野外地質(zhì)測(cè)量中手持GPS定位的誤差分析

1、四川測(cè)繪第29卷第1期2006年3月11野外地質(zhì)測(cè)量中手持GPS定位的誤差分析劉少杰 宋在超 劉剛(中國(guó)地質(zhì)大學(xué),湖北武漢,430074)摘 要GPS在工程測(cè)量、導(dǎo)航定位等應(yīng)用中所具有的優(yōu)越性和方便性使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在野外地質(zhì)測(cè)量中小巧方便的手持GPS機(jī)能夠起到輔助定點(diǎn)和導(dǎo)航的重要作用,是新時(shí)期實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化數(shù)字地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)設(shè)備之一。但由于野外地形、樹木等多路徑環(huán)境因素的影響,其測(cè)量精度和應(yīng)用受到限制。針對(duì)手持機(jī)的特點(diǎn),通過(guò)實(shí)際測(cè)點(diǎn)分類統(tǒng)計(jì)分析各方面因素對(duì)誤差產(chǎn)生的影響程度,進(jìn)而得出修正方案,提高測(cè)量精度和實(shí)用性。關(guān)鍵詞地質(zhì)測(cè)量;GPS定位;誤差分析;地形因素;數(shù)字地質(zhì)調(diào)查;GeoSurve

2、y系統(tǒng)中圖分類號(hào)P22814文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B文章編號(hào)1001-8379(2006)01-0011-04ErrorAnalysisofHandheldGPSPositioninginFieldGeologicalSurveyLIUShao-jie SONGZai-chao LIUGang(ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)Abstract:GPSiswidelyusedmoreandmoreinprojectmeasure,navigationorientation,andsoon.Italsoplayanimportantroleinfi

3、eldworkofgeologicalmeasure.TherearekindsoferrorslimitingtheprecisionofhandheldGPSinfield.Basedonstatisticsmethod,wecananalyzetheinfluenceofdifferentaspectssuchasterrain,vegetationandtime,ofpointmeasureinfieldpractice.Andthen,wetrytofindamodifiedschemetoimprovetheprecisionofGPS.Keywords:geologicalsur

4、vey;GPSpositioning;erroranalysis;terrainfactor;digitalgeologicalsurvey;GeoSurvey1 引言GPS的英文全稱是NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem。含義就是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位,構(gòu)成全球定位系統(tǒng)1。各種類型的GPS接收機(jī)體積越來(lái)越小,重量越來(lái)越輕,也出現(xiàn)了基于藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)谋銛y式GPS,便于野外攜帶和觀測(cè)2。在利用GPS進(jìn)行定位時(shí),會(huì)受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下

5、幾大類:GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素(衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差等);與傳播途徑有關(guān)的因素(電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)等);與接收機(jī)有關(guān)的因素(接收機(jī)天線相位中心偏差、接收機(jī)精度等);數(shù)據(jù)分析的軟硬件誤差等。本文探討和分析在野外地質(zhì)調(diào)查工作中GPS手持機(jī)誤差產(chǎn)生的主要來(lái)源和具體類型,提出提高其定位精度的方法。4569若干個(gè)樣點(diǎn)的坐標(biāo),并利用微地形法則將其實(shí)際位置標(biāo)注在地形圖手圖上,回到室內(nèi)進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄項(xiàng)目包括每個(gè)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)、地形、高程以及定點(diǎn)時(shí)的天氣和時(shí)間。同時(shí)記錄該點(diǎn)較其他點(diǎn)的特殊因素(比如某一點(diǎn)的植被較好)。實(shí)際操作時(shí),利用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助地質(zhì)調(diào)查系

6、統(tǒng)GeoSurvey(圖1),對(duì)比計(jì)算實(shí)際點(diǎn)與GPS所定的點(diǎn)的距離誤差以及方位角誤差,然后分別得出各種地形、高程、天氣等因素對(duì)GPS定位誤差影響。以下是本次試驗(yàn)流程:數(shù)據(jù)獲取y數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄y統(tǒng)計(jì)比較y分析原因y提出校正模型。2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)所用的手持GPS是美國(guó)麥哲倫公司(Magellan)于1999年推出的GPS315手持式儀器。其大小如同手機(jī),重量約200克,定點(diǎn)經(jīng)緯度顯示精確到秒級(jí)。為了分析不同因素對(duì)GPS誤差產(chǎn)生的,圖1 GeoSurvey系統(tǒng)的操作界面12四川測(cè)繪第29卷第1期2006年3月3 數(shù)據(jù)分析按照上述方案,筆者在典型的北京周口店地區(qū)對(duì)多個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究,從實(shí)際出發(fā),針

7、對(duì)手持點(diǎn)號(hào)NO11NO12NO13NO14NO15NO16坐標(biāo)39b41c30dN,115b56c35dE39b41c35dN,39b41c41dE39b41c26dN,115b56c19dE39b41c32dN,115b56c13dE39b41c34dN,115b56c15dE39b41c35dN,115b56c21dE型GPS的定位誤差進(jìn)行分析。實(shí)際取得100余個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù),具體如表1所示。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)樣本與手圖實(shí)際值的對(duì)比計(jì)算,地形溝谷山腰,平地陡崖下山腰高地山脊時(shí)間16:4017:0015:3815:189:1810:02天氣陰陰陰陰晴晴植被較好備注表1 野外原始數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄示例路徑效

