面向风景园林应用的面积测量精度对比研究

于清瑶 王红艳 戴士杰

（西北农林科技大学风景园林艺术学院，陕西 咸阳 712100）

0 研究背景

面积测量关乎风景园林学的研究精度和结果信度，其在风景园林行业中的应用十分广泛，主要包括场地感知、古典园林保护与更新、城市公园环境特征评价、园林空间集聚特征分析和园林工程。

目前风景园林学科采用的测量方法主要基于无人机、手持GPS或手机测量App。现有研究多采用单一方式测量研究对象的面积属性，忽略其测量精度，导致研究结果信度成为“黑盒问题”。系统性的面积测量比较业已成为亟待解决的科学问题。该文基于三种主要的面积测量方法，设计对比试验验证其测量精度和结果信度，以定量化的方式呈现3种测量方法在各场景下的差别，为根据实际情况选择适宜的测量方法提供可能，构建精度可控的面积测量体系。

1 研究对象与方法

1.1 研究区概况

为保证试验的连续性，降低外部因素干扰，试验选择西北农林科技大学南校区田径场（34.262678°N， 108.069433°E）为研究基址。该地地势开阔平整，周围无高大建筑物，能有效保证测量设备同时接受到4颗GPS卫星信号，并满足全站仪各控制点之间通视的条件。

集思宝手持GPS仪、50米卷尺、苏一光RTS302全站仪、大疆Mavic mini无人机、土流网测亩仪、天利测亩仪、无人机遥感数据处理软件Pix4Dmapper3.0、移动端无人机飞行工具Pix4Dcapture3.2。

1.2 试验内容

试验选取大部分园林绿地中游人的可进入面积（50m～5000m）作为试验范围，使用全站仪、无人机、手持GPS、土流网测亩仪以及天利测亩仪5种工具，分别进行正方形地块面积测量（约50m、100m、200m、500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m）和圆形地块面积测量（约50m、100m、200m、500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m），其中以 全站仪的面积测量结果作为其他方法的参照。每次试验重复3次，取平均值作为最终结果。

地块面积测量结果的相对误差如公式（1）所示。

式中：为地块标准面积，试验中以苏一光RTS302全站仪所测算的试验地块面积值作为地块标准面积。该GPS设备在动态条件下，测距精度可达到（1+2ppm×）mm（当被测量距离为1km时，仪器的测距精度为1mm+2ppm×1（km）=3mm，即全站仪测距1 km，最大测距误差不大于3mm），是目前测量精度较高的外业测量仪器，能够满足试验要求。a为该研究所述的集思宝手持GPS仪、大疆Mavic mini无人机、土流网测亩仪、天利测亩仪的实际测量值。

在Bigemap中通过“绘制形状”工具选取与设定面积相近的控制点，尽量以地面上的突出标志物或田径场边界线等分点为准。使用卷尺量取目标面积的对应边长，用胶带在地面划“+”号，标出控制点的位置。

随着科技的发展，我们进入了信息化时代，信息技术在社会中的各个行业中都得到了广泛的应用，当然也就能够在旅游业中起到一定的作用。旅游人才可以通过社会化网络服务对与旅游相关的信息进行传播，并通过信息技术创建新的信息传播渠道，以提高旅游产品对游客的吸引力以及在旅游行业中的竞争力，从而提高旅游业的经济效益，使旅游业能够得到良好发展。

设站，在要测量面积的地块中央位置设站。

对中和整平，通过脚架对中、脚螺旋对中、脚架整平、脚螺旋整平和平移基座使全站仪的对中整平满足试验要求。

面积测量，调出全站仪的面积测量程序；立镜员将带有棱镜的对中杆竖立在地块边缘的一个起始点上，对带棱镜的对中杆进行整平；将全站仪对准棱镜，测出该点坐标；立镜员沿着地块按照顺时针走到地块的边缘（多边形）的另一个角点，用全站仪测出该点坐标。当走完一圈，到达最后一个角点后，测量该点坐标，在全站仪中按动功能键，结束测量。

数据记录，按动计算按钮，全站仪显示地块面积，将地块面积做好记录。

在手持GPS“面积测量“功能中新建工程文件，GPS显示信号接收良好后，沿控制点连线顺时针行走一周，记录显示的地块面积。每个地块面积进行3次试验，取平均值作为最终结果。

天利测亩仪由天津天利信息科技有限公司于2015年开发，软件集成测量土地面积、长度、显示土地形状等常见功能。使用手机App天利测亩仪中的“环绕测面积”功能测量地块面积。沿控制点连线顺时针行走一周，得到测量结果并将单位由“亩”换算成“平方米”。每个地块面积进行3次试验，取平均值作为最终结果。

土流网测亩仪由土流集团有限公司开发，软件集成土地面积、周长、海拔高度、坡度显示土地形状等常见功能。使用手机App土流网测亩仪默认功能测量地块面积。沿控制点连线行走一周，记录显示的地块面积。每个地块面积进行3次试验，取平均值作为最终结果。

使用Pix4Dcapture预设定无人机自动飞行航线，设置相对飞行高度为60 m，实地飞行后，获取照片共76张。在场内按正方形分布设置4个控制点，使用GPS实时RTK模式获取其坐标。Pix4Dmatic是一款针对大面积测绘和廊道测绘的摄影测量软件，将拍摄得到的照片组导入Pix4Dmapper软件进行像素矫正与合成，并输入控制点坐标对图片地理信息进行校正，最后获得正射影像图。

