基于GNSS技术的农村土地面积测量精度估算方法
王玉双 黄利勇 蔡 帆
(温州市瓯海测绘与地理信息院有限公司, 浙江 温州 325000)
摘要：为进一步提升土地面积测量的精度,本次开展基于全球导航卫星系统(GNSS)技术的农村土地面积测量精度估算方法的研究。首先基于GNSS技术构建几何定位模型,对定位点中各参数进行深层解析;然后将得到的定位数据与测绘数据通过坐标系转换、栅格滑动赋值等步骤实现数据的归一化;最后将数据代入模型之中,完成测绘精度估算方法的设计。实验结果表明:在不同比例尺下,设计的估算方法预测的控制点与实际情况较相符,可进行准确的土地面积测量精度估算,具有一定可靠性。
0 引言
在我国当下的发展中,“三农”问题备受瞩目,而在解决“三农”问题时,农村土地产权问题非常重要,其需要运用现代测绘技术来测量和准确划定土地的范围,这是保障农民权益的重要举措,同时也有助于推进我国现代农业规模化经营体系的建立[1-2]。农村土地面积的测绘是整个农村土地调查的重要环节,随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)定位技术的引入和应用,农村土地面积测绘方式发生了较大的改变,其方式增加现代化、智能化[3]。近年来,国内外学者纷纷对该种方式展开研究,并已得到相关研究成果。如文献[4]针对许多风险因素对土地测量项目完成时间和准确性的影响进行分析;文献[5]将地理信息系统引入测绘调度之中,提出了基于高清遥感图像和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术的潮间带陆海综合测绘方法,该方法可实现岸上和海洋面积的统一测绘。任旭斌等[6]人将无人机航测技术应用其中,完成建筑面积的测算,提升其测量精度。王晶晶等[7]人利用多种测绘仪器及测量技术开展房屋、土地面积测绘工作,通过分析目前土地面积测绘的现状,提出其改进对策;廖顺宝等[8]人利用中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)卫星影像完成土地面积的测算,并以此为基础,完成土地覆被产品的分类。以上多种方法虽然可在一定程度上提升土地面积测算的精度,但其优化效果仍然不佳,应对各个方法的面积测绘精度进行精准估算,选择更合适的方式进行土地测算,以提升其测算效果。
在农村土地面积在测绘过程中,一般会在地面上建立控制点,通过对控制点进行定位,将地面分割成可进行面积计算的多边形,以实现土地面积的整体测绘。在此过程中,控制点的建立和定位情况将直接决定了农村土地面积测绘的精度。以此为基础,本文基于GNSS理论,提出了一种农村土地面积测绘精度估算方法。以GNSS技术作为估算的基础,构建几何定位模型,对定位点中各参数进行深层解析,为估算提供数据基础,然后将得到的定位数据与测绘数据通过坐标系转换、栅格滑动赋值等步骤实现数据归一化,最后利用归一化的数据,将其带入模型之中,完成测绘精度估算方法的设计,以保证农村土地测绘过程中的准确性和可靠性。
1 基于GNSS的农村土地面积测绘精度估算方法
1.1 构建基于GNSS的几何定位模型
对于土地面积测绘,一般是采用摄影测量的方式,依据传感器获得的信息构建严格的成像模型,但是自从GNSS卫星定位技术开始兴起之后,遥感影像几何定位技术的发展使得传统的光学遥感技术摆脱了传感器在性能上的束缚,可隐藏成像信息,具有较高的保密效果。以此为基础,本文所构建的遥感影像几何定位模型主要是基于GNSS技术的,设定的定位模型如式(1)所示。
(1)
式中,(x,y)表示测绘过程中图像点经过标准化处理之后的坐标;(xx,yy)表示各个点原始坐标在进行标准化中的尺度参数,存在公式为
(2)
式中,(X0,Y0)表示标准化过程中的平移参数;(X,Y)表示原始坐标;xx、yx表示标准化中的比例参数。(U,V,W)表示地面上顶点经纬度和高程经过标准化处理后的坐标,存在公式为
(3)
式中,φ表示点的纬度;λ表示经度;h表示高程;φ0、λ0、h0均表示标准化过程中的特征量;φx、λx、hx表示标准化中的序列节点。至此完成基于GNSS的几何定位模型的构建。
1.2 数据归一化
在精度估算的过程中,由于GNSS的数据模态与土地面积测绘过程中所使用的激光数据格式存在不同,在采样上的密度也存在差别,因此需要对其进行归一化后再进行精度评估[9-12]。在数据归一化的过程中,首先对土地面积测绘数据进行筛选,筛选过程中,标记可用的高程数据,对其进行高程修正和坐标转换。在坐标系的转换中,主要是从托佩克斯/波塞冬(TOPEX/Poseidon,T/P)卫星椭球坐标系转换为WGS-84椭球坐标系,两坐标系之间的差别,如表1所示。
表1 坐标系差距对比
从表1可看出两个坐标系的差别不大,因此在进行坐标系转换的过程中,可通过式(4)进行计算,公式为
dh=cos2Bd1+sin2Bd2
(4)
式中,dh表示两坐标系转换之后的高程相差量;B表示转换点所在位置的纬度;d1和d2分别表示T/P椭球坐标系和WG椭球坐标系中长轴与短轴的差。由于本文所使用的GNSS数据在WG椭球坐标系中使用的高程类型为大地高,需要将其转换成为正高,并作出饱和度改正的标记,以此作为数据比较分析的统一数据格式,提取出数据质量指标[13-14]。在GNSS技术的支持下,本文采用针对滑动平均方法,设定滑动窗口的大小为n×n,对整个的GNSS数据图像进行滑动平均,其中的窗口大小是依据激光数据的光斑直径以及测绘数据中栅格的分辨率所决定的[15]。将滑动窗口内的栅格都计算出相对应的平均值,并将中心栅格与平均值相结合。此时的滑动窗口按照一定顺序进行滑动,目标是遍历整个农村土地面积测绘范围,实现栅格的重新赋值。滑动平均赋值处理流程如图1所示。
