（机械制造及其自动化专业论文）基于gpsgis的物流车辆跟踪系统研究.pdf

1 i i | 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：皂缅匿 日期： 2 丑垒：三。z ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：2 丛q ：2 ：么兰 日期：型旦。；! f 7 缮 北京邮电人学硕l j 学位论文 基于g p s g i s 的物流车辆跟踪系统研究 摘要 本文在前人的研究基础上研究了基于g p s 、g i s 、g p r s 等技术的 物流车辆定位跟踪系统，利用车载g p s 全球定位系统的实时快速定 位功能、g i s 的地理数据直观展示功能以及g p r s 分组交换技术的高 速、实时、网络覆盖范围广的特点等。实现了物流车辆和控制中心之 间的信息传输以及智能的跟踪监控和调度管理。 g p s 定位以及g i s 技术都存在一定程度误差的问题，为了提供更 为可靠的定位信息，本文对目前一些常用的地图匹配算法的特性以及 他们的优点和不足之处进行研究，在分析了各种地图算法的基础后， 提出了地图匹配算法的几个主要要素：距离、方向、连通性、方向变 化性以及方向的一致性，然后给出了一种改进的地图匹配算法，通过 分层的方法快速的处理路段简单的地图匹配，并充分利用行车的历史 数据以及电子地图信息来对复杂路段的匹配进行决策，结合方向角的 变化性引入意图导向的匹配原则，解决了其他算法孤立的只根据当前 定位点在复杂路段下匹配困难的问题，提高了在复杂路段，比如分叉 路口已经路段平行的情况下的地图匹配效率。尽量减少g i s 中车辆位 置的显示误差。在本文的最后采用基于a r c g i ss e r v e r 以及n e t 平 台作为开发工具对本系统进行了功能的实现。 关键字：物流车辆跟踪全球定位系统g p r sg i s 地图匹配算法 北京邮i u 人学硕l ：学位论文 k t ， 北京邮l 乜人学硕l j 学位论义 r r e s e a r c ho fv e h i c l et r a c k i n gs y s t e mb a s e d o ng p s g i s a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e st os t u d yb a s e do ng p s ，g i s ， g p r sa n do t h e rt e c h n o l o g i e sl o g i s t i c sv e h i c l el o c a t i o nt r a c k i n gs y s t e m ， u s i n ga v e h i c l e - m o u n t e dg l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e mg p sr e a l - - t i m e l o c a t i o n c a p a b i l i t i e s ，g i sd i s p l a y o fg e o g r a p h i cd a t av i s u a l i z a t i o n c a p a b i l i t i e s ，a n d g p r s p a c k e ts w i t c h i n gt e c h n o l o g yh i g h s p e e d ， r e a l t i m e ，n e t w o r kc o v e r a g eo faw i d er a n g eo fs p e c i a lf e a t u r e s a c h i e v e t h el o g i s t i c sv e h i c l e sa n dt r a n s f e ro fi n f o r m a t i o nb e t w e e nc o n t r o lc e n t e r s a n di n t e l li g e n tt r a c k i n gm o n i t o r i n ga n ds c h e d u l i n gm a n a g e m e n t 。g p sa n dg i st e c h n o l o g i e sf o rt h e r ei sac e r t a i nd e g r e eo fe r r o ri s s u e ， i no r d e rt op r o v i d eam o r er e l i a b l el o c a t i o ni n f o r m a t i o n t h i sp a p e r p r e s e n ts o m ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a p - m a t c h i n ga l g o r i t h m sa s w e l la st h e i rs t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so f r e s e a r c h ，a n a l y