1、车载 GPS 道路修测系统在公路网测绘工程中的应用摘要：本文介绍了车载式 GPS 道路修测系统的基本原理和体系结构，详细讲述了修测系统在“公路网 GPS 测绘工程”的应用。 ”公路网 GPS 测绘工程“是由多家部门共同参与的大型道路测绘项目，目的是解决现有的公路网数据库现势性差的问题。文中结合“公路网 GPS 测绘工程”重点阐述了修测系统中几个关键技术的实现方法，最后给出了修测系统在该工程中的使用效果。 关键词：GPS、公路网、道路修测 中图分类号：O4-34 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 GPS 简介 1973 年美国国防部批准其陆海空三军联合研制卫星导航定位系统-授时与测距导航系统
2、/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS） ，简称全球定位系统（GPS） 。起初的 GPS 方案由 24 颗卫星组成，这些卫星分布在互成 120的三个轨道平面上，每个轨道平面分布 8 颗卫星，这样的卫星布局可保证在地球上的任何位置都能同时观测到 69 颗卫星。为识别不同的卫星信号并提高系统的抗干扰能力和保密能力，采用了直接序列扩频技术（DS-SS） ，整个系统相当于一个码分多址系统（CDMA） 。为了补偿电离层效应的影响，采用了双频调制。 GPS 系统主要有三大组成部分，即空间
3、星座部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS 系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。 1.2 公路网 公路网是指由国、省、县、乡、村各级公路组成的交通系统。 1.3 道路修测 道路修测是指对地形图数据库中道路数据的更新过程，主要手段用GPS 对公路网各个要数进行采集。其主要工作对一定范围内的国、省道数据和具乡道数据进行采集更新，目的是为了解决现有公路网数据库现势性差的问题。公路网 GPS 测绘工程采用车载式 GPS 道路修测系统作为测量公路数据的作业软件。车载 GPS 测绘道路信息不仅精度高、更新速度快，二期车辆在实际
4、道路行驶过程中可以实时记录道路及道路两边的属性信息，或者与交通部提供的道路数据库相匹配。大大提高了电子地图中道路信息的现势性。自适应吕博士近年新出现的动态 GPS 定位算法，我国学者在这方面作了大量卓有成效的研究工作。本系统采用杨元喜等（2001）提出的抗差自适应滤波方法，大大提高了结果数据的精度。 2 系统的原理及结构 2.1 系统实现的基本原理 本系统采用差分技术来测量道路数据，差分 GPS 技术发展十分迅速，通过差分处理能达到 5m 的定位精度，二利用载波相位差分技术科在数百千米范围内达到分米乃至厚米级的定位精度。差分 GPS 需要两台测量型GPS 接收机，一台作为固定站，放置在已知测量
5、控制点或由测量控制点推算到的定位点。另一台作为流动站，放置在车辆上对道路进行动态测量。实测结束后，对两台 GPS 接受机中的数据进行差分计算及坐标转换，从而得到道路坐标数据。 2.2 系统组成 车载式 GPS 道路修测系统课题主要解决的问题是道路及道路附属设施数据的采集，用新采集的数据更新地图数据库中的交通要素。具体研制内容划分为五大部分：作业前准备、GPS 野外实测、数据后处理、成果输出、技术文档、 3 关键技术的实现 3.1 图像的裁剪拼接 本系统采用栅格化图作为底图。在作业过程中，所采集的县乡道有可能出现跨图幅的现象，由于使用的地形图是高斯投影，一般的商业软件无法按照严格的数学基础进行裁
