GPS技術(shù)在公路路線數(shù)據(jù)融合與樁位校正中的應(yīng)用

吳先富

(廣西天峨公路管理局，廣西 天峨 547300)

0 引言

路線樁號對于從事公路行業(yè)工作的管理者而言十分重要，路線樁號數(shù)據(jù)是公路的基本數(shù)據(jù)，每一條公路都會設(shè)置公里碑，道路等級較高的公路還設(shè)有百米樁作為公路的一項硬件設(shè)施，公里碑和百米樁較為完善的路線現(xiàn)場確定樁號較為容易，但對于一些老舊和低等級路線要現(xiàn)場確定樁號較為困難。此外，由于人為原因還可能造成公路樁號定位不準(zhǔn)、累積誤差大等問題，這都會給后期公路管理帶來不便。本文著眼于GPS等技術(shù)的運用來解決上述問題。

1 GPS技術(shù)簡介及精度分析

1.1 GPS技術(shù)介紹

GPS是Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡稱，是通過GPS衛(wèi)星發(fā)送基于NMEA-0183協(xié)議的導(dǎo)航電文來確定坐標(biāo)。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀，每幀長6 s。前三幀各10個字碼，每三十秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15 000 b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文時，提取電文中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知，全球每一個點都有一個對應(yīng)的坐標(biāo)，通常用經(jīng)度和緯度表示，獲取坐標(biāo)可通過GPS手持機或?qū)Ｓ玫腉PS模塊獲得[1]。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)和精度分析

結(jié)合本項目實例，本文針對GPS模塊配合筆記本電腦進行研究，以探險家v-800+為例，具體技術(shù)參數(shù)如下：(1)接收芯片型號MTKII ARM Super Single Chip；(2)定位精度horizontal為2.0 m/cep(50%)；8.0 m/cep(95%)；(3)數(shù)據(jù)格式為NMEA-0183 Ver3.01。系統(tǒng)定位采用差分定位，使用VB編寫的GPS數(shù)據(jù)采集程序進行采集和數(shù)據(jù)分析。工作示意圖如圖1所示。

圖1 筆記本電腦搭載v-800+GPS模塊工作示意圖

該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)誤差σ計算如式(1)所示[2]，經(jīng)計算其經(jīng)度(lat)的標(biāo)準(zhǔn)誤差在314 s內(nèi)為0.000 000 6°，緯度(lon)的標(biāo)準(zhǔn)誤差在314 s內(nèi)為0.000 006°，地球上的1°相當(dāng)于111.319 55 km[2]，那么標(biāo)準(zhǔn)誤差值為0.000 006×111 319.55=0.06 m。

(1)

圖2 誤差實時分析界面示意圖

經(jīng)計算和圖2說明該GPS模塊測量數(shù)據(jù)波動很小，滿足工作要求，由于該GPS模塊的精度誤差為8 m，所以利用測量樁號精度應(yīng)為10 m級，比人工現(xiàn)場估算的樁號提高了一個數(shù)量級，精度完全滿足使用和管理要求。

2 路線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集

目前，路線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集方法有通常有兩種：方法一：采用高精度的GPS手持機直接采集；方法二：系統(tǒng)調(diào)用Google earth進行圖上采集。方法一按照設(shè)備說明書便可完成，在此重點介紹本項目應(yīng)用較多的第二種方法，具體使用步驟如下：

(1)首先連接GPS模塊實地獲取路線的起點及終點坐標(biāo)，在安裝好的Google earth中找到所要采集路線的起點，點擊新建路線，選擇好式樣顏色后將窗口移至屏幕左下角，此時界面中的光標(biāo)由抓手會變?yōu)槭止鈽?biāo)狀態(tài)。

(2)將地圖放大至最佳狀態(tài)并選擇最佳視角后，沿路線每10 m一點，彎道適度加密至每5 m一點，繪制出路徑折線直至終點，繪制完畢后關(guān)閉新建路徑窗口，將新建的路徑保存為某線路.kml文件。

(3)將.kml文件中的數(shù)據(jù)提取并依據(jù)公式(2)處理和分配樁號，最后保存到d盤下的gpsstyle.mdb數(shù)據(jù)庫中作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用，同時數(shù)據(jù)中保存了GPS的校正數(shù)據(jù)包括沿線基準(zhǔn)點坐標(biāo)，經(jīng)度矯正偏量ΔL和緯度矯正量ΔB，通過偏量矯正可將測點矯正至更接近Google earth的圖上地物點，以保證樁號測量獲得足夠的精度。

d=arcos[sin(B1)×sin(B2)+cos(B1)×cos(B2)]×cos(L1-L2)×R

(2)

式中：R——地球半徑，取值6 371 004 m。

3 線路數(shù)據(jù)融合與樁位校正

通過線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，可獲得大量各類型信息(數(shù)字、圖像、聲音、視頻等)，需要對其進行統(tǒng)一和整合。且由于人為原因，會造成數(shù)據(jù)之間存在誤差，因此需要后期進行校正。

3.1 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是將不同類型的描述數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一格式，從而獲得精準(zhǔn)的線路、樁號位置信息。數(shù)據(jù)融合可借助專業(yè)設(shè)備和軟件完成，在此不再詳細介紹。

3.2 樁位校正

樁位校正是提高公路定位精度的基礎(chǔ)性工作，本項目是將GIS系統(tǒng)提供的線路矢量信息和外業(yè)采集的GPS信息進行融合，對樁號進行虛擬，以此校正樁位，具體做法如下：

(1)以外業(yè)采集車采集的線路樁號GPS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS系統(tǒng)建立矢量GPS虛擬樁號(見圖3)。利用“路徑誘導(dǎo)算法”得出A、B兩地間的Poi(信息點)列表，相應(yīng)點的GPS信息也可確定。對相鄰的Poi點進行等分(具體間距可自由掌握)，分割線便可作為虛擬樁號[3]；

圖3 虛擬樁位定位示意圖

(2)虛擬樁位建立后利用“雙線性插值法”將樁位的GPS信息和虛擬里程坐標(biāo)系中數(shù)據(jù)對比校正(以GPS數(shù)據(jù)為準(zhǔn))。具體應(yīng)用方法：利用點(x，y)4個相鄰虛擬點p(0，0)、p(1，0)、p(0，1)、p(1，1)的GPS坐標(biāo)值在(x，y)兩個方向上做線性內(nèi)插。

4 實地運用效果分析

本項目線路為S517線樂業(yè)至三門海路段，起點樁號為56.218，終點樁號為94.71，所管轄里程為38.492 km(見表1)。累計采集1 093個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，路線計算長度為38.465 km，誤差為0.07%。

以更新中學(xué)橋為參照點，實地測取GPS坐標(biāo)(24.683 380 2；106.867 81)，并推算樁號為K62+595，與設(shè)計樁號K62+600相差5 m，滿足預(yù)期要求，對沿線整樁號點的測量結(jié)果見表2。所測誤差均在10 m內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

使用GPS技術(shù)對樁號進行查詢具有全天候、性能穩(wěn)定、信息化程度高的特點，而且查詢手段快速、精確，所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易于維護、保存，系統(tǒng)運用可拓展性強，是當(dāng)前開展公路樁號信息化建設(shè)的必然趨勢，公路信息化建設(shè)必須體現(xiàn)公路建設(shè)管理基層的實際需要，著力于開發(fā)運用新技術(shù)新成果，才能滿足時代的需要。