s i so f av a r i e t yo f m a pa l g o r i t h mb a s e do nt h ep r o p o s e dm a p m a t c h i n ga l g o r i t h ms e v e r a l m a j o re l e m e n t s ：d i s t a n c e ，d i r e c t i o n ，c o n n e c t i v i t y , o r i e n t a t i o n a n d d i r e c t i o no ft h ec o n s i s t e n c yo fv a r i a b i l i t y , a n dt h e ng i v e sa 1 1i m p r o v e d v e h i c l eb a s e do nf u z z yl o g i ci nc o n j u n c t i o nw i t ht h eh i s t o r i c a lt r a f f i cd a t a t h em a p m a t c h i n ga l g o r i t h m ，t h r o u g ht h eh a n d l i n go fl a y e r e dm e t h o di s r a p i da n ds i m p l em a p m a t c h i n gs e c t i o n ，a n d m a k ef u l lu s eo ft h e h i s t o r i c a lt r a f f i cd a t aa n dd i g i t a lm a pi n f o r m a t i o nt ot h e m a t c h i n g s e c t i o n so fc o m p l e xd e c i s i o n m a k i n g ，c o m b i n e dw i t h c h a n g e si n t h e d i r e c t i o no fa n g l eo fo r i e n t a t i o no ft h ei n t r o d u c t i o no ft h ei n t e n t i o no ft h e m a t c hp r i n c i p l e ，s o l v et h eo t h e ra l g o r i t h m so n l yi s o l a t e dp o i n t s ，b a s e do n t h ec u r r e n tp o s i t i o nu n d e rt h em a t c h i n gs e c t i o n si nac o m p l e xd i f f i c u l t p r o b l e m sa n di m p r o v er o a d si nt h ec o m p l e x ，s u c ha st h ef o r kj u n c t i o nh a s b e e nt h ec a s eo fp a r a l l e ls e c t i o n so ft h e m a p m a t c h i n ge f f i c i e n c y i l l 北京邮i 也人学顾l ：学位论文 m i n i m i z et h ed i s p l a ye r r o r a tt h ee n do ft h i s s e r v e r , a n dn e tp l a t f o r ma sad e v e l o p m e n t f u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：l o g i s t i c sv e h i c l et r a c k i n g ，g p s ， a l g o r i t h m i v k _ 北京邮i u 人学硕l ：学位论文 目录 第一章绪论1 1 1论文的选题背景1 1 2国内外研究和应用现状1 1 3论文研究意义4 1 4论文的组织和主要内容5 1 5小结5 第二章物流车辆跟踪系统关键技术分析6 2 1g p s 技术6 2 2g i s w e b g i s 9 2 2 1g l s 技术的应用9 2 2 2g is 的组成部分1 1 2 2 3g i s 在车辆跟踪系统的作用1 2 2 2 4w e b g i s 1 2 2 3g p r s 技术1 7 2 3 1g p r s 技术特点1 8 2 3 2g p r s 系统结构2 1 2 3 2g p r s 在物流上的应用2 4 2 4小结。