基于GPS衛星定位土地面積測量儀設計

楊 帆 ，危志遠

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心，武漢 430073）

傳統的土地面積測量方法主要有人工丈量法和常規儀器法。人工丈量不僅耗時費工效率過低，而且不適于進行大規模的土地測量。常規儀器法則一般利用經緯儀或全站儀對土地面積進行測量，它要求由專業人員操作，大大增加了成本[1-4]。GPS是全球衛星定位系統的簡稱，該系統利用衛星可在全球范圍內對目標點進行精準定位[5-8]。基于GPS衛星定位的面積測量儀操作簡單，攜帶方便且精度較高[9-10]。基于此特點文中設計了GPS衛星定位土地面積測量儀。

1 面積測量儀總體設計

GPS土地面積測量裝置采用STM32系列的STM32F407嵌入式微處理器作為核心。該款芯片需要電源、時鐘、復位等外圍電路才能正常工作。

在系統中，首先由GPS北斗模塊接收衛星發送的數據，通過串口發送給數據處理模塊。數據處理模塊再利用多個定位坐標按預設的算法，對待測土地面積進行計算，并將結果發送至人機交互模塊進行顯示。GPS面積測量儀的系統結構如圖1所示。

圖1 GPS土地面積測量儀系統結構Fig.1 System structure of GPS land area measuring instrument

1.1 GPS北斗模塊設計

GPS模塊通過NMEA-0183協議獲取各種衛星數據信息。根據該協議，通過對其數據幀格式的解析可以讀取到GPS定位信息，包括經緯度、可見衛星數目以及高度等。

在此所設計的GPS北斗模塊采用S1216F8-BD模組為核心。該模組體積小且性能優異，可以通過串口進行參數設置，并能保存到內部Flash中。模塊中PPS引腳與S1216F8-BD模組的1PPS端口相連，通過PPS燈能夠快速判斷模塊當前的工作狀態：常亮，表示模塊已開始工作；閃爍，表示模塊定位成功。IPX接口可以外接一個有源天線。由于測量時頂部可能存在遮擋物，外接有源天線可以提高模塊的接收能力。GPS北斗模塊的設計電路如圖2所示。

圖2 GPS北斗模塊設計電路Fig.2 GPS Beidou module design circuit

GPS北斗模塊與數據處理模塊僅需通過VCC，GND，TXD，RXD這4根線相連。其中，VCC和GND用于給GPS北斗模塊供電；TXD和RXD分別連接STM32芯片的RXD和TXD引腳，用于串口通信。GPS北斗模塊與數據處理模塊連接如圖3所示。

1.2 數據處理模塊設計

數據處理模塊由32位Cortex-M4微控制器及其子系統組成。子系統包括時鐘電路與復位電路，其電路設計如圖4所示。設計中，采用8 MHz無源晶振為STM32提供處理時鐘；復位電路采用操作簡單的阻容復位電路。

圖3 GPS北斗模塊與數據處理模塊的連接Fig.3 Connection between GPS Beidou module and data processing module

圖4 數據處理模塊子系統的電路設計Fig.4 Circuit design of data processing module subsystem

1.3 人機交互模塊設計

GPS土地面積測量裝置采用10.92 cm的TFT LCD和按鍵實現人機交互。采用4個按鍵對裝置進行控制，微處理器定時循環掃描GPIO引腳，當有按鍵按下時，處理器將會檢測到相應的GPIO口處于低電平狀態。該裝置液晶模塊選用ALIENTEK TFT LCD模塊，該模塊運行速度快，功耗低。

1.4 電源模塊選型

由于裝置需要在戶外進行測量，所以采用7.5 V電壓，容量3200 mA·h的鋰電池為裝置供電。據估算該裝置工作1 h所消耗電量約為200 mA·h。該電池充電1次可保證裝置正常工作1 d，很適合本裝置使用。

2 軟件設計

GPS土地面積測量儀系統的軟件設計包括人機交互系統驅動程序設計、提取定位信息程序設計、面積算法設計、μC/OS-Ⅱ系統移植與任務劃分。限于篇幅，在此僅介紹μC/OS-Ⅱ系統中的任務和中斷工作流程設計。

先由按鍵中斷發送鍵值給主控任務，由主控任務來判斷當前工作狀態，若判斷為啟動面積測量，則此時主控任務通過發送信號量給定位數據接收，面積測量以及界面顯示這3個任務。優先級較高的定位數據接收任務首先運行，在定位數據處理完成后將數據發送到數據處理緩沖區，然后運行優先級其次的面積計算任務，負責將定位數據從數據處理緩沖區提取出來進行轉換并進行面積計算，再將得出的結果數據發回數據處理緩沖區。最后，運行優先級最低的顯示任務，讀取數據緩沖區中的面積計算結果并進行顯示。任務和中斷工作流程設計如圖5所示。

圖5 任務和中斷工作流程設計Fig.5 Task and interrupt workflow design

3 面積算法原理

GPS土地面積測量裝置采用三角形分割法對面積進行計算。該方法將待測圖形近似為不規則多邊形，然后將多邊形分割成若干三角形并計算其面積，再對所有三角形面積求和，即為所求的不規則多邊形面積。

為方便計算，需將GPS北斗模塊所接收到的經緯度坐標轉換為平面坐標。由于在很小的范圍內經線和緯線可視為互相垂直，故將經線方向視為Y軸，緯線方向視為X軸。取地球半徑為6371116 m，則任意一點i的WGS-84坐標轉換為平面坐標的公式為

式中：Xi，Yi為點 i的平面坐標；R為地球半徑；Li，Bi分別為點i的經度、緯度。

在計算不規則多邊形面積時，將各端點與坐標原點相連，則每條邊與原點構成一個三角形，多邊形面積的分解如圖6所示。計算每條邊所對應三角形的面積，在多邊形外的面積值為負，其余為正，計算其代數和即為多邊形面積，計算公式為

圖6 多邊形面積的分解Fig.6 Polygon area decomposition

4 系統測試

所設計的系統平臺實物如圖7所示。測試地點為武漢工程大學流芳校區的新操場。為便于計算，選取矩形足球場進行測量。先用使皮尺進行人工測量，得到足球場面積的實際值。人工測得足球場長度為107.58 m，寬度為82.80 m，實際面積為8907.62 m2。

圖7 系統平臺Fig.7 System platform

再用面積測量儀進行測量，得到足球場面積測量值。使用測量儀測量時，采集矩形足球場的4個頂點，共測量5次。將面積測量儀的測量值與足球場面積實際值進行對比，得出該測量裝置的誤差。測量數據統計結果見表1。

表1 面積測量數據統計Tab.1 Area measurement data statistics

由表可知，該測量裝置仍存在一定誤差，但均屬于微小誤差，可忽略不計，該裝置可以完成對土地面積的精準測量。

5 結語

針對傳統的土地測量方法效率低、人工環節過多、成本過高等問題，提出了基于GPS衛星定位土地面積測量儀的設計方案，重點介紹了該裝置的硬件設計、系統中任務和中斷工作流程、面積算法原理。所設計的測量裝置操作方便，儀器體積小，便于攜帶。由測試后的數據可以得出，儀器誤差在3%以下，符合標準，可以廣泛應用于土地面積測量。