GPS与GIS结合的现状与发展

1、GPS与G IS结合的现状与发展张献州齐华(西南交通大学测量工程系提要本文根据测绘学科当今的发展趋势,介绍了GPS和G IS的技术特点,讨论了它们结合的各种方法以及应用前景。关键词GPSG IS组合应用1当今测绘学科的发展趋势在近代工业革命的进程中,科学的演化导致了学科分划的发展。测绘学科与其它许多科学技术的发展规律一样,经历了一个“学科细分”的过程。就测绘学科而言,从本世纪40年代到90年代初期,测绘学科都处在一个分划的发展趋势之中。在这样一个时期内单纯讲“测绘”不能够表示一个人的专业方向。为了把测绘学科的各个分支学科都表示出来,测绘学科被划分为大地测量、摄影测量与遥感、工程测量、矿山测量和

2、海洋测量等,这个时期学科发展的总趋势是分化。对个人而言胜任与测绘有关的所有领域的工作是不太可能的,这种过细的专业划分导致了每个人在本专业的狭窄范围内钻研,同行之间也渐渐感到陌生,有互为外行的感觉。现在学科发展的趋势是学科的综合,这种综合有不同的形式,但它决不是学科分划的简单还原,而是把原来各自独立发展的学科,综合到一起成为某种边缘学科或者叫做交叉学科。事实证明边缘学科往往是最生动最有活力的学科。就当今的测绘学科而言,目前这种由细分走向综合的发展趋势已经形成了强大的冲击力量,推动着测绘学科内部各个专业以及与测绘学科相邻的专业,如“空间科学”、“计算机科学”、“地球科学”、“地理学”、“环境科学”

3、、“城市科学”、“管理科学”等相互综合,从而开始形成了一个大边缘科学:地学信息科学(Geom atrics 或Geo-Info r m atrics。对测绘学科而言产生这种强大冲击力的主要因素是全球定位系统、地理信息系统和遥感(称为3S技术。目前3S 技术都有着各自独立的、平衡的发展。然而随着“3S”研究和应用的不断深入,科研工作者和应用部门逐渐地认识到单独运用其中的一种技术还不能满足一些应用的需要。事实上,许多应用领域需要综合利用这三大技术的特长,才能提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。因此,近几年来,国际上“3S”的研究和应用开始向综合化(或集成化方向发展。本文是在这种背景下,谈

4、谈个人对GPS与G IS结合的现状与发展趋势方面的认识和看法,仅供参考。2GPS和G IS的技术特点2.1GPS技术及其能力GPS作为新一代卫星导航和定位系统,已于1995年顺利完成了全部24颗卫星的部署进入完全运作阶段。GPS的最大应用能力在于能用GPS接收机全天候实时或事后求出全球任一点在某个时刻所对应的三维空间位置,因此可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位服务。目前收稿日期19990104GPS定位技术及其应用的新进展主要有以下几个方面。(1GPS接收机的新进展采用新技术来恢复L2载波信息自1994年初美国全面实施SA措施后,将原来的精码(P码加密为Y

5、码,一般GPS用户(包括我国的GPS接收机已失去接受P码和Y码的功能。在这种情况下,近年来出现了3种技术来恢复L2载波上的信息,它们分别为PW技术、L1和L2互相关技术和窄相关技术。研制GPS和GLONA SS共同型接收机为了摆脱GPS政策性支配的阴影,目前国际上正致力于全球卫星导航定位系统(GN SS的发展。这种综合的GN SS系统由美国24颗GPS卫星和俄罗斯24颗GLONA SS卫星组成,我们称之为“双系统导航定位系统”。GN SS 设备将GPS定位设备和俄罗斯GLONA SS系统定位设备合二为一,因此可兼容两种卫星信号的接收和定位。目前A sh tech公司生产的第一代GPS GLON

