野外地质测量中手持GPS定位的误差分析.doc

四川测绘第29卷第1期2006年3月11野外地质测量中手持GPS定位的误差分析刘少杰 宋在超 刘刚(中国地质大学,湖北武汉,430074)摘 要GPS在工程测量、导航定位等应用中所具有的优越性和方便性使其应用越来越广泛。在野外地质测量中小巧方便的手持GPS机能够起到辅助定点和导航的重要作用,是新时期实现现代化数字地质调查的基础设备之一。但由于野外地形、树木等多路径环境因素的影响,其测量精度和应用受到限制。针对手持机的特点,通过实际测点分类统计分析各方面因素对误差产生的影响程度,进而得出修正方案,提高测量精度和实用性。关键词地质测量;GPS定位;误差分析;地形因素;数字地质调查;GeoSurvey系统中图分类号P22814文献标识码B文章编号1001-8379(2006)01-0011-04ErrorAnalysisofHandheldGPSPositioninginFieldGeologicalSurveyLIUShao-jie SONGZai-chao LIUGang(ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)Abstract:GPSiswidelyusedmoreandmoreinprojectmeasure,navigationorientation,andsoon.Italsoplayanimportantroleinfieldworkofgeologicalmeasure.TherearekindsoferrorslimitingtheprecisionofhandheldGPSinfield.Basedonstatisticsmethod,wecananalyzetheinfluenceofdifferentaspectssuchasterrain,vegetationandtime,ofpointmeasureinfieldpractice.Andthen,wetrytofindamodifiedschemetoimprovetheprecisionofGPS.Keywords:geologicalsurvey;GPSpositioning;erroranalysis;terrainfactor;digitalgeologicalsurvey;GeoSurvey1 引言GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem。含义就是利用导航卫星进行测时和测距,在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位,构成全球定位系统1。各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,也出现了基于蓝牙无线传输的便携式GPS,便于野外携带和观测2。在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下几大类:GPS卫星有关的因素(卫星星历误差、卫星钟差等);与传播途径有关的因素(电离层延迟、对流层延迟、多路径效应等);与接收机有关的因素(接收机天线相位中心偏差、接收机精度等);数据分析的软硬件误差等。本文探讨和分析在野外地质调查工作中GPS手持机误差产生的主要来源和具体类型,提出提高其定位精度的方法。4569若干个样点的坐标,并利用微地形法则将其实际位置标注在地形图手图上,回到室内进行计算和统计分析。实测数据记录项目包括每个点的GPS坐标、地形、高程以及定点时的天气和时间。同时记录该点较其他点的特殊因素(比如某一点的植被较好)。实际操作时,利用中国地质大学资源学院开发的计算机辅助地质调查系统GeoSurvey(图1),对比计算实际点与GPS所定的点的距离误差以及方位角误差,然后分别得出各种地形、高程、天气等因素对GPS定位误差影响。以下是本次试验流程:数据获取y数据转录y统计比较y分析原因y提出校正模型。2 试验方案设计本次试验所用的手持GPS是美国麦哲伦公司(Magellan)于1999年推出的GPS315手持式仪器。其大小如同手机,重量约200克,定点经纬度显示精确到秒级。为了分析不同因素对GPS误差产生的,图1 GeoSurvey系统的操作界面12四川测绘第29卷第1期2006年3月3 数据分析按照上述方案,笔者在典型的北京周口店地区对多个样点进行对比研究,从实际出发,针对手持点号NO11NO12NO13NO14NO15NO16坐标39b41c30dN,115b56c35dE39b41c35dN,39b41c41dE39b41c26dN,115b56c19dE39b41c32dN,115b56c13dE39b41c34dN,115b56c15dE39b41c35dN,115b56c21dE高程(m)15117884116112148型GPS的定位误差进行分析。实际取得100余个点位的数据,具体如表1所示。通过对试验区样本与手图实际值的对比计算,地形沟谷山腰,平地陡崖下山腰高地山脊时间16:4017:0015:3815:189:1810:02天气阴阴阴阴晴晴植被较好备注表1 野外原始数据点的记录示例路径效应。由于接收机周围环境的影响,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响,甚至接受机无法捕获卫星或接收不到卫星的信号,使定位精度大大降低。在城市或在野外使用GPS时,接收机有时仅仅能接收到2-4颗卫星信号(6-8颗卫星时才能做到精确定位),而且时间短促,加之手持型接收机的定位精度一般也就在20-30m左右(排除以上因素),这样误差达到50米甚至近百米也就不足为奇。在地形因素中,还有一个非常重要的问题)水。水面对电磁波有图2 极坐标系内GPS定点相对 于实际点的漂移投影散点图很强的反射能力,因此在湖面湖边等处,GPS定位的精度也大打折扣。对于多路径效应,目前在手持机方面还没有很成熟的方法加以克服。可以使用数据的离散程度来衡量在该种地形地貌下误差的大小,使用统计学中的AVEDEV函数来计算某地形下数据绝对偏差的平均值。AVEDEV:result=在极坐标系(以距离误差为极半径,以方位误差为极角)内绘出GPS定点相对于实际点的飘移投影散点图(图2)。