汪劍云，劉 巖，李 兵，聶小波，肖 昶

（1.中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2.湖北省基礎地理信息中心,湖北武漢430071）

基于車載GPS技術的道路更新系統(tǒng)設計

汪劍云1，劉 巖1，李 兵2，聶小波2，肖 昶2

（1.中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2.湖北省基礎地理信息中心,湖北武漢430071）

采用Visual Basic.NET和ArcGIS Engine組件技術，設計了基于車載GPS技術的道路更新系統(tǒng)；討論了道路更新系統(tǒng)建設的背景和意義；介紹了系統(tǒng)的關鍵技術、建設目標、總體構架、數(shù)據(jù)庫及功能設計。實踐證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、成本低、實用性強。

GPS；ArcGIS Engine；道路更新系統(tǒng)

近年來，道路交通的發(fā)展和增長速度迅猛，而現(xiàn)有導航電子地圖中道路信息的現(xiàn)勢性差，更新周期長，數(shù)據(jù)年代不一，資料陳舊，時間跨度大，嚴重制約了經(jīng)濟的發(fā)展。因此，如何及時地更新道路信息被各級測繪部門提上了日程。在國外，應用在道路測量上的重要方法主要有遙感測量、航空數(shù)字攝影和車載 GPS測量法。遙感測量和航空數(shù)字攝影雖然精度高，但是價錢昂貴、可操作性不強、更新周期長，而利用車載GPS技術可以快速、高效、低成本地采集公路及其附屬設施數(shù)據(jù)，是當今測繪界最為前沿的科技之一，代表著未來道路地理信息更新的發(fā)展主流[1-3]。道路數(shù)字化是“數(shù)字湖北”的重要組成部分。如何加快湖北省道路的數(shù)字化建設，如何及時地進行道路信息的更新，是實現(xiàn)湖北省道路管理現(xiàn)代化的必由之路。在這種需求和背景下，本文采用ArcGISEngine作為二次開發(fā)平臺，設計開發(fā)了適用于湖北省基礎地理信息中心的道路更新系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)關鍵技術

1.1 GIS技術

近年來，GIS技術在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛。GIS以地理空間為基礎，采用地理模型分析方法，提供多種空間和動態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，GIS技術不僅為客戶端提供地圖和數(shù)據(jù)服務，還可支持用戶遠程數(shù)據(jù)采集，為系統(tǒng)操作人員實現(xiàn)定制界面以及面向數(shù)據(jù)編輯的應用等。系統(tǒng)將采集到的信息實時地進行處理后輸出到GIS系統(tǒng)，以生成和更新數(shù)字道路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對電子地圖的更新。GIS具有很強的分析、處理和查詢等功能[4]。

1.2 車載GPS技術

車載GPS技術就是將GPS接收機連接到電腦上，整套裝置安置在移動車輛上，根據(jù)車輛移動實時接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來定位，解析坐標信息實現(xiàn)衛(wèi)星的可視化，顯示車輛的運行軌跡。車載GPS技術具有全天候、全球性、觀測時間短、定位精度高、應用廣泛等優(yōu)點，能夠快速實現(xiàn)道路數(shù)據(jù)的采集和更新，修正和完善制約交通發(fā)展的電子地圖[5，6]。

1.3 通信技術

系統(tǒng)中設計的通信技術包括 2種：①串口通信技術。通過計算機的串行端口，使用RS-232通信接口標準，按異步串行方式進行數(shù)據(jù)傳輸，通過SerialPort串口控件編寫串口通信程序，實現(xiàn)GPS接收機和計算機之間的通信過程。這種通信方式簡單可行，在遠距離通信中可以節(jié)約通信成本[7]。②第三代移動通信技術。它是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術。它可以作為道路信息更新系統(tǒng)客戶端與服務端的連接件，使道路信息更新系統(tǒng)與監(jiān)控中心能夠進行遠程數(shù)據(jù)交互。

1.4 多線程技術

多線程技術是指在一個進程中相對獨立的運行多個線程。一般而言，系統(tǒng)的每一個程序都是一個進程，在本系統(tǒng)中，采用多線程技術可以有效地簡化開發(fā)工作，主線程專門負責消息處理，使程序能夠迅速地響應用戶的需求；輔助線程用于實現(xiàn)串口通信，接收GPS信息，通過控制事件來解除線程的阻塞和響應主線程的命令。在程序結束時關閉串口，釋放串口資源[7]。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)建設目標

系統(tǒng)的總體建設目標是：運用車載GPS技術、GIS技術、計算機技術、現(xiàn)代化通信技術和多線程技術，結合數(shù)據(jù)庫技術，初步探討運用車載GPS進行道路更新的方法、手段、坐標精度及關鍵技術。構建車載 GPS數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對省內道路信息的采集、錄入、處理、存儲、查詢、顯示、輸出和更新等功能的開發(fā)，為湖北省地理信息平臺道路信息數(shù)據(jù)更新提供關鍵技術支撐，為建設“數(shù)字湖北”和政府管理決策信息化提供必要的信息基礎。

