全球定位系統跟蹤足球運動員跑動距離的準確性實驗

劉鴻優　唐小明　陳彥龍

摘 要：通過實驗測試的方法，對可穿戴全球定位系統（GPS Catapult Optimeye S5）在跟蹤足球運動員的跑動距離的信效度進行檢驗。選取10名大學生足球運動員為實驗對象，分別以不同的速度完成了8組60 m直線跑、50 m轉彎直線跑和40 m “Z字型”折線跑。GPS跟蹤到的每名實驗對象每種測試的跑動距離分別為（57.65±2.76）、（46.19±4.09）和（36.50±2.59） m。GPS在跟蹤60 m直線跑時，實驗對象的測試平均次間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轉彎直線跑時，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，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%）。實驗結果證明GPS Catapult Optimeye S5裝備在跟蹤足球運動員的跑動距離時具備足夠的準確性，跟蹤到的運動員移動數據擁有足夠的信效度用于科研與教練指導用途。

關 鍵 詞：競賽與訓練；運動監控；足球；跑動距離；全球定位系統

中圖分類號：G843 文獻標志碼：A 文章編號：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（Global Positioning System，GPS）可以跟蹤運動員在訓練和比賽中的移動距離、移動軌跡、移動速度和加速度等外部運動負荷變量，因而越來越受到運動隊、教練員和科研人員的青睞[1]。

最早專門運用于團體運動表現監控的GPS出現在2003年[2]，為澳大利亞GPSports公司生產的GPSports Systems SPI-10，隨后幾年，該公司陸續改進并生產了SPI-Pro、WiSPI和SPIElite等版本。2006年，澳大利亞公司Catapult Innovation陸續推出了Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列可穿戴GPS設備。Catapult公司生產的可穿戴GPS設備能提供更多的運動表現變量和更精確的算法，從而超越GPSports，成為了體育運動表現監控專用GPS設備生產領域的主要供應商。

值得注意的是，要將可穿戴GPS設備運用于指導訓練和科學研究，必須先對該設備跟蹤獲得的數據準確性和信效度進行驗證，只有在數據足夠準確的情況下，才能保證該設備的應用價值[3-4]。目前，已有研究對GPSports的各個系列設備和Catapult Minimax系列設備進行了信效度與準確性實驗驗證[1-8]，而Catapult Optimeye系列設備在跟蹤足球運動員跑動距離的準確性驗證結果尚未見諸報道。因此，本研究擬通過實驗測試的方法，對Catapult Innovation公司目前最新版本的Catapult Optimeye S5體育運動表現監控專用可穿戴GPS設備在跟蹤足球運動員的跑動距離時的準確性和信效度進行實驗驗證。

1 研究方法

1.1 實驗對象

華南師范大學2014級體育教育本科專業足球專選班學生10名（年齡（23.1±1.7）歲，足球訓練經驗（6.9±4.6）年，身高（173.5±4.2） cm，體質量（67.9±4.4） kg，BMI指數（22.6±1.2） kg/m2）被選取為本研究的實驗對象。為保證實驗的客觀性，實驗目的在實驗測試實施前后均未告知實驗對象。

1.2 實驗過程

實驗時間為2016年6月15日（溫度31°C，相對濕度92%），為華南師范大學2014級體育教育本科專業足球專選班2015—2016學年度下學期的一次足球專項課。實驗地點為華南師范大學大學城校區北區足球場（天然草皮）。實驗在征得實驗對象運動員和任課教師的口頭同意后進行。

參照前人對于足球跑動距離跟蹤設備的信效度測試實驗設計[6，9]，本研究進行了3種類型的跑動跟蹤實驗（如圖1）：60 m直線跑：實驗對象由圖1中的起點（1）直線跑至終點（1）；50 m轉彎直線跑：實驗對象由圖1中的起點（2）直線跑至30 m處，然后向左轉彎后，直線跑至終點（2）；40 m “Z字型”折線跑：實驗對象由圖1中的起點（3）沿箭頭所示方向，跑至終點（3）。

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

1.3 數據采集

通過軟件“DV視頻時間碼嵌入大師”將攝制的視頻同步衛星時間。由2名實驗人員對視頻進行分析，記錄下每一名實驗對象在所有測試中通過起點和終點的時間。將兩名實驗人員采集的時間點進行比對，對差異較大的時間點進行錄像回看，最終確認所有時間點的準確性。

通過GPS Catapult Optimeye S5裝備配套的Catapult Sprint軟件，將所有實驗對象的跑動數據導入個人電腦。由2名實驗人員將上述采集的每一名實驗對象在每一次測試中通過起點和終點的時間錄入軟件中，截取由GPS Catapult Optimeye S5裝備跟蹤到的實驗對象的跑動距離。截取出來的2組數據逐個比對，差異較大的數據再次截取，直至兩組實驗人員獲得的數據完全一致。

1.4 數據統計

由GPS Catapult Optimeye S5裝備跟蹤到的10名實驗對象的232次測試跑動距離（一個實驗對象因傷退出測試，未能完成8組40 m“Z字型”折線跑）均被導入到Excel和SPSS 軟件中進行統計學分析。首先對GPS跟蹤到的每名實驗對象每次測試的跑動距離進行描述性分析。其次，對每一類型的跑動測試中每名實驗對象的測試次間變異系數（CV）、次間標準誤差（SE）進行分析。最后，對跟蹤到的每名實驗對象每次測試的跑動距離與球場實際距離的差值的測試誤差（Bias，為跟蹤距離與實際距離的差值的絕對值除以實際距離的比值）和測試標準誤差（SEE，為Bias的標準差）進行分析。最后，將每名實驗對象在每類測試的8次測試跑劃分為4個速度類別：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10個GPS跟蹤到的每名實驗對象不同速度下的跑動距離的次間CV、次間SE、Bias和SEE進行分析。