2 5 第三章地图匹配算法研究2 6 3 1常用地图匹配算法分析2 7 3 2地图匹配算法的设计2 9 3 2 1 地图匹配的要素2 9 3 2 2 算法的设计3 0 3 2 3 算法的基本流程3 1 3 3，j 、结3 2 第四章系统总体分析与设计3 3 4 1 系统设计目标3 3 4 2 系统设计的原则3 3 4 3 系统的开发环境3 4 4 4 数据库设计3 6 4 5 总体框架与功能模块设计3 7 4 5 小结3 9 第五章系统的设计和实现4 0 5 1g p s 终端模块介绍4 0 5 2g p s 终端和控制中心的通信协议4 1 5 3 监控中心的实现4 5 5 3 1 坐标的转化4 5 5 3 2 建立地图服务器4 7 5 3 3 监控中心平台的主界面5 1 5 4 小结5 1 v 北京邮i 【1 人学硕f j 学位论文 第六章总结与展望 5 1 5 2 总 展 附录 参考文献 致谢 v i 5 2 5 2 5 2 5 3 7 2 7 6 - w k ， q i k h - 北京邮l u 人学倾i j 学化论文 1 1论文的选题背景 第一章绪论 随着现代物流业的不断发展，货物运输量的进一步提高，公路运输成本高、 效率低的问题也进一步暴露出来。低下的运输效率必然导致配送过程的缓慢，而 这又势必直接影响了整个供应链的响应速度，导致供应链的成本居高不下。这也 成了多年来一直困扰物流界的一个难题。在物流系统中车辆的效率及空驶率是一 个极为重要的问题，降低空驶率对于降低物流成本是极为重要的。自从g p s 诞 生并民用化以来，g p s 对人们的日常生活带来了巨大的变化，g p s 定位在物流 上的应用也非常广泛，物流中心为了能够实时的得到物流车辆的位置信息，结合 g i s 地图信息对物流车辆进行合理的调度以提高效率和减少物流成本，结合g p s 和电子地图就可以能直观的得出车辆的位置以及速度等信息，并显示在电子地图 上，目前使用的g p s 系统在2 0 0 0 年关闭s a ( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y ) 后的民用定位 精度在l o m 左右【l j ，所以g p s 定位所得到的定位点反映在g i s 上可能会出现定 位点不在道路上的情况，并且电子地图本身的也存在一定的误差，此时我们就需 要将g p s 定位数据和电子地图进行匹配，尽可能的让匹配的结果接近实际情况。 1 2 国内外研究和应用现状 早在上个世纪8 0 年代之初，一些院校和科研单位已经开始了对g p s 技术的 研究。8 0 年代中期，我国引进g p s 接收机，并应用于各个领域。我国g p s 车辆 跟踪系统应用走过了极其缓慢的发展道路。 目前国内外已开发的系统与实时动 态数据相连的实时地理信息系统应用问题却未能解决。此外，由于它们缺乏对许 多基础理论的深入研究，一般没有将动态交通状态信息与车辆定位信息有效融 合，而且某些系统的开发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与。 目前的一些车辆跟踪系统主要采用了g p s 、标签以及图像处理等手段作为定 位技术，在国外很早就将g p s 定位技术应用到了车辆跟踪上，在车辆跟踪系统 中首先要解决的问题就是修正一系列的测量误差带来的显示误差，也就是地图匹 配的问题，目前在国外相关的研究主要有：最初由b e m s t e i n 等采用了基于点到 点的半确定性算法对地图匹配算法进行了研究，初步解决了g p s 地定位中的地 图匹配问题，其特点是易于实现并且计算负载低。由于半确定性的算法效率鲁棒 性以及适应性都较低，因此o u r iw o l f s o n 在其论文中发表了一个基于权重的地图 匹配算法1 2 j ，进一步的提高了地图匹配的效率。2 0 0 6 年同本的a r d e s h i r i 等针对 安全应用的地图匹配问题提出了基于偏移的地图匹配算法【3 】，同时s a m e r s s a a b 北京邮i u 人学硕：i j 学位论文 在火车定位系统中采用了一种基于分段的地图匹配算法【4 】，解决了火车定位这个 特定场景的地图匹配定位问题。e d w a r d 等人使用卡尔曼滤波技术应用到地图匹 配算法中解决了g p s 定位的集成问题【5 】。土耳其的s u d a r s h a n 在2 0 0 7 年发表的 论文中提出了另一种将定位点进行分段的地图匹配算法1 6 j 。法国的g h a l i a n a s s r e d d i n e 等采用置信函数的方式来提高匹配效率1 7 j 。尽管有这么多的研究成 果，地图匹配算法在复杂路段下的效率还是有待提高的。因此，德国的o l i v e rp i n k 等人采用统计学、隐形马尔科夫链以及卡尔曼滤波的方法进一步的提高了匹配效 率【3 】。随后由英国的m a r y l i nw i n t e r 等人结合人工神经网络的方式来提高匹配效 率，充分利用了历史行驶数据，通过使用历史数据对神经网络进行训练能更好提 高匹配效掣引，但是这个算法的实时不够好。s i n nk i m 、j o n g - h w a nk i m 以及 s w c h e n 等人均使用神经网络技术以及结合模糊理论对地图匹配算法进行了改 进f i o l 。最近日本的k o i c h im i y a s h i t a 等针对车辆导航系统对智能导航系统进行了 研究【l ，结合g p s 定位以及历史行车数据对用户的目的地进行预测，并提供个 性化的服务。同时提出了一种基于对短路径的额地图匹配算法。但是该研究采用 的算法和数据的使用和神经网路算法类似都需要大量的数据累计才能达到较好 的效果。总的来说目前国外车辆跟踪导航中的地图匹配算法的研究较为深入，通 过各种数学工具大大的提高了匹配效果。