2.2 系統(tǒng)設計原則

1）先進性和成熟性原則。系統(tǒng)建設采用先進的技術、方法、軟件、硬件和網(wǎng)絡平臺，確保方法及系統(tǒng)的先進性和可靠性能夠適應未來技術的發(fā)展和需求的變化，能夠可持續(xù)發(fā)展。

2）實用性原則。系統(tǒng)的建設以實際應用為本，充分考慮相關部門業(yè)務活動的實際需要，貼近用戶的實際需求、方法先進、功能實用、界面友好和美觀、操作簡單、使用方便。

3）可維護性和擴展性原則。系統(tǒng)具有較強的可維護性和擴展性，能夠方便地進行管理與維護，軟、硬件的升級不影響正常運作，系統(tǒng)功能、結構以及數(shù)據(jù)庫可方便地擴展。

4）高性能和穩(wěn)定性原則。在系統(tǒng)的設計、開發(fā)和應用時，從系統(tǒng)結構、技術措施、軟硬件平臺、技術能力等方面綜合考慮，確保系統(tǒng)具有較高的性能，運行穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體框架設計

鑒于本系統(tǒng)的建設目標和需求分析，采用 C/S的雙層系統(tǒng)構架，以基于車載GPS技術的道路更新系統(tǒng)研發(fā)為主，將系統(tǒng)總體框架結構劃分為5層：用戶層、應用層、邏輯層、數(shù)據(jù)層和支撐層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結構圖

1）用戶層，由湖北省基礎地理信息中心領導及相關部門人員組成。通過本層為相關領導部門提供輔助決策支持，為數(shù)據(jù)維護人員提供工作依據(jù)，可以極大地提高相關部門的工作效率。

2）應用層，是系統(tǒng)的核心部分，該層主要向相關城市管理部門、企業(yè)和社會及個人等提供道路規(guī)劃、城市建設、空間需求分析、空間信息查詢等服務。

3）邏輯層，主要由6大功能模塊組成，負責接收和處理各種數(shù)據(jù)，并實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行，可在數(shù)據(jù)存儲層查詢、提取和輸出所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地圖和道路軌跡的可視化。

4）數(shù)據(jù)層，主要包括3種數(shù)據(jù)：坐標數(shù)據(jù)用來實現(xiàn)軌跡的生成；導航信息數(shù)據(jù)用來顯示衛(wèi)星個數(shù)和強度等接收狀況；地圖數(shù)據(jù)用來顯示動態(tài)地圖。

5）支撐層，由客戶端和服務器端組成，客戶端主要由各種硬件和軟件系統(tǒng)組成，服務器端主要由 Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器組成?？蛻舳丝赏ㄟ^無線3G網(wǎng)和Inter網(wǎng)將用戶指令或請求提交給服務器端，服務器端再從后臺調出其所需要的服務和處理結果并返回給客戶端。

3.2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能主要包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、導航信息監(jiān)控、道路生成、地圖顯示、數(shù)據(jù)導出等，功能構成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能構成圖

1）數(shù)據(jù)接收模塊。GPS接收機與便攜計算機連接在一起，安置在車輛上，持續(xù)跟蹤所有視野內的衛(wèi)星，接收機將這些衛(wèi)星的訊號接收下來，并通過串行通信口輸出。接收模塊接收串口輸出的各種信息，包括時間信息、衛(wèi)星信息、坐標信息等。

2）數(shù)據(jù)處理模塊。將接收到的各種坐標信息、導航信息、衛(wèi)星信息等進行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)精度情況，剔除粗差坐標信息數(shù)據(jù)，進行初步的數(shù)據(jù)處理，為其他功能使用這些數(shù)據(jù)做好準備工作。

3）導航信息監(jiān)控模塊。對各種GPS信息數(shù)據(jù)，包括坐標信息數(shù)據(jù)、時間信息數(shù)據(jù)、衛(wèi)星分布信息數(shù)據(jù)、信號強度信息數(shù)據(jù)、高程信息數(shù)據(jù)等進行可視化顯示，方便用戶及時了解各種GPS信息數(shù)據(jù)實時接收的狀況（如衛(wèi)星個數(shù)是否足夠、信號是否良好等）。

4）道路生成模塊。根據(jù)實驗接收的各種GPS坐標信息數(shù)據(jù)，生成可供在湖北省1∶50000基礎底圖上直接顯示的路徑信息數(shù)據(jù)，并在基礎底圖上顯示運行軌跡。