6、A SS卫星兼容接收机GG24已在我国市场销售。GPS导航定位与远距离通讯技术的结合随着国际海洋卫星Inm arsat系统与GPS 卫星系统的结合,用户可以同时利用它们实现全球全天候24小时的导航定位和通讯服务。目前已研制出这种接收机叫作GALA XY,有7001和7002两种型号,分别用于陆地和海洋,目前已被国际海洋救援组织和海洋卫星组织认可和推广。当然,在陆地上它也是理想的车辆监控设备。(2GPS高精度动态定位技术的发展差分GPS定位技术为了获得高精度实时定位,出现了GPS差分实时定位技术,差分GPS技术从其原理和工作范围可分为普通差分GPS系统和广域差分GPS系统。a普通差分GPS系统(

7、导航界称之为D GPS,测绘界称之为R T K普通差分GPS系统由中心站(主站和移动站(用户站组成,并通过数据传输链构成网络系统。主站坐标应已知,并安置1台GPS接收机连续地进行观测。如果主站与移动站的观测量是伪距,数据链传送的是伪距改正数,则当主站和用户站间距离不大于100km时,实时定位精度可提高到510m。如果主站和用户站的观测量是载波相位,通过数据链建立二者之间的实时载波相位差分(R T K,实时定位精度可进一步提高到厘米级。目前国内外GPS接收机都已实现这一技术。目前R T K的工作范围尚未超过30km,这主要是因为整周模糊度确定和保持的困难。动态载波相位模糊度解法(O ntheF

8、ly,简称O T F算法是实现厘米级动态定位的关键。O T F算法主要有两种:一种是模糊度函数法,另一种是最小二乘搜索法。实时或准实时解算整周模糊度仍是一个正在深入研究的重要问题。b广域差分GPS系统普通差分GPS的主要缺点是定位精度与工作范围都有限,为此发展了一种广域差分GPS系统(W AD GPS。这一概念是由美国斯坦福大学的P rof Parkm son等人最早提出的。它的基本思想是对GPS观测量的误差源加以分离,对每一误差源分别加以“模型化”。然后将计算出来的每一误差源的数值通过某一种通讯方法实时传送给用户,供用户对GPS观测量的误差加以改正。W AD GPS系统由1个计算中心, 4个

9、以上跟踪站及相应的通信网络和用户站组成,具有作用距离远(从100km1500km,定位精度均匀,可靠性和安全性好等特点,但W AD GPS数据通讯较为复杂和困难,其通讯的成本往往比GPS接收机本身的成本还要贵。广域差分GPS实时定位技术的进一步发展趋势可能是与其它卫星系统(定位、通信相结合,形成兼有通信定位能力的组合系统。如美国联邦航空局的广域增强系统(W AA S,它除直接利用GPS卫星定位技术外,还利用地球同步轨道卫星播发GPS差分信息并发射C A码测距信号来增加测距卫星源,使得该系统具有导航定位和移动通信的双重功能。机载GPS定位技术正逐步完善自80年代中期开始机载GPS定位试验以来,由

10、于A S和SA政策的影响,GPS的软硬件被迫做了很多的改进,以适应机载GPS载波相位差分定位的需要。在测绘行业机载GPS定位技术主要用于航空摄影测量、航空重力测量和航空磁力测量。根据国内外的试验报导,利用载波相位差分定位,经平差后航摄机中心坐标平面位置精度为5c m,高程精度为8c m,这将大量减少(甚至不需航空摄影测量中的航外控制点。星载GPS的逐步推广星载GPS目前主要用来确定低轨道卫星的精密星历,将星载GPS的跟踪资料和地面跟踪站的资料一并处理可使低轨卫星的定轨达到厘米级精度。例如用于海洋测高卫星Top ex Po seidon(轨道高度1300km上,总的轨道中误差为8c m,而径向中

