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GPS道路修测系统在中国公路网测绘工程中的应用

1 前 言

         中国公路网GPS测绘工程主要工作是对全国范围内的国、省道数据和县乡道数据进行采集更新,目的是为』,解决现有公路网数据库现势性差的问题。中国公路网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 仅精度高、更新速度快,而且车辆在实际道路行驶过程中吖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。白适应滤波是近年新出现的动态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r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革道路数据。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,而利用载波相位芹分技术可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,放置在已知测量控制点卜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接收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

         本系统采用栅格地图作为底图。在作业过程中,所采集的县乡道有可能出现跨图幅的现象,n1i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剪,冈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了矩形图像,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 。为了防止转换后在高纬地区产生变形,笔者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异常扰动的认知和控制。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。针对上述问题,杨元喜等(2OO1)提出了抗差白适应滤波方法 ]。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控制能力。抗差自适应滤波在计算方面具有很强的灵活性。因为它只基于状态预报值与当前历元的观澳4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121,自适应滤波绘 的图形也与实际道路信息非常符合_5]。在北京地区笔者做了多次车载动态GPS试验。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1O米;某专用软件的精度在5米一6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其它两种方法的轨迹光滑,而且精度也更高。

    3.3 交通部数据自动挂接

         在“中国道路网GPS测绘工程”中使用了交通部提供的第二次全国道路普查的数据。交通部数据在使用上存在较大的难度。该数据在管理上采用独立的数据库,该数据库数据量非常庞大,存放较为分散,没有任何定位坐标信息。而在作业中测绘的数据只有定位坐标数据和作业员实地测量和判读的属性数据,两者之问的联系只能依靠作业员的经验推断交通部数据组织管理以路段作为基本单位,每一条道路都被分为若干路段,并进行编号,建立道路附属设施与路段的联系。编号方法为:路线编号+行政区划代码+路段顺序码1一r 1一r 1一r例: G01 0 l10101 001

         为了自动化地使用交通部数据,在充分分析交通数据的基础 卜,采用下述方法:对需要的交通数据进行重新组织。以作业中采集的若干标志性地物作为控制点,自动地在交通数据和测绘数据之间建立联系,并且推算得到作业中无法采集的数据 选取两个控制点并 交通数据中查找对应的数据项,根据两控制点之间附属设施到控制点的距离,自动配赋各点的误差。对已经采集的附属设施,赋予交通数据中该项的属性值;对于路段节点等采集较困难的数据,根据各自的里程桩号,自动生成该数据。

    3.4 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收的卫星信号较差。此时,通过GPS差分计算,在某些时段道路的坐标数据不能得到或连续性较差,这直接影响了道路数据的获取。可喜的是,经过多次实验和生产证明,在野外采集作业中,导航型GPS接收机(即GPS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,都能正常地接收卫星信号,处理得到的道路坐标数据连续性较好。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。但在不能正常得到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。

    3.5 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的。外业采集得到的道路属性数据和坐标数据足相互独立的,进行数据匹配的目的就是将野外采集得到的道路属性数据与经过GPS差分计算得到的道路坐标数据建立一一对应的关系,形成一个有机的整体,共同表示一个道路要素。

         线状道路要素的数据匹配,可以转换成构成道路的坐标点的数据匹配。笔者采用的匹配方法是根据测得该要素的时间和方位对参考坐标进行内插,得到点状要素的准确坐标数据,再根据时间信息与对应的属性数据相匹配,建立一一对应关系,从 将道路的坐标数据和属性数据联系起来。道路附属设施的定位也是采用相同的匹配方法。

4 结 论

         采用上述设计方案实现的“车载式GPS道路修测系统”在“中国公路网GPS测绘工程”中发挥了重要的作用。大量实际应用证明该系统?运作稳定,所测数据水平精度达到3米,能够满足l:5万以及更小比例尺地形图数据库道路更新的要求。同时充分利用交通部提供的道路及附属设施的属性资料,对所测道路及附属设施自动进行属性匹配,减少了属性数据输入的工作量,显著提高了作业效率。为了提高系统的使用范围,下一步该系统还将增加实时动态差分技术,并将正射立体网作为导航底图,以保证导航的精度和效果。

来源:中导网

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