摘 要：研究旨在探討GNSS在地形圖制圖中動態(tài)數(shù)據(jù)采集與實時更新的策略。通過分析GNSS技術(shù)的基本原理和地形圖制圖的需求，提出動態(tài)數(shù)據(jù)采集和實時更新的方法。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用案例驗證該策略的有效性。結(jié)果顯示，采用GNSS進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集和實時更新可以提高地形圖的精度和時效性。該文的研究為地形圖制圖領(lǐng)域提供一種有效的數(shù)據(jù)采集和更新方法，具有重要的應(yīng)用價值和推廣意義。

關(guān)鍵詞：GNSS；地形圖制圖；動態(tài)數(shù)據(jù)采集；實時更新；地理信息數(shù)據(jù)

中圖分類號：P208 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0171-04

Abstract： This study aims to explore the strategy of GNSS dynamic data acquisition and real-time update in topographic map mapping. By analyzing the basic principle of GNSS technology and the demand of topographic map drawing， the method of dynamic data acquisition and real-time update is put forward. On this basis， combined with the application case to verify the effectiveness of the strategy. The results show that GNSS dynamic data acquisition and real-time update can improve the accuracy and timeliness of topographic maps. The research in this paper provides an effective data collection and updating method for the field of topographic map mapping， which has important application value and popularization significance.

Keywords： GNSS; topographic map mapping; dynamic data acquisition; real-time update; geographic information data

地形圖是地理信息系統(tǒng)中的重要組成部分，對于土地利用規(guī)劃、自然資源管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域具有重要意義。而全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)作為一種高精度的定位技術(shù)，具有在實時、動態(tài)環(huán)境下獲取位置信息的能力，因此在地形圖制圖中具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 GNSS在地形圖制圖中的重要性與應(yīng)用

1.1 GNSS技術(shù)概述

GNSS是一種基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段組成，如圖1所示。空間段由運行于地球上空20 000～37 000 km的衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星廣播信號，提供時間、軌道和健康狀況等信息。地面段由主控、數(shù)據(jù)上傳和監(jiān)測站組成，負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號并校正位置信息。而用戶段則包括接收天線和定位模塊，能夠接收衛(wèi)星信號并輸出位置信息。GNSS技術(shù)利用衛(wèi)星信號進行定位和導(dǎo)航，具有全球覆蓋、高精度和實時性強的特點[1]。在地形圖制圖中，GNSS技術(shù)可用于實時獲取地圖點位信息，幫助繪制精準(zhǔn)的地圖，提高地圖的準(zhǔn)確性和更新速度。

圖1 GNSS技術(shù)組成

1.2 地形圖制圖的需求與挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代社會，地形圖在城市規(guī)劃、交通建設(shè)、資源管理和環(huán)境保護等領(lǐng)域扮演著重要角色。地形圖制圖的主要需求體現(xiàn)在對地理信息的準(zhǔn)確獲取和實時更新上。通過地形圖，人們可以了解地表地形特征，預(yù)測自然災(zāi)害、規(guī)劃城市建設(shè)、保護生態(tài)環(huán)境等。然而，地形圖制圖也面臨著一些挑戰(zhàn)。一方面是數(shù)據(jù)獲取的困難，特別是在地形復(fù)雜、交通不便的地區(qū)，數(shù)據(jù)采集成本高且效率低。另一方面是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性要求，傳統(tǒng)的地形圖制圖往往需要花費大量時間和人力進行數(shù)據(jù)處理和更新，無法滿足人們對實時信息的需求。地形圖制圖還面臨著數(shù)據(jù)融合和處理的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要綜合利用各種傳感器和技術(shù)手段，提高地圖的精度和更新速度。因此，如何利用GNSS技術(shù)手段來解決地形圖制圖中的需求和挑戰(zhàn)，成為了當(dāng)前研究的重要課題之一。

1.3 GNSS在地形圖制圖中的作用與優(yōu)勢

GNSS通過提供高精度的定位和導(dǎo)航信息，可以實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的動態(tài)采集與實時更新，大大提高了地圖的精度和時效性。GNSS技術(shù)具有全球覆蓋的特點，可以在任何地點、任何時間獲取位置信息，使地形圖的制圖范圍更加廣泛和全面。GNSS還能夠提供三維定位信息，包括海拔高度等，為地形圖的立體展示提供了數(shù)據(jù)支持。GNSS在地形圖制圖中可以實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合，結(jié)合地圖數(shù)據(jù)、遙感影像等信息，進一步提高了地圖的準(zhǔn)確性和完整性。GNSS技術(shù)還具有成本低、易于操作、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，適用于各種地形和環(huán)境條件下的地圖制圖工作。