使用Pix4Dmapper对照片组进行优化处理合成后，获得场地的正射影像图，地图比例为1∶1，拍摄日期为2022-3-8。通过软件内面积测量功能，拾取控制点得出面积。

2 结果与分析

2.1 地块面积对测量精度的影响

对在同一时间段内的试验结果，仅以地块面积为变量进行分析，分别比较50m～5000m圆形地块和正方形地块的面积测量结果。根据式（1）的相对误差计算公式，分别计算各地块在四种测量工具下的面积测量相对误差，结果如图1所示。

由图1可以看出，无论基于正方形地块或圆形地块，手持GPS、天利测亩仪、土流网测亩仪的测量结果相对误差均随地块面积增大而降低。地块面积在2000m以下时4种测量工具误差变化幅度较大，2000m以上时误差变化幅度较小。手持GPS、天利测亩仪和土流网测亩仪在地块面积达2000m以上时，误差逐渐降低并趋于稳定，而无人机测量误差变化曲线则是在地块面积达到1000m后就趋于直线。由于手持GPS、天利测亩仪、土流网测亩仪3种工具均基于GPS定位系统进行面积测量，而无人机基于拍摄-地理配准的方式进行测量，可得出结论，使用GPS定位的三种测量工具在进行两种形状的地块面积测量时，其精度均具有相同的变化趋势，即随被测地块面积增大，面积测量值的相对误差逐渐减少，当被测地块面积超过2000m时，面积测量相对误差变化曲线趋于平缓；使用拍摄-地理配准的测量工具测量误差随地块面积变化不明显。

2.2 地块形状对测量精度的影响

由图1可知，以地块形状为变量对试验结果进行分析，3种手持测量工具的测量误差在测量正方形地块时，与测量圆形地块时相比要小，且变化趋势更稳定，而无人机的测量误差在测量圆形地块时，与测量正方形地块时相比要小，其稳定性几乎不受地块形状影响。

图1 不同工具测量面积误差趋势图

对上述试验结果进行分析：全站仪和无人机地块的面积测量范围是控制点连线形成的多边形，而手持测量工具的测量范围是试验者手持仪器经过的路径中自动生成的测量点连线形成的多边形，其中路径会有偏差，测量点与控制点也不能对应。圆形地块所需控制点数量远多于正方形地块，但受全站仪面积测量功能内置点数上限（30）的限制，难以保证控制点数量随地块面积成比例增长。而手持测量工具跟随试验者步行移动，其移动路径难以严格遵循控制点连接而成的多边形，更接近外接于多边形的圆形，且仪器内部自动生成的测量点比预设的控制点数量更多，导致测量结果与标准面积相比偏大。以上3点均说明使用手持测量工具测量圆形地块产生的误差较大。

2.3 四种测量工具的精准度分析

评价一个设备的可靠度一般采用精准度和稳定性两方面指标作为评价标准。在相同条件下，用四种测量工具对50m～5000m正方形地块和圆形地块进行面积测量，手持GPS测量面积平均误差率分别为0.96%、1.23%；天利测亩仪测量面积平均误差率分别为1.95%、2.97%；土流网测亩仪测量面积平均误差率分别为6.34%、10.75%；大疆Mavic mini无人机测量面积平均误差率分别为6.75%、6.60%。由此可知，测量工具精确度：手持GPS>天利测亩仪>土流网测亩仪>无人机。

2.4 四种测量工具的稳定性分析

变异系数用于量纲不同的变量间或平均值差别较大的变量间变异程度的比较。一般情况下，变异系数越小，数据稳定性越高，如公式（2）所示。

式中：为样本标准差，为样本平均值。

由于该试验中4种测量工具对同一地块进行面积测量的结果差异较大，选择变异系数作为比较稳定性的指标。以4种测量工具对正方形地块进行面积测量的数据作为依据，对同一测量地块的3次测量结果进行分析可得，测量结果的稳定性：无人机>手持GPS>天利测亩仪>土流网测亩仪，其变异系数平均值分别为0.0020、0.0127、0.0297、0.1006。

3 结论

以地块面积为研究变量，4种测量工具所得结果的相对误差在地块面积达到一定规模后呈现随地块面积增大而减少的趋势；以地块形状为研究变量，面积测量误差变化无明显规律，由于试验仪器自身条件限制和人工测量过程中的偶然误差，正方形地块较圆形地块测量精度更高；基于精确度对四种测量工具进行比较可知，在未对试验结果进行二次校准的情况下，手持GPS精确度最高，土流网测亩仪精确度最低；基于结果稳定性对四种测量工具进行比较可知，测量结果的稳定性：无人机>手持GPS>天利测亩仪>土流网测亩仪，其中无人机的结果稳定性远高于其他测量工具。

通过手持GPS和无人机进行面积测量是当前风景园林领域测量精度和结果信度较高的方法。手持GPS具有操作简单、轻便易携的特点，但需人工环绕场地进行试验，若场地郁闭度较高、面积较小，建议使用手持GPS进行面积测量；无人机测量结果信度最高，但技术要求较高且结果须经过矫正才可获得精确数据，适用于郁闭度低、较为开阔的场地。