11、误差仅为2c m,这样高的定轨精度,结合T P卫星的测高资料为推算全球高分辩率、高精度的大地水准面和海面地形创造了条件。2.2G IS技术及其特点王之卓教授早在1980年就指出“G IS是摄影测量的归宿”。由于摄影测量是测绘的主要手段之一,测绘的归宿是G IS,测绘产业是地理信息产业也就成了不言而喻的论断,得到了广大测绘科技工作者的赞同。就G IS本身来说,大多数功能较全的G IS一般均具备3种类型的基本功能。(1制图功能G IS的核心是一个地理数据库。建立G IS 首先是将地面上的实体图形数据和描述它的属性数据输入到数据库中并能编制用户所需要的各种图件。从测绘角度来看,G IS是一个功能极强

12、的数字化制图系统。(2空间数据库管理功能地理对象通过数据采集与编辑后,形成庞大的地理数据集,对此需要利用数据库管理系统来进行管理。(3空间分析功能通过空间查询与空间分析得出决策结论,是G IS的出发点和归宿,在G IS中属于专业性、高层次的功能。与制图和数据库组织不同,空间分析很少能够规范化,这是一个复杂的处理过程,需要懂得如何应用G IS目标之间的内在空间联系并结合各自的数学模型和理论来制定规划和决策。由于它的复杂性,目前的G IS 这方面的功能总的来说是比较低下的。典型的空间分析,包括最佳路径分析、追踪污染源流分析、农业布局合理性分析、城市布局合理性分析、道路选线分析、地形表面面积和填挖土

13、石方量计算等。G IS领域目前发展的最新动向是把遥感图像处理作为G IS系统的一个组成部分,从而极大地增强空间信息更新能力;面向对象编程技术使多种类型的数据聚集于一个系统实施数据的混合管理和操作;三维可视化技术的进步和虚拟现实技术的日益成熟并逐步作为电子地图和各具特色的专题电子地图的辅助表达方法;万维网G IS的开发应用可使地理信息媒体进入多元化时代,未来的数据处理模式可能是在环球信息网上获取信息,下载数据和软件,继而形成用户自己的应用系统。3GPS与G IS组合方式的现状与发展GPS的应用和发展一方面取决于自身的因素,如价格、体积、定位精度和速度等,另一个重要方面取决于它能否和其他专业技术结

14、合与集成,其中特别重要的是与G IS的结合。GPS 为用户提供点的时空信息是几何的三维坐标和时间。若将它和用户点周围基础的G IS或专业的G IS相结合,将使GPS提供的用户点动态实时的时空信息和用户点周围的地理信息有机地结合起来。这种结合将超越二者原有的功能和应用范围,产生1+1>2的效果,成为具有专业行为意义的动态实时信息系统。3.1GPS和G IS结合用于交通管理利用G IS中的电子地图和GPS接收机的实时定位技术,可以组成GPS+G IS的各种电子导航系统,用于交通、公安侦破、车船自动驾驶等,这里存在几种复杂程度不同,价格也不同的结合模式:GPS单机定位+栅格式电子地图。该系统可

15、实时显示移动物体(如车、船、飞机所在位置,从而进行辅助导航,优点是价格便宜,不需要实时通讯,缺点是精度和自动化程度不高。GPS单机定位+矢量电子地图。该系统可根据目标位置(工作时输入和车船现位置(由GPS测定自动计算和显示最佳路径,引导司机最快地到达目的地,并可用多媒体方式向驾驶员提示。制作矢量地图数据库需要花费较大成本。GPS差分定位+矢量 栅格电子地图。该系统通过固定站与移动车船之间的两台GPS伪距差分技术,可使定位精度达到13 m,当采用双向通讯方式时,则可构成车船的自动导航系统,又可将移动车船上的GPS定位结果准确实时地传送到控制中心,并在电子地图上显示出来,构成交通网络监控指挥系统。