2 GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)采集策略分析

2.1 動態(tài)數(shù)據(jù)采集原理與流程

GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)采集是指利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)實時采集地理信息數(shù)據(jù)的過程，主要包括如圖2所示的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備、信號接收與處理、數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)炔襟E。在動態(tài)數(shù)據(jù)采集前，需要進行野外調(diào)查和規(guī)劃，確定采集區(qū)域、時間和采集任務(wù)，并準(zhǔn)備好相關(guān)設(shè)備和工具。通過GNSS接收設(shè)備在野外開始信號接收與處理。這些接收設(shè)備通常包括接收天線和接收器，天線用于接收來自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，接收器則負(fù)責(zé)處理信號并計算接收位置的坐標(biāo)。在信號接收與處理階段，GNSS接收設(shè)備會通過接收衛(wèi)星信號確定自身的位置、速度和時間信息。接收器會接收來自至少4顆衛(wèi)星的信號，并利用這些信號計算出接收器所在位置的三維坐標(biāo)，這一過程稱為三角定位[2]。同時，接收器還會記錄接收到的衛(wèi)星信號的強度和信噪比等信息，以評估信號質(zhì)量和可靠性。采集到的數(shù)據(jù)會被存儲在接收設(shè)備的存儲器中，并通過數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸至數(shù)據(jù)中心或后臺服務(wù)器進行進一步處理和分析。這些數(shù)據(jù)通常包括位置坐標(biāo)、時間戳、信號質(zhì)量等信息。在數(shù)據(jù)存儲與傳輸階段，需要確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。最后對采集到的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理和分析，包括數(shù)據(jù)清洗、校正、整合和轉(zhuǎn)換等操作，以生成地形圖或其他地理信息產(chǎn)品。同時，可以將動態(tài)采集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)進行對比和更新，實現(xiàn)地圖的實時更新和精度提升。

2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)與方法

在GNSS應(yīng)用中，動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要涉及對移動目標(biāo)的實時位置、速度及方向等信息的捕捉和處理。動態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要依賴于GNSS的高精度信號接收和處理能力。通過配備高性能的GNSS接收器，能夠?qū)崟r接收來自衛(wèi)星的信號，并解算出目標(biāo)的位置信息。同時，為了應(yīng)對動態(tài)環(huán)境中可能出現(xiàn)的信號干擾和遮擋問題，現(xiàn)代GNSS接收器還采用了多頻點、多系統(tǒng)融合等技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)采集方法上，動態(tài)數(shù)據(jù)采集通常采用差分技術(shù)，包括相對差分和實時差分等。相對差分技術(shù)通過比較2個接收器之間的信號差異，可以消除部分共模誤差，提高定位精度。而實時差分技術(shù)則利用基準(zhǔn)站與流動站之間的實時數(shù)據(jù)傳輸，對流動站的定位結(jié)果進行實時修正，進一步提升了動態(tài)定位的精度和實時性。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)數(shù)據(jù)采集還融入了更多信息技術(shù)元素。例如通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)GNSS接收器與其他傳感器、設(shè)備的互聯(lián)互通，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合與協(xié)同處理[3]。云計算技術(shù)則為海量數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析提供了強大的支持，使得動態(tài)數(shù)據(jù)采集能夠應(yīng)對更大規(guī)模、更復(fù)雜的應(yīng)用場景。

