土地面积无论是在精细农业的生产管理中还是在土地规划、林地验收、土地勘测等领域中,都是非常重要的数据。高精度多功能的土地面积测量系统对于精耕细作、合理规划土地等都具有重要意义。现阶段,对土地面积测量的研究虽然已经很成熟了,但主要是对平整的土地面积进行测量,对三维曲面土地面积测量方面的研究较少。针对这个问题,本文设计了一套基于GPS的三维土地面积测量系统。该系统可以应用于平面土地面积、农业机械作业面积及三维曲面土地面积的准确测量。系统主要由土地面积测量仪和上位机管理系统两个部分组成,可以通过上位机管理系统查看当前及历史土地面积测量轨迹线路图,对历史测量记录信息进行查询、修改、删除等操作。本文的主要研究内容包括以下几个部分:(1)提出了基于三维空间面积勾股定理的土地面积计算算法。给出了三种测量模式:平面土地面积测量、农业机械作业面积测量及三维曲面土地面积测量。测量算法主要包括大地坐标系与地心直角坐标系之间的转换、三维空间面积勾股定理的推导、三种不同测量模式下土地面积的计算方法等。(2)土地面积测量仪设计。土地面积测量仪的硬件部分包括电源模块、主控电路板、GPS导航定位模块、GPRS无线数据传输模块、气压传感器模块、液晶显示模块、按键模块等。主要实现对土地面积测量区域地理位置信息的采集、气压传感器的读取、气压值与海拔高度值的换算、与上位机管理系统间的无线数据通信、土地面积测量结果的显示等功能。(3)上位机管理系统设计。利用Visual Studio 2013开发环境下的C#语言开发上位机管理系统。通过ax Winsock控件完成基于TCP/IP协议的通信功能,实现与土地面积测量仪间的数据交互;使用ArcGIS Engine实现在地图上绘制土地面积测量轨迹线路图;利用MySQL数据库实现对系统测量数据的管理;利用MATLAB在后台进行复杂的数据处理,例如三维曲面图形的拟合、三种测量模式下的土地面积计算等。(4)系统运行测试。分别采用曲面拟合法和投影法,在400 m标准运动场及实际地块对平面土地面积测量模式进行了实测对比实验,两种方法测量的相对误差分别为2.79%和2.81%;在一块面积为659.28 2m的矩形区域上,分别模拟了农业机械正常作业、存在重叠作业、存在遗漏作业的作业轨迹,采用轨迹法结合曲面拟合法计算农业机械作业面积,对正常作业轨迹的作业面积测量相对误差为2.28%,对存在重叠作业或遗漏作业的作业面积测量,可以算出实际作业的面积及对应的重叠面积或遗漏面积;模拟了三组曲面数据采用曲面拟合法进行了三维曲面面积计算,相对误差在3%左右。在测试期间系统运行稳定,基本能够满足对不同场合土地面积测量的需求,可为土地测绘行业、精细农业的生产管理等提供参考。