GPS技术在公路路线数据融合与桩位校正中的应用

吴先富

(广西天峨公路管理局，广西 天峨 547300)

0 引言

路线桩号对于从事公路行业工作的管理者而言十分重要，路线桩号数据是公路的基本数据，每一条公路都会设置公里碑，道路等级较高的公路还设有百米桩作为公路的一项硬件设施，公里碑和百米桩较为完善的路线现场确定桩号较为容易，但对于一些老旧和低等级路线要现场确定桩号较为困难。此外，由于人为原因还可能造成公路桩号定位不准、累积误差大等问题，这都会给后期公路管理带来不便。本文着眼于GPS等技术的运用来解决上述问题。

1 GPS技术简介及精度分析

1.1 GPS技术介绍

GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的简称，是通过GPS卫星发送基于NMEA-0183协议的导航电文来确定坐标。导航电文每个主帧中包含5个子帧，每帧长6 s。前三帧各10个字码，每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15 000 b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接收到导航电文时，提取电文中的坐标数据，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知，全球每一个点都有一个对应的坐标，通常用经度和纬度表示，获取坐标可通过GPS手持机或专用的GPS模块获得[1]。

1.2 系统技术参数和精度分析

结合本项目实例，本文针对GPS模块配合笔记本电脑进行研究，以探险家v-800+为例，具体技术参数如下：(1)接收芯片型号MTKII ARM Super Single Chip；(2)定位精度horizontal为2.0 m/cep(50%)；8.0 m/cep(95%)；(3)数据格式为NMEA-0183 Ver3.01。系统定位采用差分定位，使用VB编写的GPS数据采集程序进行采集和数据分析。工作示意图如图1所示。

图1 笔记本电脑搭载v-800+GPS模块工作示意图

该系统标准误差σ计算如式(1)所示[2]，经计算其经度(lat)的标准误差在314 s内为0.000 000 6°，纬度(lon)的标准误差在314 s内为0.000 006°，地球上的1°相当于111.319 55 km[2]，那么标准误差值为0.000 006×111 319.55=0.06 m。

(1)

图2 误差实时分析界面示意图

经计算和图2说明该GPS模块测量数据波动很小，满足工作要求，由于该GPS模块的精度误差为8 m，所以利用测量桩号精度应为10 m级，比人工现场估算的桩号提高了一个数量级，精度完全满足使用和管理要求。

2 路线基础数据的采集

目前，路线基础数据的采集方法有通常有两种：方法一：采用高精度的GPS手持机直接采集；方法二：系统调用Google earth进行图上采集。方法一按照设备说明书便可完成，在此重点介绍本项目应用较多的第二种方法，具体使用步骤如下：

(1)首先连接GPS模块实地获取路线的起点及终点坐标，在安装好的Google earth中找到所要采集路线的起点，点击新建路线，选择好式样颜色后将窗口移至屏幕左下角，此时界面中的光标由抓手会变为十字光标状态。

(2)将地图放大至最佳状态并选择最佳视角后，沿路线每10 m一点，弯道适度加密至每5 m一点，绘制出路径折线直至终点，绘制完毕后关闭新建路径窗口，将新建的路径保存为某线路.kml文件。

(3)将.kml文件中的数据提取并依据公式(2)处理和分配桩号，最后保存到d盘下的gpsstyle.mdb数据库中作为基础数据使用，同时数据中保存了GPS的校正数据包括沿线基准点坐标，经度矫正偏量ΔL和纬度矫正量ΔB，通过偏量矫正可将测点矫正至更接近Google earth的图上地物点，以保证桩号测量获得足够的精度。

d=arcos[sin(B1)×sin(B2)+cos(B1)×cos(B2)]×cos(L1-L2)×R

(2)

式中：R——地球半径，取值6 371 004 m。

3 线路数据融合与桩位校正

通过线路基础数据采集，可获得大量各类型信息(数字、图像、声音、视频等)，需要对其进行统一和整合。且由于人为原因，会造成数据之间存在误差，因此需要后期进行校正。

3.1 数据融合

数据融合是将不同类型的描述数据进行统一格式，从而获得精准的线路、桩号位置信息。数据融合可借助专业设备和软件完成，在此不再详细介绍。

3.2 桩位校正

桩位校正是提高公路定位精度的基础性工作，本项目是将GIS系统提供的线路矢量信息和外业采集的GPS信息进行融合，对桩号进行虚拟，以此校正桩位，具体做法如下：

(1)以外业采集车采集的线路桩号GPS数据为基础，利用GIS系统建立矢量GPS虚拟桩号(见图3)。利用“路径诱导算法”得出A、B两地间的Poi(信息点)列表，相应点的GPS信息也可确定。对相邻的Poi点进行等分(具体间距可自由掌握)，分割线便可作为虚拟桩号[3]；

图3 虚拟桩位定位示意图

(2)虚拟桩位建立后利用“双线性插值法”将桩位的GPS信息和虚拟里程坐标系中数据对比校正(以GPS数据为准)。具体应用方法：利用点(x，y)4个相邻虚拟点p(0，0)、p(1，0)、p(0，1)、p(1，1)的GPS坐标值在(x，y)两个方向上做线性内插。

4 实地运用效果分析

本项目线路为S517线乐业至三门海路段，起点桩号为56.218，终点桩号为94.71，所管辖里程为38.492 km(见表1)。累计采集1 093个基础数据，路线计算长度为38.465 km，误差为0.07%。

以更新中学桥为参照点，实地测取GPS坐标(24.683 380 2；106.867 81)，并推算桩号为K62+595，与设计桩号K62+600相差5 m，满足预期要求，对沿线整桩号点的测量结果见表2。所测误差均在10 m内，满足设计要求。

5 结语

使用GPS技术对桩号进行查询具有全天候、性能稳定、信息化程度高的特点，而且查询手段快速、精确，所采集的基础数据易于维护、保存，系统运用可拓展性强，是当前开展公路桩号信息化建设的必然趋势，公路信息化建设必须体现公路建设管理基层的实际需要，着力于开发运用新技术新成果，才能满足时代的需要。