可以看出GPS点相对于实际点的漂移并非杂乱无章。统计结果显示7212%的漂移的距离误差集中在0)80米范围内,7210%的方位误差集中在0)90b范围内。误差的这种分布规律可以认为是在影响GPS定位精度的众多因素中有一个指导性因素的指示。地形的影响主要是引起信号传播过程中产生多Ex-x/nx:数据平均值,n:样本数。表2即反映了各地形因素下的偏差平均值。换句话说,在地形因素影响下,偏差平均值越大,数据越混乱,在这种地形下的GPS误差也就越大。表2 地形因素下的偏差平均值四川测绘第29卷第1期2006年3月(续表2)误差影响地形类型距离误差影响的范围(m)均值(m)距离误差影响的平均偏差山脊山脚山坡山腰2512)67174513)1461330)75122313-10410361608810459157391641214435183181711419613方位误差影响的平均偏差2614828116451111361775图3和图4分别是不同地形因素下距离误差和方位误差的分布。从上面图表可以非常直观地看出在各个不同地形下误差的大小(注意:对于方位误差,笔者在进行统计时所用的是360b角形式,这不是一种有效的分析地形因素下角度误差的方位表示值,所以超过180b的角进行图4的统计时使用的是其与180b的差值。所以不能单从角度的大小来衡量方位误差的大小)。度、纬度、高度;若只能收到3颗卫星的信号,它只能计算出2维坐标:经度和纬度,而且这时经度、纬度也不是一个很准确的值。这时它可能还会显示高度数据,但这数据是无效的。在野外定点时,不推荐使用手持GPS进行高程测量。从理论上讲时间对GPS野外测量误差没有影响,实践中GPS定位的距离误差不受使用时间影响,而方位误差则在时间因素上成不规律的波动。4 小结手持型GPS从野外应用来看,具有方便携带、定位速度快等优点,但是精度不高,且误差易受外界条件干扰。从上面对各因素对距离误差和方位角误差的影响分析可以看出,外界因素中对GPS测量图3 不同地形因素下距离误差平均值误差的影响最大的是地形因素(也就是多路径效应),其他因素虽对GPS测量误差也有影响,但不及地形对其影响大。同时,GPS本身的定位精度也制约着其精度的提高,如GPS315,定位精度到秒级,接收机本身有可能产生15)20m的误差。同时,计算机辅助填图(GeoSurvey)系统是利用投影转换将GPS所测量的经纬度坐标,投影到地图平面的大地坐标的相应位置上,而GPS使用图4 不同地形因素下角度误差平均值WGS84世界坐标体系7,若不经坐标转换直接输入数据存在一定的误差,但误差在比较小(1-3m)的范围内。实际误差的计算需要通过相应的功能软件来实现,本文不再展开讨论。卫星在运动过程中不停地发送信号,接收机接到信号后也在不停地运算,所以将手持机放在空旷的地方不动,定点后,其坐标数据仍会波动,并且高程的波动值要比经纬度波动值大。实际定位操作中,GPS开机后不宜立即读数,应按GPS手持姿态要求运行几分钟后再读数。从以上的分析不难得出,在野外使用手持型GPS时,山腰、山脊、山顶、无山平坦处等地形下,GPS所受的影响相对较小。而在陡崖、沟谷等地GPS所受的影响较大。陡崖处的接收机定位误差很大,又无规律可寻,可以考虑使用GPS相对定位代替绝对定位,至于在山腰等处的定位点可以加上修正模型加以更正。此外,高程、时间不是影响误差的关键因素。在地表范围内甚至不能单纯的说高程是影响GPS定位精度的因素。有个问题必须指出,手持型GPS高程定位能力是比较差的,GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时,它能计算出本地的3维坐标:经5 修正方案探讨从前面对试验区数据的分析中可以对数据给出简单的修正方案,修正方案根据误差类型可以分两,2,14四川测绘第29卷第1期2006年3月参考文献1 高成发.GPS测量M.北京:人民交通出版社,2000.2 杨德麟,等.大比例尺数字测图的原理、方法与应用M.北京:清华大学出版社,2001.3 胡家华,陈清礼.GPS定位精度的影响因素及差分定位J.江汉石油学院学报,1997,19(4):3942.4 王宁宁.GPS定位精度探讨J.解放军信息工程学院学报,1996,15(3):2932.5 付水旺.浅谈GPS测量与误差分析J.采矿技术,2000,406408.6 常庆生,唐四元,等.GPS测量的误差及精度控制J.测绘通报,2000,(4):1315.7 徐卫明,赵俊生.GPS测量坐标转换实用性问题分析J.测绘工程,2000,(2):1015.8 袁晓民,张欣,等.GPS测量中若干误差的削弱J.潍坊高等专科学校学报,2000,(4):1213.9 董申保,贾北昌.GPS定位的误差与接收机精度的检验J.矿山测量,1997,(4):4142.收稿日期2005-09-20作者简介刘少杰(1983-),男,河南人,中国地质大学资源学院资源勘查工程专业本科生。重新设定原点。按照以一定半径的圆内落入的点数目最多为原则。经过尝试,选定(36m,50b)为新的原点,也就是说要对GPS点进行向50b方向偏移36m的修正,修正的数据如表3所示。表3 原始距离误差与修正后的距离误差对照表距离误差误差范围100m所占百分比2513%2411%3713%1313%修正后的距离误差误差范围100m所占百分比5017%1710%2513%617%可以看出,经过修正以后,GPS的数据精度大大增加。再考虑地形因素,尤其对于山顶、山脊、山腰等地形下的数据精度非常适用,可以考虑作为开阔地区进行GPS手持接收机测量的一条具有参考价值的修正方法。第二种方案是利用计算机辅助区域调查系统提供的相对定位方式来消除随机误差,即利用未知点在已知点的相对方位来定点。并且在运用这种相对定位方式时,同一类地形条件之间相对定位更为有效。本文提出的方法对于不同型号的GPS都是适用的。(上接第16页)4 总结本文从遥感图像监督分类的角度探讨了最大似然分类和最小距离法联合的分类器分类技术,该技术能有效提高分类准确率。对于其它分类器如K最近邻法(KNN)、子空间分类法、地统计学分类法、概率松弛法以及非监督分类方法还没有顾及,这将是今后需要进一步探讨的问题。参考文献1 孙家柄.遥感原理与方法M.武汉:武汉大学出版社