16、为了防止在楼群遮挡时收不到足够的GPS卫星信号,在车上除装有GPS接收机以外,还装有低价格的压电振荡陀螺。利用卡尔曼滤波算法同时处理GPS、里程计和陀螺仪的数据来进行运载体的实时定位。3.2GPS与G IS结合用于环境监测随着工商业的发展及人口的增加,环境的污染日趋严重。环境已不再是“免费”资源,它已变为稀有的经济财富,在城市中一般公认的环境污染种类有空气污染、水质污染、噪声、污臭等。随着污染问题的日益突出,愈来愈要求大范围、经常性和连续地监测环境参数,并要求有效地管理和迅速地处理。而GPS与G IS结合则可构成环境实况数据采集与环境G IS分析系统。环境实况数据采集系统由环境传感器(如瞬时光

17、谱仪、红外辐射仪、温度计、酸碱度测定仪、噪声仪等与GPS接收机组成。传感器采集的数据经计算机软件处理记录在文件中并与GPS测定的坐标数据输入G IS库或在G IS电子屏幕上与图像图形复合显示,利用环境G IS 的空间分析功能进行环境参数的定量、定性分析及环境动态变化预测分析。其系统结构如图1所示。传感器1传感器2传感器nGPS传感器1传感器2传感器nGPS传感器1传感器2传感器nGPSG IS计算机主机图13.3GPS与G IS结合用于灾害监测GPS技术由于其高精度、全天候及连续观测能力已经广泛应用于极移的测定、全球板块运动和地壳运动的监测、火山活动的监测及大型工程建筑物(如大坝、特大型桥梁、

18、超高层建筑物的动态监测。利用G IS提供的强大空间分析能力,可建立各种层次和范围的灾害监测平台,如近景摄影测量、常规大地测点监测等。如果与工程地质、工程结构信息一起分析,则可建立灾害监测的预警预报系统,为灾害的防治提供决策支持,为突发灾害的抢险提供快速反应能力。3.4GPS与G IS结合在土木工程建设中的应用众所周知,我国计划到本世纪末大型勘测设计单位中的主要勘测设计过程全部甩掉图板,完全采用计算机辅助设计(CAD,CAD的开发和应用水平要求达到国外中等发达国家90年代后期的水平。勘测设计一体化、智能化是提高劳动生产率、增强企业市场竞争力的关键技术支撑条件之一。现代化的勘测技术和方法是现代企业

19、综合实力的不可缺少的技术基础,GPS在其中所起的作用是不言而喻的,而基于G IS的勘测数据库则是智能CAD的重要电子平台。GPS与G IS结合能在土木工程建设的许多方面得到应用。例如在三峡工程、香港新机场工程施工中,利用G IS中的D TM加上快速GPS测量来核算土石方量已经成为建设单位和施工单位共同认可的工程量计算标准。又如利用基于R T K的GPS实时线路测设系统可以一次性得到所有放样数据,其中包括中线坐标、里程桩号、纵横断面数据,并记录于PC M C I A 卡。线路全部测设完后,数据进入勘测G IS数据库,这将进一步提高勘测现代化的水平和减轻测量工作者在野外的劳动强度。3.5集“3S”

20、技术于一体的动态制图系统在发展测绘高新技术方面,我们一直追求着空间定位技术、遥感技术和地理信息技术的整体集成这一目标。真正的3S集成系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的能力,而且还能够通过空间分析产生新的信息层,为各种应用提供科学的决策咨询,并回答用户可能提出的各种复杂问题。较好的“3S”技术集成动态制图系统是美国俄亥俄州立大学制图中心和加拿大卡尔加里大学地理信息工程系研制的移动式测绘系统(M ob ile M app ing System。俄亥俄州立大学研制的系统叫Gp svan,卡尔加里大学研制的系统叫V isat。这类系统集数字摄影测量系统、GPS、I N S和G IS为一体,