但是这些算法对于历史数据以及道路本 身的基础信息利用的不够充分，结合这些地图元数据还有提高匹配效率的空间。 目前国内车辆跟踪以及地图匹配算法上的研究也开始增多，目前武汉大学的 王建鹏初步研究了3 s 技术在车辆监控中的应用【1 2 1 ；湖南大学的杨易提出了基于 概率决策的地图匹配算法【l 引，通过d s 论据推理方法根据道路信息选择适当的 可靠性参数，解决了半确定性算法稳定性不够理想的问题，并提高了算法的鲁棒 性。大连理工大学的彭尉研究了移动车辆的监控系统研究【1 4 】；华中科技大学计算 机学院的王曦研究了针对公交换乘管理系统进行了路网模型的设计。目前国内车 辆跟踪相关研究大都基于国外现有的一些研究基础之上的，地图匹配算法上也存 在数据利用不够充分的问题。 现代车辆跟踪系统正朝着：通信技术的可扩展性、定位技术的可扩展性、软件 的可扩展性、地图数据的可扩展性以及业务功能等的可扩展性。随着通信手段、 定位技术、软件以及地图数据的发展，车辆监控技术日趋成熟，除了对车辆进行 监控调度外，又会满足具有特殊需求的用户，提供增值服务，如包括车辆信息、 交通信息以及企业业务信息的采集和管理等等，具有非常可观的实用性。 目前，中国g i s 产业正逐步走向成熟，产业规模不断扩大，企业数量持续增 长，应用领域范围拓展迅速。据赛迪顾问公布的最新数据，2 0 0 8 年中国g i s 软 件市场实现销售额5 2 4 6 亿元，同比增长2 0 8 ，高于软件整体市场1 6 的增长 。 p - k q k k 北京i i i i l u 人学硕l j 学位论文 率，成为软件市场中一个值得期待的细分领域。报告显示，以超图软件为代表的 国产软件品牌占据了超过4 0 市场份额，并呈持续增长态势。在多年积累的基础 上，国产软件在性能、功能上已经具备了同国外软件竞争的实力，并在许多重大 项目中得到了应用。尤其是作为g i s 核心技术的地理信息系统算法方面，国产软 件已经接近国际项尖水平。 而在国外，这方面的研究早已取得了一定的成果。像欧美、日本等国，利用 g p s 技术的自主导航产品非常普及。世界上有超过1 0 0 家的公司正在研制各种各 样的g p s 用户接收机。其中车辆应用所占的比重最大。移动目标( 主要是车辆) 的定位，最早出现在日本。8 0 年代中期，美、英、以色列以及日本相继在这方 面的做了研发工作，推出了几种定位技术方案及相应的产品。国外g p s 车辆跟 踪系统的大体发展分为两大流派：美国派和欧洲派。美国派主张利用各种无线网 络，如常规( v h f u h f ) 、集群( t r u n k e x tr a d i o ) 、卫星通信系统和标准的蜂窝网或 c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 等手段；而欧洲派则主张采用g p s g s m 系统 【3 。5 】。在美国，经营g p s 车辆跟踪系统的公司有很多，典型的应用软件有f l e e t t r a k 公司的g p s - - l i n k 和g p s m a p 软件。g p * l i n k 和g p s m a p 主要应用 在：车辆或船只跟踪调度；野外数据采集；野外验证核实；1 1 9 调度；警察、消 防、急救服务；应用系统的检测维修；调度和服务呼叫；紧急救援快速反应； 测绘制图；金融监管；农业与林业应用等。 随着相关监控技术的不断发展，车辆跟踪监控系统也不断地在更新换代。最 近推出的产品中，比较有代表性如p a r c e lc a l l 的系统，该系统结合g i s 、g p s 及 最新的2 5 g & 3 g 无线通讯等技术，实现对车辆及邮包的全程实时跟踪监控【3 2 】。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始在各地相继建立了一些基于g p s 的专用车辆跟踪 监控系统，主要用于如银行、公安等一些特殊部门的车辆跟踪监控。受当时无线 通讯条件的限制，移动端与监控端的通讯联系一般采用集群通信电台，即采用 g p s + 集群通信电台+ g i s 的技术模式邛j 。由于需要建立专用的g p s 数据通信网络， 设备投资大，需专人维护，用户费用高，所以应用范围仅限在特殊行业的特种车 辆的跟踪监控。受通信链路的制约，车辆跟踪系统在其他行业的推广的并不是很 顺利。但随着g s m 网络覆盖范围的扩大，为解决这个问题找到了一个很好的手 段。建立在g s m 网络上的短消息服务( s m s ) 为车辆跟踪系统提供了一种方便、 便宜的数据传送手段。此后，车辆跟踪系统进入了一个较快的发展阶段，入网的 车辆成倍增加【5 引。但是g s m 网络上的短消息服务也有其自身的缺点，比如只能 发送文本数据、时延比较长等等。随着移动通信技术的发展，现在有了更好的选 择，g p r s 就是其中之一。 一般车辆跟踪监控可以采用客户机h h 务器模式( c s 模式) 或浏览器服务器模 3 北京i | i j i u 人学顺i j 学位论文 式( b s 模式) 来开发。由于受当时的软硬件环境的限制，原先开发的一些系统大 都采取c s 模式开发，即是以面向对象的程序设计语言( 如v i s u a lb a s i c ，v i s u a l c + + 等) ，加上g i s 控件来丌发实现的【黔1 2 】。