6、剪，因此也就无法进行图幅之间的拼接，这样就给生产作业造成很大的不便。为此，必须编写图像裁剪软件。该软件是将具有高斯投影的图像转换成矩形图像，以便将相邻的图幅进行无缝拼接，它的转换是建立在严格的数学基础之上的。为了防止转换后再高纬地区产生变形，设计了人机交互式的界面，可以输入变换以后的图宽和图高。同时按照地图内图廓线进行裁剪，将扫描的多余部分去掉。这样，经过转换以后的地形就可以在商业软件中任意进行拼接。 3.2 GPS 差分计算 动态导航与定位的质量取决于对动态载体扰动和观测一场扰动的认知和控制。在传统滤波过程中，常出现发散和载体在突然加减速或拐弯等处于运行状态不平稳时的精确定位问题。针对上述问
7、题，杨元喜等（2001）提出了抗差自适应滤波方法。该方法不仅能够抵制观测异常的影响，而且对状态扰动具有较强的灵活性。因为它只基于状态预报值与当前历元的观测信息的不符值确定状态扰动水平。在 GIS 道路修测系统中应用抗差自适应 Kalman 滤波，该算法采用 a 因子平衡预测状态和观测信息的权比 j，是利用抗差估计和状态协方差矩阵膨胀模型相结合的自适应滤波。A 因子的构造可基于状态不符值也可采用方差分量估计方法。通过采用抗差自适应滤波有效地解决了处理街道转盘数据时出现的发散和交叉现象。其结果数据轨迹光滑，而且精度也更高，完全满足 1:25 万地图的道路信息更新和新道路信息采集的精度要求。在分叉路
8、口，自适应滤波绘制的图形也与实际道路信息非常符合。在多次车载动态 GPS 试验中，共采用了三种计算方案，即随 GPS 接收机的商用导航软件、某专用软件及抗差自适应 Kalman 滤波。计算中发现，随机导航软件计算结果精度在 10 米，某专用软件的精度在 5 米-6 米，而自适应滤波结果的平均精度在 3 米。这个路段的自适应滤波结果不仅比娶她两种方法的轨迹光滑，而且精度也更高。 3.3 插补道路导航数据 在作业中，由于仪器本身和环境条件的影响，测量型 GPS 接收机有时收不到卫星信号或接受的卫星信号较差。此时，通过 GPS 差分计算，在某些事件段道路的坐标数据不能得到或连续性较差，这直接影响了道
9、路数据的获取。可喜的是，经过多次试验和生产证明，在野外采集作业中，导航型 GPS 接收机（SPS 导航仪）接收卫星信号灵敏度高，受环境条件影响较小，除在室内，隧道等特殊环境外，都能正常地接受信号，处理得到的道路坐标数据连续性效好，差分得到的道路坐标数据和导航得到的道路坐标数据都反映作业车辆运行的轨迹，都代表着所测道路的坐标数据，相比之下，差分得到的道路坐标数据精度更高，但在不能正常差分道路坐标数据的情况下，可用相同时段的导航道路坐标数据 经过数学变换，补充无法得到的差分道路坐标数据。 3.4 道路坐标数据与属性数据匹配 完整的地图数据都是由坐标数据和属性数据共同组成，而野外采集到的道路坐标数据
10、和属性数据是期待关联的相互独立的数据集，通过数据关联与匹配将外业采集到的属性数据与经过差分计算的 GPS 坐标数据建立相对应的关系，形成一个有机整体共同表示出道路的各种要数与信息。 4 结论 车载 GPS 道路修测系统在公路网测绘工程中（含修补测）发挥了重要作用。实际应用该系统工作稳定且精度高，所采集数据平面精度达到3 米，完全能够满足 1：5 万以及更小比例尺地形图数据库道路数据更新要求。利用交通部门提供的道路及附属设施的属性资料，对所测道路自动进行属性匹配，减少了数据输入工作量提到高了工作效率。 参考文献 李德仁、陈小明、郭炳轩、仲思东 车载 GPS 道路信息和更新系统研究 武汉测绘科技大学学报 2杨元喜、何海波、徐天河 论动态自适应滤波测绘报 3杨元喜、唐颖哲、李庆田、邹选江 用于 GIS 道路信息修测的动态 GPS 自适应滤波实验 测绘科学