21、将它们在线地装在运载器上,随着运载器的移动,所有系统均在同一个时间脉冲控制下进行实时工作。GPS I N S组合构成了运载器的定位部分,它们可实时自动测量出图像传感器像片外方位元素;立体视觉系统由两种图像传感器组成:高分辨率数字摄像机和模拟视频摄像机。数字摄像机带有一个空间分辨率为1280×1024像素的CCD传感器,彩色视频摄像机分辨率较低(732×480像素,获取的模拟图像不能在计算机上直接使用,但它们能应用在G IS中的文件和属性采集。所有图像都构成立体像对并加了时间标签,因而都与一个地理位置相对应,这样就可求出摄像机视场中任何物体的三维坐标。如果操作者把沿道路行驶时

22、街道名称和地址记录到录像磁带的音频磁道上,数字化的声音就能存在于地理位置上,在多媒体数据库中用户在道路上任何一点就能听到街道地址。为补充地面运载器采集数据的不足,俄亥俄州立大学还开发了一个数字航空图像系统(M A PCAM,这一系统能从空中飞行器上获取高分辨率的数字图像。控制由飞行器GPS I N S系统建立,利用O T F技术实时地求出数字图像传感器CCD的全部外方位元素,然后利用CCD扫描成像求出地面目标的空间位置和灰度(光谱测量值(X,Y,Z,G。动态测图系统所采集的数据包括GPS I N S定位数据(模拟的和数字的图像数据等,所有采集的信息送入一个具有较强数据管理和图像分析能力的多媒体

23、G IS系统中。动态测图系统是采集、管理地理信息的高精度与高效率的工具,通过在仪器中结合不同的传感器,可获取各种不同类型的数据。这一系统仍在发展之中,其应用前景是非常广泛的。4结论GPS与G IS结合有着非常广阔的应用前景。近几年来,G IS型GPS接收机用于采集地面上的位置数据及详细的属性信息正日益发展。尤其是电力、煤气、自来水、通讯、市政、森林、环保、农业等部门,在建立各自的专业化G IS中,越来越感到利用GPS采集G IS数据是最经济、最迅速的手段。G IS型GPS接收机在全球迅猛发展,目前全球大部分GPS制造商都研制出专用于G IS数据采集的GPS接收机。如T ri m b le的P

24、rox l和GeoExp lo re,L eica的SR260和SR261,M agellam的P ro M arkv和M arkx,M o to ro la的L GT100等。GPS与G IS 结合方式是多种多样的,开发应用这一技术应从简单到复杂,从低成本到高成本,关键在于找(下转第31页“海峡两岸空间资讯与防灾科技研讨会” 情况介绍卓宝熙 31 所之所以产值这么高, 主要是面向生产、 解决工 业生产中存在的问题。 是半官方机构, 享受补贴 50% 左右。 他们和业界签订的合同一次时间为 一年。 综合分析认为, 台湾的优势和值得我们借 鉴的是: 人员素质高, 敬业精神强; 项目研究得 很细,

25、 密切结合生产, 工作时间较多, 其他活动 少; 重视专利成果, 重视知识产权; 尊重别人的 成果, 合作风气好。 大陆的优势是拔尖人才不少, 水平很高, 研 究应用的内容很广, 有些是台湾无法具备的, 研 究项目规模很大, 这也是台湾做不到的。 6主要收获体会与建议 ( 1 通 过 这 次 交 流 访 问, 了 解 到 台 湾 “3S ” 技术和防灾救灾研究应用情况, 扩大了我 们的思路。 他们工作做得较细, 且密切结合生 产, 重视产品的商品化, 他们对专利和知识产权 的重视远较对科技成果获奖更感兴趣, 其原因 是专利产品和知识产权可以进入市场, 创造效 益, 而获奖成果往往未能进入市场。 以上一些的 做法和思路很值得我们借鉴。 ( 2 建立了初步技术交流关系, 为今后进 一步进行学术交流、 资料交流、 项目合作方面创 ( 上接第5页 造了条件。 ( 3 全国地方遥感应用协会与中华地理 资讯学会初步建立了合作关系。 双方签署了 “海 峡两岸空间资讯与防灾科学技术研讨会, 全国 地方遥感应用协会与中华地理资讯学会协议备 忘录”并同意