5）地圖顯示模塊。加載境界、道路、水系、居民地等可以輔助監(jiān)測GPS車輛實時運行情況的矢量信息數(shù)據(jù)，方便用戶進行實際道路信息更新的監(jiān)控，主要功能包括放大、縮小、漫游、刷新、全屏及各種狀態(tài)的切換等。

6）道路數(shù)據(jù)導出模塊。將接收到的道路數(shù)據(jù)以ArcGIS中的shp格式輸出顯示。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計主要用到兩大類數(shù)據(jù)：①GPS定位信息數(shù)據(jù)，包括坐標信息數(shù)據(jù)、導航信息數(shù)據(jù)，如時間、衛(wèi)星狀態(tài)、信號強度，方位角等；②地圖數(shù)據(jù)，即疊加在實時道路信息下面的基礎地理信息底圖，采用數(shù)字武漢解密版1∶50000電子地圖數(shù)據(jù)。前者采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的形式在本地客戶端和服務器端同時存儲；后者采用本地文件數(shù)據(jù)庫的形式進行組織存儲，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結構圖

GPS接收機每秒接收至少10條數(shù)據(jù)字符串，各種GPS專項信息，如定位信息、可見衛(wèi)星信息、地面速度信息等都是由1條或多條這樣的字符串組成。因此，為了降低系統(tǒng)復雜性,統(tǒng)一存儲模式，提高解析效率，系統(tǒng)對所有字符串信息采用分條存儲的方式進行建庫，系統(tǒng)啟動時直接實時調用這些數(shù)據(jù)并予以處理。系統(tǒng)GPS定位信息表如表1所示。

GPS接收機接收的數(shù)據(jù)具體格式為：

表1 GPS定位信息表

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為M icrosoft Visual Studio2008,采用的編程語言為 Visual Basic.NET，GIS開發(fā)平臺為ArcGIS Engine，數(shù)據(jù)庫為Access 2003。系統(tǒng)將導航型GPS接收機連接到PC機上，整套裝置安置在移動車輛上，通過車輛移動將實時接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過串口傳送到計算機上，再通過3G網(wǎng)絡，將數(shù)據(jù)信息存儲到特定服務器數(shù)據(jù)庫中，其他用戶若要觀察GPS車輛實時路徑信息，可安裝該客戶端，通過Inter網(wǎng)連接指定數(shù)據(jù)庫，在GIS的支持下，進行地圖匹配等相關處理后，在電子地圖上顯示出車輛的運行軌跡。本系統(tǒng)在用戶接口設計方面遵守用戶界面設計的3個原則：“置界面于用戶的控制之下”、“減少用戶的記憶負擔”、“保持界面的一致性”。系統(tǒng)保持界面的簡潔，合理分配空間擺放各種菜單、工具條、控件，利用顏色、圖像和顯示效果來達成內容與形式的統(tǒng)一。系統(tǒng)部分主界面如圖4所示。

2011年8月20日，采用車載GPS技術，車輛沿湖北省武漢市中南路、武珞路、珞獅路、雄楚大道、南湖大道方向行駛，實驗時間60 m in，將采集到的數(shù)據(jù)和武漢市原數(shù)據(jù)庫中的1∶50000數(shù)據(jù)進行了精度對比分析，實驗證明該系統(tǒng)的道路數(shù)據(jù)精度可達到 5 m，能夠滿足湖北省1∶50 000地圖道路數(shù)據(jù)更新的需求。此外，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、成本低、實用性強、更新速度快、開發(fā)性強。

圖4 系統(tǒng)部分主界面

5 結 語

本系統(tǒng)不僅可以滿足湖北省1∶50000地圖道路數(shù)據(jù)的更新，還可為政府交通、旅游、公安等相關部門提供各種導航、數(shù)據(jù)和車輛服務,具有較大的實用價值和廣闊的應用前景。為了使本系統(tǒng)能夠得到更廣泛的應用，可結合湖北省 CORS(連續(xù)運行參考站)系統(tǒng)，采用差分GPS定位、CCD相機等相關設備，對其功能的擴展、精度的提高、信息的豐富等進行進一步地研究和開發(fā)，以滿足1∶10000地圖道路數(shù)據(jù)更新的精度要求，使其應用達到一個新的高度。

[1] 李永豐,於新國.利用GPS快速采集道路信息系統(tǒng)的研究[J].地理空間信息,2007,5(5):28-29

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Design of Road Update System Based on Vehicle-borne GPS

by WANG Jianyun

This paper designed the Road Update System which based on Vehicle-borne GPS with Visual Basic.net and ArcGIS Engine component technology.It discussed the background and significance of the Road Update System construction and introduced the key technology, construction goal,overall structure,database and function design of the system.It turned out that the system was of great stability and strong practicability.

GPS，ArcGIS Engine，Road Update System

2012-02-22

P228.4

B

1672-4623(2012)03-0097-03

汪劍云，碩士，主要從事GPS應用研究。