近年来, 移动计算的迅速发展、遥感技术的发展、GIS和GPS技术的不断成熟及其在各个行业应用的不断深入，为采用嵌入式开发基于位置的地理信息服务提供了强有力的技术支持。掌上电脑的出现，成为PC机和Internet网在人类生活中的一种弥补和延伸，可满足人们“随处计算”的需要。国家正在实施数字化战略，要求各个行业实现信息化、数字化，如数字城市、数字交通、数字林业、精耕农业等。这些领域都是采用遥感、GPS卫星定位等技术获取信息，采用GIS系统存储、处理信息，借助计算机网络、通信等手段，最终实现信息的处理、分析，提供决策依据并进行信息的实时传输。星源通掌上森林调查仪(以下简称“星源通”)是深圳职业技术学院3S研究中心在此背景下研制的集微电脑、遥感、GPS和移动GIS于一体的高科技产品，主要用于森林资源调查。该产品现已在湖南、江西、浙江、广西、广东、北京、内蒙、吉林、四川、重庆等地的林业部门试用。为验证该产品实地面积测量的精度状况，本文通过对一系列不同大小地块，在不同观测时段、不同干扰条件下多次重复测量的结果进行分析，详细论证了面积测量所能达到的精度状况，面积测量精度与地块大小的相互关系，所得结果可以用于指导生产实践。

1 测量原理

星源通通过接收GPS卫星信号，可以实时或以后处理差分方式进行定位。调查人员手持星源通，通过测定林班、小班或地块边界点坐标，进行面积测量。面积测量包括连续点法和特征点法2种方式，前者是通过连续测量地块边界点坐标计算面积，后者是通过测定地块边界特征点坐标计算面积，本文只探讨连续点法面积测量的精度状况。

如图 1所示，为测定林班、小班面积，需借助星源通测定小班边界n个特征点的坐标。设小班边界特征点在WGS84坐标系下的三维空间直角坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，i=1, 2, …, n, 测定后可将空间直角坐标转换为大地坐标(B-i, L-i, h-i)，并将大地坐标转换为高斯平面直角坐标(x_i, y_i)。对森林资源或土地资源调查而言，配准遥感图像或扫描地形图所采用的坐标系一般为北京54坐标系或国家80坐标系。为便于成图，实际工作中，将WGS84坐标系中的高斯平面直角坐标转换到配准地图所用坐标系中，可得到小班边界特征点在北京54坐标系或国家80坐标系中的平面坐标(x′_i, y′_i), i=1, 2, …, n。再按下列公式计算小班面积S(孙祖述等，1991)：

(1)

根据上面的分析，要测定小班面积，需通过GPS卫星定位测定小班边界特征点三维空间直角坐标，进行坐标转换，得到各特征点在北京54系或国家80坐标系中的高斯平面坐标，再计算面积。

2 测量精度

根据星源通面积测量原理，林地面积测量精度影响因素包括GPS定位精度、小班边界特征点采集密度、面积计算公式的选择等。在这3个主要因素中，GPS定位精度影响最大，小班边界特征点采集密度，可根据用户需要设定，一般每秒采集1个坐标点，完全可以满足要求。至于面积计算公式，当小班边界特征点采集足够时，公式(1)完全可以满足精度要求。

星源通采用GPS单点定位测定小班边界点坐标，其原理与测量学中空间距离后方交会相同。空中GPS卫星在任一瞬间其位置为已知，只要利用星源通在小班边界特征点上同时观测空中4颗卫星，得到卫星在观测瞬间到待测点的距离(伪距)，就能解算待测点的坐标。因GPS卫星在空中独立运行，每颗卫星的GPS时间经过改正后成为统一的UTC时间。地面用户根据需要可随时随地打开星源通进行观测和定位。星源通观测的待定点到卫星的距离，不是实际的距离，包含有卫星钟和星源通接收机钟差所导致的误差。设地面待定点的三维空间直角坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，ρ_k^j为待定点i到卫星j经过电离层和对流层改正的伪距观测值，R为接收机到卫星的真实距离，π为接收机钟差，空中作为动态已知点的GPS卫星在观测瞬间的地心坐标为(X_s，Y_s，Z_s)，星源通定位方程可表示为(刘基余等，1999)：

(2)

对(2)式进行微分，并将接收机的概率坐标(X_i0，Y_i0，Z_i0 )作为初始值代入，得到

(3)

式中：dt=cdτ_i为接收机钟差对应的空间距离,

在(3)式中，只要能求出概率坐标的修正值dX, dY, dZ就能求出待定点坐标。该表达式中包括dt共有4个未知数。星源通同步观测空中4颗卫星，可得如下方程组：

(4)