采用c s 模式有其实用的地方，但也 有其缺陷的地方，比如开发成本较高、对客户端软硬件要求较高、移植困难、维 护复杂、升级麻烦等，这对于那些用户群体不固定( 比如在平台上进行注册就可 以进行跟踪的物流公司的车辆) 的监控应用来说有很多不便。随着各种技术，尤 其是w e b g i s 的发展，给监控系统采用b s 模式开发创造了很好的条件。采用 b s 模式丌发的软件，客户端使用通用的浏览器即可，可以取消所有的在客户端 的维护工作。另外，车辆跟踪系统有很强的针对性，不同行业的车辆跟踪系统的 功能重点都不一样。比如金融系统的车辆跟踪系统，最重要的目的是反劫、防盗， 而在出租车行业的车辆跟踪系统，其功能重点却在于调度管理等。由于目标功能 的不同，车辆跟踪系统从车载终端到监控中心软件都有所差异。本文开发的车辆 跟踪系统实质上是个车辆跟踪监控平台，是为公众提供车辆跟踪监控服务，其目 标功能就是用户通过w e b 页面对车辆进行注册后，车主就可以通过平台实现对 注册车辆的跟踪监控，货主也可以通过平台实现对车载货物的跟踪。所以，无论 是从用户还是系统的角度考虑来考虑，b s 模式是一个大的趋势，能给用户带来 极大的便利，也能降低系统的开发升级维护成本。 1 3论文研究意义 车辆监控跟踪系统不仅用于物流系统，对于公交、出租车和私人家庭汽车等 移动目标的跟踪，以及警车、1 1 9 消防车、1 2 0 救护车、运钞车、邮政车等特殊 车辆的安全监控和远程调度方面也具有重要作用。 将车辆监控跟踪系统应用于物流的交通运输上具有重要的现实意义。它促进 了信息化的发展，提高了交通运输的安全性、可靠性和道路网的通行能力及汽车 运输的效率。我国应急需加强地理信息系统和卫星定位系统在现代物流中的应 用，以达到对物流企业优化资源配置，提高市场竞争力。车辆监控系统采用卫星 定位，可以准确测定车辆位置，是一个非常适合反偷盗、抢劫车辆的系统，可以 有效预防和打击犯罪，快速灭火和紧急救援等，可以创造良好的社会效益和经济 效益。 目前智能交通系统的发展也是非常的迅速，例如移动设备上g o o g l em a p 提 供的基于位置的服务，这类的应用和车辆跟踪系统采用的是类似的模式，只是表 现形式不一样，作为这些技术的基础功能g p s 定位以及电子地图实时显示功能 的准确性就非常重要，前文提到车辆跟踪中定位技术主要使用的g p s 技术，但 是它也有一定限制：有限的定位精度以及在障碍物较多的城区会出现信号丢失。 4 o p j p k - _ 北京邮i u 人学硕l ：学位论文 同时电子地图本身也会存在一定的误差，为了得到尽可能准确的结果，为了修j 下 这些误差所做的地图匹配算法的研究就尤为重要了。 1 4 论文的组织和主要内容 本文按照下面的结构进行组织论述： 第一章主要介绍了课题的研究背景及目的，对国内外车辆监控系统以及 g p s ，g i s 的发展现状以及应用情况进行了讨论，并在最后总结了在本课题中所 要研究的内容。 第二章对物流车辆跟踪系统的关键技术：g p s ，g i s m ，e b g i s ，g p r s 以及地 图匹配算法进行了概念介绍以及技术特性的初步分析。 第三章重点对地图匹配算法进行了系统研究，对目前常用的地图匹配算法 进行分析，得出它们各自的优缺点，研究地图匹配算法的要素，并提出一种改进 的算法设计。 第四章对整个物流车辆跟踪系统进行了总体的分析和设计，介绍了系统的 设计目标以及系统的开发环境介绍和数据库的设计。最后得出一个总体的设计框 架。 第五章对该物流车辆系统进行了最终的详细设计和功能的实现，并介绍了 本课题所采用的g p s 模块的性能参数以及和本系统进行通信的传输协议细节和 g p s 坐标转换方法。在最后给出了系统的最终界面。 第六章总结了本课题完成的基本情况，并对可能的改进进行了展望和探讨。 1 5小结 g p s 技术在社会的各个方面都发挥了巨大的作用，同时借助于g i s 技术的快 速发展，结合g p s 以及g i s 技术的应用相关研究在国内外开始有了大量的研究 和应用开发，定位以及可视化技术无论是民用还是工业使用都具有非常大的潜 力，对于物流系统来说尤其重要，物资流动的控制精细控制，资源的优化配置以 及降低物流成本是物流系统的首要目标。 北京邮i 【1 人学顾i ：学位论文 第二章物流车辆跟踪系统关键技术分析 本文研究的物流车辆跟踪系统主要涉及到的技术有：物流车辆的定位g p s 定位系统，以及将车辆位置轨迹等信息直观地展示出来的g i s 地理信息系统技 术，同时为了减少g p s 定位带来的误差提高显示精度所需要的地图匹配算法， 因为车辆的定位信息只能通过车辆上装备的g p s 终端才能得到，为了将定位数 据发送到控制中心，我们需要一种无线传输技术g p r s ，下文将对这些技术进行 分析。 2 1g p s 技术 g p s 全球定位系统是美国在1 9 7 3 年开始研究建立的新一代卫星定位系统， 它的全称是“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n d r a n g i n gg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m - - n a v s t a r g p s ) ，通常简称为全球卫星定位 系统( g p s ) 。