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多邊形的面積求取算法

三角形面積

xy平面內,有三角形123,如下圖所示:

1

借助矢量叉積和點積,這個三角形的面積公式非常簡單:

這個面積是有符號的:123逆時針排列,則面積為正;123順時針排列,則面積為負。這是對右手系的總結,如果從背面看這個坐標系就成了左手系。在左手系下,面積的正負情況正好相反。所以,關于面積正負的準確說法應該是:123的排列順序與方位角增加的方向一致,則面積為正;123的排列順序與方位角增加的方向相反,則面積為負。

最后,上面的公式不夠美觀,來一個神來之筆:

多邊形面積

假定某個多邊形有n個頂點:123、……、n。現在任取一點C,它與n個頂點可以構成n個三角形:(C,1,2)、(C,2,3)、(C,3,4)、……、(C,n-1,n)、(C,n,1)。

現在把這些三角形的面積累積起來,就是多邊形的面積了,即:

注意上面公式的最后一項為SC,n,n+1)。頂點n+1超過了n,就轉回去取值為1

現在,把C點取為原點O,就可以得到多邊形的面積公式如下:

上式中,應該取為

多邊形面積同樣有正負,以下圖為例。多邊形有四個頂點12342314有交點P

2

面積12P為正,面積34P為負。兩塊面積相加,多邊形的面積就是零了。所以使用計算多邊形面積時,各條邊一定不要有交點。

遞推公式

假定拿著手持GPS一邊走一邊顯示面積,那么這個公式就有點不太合適了。因為它每次都要計算n個頂點,隨著頂點數n的增加其計算效率越來越低。此時,可以考慮使用遞推公式。

假定表示頂點123、……、n圍成的多邊形面積,給多邊形增加一個頂點n+1后其面積變為。則有:

可得多邊形面積計算的遞推公式如下:

上述遞推公式要計算3個三角形的面積,為了簡化計算,將C點取為1號頂點,則遞推公式變為:

因為均為零,因此上式可簡化為

做為遞推公式,初始值很重要:

最終的遞推公式為:

精度評定

拿著手持GPS測量了一圈面積,其測量誤差能有多少?1畝地的面積測量誤差就達到了1畝,那這個測量就沒有什么實際意義了。

微分多邊形面積公式,可以得到

注意上式中的請取為相鄰點,同樣的也應取為相鄰點;

根據誤差傳播率,可知:

假定頂點坐標的點位中誤差為,且,則根據可知,代入上式,可得

兩邊開平方,可得多邊形面積的精度

上式中的只與多邊形的圖形結構有關,也就是說:面積精度與多邊形的圖形結構是有關系的。

假定多邊形為正方形,且邊長為。則面積精度,面積相對精度。可見:測量的范圍越大(即越大)則面積精度越低,但面積的相對精度越高。

假定多邊形為正邊形,且外接圓半徑為。則圓心角,面積精度,面積相對精度。可見:測量的范圍越大(即越大)則面積精度越低,但面積的相對精度越高。測量點越密集(即越大)則面積精度、面積相對精度越高。

結論:

1、面積精度與多邊形的圖形結構是有關系的;

2、測量的范圍越大,面積精度越低,但面積的相對精度越高;

3、測量的頂點越密集,則面積精度和面積相對精度越高。