8、應(yīng)。由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響,使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有各種反射和折射信號(hào)的影響,甚至接受機(jī)無(wú)法捕獲衛(wèi)星或接收不到衛(wèi)星的信號(hào),使定位精度大大降低。在城市或在野外使用GPS時(shí),接收機(jī)有時(shí)僅僅能接收到2-4顆衛(wèi)星信號(hào)(6-8顆衛(wèi)星時(shí)才能做到精確定位),而且時(shí)間短促,加之手持型接收機(jī)的定位精度一般也就在20-30m左右(排除以上因素),這樣誤差達(dá)到50米甚至近百米也就不足為奇。在地形因素中,還有一個(gè)非常重要的問(wèn)題)水。水面對(duì)電磁波有圖2 極坐標(biāo)系內(nèi)GPS定點(diǎn)相對(duì) 于實(shí)際點(diǎn)的漂移投影散點(diǎn)圖很強(qiáng)的反射能力,因此在湖面湖邊等處,GPS定位的精度也大打折扣。對(duì)于多路徑效應(yīng),目前在手持機(jī)方面還沒有

9、很成熟的方法加以克服?？梢允褂脭?shù)據(jù)的離散程度來(lái)衡量在該種地形地貌下誤差的大小,使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的AVEDEV函數(shù)來(lái)計(jì)算某地形下數(shù)據(jù)絕對(duì)偏差的平均值。AVEDEV:result=在極坐標(biāo)系(以距離誤差為極半徑,以方位誤差為極角)內(nèi)繪出GPS定點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際點(diǎn)的飄移投影散點(diǎn)圖(圖2)?？梢钥闯鯣PS點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際點(diǎn)的漂移并非雜亂無(wú)章。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示7212%的漂移的距離誤差集中在0)80米范圍內(nèi),7210%的方位誤差集中在0)90b范圍內(nèi)。誤差的這種分布規(guī)律可以認(rèn)為是在影響GPS定位精度的眾多因素中有一個(gè)指導(dǎo)性因素的指示。地形的影響主要是引起信號(hào)傳播過(guò)程中產(chǎn)生多Ex-x/nx:數(shù)據(jù)平均值,n:樣本數(shù)。表2即

10、反映了各地形因素下的偏差平均值。換句話說(shuō),在地形因素影響下,偏差平均值越大,數(shù)據(jù)越混亂,在這種地形下的GPS誤差也就越大。表2 地形因素下的偏差平均值四川測(cè)繪第29卷第1期2006年3月(續(xù)表2)誤差影響地形類型距離誤差影響的范圍(m)均值(m)距離誤差影響的平均偏差山脊山腳山坡山腰2512)67174513)1461330)75122313-1041012113方位誤差影響的平均偏差261圖3和圖4分別是不同地形因素下距離誤差和方位誤差的分布。從上面圖表可以非常直觀地看出在各個(gè)不同地形下誤差的大小(注意:對(duì)于方位誤差,筆者在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)所用的是360b角形式,這不是一種有效的分析地形因素下角度

11、誤差的方位表示值,所以超過(guò)180b的角進(jìn)行圖4的統(tǒng)計(jì)時(shí)使用的是其與180b的差值。所以不能單從角度的大小來(lái)衡量方位誤差的大小)。度、緯度、高度;若只能收到3顆衛(wèi)星的信號(hào),它只能計(jì)算出2維坐標(biāo):經(jīng)度和緯度,而且這時(shí)經(jīng)度、緯度也不是一個(gè)很準(zhǔn)確的值。這時(shí)它可能還會(huì)顯示高度數(shù)據(jù),但這數(shù)據(jù)是無(wú)效的。在野外定點(diǎn)時(shí),不推薦使用手持GPS進(jìn)行高程測(cè)量。從理論上講時(shí)間對(duì)GPS野外測(cè)量誤差沒有影響,實(shí)踐中GPS定位的距離誤差不受使用時(shí)間影響,而方位誤差則在時(shí)間因素上成不規(guī)律的波動(dòng)。4 小結(jié)手持型GPS從野外應(yīng)用來(lái)看,具有方便攜帶、定位速度快等優(yōu)點(diǎn),但是精度不高,且誤差易受外界條件干擾。從上面對(duì)各因素對(duì)距離誤差和方