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性( 陆地、 海洋、航空和航天) 全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功 能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。g p s 的工作示意图如下： 图2 1g p s 工作示意图 g p s 系统的特点有：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广 泛等。 l 、定位精度高 相关应用实践已经证明，g p s 相对定位精度在5 0 k m 以内可达1 0 6 ， 1 0 0 5 0 0 k m 可达1 0 7 ，1 0 0 0 k m 可达1 0 9 。在3 0 0 1 5 0 0 m 工程精密定位中，l 小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于l m m ，与m e 5 0 0 0 电磁波测距仪 测定得边长比较，其边长较差最大为o 5 m m ，较差误差为0 3 m m 。 6 k k 北京邮i u 人学颀i ：学位论义 2 、观测时间短 而随着g p s 系统的不断完善，软件的不断更新，目f ； ，2 0 k m 以内相对静 态定位，仅需1 5 2 0 分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相 距在1 5 k m 以内时，流动站观测时间只需1 2 分钟，然后可随时定位，每站观测 只需几秒钟。 3 、测站问无须通视 g p s 的测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省 大量的费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作 甚为灵活，也可省去经典大地网中传算点、过渡点的测量工作。 4 、可提供三维坐标 经典的大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。g p s 可同时精确测定 测站点的三维坐标。目前g p s 水准可满足四等水准测量的精度。 5 、操作简便 g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接 收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和 劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。 6 、全天候作业 目前g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、 下雨下雪等气候的影响。 7 、功能多、应用广 g p s 定位系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可 达0 1 m s ，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。g p s 系统的应 用前景当初，设计g p s 系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但 是，后来的应用开发表明，g p s 系统不仅能够达到上述目的，而且用g p s 卫星 发来的导航定位信号能够进行厘米甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米 级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测 量。g p s 系统展现了极其广阔的应用前景。 g p s 系统由三部分组成，即空间星座部分、地基监控部分和用户设备部分， 如图2 1 所示。空间星座部分由2 4 颗分布在6 个等间隔轨道上的卫星组成，其 主要作用是提供星历和时间信息、发射伪距和载波信号以及提供其他辅助信息； 地面监控部分由主控站、监控站和注入站组成，其主要作用是中心控制整个系统、 实现时间同步和跟踪卫星进行定轨；用户部分的主要功能是接收并观测卫星信 号、记录和处理数据及提供导航定位信息。g p s 卫星网向地面发射两个频率的定 位导航信息，其中包括两个定位码信号：即c a 码( 供世界范围内的民用) 及p 码 7 北京邮i 【1 人学硕i ：学位论文 ( 只供美国军方使用) 。用户通过g p s 接收机接收这些信号来测量卫星至接收机的 距离( 伪距) ，然后通过一系列方程解算，即可确定g p s 接收机的位置。解算g p s 接收机的位置至少需要接收到四颗以上卫星的信号，g p s 卫星的轨道分布保证了 在地球上任何位置都能做到这一点。 g p s 系统 l l 空闻星座部分地基监控部分用户设置部分l i l 上 ，五 。 厶 个个个 刁 颗 主注 i l 奇 m 接 卫 控 入控 收 茸 生 站站站 机 图2 2 g p s 组成示意图 g p s 的定位目前有两种方式：即绝对定位方式和相对定位方式。绝对定位方 式是以地球质心为参考点，确定接收机天线在w g s 8 4 坐标系的绝对位置。g p s 绝对定位方式进行定位作业仅需要一台接收机工作，因此又称为单点定位。