图1 滑动平均赋值示意图
普通的乡村地区用激光测量的数据,每个点的光斑直径大约为7 cm,而这些光斑的高度是由数据的一个光斑区域的平均,并计算出中心点的像元值,逐行逐列地进行滑动平均,计算公式为
(5)
式中,S(a,b)表示数据原始的高程值;(i,j)表示经过平移之后的坐标变化量;SN(a,b)表示经过滑动之后的数据高程值。结合得到的农村土地面积测绘数据坐标转换,完成归一化。
1.3 农村土地面积测绘精度估算方法
完成获取数据的坐标转换后,将其带入模型之中,完成农村土地面积测绘精度估算方法的设计,其整体流程如下:
假设GNSS几何定位点的坐标测量精度存在,公式为
mx=my
(6)
即横坐标的测绘精度与纵坐标的测绘精度是相同的,并以此推算出几何定位点的其他参数测绘精度都是相同的,则可求出在平面上的位置误差σ,计算公式为
(7)
在以上计算公式下,可通过误差传播定律将上式转换为面积中误差mA的表达形式,公式为
(8)
式中,di表示第i-1和第i+1点之间的距离,因此得到的面积相对误差kA,计算公式为
(9)
式中,A表示测绘得到的农村土地面积。在使用GNSS几何定位模型时,采用连续测量模式进行外业数据采集的过程中,对上式进行简写估算,公式为
(10)
根据以上的估算步骤,绘制农村土地面积测绘精度估算流程图,如图2所示。
图2 测绘精度估算流程
根据图2可有效估算出农村土地面积测绘精度。经过推导可计算出某类图形的计算误差最大,并在实际的土地测绘应用中对精度进行控制。至此,完成基于GNSS的农村土地面积测绘精度估算方法设计。
2 实验与分析
2.1 实验设计
为验证本文所设计的估算方法的有效性,设计实验。实验以GNSS测量系统作为平台,将通过GNSS技术获取的数据作为实验数据集。根据农村土地面积测绘的相关标准,整理不同比例尺下的精度要求,如表2所示。
表2 不同比例尺下测绘精度要求
在实验中选择某片农村土地作为实验区域,并在其范围内布设相关的地面控制点。控制点在选择过程中,选择原则应该遵循以下条件:①目标点地点有明显的地面标记,便于试验辨认,可采用直线形的顶点或交叉点;②选取的控制区应尽量在平坦、宽阔的地方进行,尽量远离遮挡物,确保所选地点不会被无线信号所影响。在实验区域中设置的控制点部署情况,如图3所示。
注:图中1～12均为地面控制点。
图3 农村土地面积控制点的部署情况
如图3所示,采用12个地面控制点作为GNSS的定位点。实验数据是利用GNSS技术所获得的定位数据,对不同的定位点结果进行分析,通过显示定位影像,经过控三加密之后获得加密成果,完成测绘精度分析。
在GNSS定位技术下,下视数据测绘精度主要是利用ContextCapture软件进行分析,下视的数据共有977组,GNSS数据共有3 241组,在第三方软件中利用部署的检测点对RTK进行测量,测量过程中使用的设备型号为Trimble 5800,该设备的测量精度能达到厘米级别。在以上的实验环境下,使用本文所设计的测绘精度估算方法对各个控制点得到的数据精度进行估算。
2.2 实验结果分析
本文实验使用的是实时获取的GNSS数据进行控制点定位,对于测绘过程中所产生的误差以及精度进行估算。在精度估算中,需要以传统方法测量的控制点得到的外方位元素作为真值。根据图的数据统一到坐标系下进行计算,得到的实验区域面积测绘过程中各点的定位误差情况,如表3所示。
表3 实验区域控制点误差情况分析结果 单位:cm
根据表3中所计算出来的误差,利用第三方软件能够计算出对应的实验区域控制点误差,得到的各个控制点在不同比例尺下的定位精度估算情况,如表4所示。
表4 不同比例尺下各个控制点的测绘定位平均精度计算情况
从表4中可以看出,在不同比例尺下,经过本文估算方法所得到的控制点在纬度、经度定位精度都在相关规定允许的范围之内,且与实际情况比较相符,这也验证了本文所设计测绘精度估算方法具有一定可靠性,可对采用测绘精度方法的精准性进行确定。
3 结束语
本文主要针对农村土地面积测量精度估算方法进行研究,基于GNSS定位技术完成遥感图像几何定位模型的建立,将得到的定位数据与测绘数据进行归一化处理,然后通过设计的估算方法在归一化数据的基础上完成农村土地面积测量精度的估算,最后利用试验证明所提方法的先进性。测试结果表明,本文设计方法能有效实现控制点在纬度、经度定位精度方面的预测,并完成测量方法估算精度的分析,为后期农村土地面积测绘精度的提高提供了一定数据参考。但是由于技术等方面的限制,本文目前还存在一些有待改进之处,需要在今后的研究中不断优化。
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引文格式: 王玉双,黄利勇,蔡帆.基于GNSS技术的农村土地面积测量精度估算方法[J].北京测绘,2023,37(5):762-766.
作者简介：王玉双(1989—),女,浙江苍南人,大学本科,工程师,研究方向为不动产测绘等。
E-mail:ppddff789@yeah.net
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