12、位角誤差的影響分析可以看出,外界因素中對(duì)GPS測(cè)量圖3 不同地形因素下距離誤差平均值誤差的影響最大的是地形因素(也就是多路徑效應(yīng)),其他因素雖對(duì)GPS測(cè)量誤差也有影響,但不及地形對(duì)其影響大。同時(shí),GPS本身的定位精度也制約著其精度的提高,如GPS315,定位精度到秒級(jí),接收機(jī)本身有可能產(chǎn)生15)20m的誤差。同時(shí),計(jì)算機(jī)輔助填圖(GeoSurvey)系統(tǒng)是利用投影轉(zhuǎn)換將GPS所測(cè)量的經(jīng)緯度坐標(biāo),投影到地圖平面的大地坐標(biāo)的相應(yīng)位置上,而GPS使用圖4 不同地形因素下角度誤差平均值WGS84世界坐標(biāo)體系7,若不經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換直接輸入數(shù)據(jù)存在一定的誤差,但誤差在比較小(1-3m)的范圍內(nèi)。實(shí)際誤差的計(jì)算

13、需要通過(guò)相應(yīng)的功能軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),本文不再展開討論。衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不停地發(fā)送信號(hào),接收機(jī)接到信號(hào)后也在不停地運(yùn)算,所以將手持機(jī)放在空曠的地方不動(dòng),定點(diǎn)后,其坐標(biāo)數(shù)據(jù)仍會(huì)波動(dòng),并且高程的波動(dòng)值要比經(jīng)緯度波動(dòng)值大。實(shí)際定位操作中,GPS開機(jī)后不宜立即讀數(shù),應(yīng)按GPS手持姿態(tài)要求運(yùn)行幾分鐘后再讀數(shù)。從以上的分析不難得出,在野外使用手持型GPS時(shí),山腰、山脊、山頂、無(wú)山平坦處等地形下,GPS所受的影響相對(duì)較小。而在陡崖、溝谷等地GPS所受的影響較大。陡崖處的接收機(jī)定位誤差很大,又無(wú)規(guī)律可尋,可以考慮使用GPS相對(duì)定位代替絕對(duì)定位,至于在山腰等處的定位點(diǎn)可以加上修正模型加以更正。此外,高程、時(shí)間不是影響誤

14、差的關(guān)鍵因素。在地表范圍內(nèi)甚至不能單純的說(shuō)高程是影響GPS定位精度的因素。有個(gè)問(wèn)題必須指出,手持型GPS高程定位能力是比較差的,GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號(hào)時(shí),它能計(jì)算出本地的3維坐標(biāo):經(jīng)5 修正方案探討從前面對(duì)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)的分析中可以對(duì)數(shù)據(jù)給出簡(jiǎn)單的修正方案,修正方案根據(jù)誤差類型可以分兩,2,14四川測(cè)繪第29卷第1期2006年3月參考文獻(xiàn)1 高成發(fā).GPS測(cè)量M.北京:人民交通出版社,2000.2 楊德麟,等.大比例尺數(shù)字測(cè)圖的原理、方法與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社,2001.位J.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),1997,19(4):3942.4 王寧寧.GPS定位精度探討J.解放軍信息工程學(xué)院

15、學(xué)報(bào),1996,15(3):2932.5 付水旺.淺談GPS測(cè)量與誤差分析J.采礦技術(shù),2000,406408.J.測(cè)繪通報(bào),2000,(4):1315.J.測(cè)繪工程,2000,(2):1015.8 袁曉民,張欣,等.GPS測(cè)量中若干誤差的削弱J.濰坊高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2000,(4):1213.驗(yàn)J.礦山測(cè)量,1997,(4):4142.收稿日期2005-09-20作者簡(jiǎn)介劉少杰(1983-),男,河南人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院資源勘查工程專業(yè)本科生。重新設(shè)定原點(diǎn)。按照以一定半徑的圓內(nèi)落入的點(diǎn)數(shù)目最多為原則。經(jīng)過(guò)嘗試,選定(36m,50b)為新的原點(diǎn),也就是說(shuō)要對(duì)GPS點(diǎn)進(jìn)行向50b方向偏移3

16、6m的修正,修正的數(shù)據(jù)如表3所示。表3 原始距離誤差與修正后的距離誤差對(duì)照表距離誤差誤差范圍100m所占百分比2513%2411%3713%1313%修正后的距離誤差誤差范圍100m所占百分比5017%1710%2513%617%可以看出,經(jīng)過(guò)修正以后,GPS的數(shù)據(jù)精度大大增加。再考慮地形因素,尤其對(duì)于山頂、山脊、山腰等地形下的數(shù)據(jù)精度非常適用,可以考慮作為開闊地區(qū)進(jìn)行GPS手持接收機(jī)測(cè)量的一條具有參考價(jià)值的修正方法。第二種方案是利用計(jì)算機(jī)輔助區(qū)域調(diào)查系統(tǒng)提供的相對(duì)定位方式來(lái)消除隨機(jī)誤差,即利用未知點(diǎn)在已知點(diǎn)的相對(duì)方位來(lái)定點(diǎn)。并且在運(yùn)用這種相對(duì)定位方式時(shí),同一類地形條件之間相對(duì)定位更為有效。本文提出的方法對(duì)于不同型號(hào)的GPS都是適用的。(上接第16頁(yè))4 總結(jié)本文從遙感圖像監(jiān)督分類的角度探討了最大似然分類和最小距離法聯(lián)合的分類器分類技術(shù),該技術(shù)能有效提高分類準(zhǔn)確率。對(duì)于其它分類器如K最近鄰