2.3 動態(tài)數(shù)據(jù)采集中的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

動態(tài)數(shù)據(jù)采集中的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)在于如何實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確和實時的數(shù)據(jù)采集，以滿足地形圖制圖的需求。其中，由于GNSS系統(tǒng)的信號受到大氣、地形和建筑物等因素的影響，信號質(zhì)量容易受到干擾，因此需要采用先進的信號接收器和天線設(shè)計，以提高信號接收的靈敏度和穩(wěn)定性。同時，需要利用先進的數(shù)據(jù)處理算法，如多路徑抑制、信號跟蹤和時鐘同步等技術(shù)，對接收到的信號進行有效處理和分析，提高定位精度和可靠性。而隨著數(shù)據(jù)量的增加和實時性的要求，數(shù)據(jù)傳輸和存儲成為一個挑戰(zhàn)。需要采用高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，如衛(wèi)星通信、移動網(wǎng)絡(luò)等，以確保數(shù)據(jù)的及時傳輸。同時，需要設(shè)計高效的數(shù)據(jù)存儲方案，包括實時存儲和遠程存儲，以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲和管理需求。動態(tài)數(shù)據(jù)采集還面臨著環(huán)境因素、安全性和隱私保護等挑戰(zhàn)。環(huán)境因素包括天氣、地形和建筑物等因素對信號的影響，需要采用適應(yīng)性強的算法和技術(shù)來應(yīng)對不同的環(huán)境條件。安全性方面，需要采取有效的數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證技術(shù)，以保護數(shù)據(jù)的安全性和完整性，防止數(shù)據(jù)被惡意篡改或竊取。同時，需要制定嚴(yán)格的數(shù)據(jù)隱私保護政策，保護用戶的隱私信息和個人數(shù)據(jù)不被泄露。

3 GNSS實時更新策略分析

3.1 實時更新原理與流程

GNSS實時更新是指通過GNSS系統(tǒng)實時采集地理信息數(shù)據(jù)，并及時將這些數(shù)據(jù)更新到地圖或地理信息系統(tǒng)中。實時更新過程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和地圖更新等步驟，如圖3所示。在數(shù)據(jù)采集階段，GNSS接收器會持續(xù)接收來自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，并計算出接收器所在位置的坐標(biāo)信息。同時，接收器會記錄下接收到的信號強度、信噪比等數(shù)據(jù)，并與時間戳進行關(guān)聯(lián)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。接著，采集到的數(shù)據(jù)將被傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進行進一步處理。在數(shù)據(jù)處理階段，首先需要對采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗和校正，去除可能存在的誤差和干擾。然后，利用數(shù)據(jù)處理算法對清洗后的數(shù)據(jù)進行處理和分析，包括數(shù)據(jù)插值、外推和濾波等操作，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理完成后，更新后的數(shù)據(jù)將被傳輸至地圖或地理信息系統(tǒng)中[4]。這一過程涉及數(shù)據(jù)傳輸和地圖更新2個步驟。數(shù)據(jù)傳輸可以通過網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星通信或其他方式進行，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至地圖更新中心。地圖更新中心接收到數(shù)據(jù)后，會對地圖數(shù)據(jù)進行更新，并及時發(fā)布更新后的地圖信息，以供用戶使用。

3.2 實時更新技術(shù)與方法

GNSS實時更新是地圖或地理信息系統(tǒng)保持準(zhǔn)確性和實時性的重要手段。實時更新技術(shù)與方法主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和地圖更新等方面。數(shù)據(jù)傳輸方式多樣，包括無線網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星通信、移動通信等。無線網(wǎng)絡(luò)通信適用于城市地區(qū)，其速度較快且成本較低，但在偏遠地區(qū)信號覆蓋可能不足。衛(wèi)星通信適用于偏遠地區(qū)，但成本較高且傳輸速度較慢。移動通信是常用的數(shù)據(jù)傳輸方式，具有較好的覆蓋范圍和傳輸速度，但可能受網(wǎng)絡(luò)擁堵等因素影響。在數(shù)據(jù)傳輸至處理中心后，需要進行數(shù)據(jù)清洗、校正和處理。清洗過程包括去除錯誤數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。校正過程用于修正數(shù)據(jù)中的誤差，例如修正位置偏移、信號延遲等。處理過程則包括數(shù)據(jù)插值、外推和濾波等操作，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。更新后的數(shù)據(jù)需要與地圖數(shù)據(jù)進行整合，并及時發(fā)布更新后的地圖信息。地圖更新過程包括數(shù)據(jù)處理、地圖繪制和發(fā)布[5]。數(shù)據(jù)處理階段涉及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、地圖數(shù)據(jù)匹配等操作；地圖繪制階段用于將處理后的數(shù)據(jù)繪制成地圖圖層，并進行風(fēng)格設(shè)計和標(biāo)注；發(fā)布階段則將更新后的地圖信息發(fā)布至地圖服務(wù)平臺或地理信息系統(tǒng)中，以供用戶使用。

