吳先富

(廣西天峨公路管理局，廣西 天峨 547300)

0 引言

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

1 GPS技術(shù)簡(jiǎn)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(jiǎn)稱(chēng)，是通過(guò)GPS衛(wèi)星發(fā)送基于NMEA-0183協(xié)議的導(dǎo)航電文來(lái)確定坐標(biāo)。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀，每幀長(zhǎng)6 s。前三幀各10個(gè)字碼，每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)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(cè)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(shí)，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(gè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)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(guò)GPS手持機(jī)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(xiàng)目實(shí)例，本文針對(duì)GPS模塊配合筆記本電腦進(jìn)行研究，以探險(xiǎn)家v-800+為例，具體技術(shù)參數(shù)如下：(1)接收芯片型號(hào)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(xiě)的GPS數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)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(jì)算如式(1)所示[2]，經(jīng)計(jì)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(shí)時(shí)分析界面示意圖

經(jīng)計(jì)算和圖2說(shuō)明該GPS模塊測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)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(cè)量樁號(hào)精度應(yīng)為10 m級(jí)，比人工現(xiàn)場(chǎng)估算的樁號(hào)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(jī)直接采集；方法二：系統(tǒng)調(diào)用Google earth進(jìn)行圖上采集。方法一按照設(shè)備說(shuō)明書(shū)便可完成，在此重點(diǎn)介紹本項(xiàng)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(shí)地獲取路線的起點(diǎn)及終點(diǎn)坐標(biāo)，在安裝好的Google earth中找到所要采集路線的起點(diǎn)，點(diǎn)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(shí)界面中的光標(biāo)由抓手會(huì)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(diǎn)，彎道適度加密至每5 m一點(diǎn)，繪制出路徑折線直至終點(diǎn)，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(hào)，最后保存到d盤(pán)下的gpsstyle.mdb數(shù)據(jù)庫(kù)中作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用，同時(shí)數(shù)據(jù)中保存了GPS的校正數(shù)據(jù)包括沿線基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)度矯正偏量ΔL和緯度矯正量ΔB，通過(guò)偏量矯正可將測(cè)點(diǎn)矯正至更接近Google earth的圖上地物點(diǎn)，以保證樁號(hào)測(cè)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(guò)線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集，可獲得大量各類(lèi)型信息(數(shù)字、圖像、聲音、視頻等)，需要對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一和整合。且由于人為原因，會(huì)造成數(shù)據(jù)之間存在誤差，因此需要后期進(jìn)行校正。

3.1 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是將不同類(lèi)型的描述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式，從而獲得精準(zhǔn)的線路、樁號(hào)位置信息。數(shù)據(jù)融合可借助專(zhuān)業(yè)設(shè)備和軟件完成，在此不再詳細(xì)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(xiàng)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(jìn)行融合，對(duì)樁號(hào)進(jìn)行虛擬，以此校正樁位，具體做法如下：

(1)以外業(yè)采集車(chē)采集的線路樁號(hào)GPS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS系統(tǒng)建立矢量GPS虛擬樁號(hào)(見(jiàn)圖3)。利用“路徑誘導(dǎo)算法”得出A、B兩地間的Poi(信息點(diǎn))列表，相應(yīng)點(diǎn)的GPS信息也可確定。對(duì)相鄰的Poi點(diǎn)進(jìn)行等分(具體間距可自由掌握)，分割線便可作為虛擬樁號(hào)[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(duì)比校正(以GPS數(shù)據(jù)為準(zhǔn))。具體應(yīng)用方法：利用點(diǎn)(x，y)4個(gè)相鄰虛擬點(diǎn)p(0，0)、p(1，0)、p(0，1)、p(1，1)的GPS坐標(biāo)值在(x，y)兩個(gè)方向上做線性?xún)?nèi)插。

4 實(shí)地運(yùn)用效果分析

本項(xiàng)目線路為S517線樂(lè)業(yè)至三門(mén)海路段，起點(diǎn)樁號(hào)為56.218，終點(diǎn)樁號(hào)為94.71，所管轄里程為38.492 km(見(jiàn)表1)。累計(jì)采集1 093個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，路線計(jì)算長(zhǎng)度為38.465 km，誤差為0.07%。

以更新中學(xué)橋?yàn)閰⒄拯c(diǎn)，實(shí)地測(cè)取GPS坐標(biāo)(24.683 380 2；106.867 81)，并推算樁號(hào)為K62+595，與設(shè)計(jì)樁號(hào)K62+600相差5 m，滿足預(yù)期要求，對(duì)沿線整樁號(hào)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。所測(cè)誤差均在10 m內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

使用GPS技術(shù)對(duì)樁號(hào)進(jìn)行查詢(xún)具有全天候、性能穩(wěn)定、信息化程度高的特點(diǎn)，而且查詢(xún)手段快速、精確，所采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易于維護(hù)、保存，系統(tǒng)運(yùn)用可拓展性強(qiáng)，是當(dāng)前開(kāi)展公路樁號(hào)信息化建設(shè)的必然趨勢(shì)，公路信息化建設(shè)必須體現(xiàn)公路建設(shè)管理基層的實(shí)際需要，著力于開(kāi)發(fā)運(yùn)用新技術(shù)新成果，才能滿足時(shí)代的需要。