g p s 相对定位也叫差分g p s ( d g p s ) 定位。差分g p s 是利用g p s 定位误差的相关性， 通过基准站计算出各种影响造成的误差，并将误差修正信号播发给用户，以使用 户g p s 接收机在实际测量中消除此误差的技术。单点定位方式作业简单，但由 于定位过程受到卫星星历误差、钟差及信号传播等诸多因素的影响，其定位精度 不高。差分g p s 定位通过接收基准站发送的改正数，并对其测量结果进行改正， 消除基于g i s g p s g p r s 的车辆跟踪系统的研究及实践具有相关性的误差从而 获得精密的定位结果【5 引。 上世纪九十年代我国开始引进g p s 定位技术，经过十几年的市场培育，随着 用户需求的明确以及技术的逐步完善，卫星导航定位应用市场同趋成熟，已进入 应用行业的高速发展时期。卫星导航定位技术其应用领域已十分广泛，从传统测 量应用及军工相关应用已渗透到许多崭新的行业。通信行业用卫星导航定位技术 做时间同步；电力、有线电视、城市地下管道采用卫星导航定位技术布设线路； 交通、运输部门用卫星导航定位技术等相关集成技术营建i t s 系统和监控系统； 公安、银行、医疗、消防等用卫星导航定位技术营建紧急救援或报警系统；汽车、 船舶用卫星导航定位技术导航；g i s 数据提供商用卫星导航定位技术采集地理信 息相关数据，并提供位置信息相关服务( l b s ) ；广播电视行业用卫星导航定位技 术与罗盘制造卫星电视定向接收天线；在电子商务领域，卫星导航定位技术甚至 应用于c r m 客户管理和物流配送体系中；而电脑制造商、通讯设备商正在推动 8 一 _ ，一 k 北京邮l u 入学影 i j 学位论文 通讯、电脑、卫星导航定位接收器一体化的各类移动信息终端应用【4 。 2 2g i s w e b g i s 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 作为获取、整理、分 析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛 发展。由于信息技术的发展，数字时代的来临，理论上来说，g i s 可以运用于现 阶段任何行业。 g i s 是解决空间问题的工具、方法和技术；从学科的角度，g i s 是在地理学、 地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学 科体系；从功能上，g i s 具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、 输出和应用等功能；从系统学的角度，g i s 具有一定结构和功能，是一个完整的 系统。 简言之，g i s 是一个基于数据库管理系统( d b m s ) 的分析和管理空间对象的 信息系统，以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区 别。 经过了4 0 年的发展，g i s 已经逐渐成为- - f q 相当成熟的技术，并且得到了极 广泛的应用。尤其是近些年，g i s 更以其强大的地理信息空间分析功能，在g p s 及路径优化中发挥着越来越重要的作用。g i s 地理信息系统是以地理空间数据库 为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理 和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。 简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统【5 5 1 。 2 2 1g i s 技术的应用 g i s 在最近年来取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害 预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共 设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。 地理信息系统的应用领域非常之广，以下将分别介绍在如下几个领域内的作 用： 资源管理( r e s o u r c em a n a g e m e n t ) 应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源( 如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。 9 北京邮i u 人学颁l - q ：位论文 城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食 供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。g i s 在这类应用中的目标是 保证资源的最合理配置和发挥最大效益。 城市规划和管理( u r b a np l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ) 空间规划中是g i s 的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。 