3.3 實時更新中的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

在GNSS系統(tǒng)中，實時更新中的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和地圖更新等方面。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)需要確保數(shù)據(jù)的快速、穩(wěn)定傳輸，考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和信號覆蓋等因素。數(shù)據(jù)處理技術(shù)涉及數(shù)據(jù)清洗、校正和處理，需要處理大量數(shù)據(jù)并保證其準(zhǔn)確性和一致性。地圖更新技術(shù)需要與現(xiàn)有地圖數(shù)據(jù)進行融合，確保新數(shù)據(jù)能夠無縫地集成到地圖系統(tǒng)中。

然而，實時更新中也存在一系列挑戰(zhàn)。一是數(shù)據(jù)安全和隱私保護問題，數(shù)據(jù)傳輸過程中可能會受到網(wǎng)絡(luò)攻擊或數(shù)據(jù)泄露的威脅，需要采取加密、身份驗證等措施保障數(shù)據(jù)安全。二是數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確性問題，實時更新需要處理大量數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)質(zhì)量可能受到信號干擾、多徑效應(yīng)等影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低。三是實時更新還需要考慮數(shù)據(jù)更新頻率和時效性，即時傳輸和處理數(shù)據(jù)可能會增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，影響更新效率。四是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定也是一個挑戰(zhàn)，不同廠商或組織可能采用不同的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以確保數(shù)據(jù)互操作性和一致性。

4 GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)采集與實時更新的應(yīng)用案例分析

4.1 案例概況

在城市交通管理領(lǐng)域，以某城市交通管理部門為例，利用GNSS系統(tǒng)實時采集車輛位置信息，以及交通流量、速度等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市交通狀態(tài)的實時監(jiān)測和分析。通過在交通要道、主干道和重要路段部署了大量的GNSS接收設(shè)備，用于實時監(jiān)測車輛位置和運行狀態(tài)。這些設(shè)備通過接收衛(wèi)星信號，能夠準(zhǔn)確獲取車輛位置信息，并記錄下車輛的行駛速度、方向等數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至交通管理中心進行處理和分析。在數(shù)據(jù)處理過程中，利用實時更新技術(shù)對數(shù)據(jù)進行清洗、校正和整合，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。然后，交通管理部門利用這些數(shù)據(jù)生成交通狀態(tài)地圖，實時顯示各路段的車流量、擁堵情況等信息。在實際應(yīng)用中，交通管理部門可以根據(jù)實時更新的交通狀態(tài)地圖，及時調(diào)整信號燈時序、交通導(dǎo)向標(biāo)志等措施，優(yōu)化交通流量，緩解交通擁堵。通過分析歷史數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)交通瓶頸和高峰期，為城市交通規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 應(yīng)用效果

利用GNSS系統(tǒng)進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集與實時更新，在城市交通管理中取得了顯著的應(yīng)用效果具體見表1。例如在2024年3月1日8：00—18：00期間，主干道A、主干道B和快速路C的車流量分別在1 200～1 800輛/h之間波動，這反映了交通流量的高峰期和低谷期。同時，平均車速數(shù)據(jù)顯示了車輛行駛速度的變化情況，例如在主干道B上，車流量較大時，平均車速較低，擁堵指數(shù)相對較高；而在快速路C上，車流量較小時，平均車速較高，擁堵指數(shù)相對較低。這些數(shù)據(jù)反映了交通擁堵程度和交通狀況的實時變化，為交通管理部門提供了重要的參考依據(jù)。通過實時更新技術(shù)，交通管理部門能夠及時獲取最新的交通數(shù)據(jù)，并根據(jù)實時更新的交通狀態(tài)地圖，靈活調(diào)整交通信號燈時序、交通導(dǎo)向標(biāo)志等措施，有效優(yōu)化交通流量，減少交通擁堵。

表1 GNSS系統(tǒng)應(yīng)用效果

5 結(jié)束語

在地形圖制圖中，GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)采集與實時更新技術(shù)的應(yīng)用為地理信息領(lǐng)域帶來了重大的進步和發(fā)展。通過對GNSS系統(tǒng)的有效利用，能夠?qū)崟r獲取地理信息數(shù)據(jù)，并及時更新到地圖中，從而提高了地圖的準(zhǔn)確性和實用性。這種技術(shù)不僅在地圖制圖領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，還在城市規(guī)劃、交通管理、資源管理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，GNSS動態(tài)數(shù)據(jù)采集與實時更新將會在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其巨大的潛力和價值。

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