求解方程组(4)，就能确定待定点坐标。星源通微型GPS接收机模块具有10个以上通道，能同时跟踪10颗卫星。只要能锁定4颗卫星，就能进行定位。

根据上面的分析，星源通GPS定位的精度主要受下列因素影响：

同步观测的卫星颗数，因野外受林区观测条件限制，卫星信号的接收有时会出现困难。通过试验，只要能观测到4颗以上卫星，定位精度就会有保障。

在没有高大建筑物或峡谷阻挡卫星信号接收时，定位精度较高。林区树冠等对GPS信号的接收影响不大，经试验在郁闭度接近1的林分中，借助微型小天线就能顺利进行定位，且精度能满足要求。

观测时段及空中卫星分布对定位精度有一定的影响。不同地区适合的观测时段存在差异，可根据在视卫星的空间位置精度因子PDOP来选择适合的观测时段(周忠谟等，1992)。

面积测量相对精度与地块面积大小有一定的关系。一般情况下地块面积越大，相对精度就越高，地块越小，相对精度就越低。

因GPS定位有误差，利用星源通测定林班、小班边界点坐标会出现误差，边界点数越多，误差积累就会越大。因此地块面积测量误差与所测边界点数存在一定的关系。具体表现在同一点连续观测一段时间，真实面积应为0，因GPS定位存在误差使面积值不为0，具体大小与在同一点连续观测的时间长短及空中卫星的分布状况有关。

3 测量试验

为检验星源通面积测量精度状况，对9种类型的地块进行了实地面积测量。地块类型主要按面积大小进行划分，同时考虑树冠、建筑物、不同观测时段、不同卫星颗数等对面积测量的影响。每个地块进行9~10次观测，各地块的实际面积大小、观测条件、观测时锁定的卫星颗数及面积测量均值的偏差如表 1所示。

9个地块面积大小、面积偏差绝对值均值相对误差、面积偏差中误差相对误差、面积偏差绝对值均值及面积偏差绝对值中误差分布状况如图 2所示。其中2-A为9个地块面积分别缩小200倍与面积偏差绝对值均值相对误差的比较。可以看出，面积偏差绝对值均值相对误差随地块面积的增大而减小。2-B为地块面积偏差绝对值中误差相对误差与地块面积缩小200倍的比较，地块面积偏差中误差相对误差也随地块面积的增大而减小，中误差相对误差要略大于偏差绝对值均值相对误差。2-C为各地块面积偏差绝对值均值与地块面积缩小10倍的比较，图 2-D为各地块面积偏差绝对值中误差与地块面积缩小10倍的比较。总的规律是随着地块面积的增大，面积偏差绝对值与面积偏差中误差都相应增大，但呈非线性关系。

为分析地块边界点数与地块面积测量精度的关系，各地块面积测量偏差绝对值均值和边界点数的比值与地块面积大小的关系如图 3所示。从该图可以看出随着面积的增大，按一定速度测量地块面积的边界点数也增加，但面积偏差绝对值均值与边界点数的比值却不断减小，当面积大于3 000 m²后基本趋于稳定。

通过上面分析，星源通掌上卫星导航定位仪面积测量精度，在当地块面积大于600 m² 左右时，都能满足精度要求。

4 结论

通过上面的分析，可得以下结论：

星源通掌上森林调查仪可用于测量林班、小班等的面积，当地块面积在600 m² 以上时，面积测量误差小于5%。该结论是未使用微型天线的结果，使用微型天线，在有建筑物或树林时，精度明显提高。

面积测量精度受GPS定位误差、地块大小、树林及山体遮蔽等诸多因素的影响。星源通掌上森林调查仪只要能接受4颗以上的卫星，就能有效进行定位，完成面积测量。在地块面积小于600 m²时，面积测量误差会超过5%。地块越小，相对误差就越大。郁闭度会影响GPS信号的接受，进而影响面积测量。星源通在配备微型天线时，可在郁闭度接近1的树林中顺利定位，不影响面积测量精度。山体对卫星信号的影响是任何GPS设备无法克服的问题(李崇贵等，2004)。在大峡谷中，因无法收到4颗卫星的信号，该产品同其它产品一样，也很难进行定位和面积测量。

不同观测时段对面积测量有一定的影响，应选择较好的观测时段进行面积测量，该产品可以利用空间位置精度因子PDOP对此进行预报。

星源通掌上森林调查仪在实地测量面积的同时，可有效定义、填写地类属性。因此可广泛应用于退耕还林、造林地验收、伐区迹地验收、伐区设计等方面。