例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证 学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面( 城市资源配置问 题) 等。 土地信息系统和地籍管理( l a n di n f o r m a t i o ns y s t e ma n dc a d a s t r a l a p p l i c a t i o n ) 土地和地籍的管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变 化等许多内容，借助g i s 技术可以高效、高质量地完成这些工作。 生态、环境管理与模拟( e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ta n dm o d e l i n g ) 区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、 环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。 应急响应( e m e r g e n c yr e s p o n s e ) 解决发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人 员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。 地学研究与应用( a p p l i c a t i o ni ng e os c i e n c e ) 地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间 统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。 商业与市场( b u s i n e s sa n dm a r k e t i n g ) 商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他 商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的 市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构 ( 年龄构成、性别构成、文化水平) 、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统 的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。房地产开发和销售过程中也可以利 用g i s 功能进行决策和分析。 基础设施管理( f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) 城市的地上地下基础设施( 电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、 电力设施等) 广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。 它们的管理、统计、汇总都可以借助g i s 完成，而且可以大大提高工作效率。 选址分析( s i t es e l e c t i n ga n a l y s i s ) 1 0 北京| | | i j i u 人学颁l ：学位论文 根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形 特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是g i s 的一个典型应用领 域，充分体现了g i s 的空间分析功能。、 网络分析( n e t w o r ks y s t e ma n a l y s i s ) 建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规 则、处理地下管线突发事件( 爆管、断路) 等应急处理。警务和医疗救护的路径 优选、车辆导航等也是g i s 网络分析应用的实例。 可视化应用( v i s u a l i z a t i o na p p l i c a t i o n ) 以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜 区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、 大型工程管理和仿真、旅游等领域。 分布式地理信息应用( d i s t r i b u t e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o na p p l i c a t i o n ) 随着网络和i n t e m e t 技术的发展，运行于i n t r a n e t 或i n t e m e t 环境下的地理信 息系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空 间导航等。 2 2 2g i s 的组成部分 从应用的角度，地