2 研究結果及分析

如表1所示，在60 m直線跑測試中，GPS跟蹤到的每名實驗對象每次測試的平均距離為57.65 m，標準差為2.76 m。GPS在跟蹤60 m直線跑時，實驗對象的測試平均次間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%。實驗對象以高速跑的速度完成60 m直線跑時，GPS跟蹤到的跑動距離的次間CV、Bias和SEE值最大。endprint

如表2所示，在50 m轉彎直線跑測試中，GPS跟蹤到的每名實驗對象每次測試的平均距離為46.19 m，標準差為4.09 m。GPS在跟蹤50 m轉彎直線跑時，實驗對象的測試平均次間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在跟蹤實驗對象以沖刺跑的速度完成50 m轉彎直線跑時，跟蹤到的跑動距離的次間CV、SE、Bias和SEE都出現最大值。

如表3所示，在40 m“Z字型”折線跑測試中，GPS跟蹤到的每名實驗對象每次測試的平均距離為36.50 m，標準差為2.59 m。GPS在跟蹤40 m“Z字型”折線跑時，實驗對象的測試平均次間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，實驗對象跑動速度為慢跑時，GPS跟蹤到的跑動距離的次間CV和SE值最小。

3 討論

隨著科學技術的發展，越來越多的視頻分析技術和可穿戴設備被運用于輔助足球訓練和開展相關科學研究。但是，需要引起注意的是，這些技術和設備首先必須保證其輸出的數據足夠準確的情況下，才能保證它們在訓練實踐和科學研究的應用價值[10]。現今，可穿戴GPS設備已經在足球運動隊、教練員和學者中被廣泛應用[2]。當前最主流的可穿戴GPS設備包括GPSports公司生產的GPSports Systems SPI-10、SPI-Pro、WiSPI和SPIElite等以及Catapult Innovation公司生產的Catapult Minimax系列和Catapult Optimeye系列設備[2]。GPSports Systems SPI-10、SPI-Pro、WiSPI和SPIElite和Catapult Minimax系列設備在足球等同場對抗項目的運動員跑動距離跟蹤時的信效度和準確性已經得到國外學者的實驗驗證[1-9]，而最新版本的Catapult Optimeye系列GPS設備的信效度則尚無相關實驗檢驗。本研究通過實驗測試的方法證明了Catapult Optimeye S5體育運動表現監控專用可穿戴GPS設備在跟蹤足球運動員的跑動距離時擁有足夠的準確性和信效度。

本研究實驗結果顯示，Catapult Optimeye S5設備在跟蹤足球運動員在60 m直線跑、50 m轉彎直線跑和40 m“Z字型”折線跑時，跟蹤到的距離都略低于實際距離（分別為57.65、46.19和36.50 m）。這一結果與前人對GPSports[1]和Catapult Minimax[3-7]兩類GPS設備的信效度實驗測試結果相符。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較接近實際距離，而在之后的測試跑中，GPS跟蹤到的距離則相對浮動較大，且基本上都低于實際距離。研究方法中已經提到，在3種類型的測試中，實驗對象都被要求逐次加快跑動速度：即T1和T2為慢跑，之后速度逐步加快，從中速跑、高速跑到沖刺跑遞進。在60 m直線跑測試中，GPS跟蹤到的運動員高速跑的距離的次間CV、Bias和SEE值最大；在50 m轉彎直線跑測試中，GPS跟蹤到的運動員沖刺跑距離的次間CV、SE、Bias和SEE都出現最大值；而在40 m“Z字型”折線跑測試中，Bias和SEE的最大值出現在中速跑和沖刺跑，次間CV和SE的最小值則出現在慢跑。由此可見，Catapult Optimeye S5設備在跟蹤足球運動員低速跑動時，比在跟蹤中速跑、高速跑和沖刺跑的準確性要更高。這一現象與前人研究結果[1，3，5-7]契合。

本研究實驗還顯示，GPS Catapult Optimeye S5設備在跟蹤直線跑、轉彎直線跑和“Z字型”折線跑時，精確度呈現下降趨勢：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%。前人的研究發現了類似的現象[1-3，5-7]。Jennings等[5]和Portas等[6]的研究認為當測試次間CV、Bias和SEE小于0.05（<5%）時，GPS設備跟蹤運動員跑動距離的精確度和信效度為優良；在0.05和0.1（5%～10%）之間時，精確度和信效度為中等；在大于0.1（>10%）時，精確度和信效度為較差。由此可見，本研究結果證明，GPS Catapult Optimeye S5設備在跟蹤足球運動員直線跑時能實現優良的精確度和信效度；而在跟蹤轉彎直線跑和“Z字型”折線跑時，精確度和信效度稍差，介于優良與中等之間。

有一點需要指出的是，本研究是采取將攝制的視頻同步衛星時間的辦法來確定運動員通過每一次測試起點和終點的時間點，并采用這兩個時間點從GPS中截取跟蹤距離的。由于視頻時間只能提供“HH∶MM∶SS （h∶min∶s）”的格式，無法精確到ms，截取的時間段有較大的可能性出現誤差（最大誤差接近2 s）。而當球員以較快的速度跑動時（如8 m/s的速度沖刺），即使1 s的時間誤差也能帶來數米（如8 m）的跟蹤距離誤差。因此，GPS設備跟蹤到的距離與實際距離的誤差有可能是GPS設備的系統誤差，也有可能是本研究的時間截取方法導致的操作誤差，后續的研究可通過更精準的時間界定方法對此結果進行驗證。endprint

感謝上海灝江貿易有限公司（澳大利亞Catapult Innovation公司在中國大陸的優先供應商）對本研究提供的設備支持。

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