùn)動(dòng)員跑動(dòng)距離的精確度和信效度為優(yōu)良;在0.05和0.1(5%~10%)之間時(shí),精確度和信效度為中等;在大于0.1(>10%)時(shí),精確度和信效度為較差。由此可見,本研究結(jié)果證明,GPS Catapult Optimeye S5設(shè)備在跟蹤足球運(yùn)動(dòng)員直線跑時(shí)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的精確度和信效度;而在跟蹤轉(zhuǎn)彎直線跑和“Z字型”折線跑時(shí),精確度和信效度稍差,介于優(yōu)良與中等之間。

    有一點(diǎn)需要指出的是,本研究是采取將攝制的視頻同步衛(wèi)星時(shí)間的辦法來確定運(yùn)動(dòng)員通過每一次測試起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn),并采用這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)從GPS中截取跟蹤距離的。由于視頻時(shí)間只能提供“HH∶MM∶SS (h∶min∶s)”的格式,無法精確到ms,截取的時(shí)間段有較大的可能性出現(xiàn)誤差(最大誤差接近2 s)。而當(dāng)球員以較快的速度跑動(dòng)時(shí)(如8 m/s的速度沖刺),即使1 s的時(shí)間誤差也能帶來數(shù)米(如8 m)的跟蹤距離誤差。因此,GPS設(shè)備跟蹤到的距離與實(shí)際距離的誤差有可能是GPS設(shè)備的系統(tǒng)誤差,也有可能是本研究的時(shí)間截取方法導(dǎo)致的操作誤差,后續(xù)的研究可通過更精準(zhǔn)的時(shí)間界定方法對(duì)此結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。endprint

    感謝上海灝江貿(mào)易有限公司(澳大利亞Catapult Innovation公司在中國大陸的優(yōu)先供應(yīng)商)對(duì)本研究提供的設(shè)備支持。

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