基于车载GPS技术的道路更新系统设计

汪剑云，刘 岩，李 兵，聂小波，肖 昶

（1.中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074；2.湖北省基础地理信息中心,湖北武汉430071）

基于车载GPS技术的道路更新系统设计

汪剑云1，刘 岩1，李 兵2，聂小波2，肖 昶2

（1.中国地质大学(武汉)信息工程学院，湖北武汉430074；2.湖北省基础地理信息中心,湖北武汉430071）

采用Visual Basic.NET和ArcGIS Engine组件技术，设计了基于车载GPS技术的道路更新系统；讨论了道路更新系统建设的背景和意义；介绍了系统的关键技术、建设目标、总体构架、数据库及功能设计。实践证明，该系统运行稳定、成本低、实用性强。

GPS；ArcGIS Engine；道路更新系统

近年来，道路交通的发展和增长速度迅猛，而现有导航电子地图中道路信息的现势性差，更新周期长，数据年代不一，资料陈旧，时间跨度大，严重制约了经济的发展。因此，如何及时地更新道路信息被各级测绘部门提上了日程。在国外，应用在道路测量上的重要方法主要有遥感测量、航空数字摄影和车载 GPS测量法。遥感测量和航空数字摄影虽然精度高，但是价钱昂贵、可操作性不强、更新周期长，而利用车载GPS技术可以快速、高效、低成本地采集公路及其附属设施数据，是当今测绘界最为前沿的科技之一，代表着未来道路地理信息更新的发展主流[1-3]。道路数字化是“数字湖北”的重要组成部分。如何加快湖北省道路的数字化建设，如何及时地进行道路信息的更新，是实现湖北省道路管理现代化的必由之路。在这种需求和背景下，本文采用ArcGISEngine作为二次开发平台，设计开发了适用于湖北省基础地理信息中心的道路更新系统。

1 系统关键技术

1.1 GIS技术

近年来，GIS技术在各行各业中的应用越来越广泛。GIS以地理空间为基础，采用地理模型分析方法，提供多种空间和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。在系统中，GIS技术不仅为客户端提供地图和数据服务，还可支持用户远程数据采集，为系统操作人员实现定制界面以及面向数据编辑的应用等。系统将采集到的信息实时地进行处理后输出到GIS系统，以生成和更新数字道路网数据库，实现对电子地图的更新。GIS具有很强的分析、处理和查询等功能[4]。

1.2 车载GPS技术

车载GPS技术就是将GPS接收机连接到电脑上，整套装置安置在移动车辆上，根据车辆移动实时接收的卫星数据来定位，解析坐标信息实现卫星的可视化，显示车辆的运行轨迹。车载GPS技术具有全天候、全球性、观测时间短、定位精度高、应用广泛等优点，能够快速实现道路数据的采集和更新，修正和完善制约交通发展的电子地图[5，6]。

1.3 通信技术

系统中设计的通信技术包括 2种：①串口通信技术。通过计算机的串行端口，使用RS-232通信接口标准，按异步串行方式进行数据传输，通过SerialPort串口控件编写串口通信程序，实现GPS接收机和计算机之间的通信过程。这种通信方式简单可行，在远距离通信中可以节约通信成本[7]。②第三代移动通信技术。它是支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。它可以作为道路信息更新系统客户端与服务端的连接件，使道路信息更新系统与监控中心能够进行远程数据交互。

1.4 多线程技术

多线程技术是指在一个进程中相对独立的运行多个线程。一般而言，系统的每一个程序都是一个进程，在本系统中，采用多线程技术可以有效地简化开发工作，主线程专门负责消息处理，使程序能够迅速地响应用户的需求；辅助线程用于实现串口通信，接收GPS信息，通过控制事件来解除线程的阻塞和响应主线程的命令。在程序结束时关闭串口，释放串口资源[7]。

2 系统分析

2.1 系统建设目标

系统的总体建设目标是：运用车载GPS技术、GIS技术、计算机技术、现代化通信技术和多线程技术，结合数据库技术，初步探讨运用车载GPS进行道路更新的方法、手段、坐标精度及关键技术。构建车载 GPS数据更新系统，可以实现对省内道路信息的采集、录入、处理、存储、查询、显示、输出和更新等功能的开发，为湖北省地理信息平台道路信息数据更新提供关键技术支撑，为建设“数字湖北”和政府管理决策信息化提供必要的信息基础。

2.2 系统设计原则

1）先进性和成熟性原则。系统建设采用先进的技术、方法、软件、硬件和网络平台，确保方法及系统的先进性和可靠性能够适应未来技术的发展和需求的变化，能够可持续发展。

2）实用性原则。系统的建设以实际应用为本，充分考虑相关部门业务活动的实际需要，贴近用户的实际需求、方法先进、功能实用、界面友好和美观、操作简单、使用方便。

3）可维护性和扩展性原则。系统具有较强的可维护性和扩展性，能够方便地进行管理与维护，软、硬件的升级不影响正常运作，系统功能、结构以及数据库可方便地扩展。

4）高性能和稳定性原则。在系统的设计、开发和应用时，从系统结构、技术措施、软硬件平台、技术能力等方面综合考虑，确保系统具有较高的性能，运行稳定。

3 系统设计

3.1 系统总体框架设计

鉴于本系统的建设目标和需求分析，采用 C/S的双层系统构架，以基于车载GPS技术的道路更新系统研发为主，将系统总体框架结构划分为5层：用户层、应用层、逻辑层、数据层和支撑层，如图1所示。

图1 系统总体框架结构图

1）用户层，由湖北省基础地理信息中心领导及相关部门人员组成。通过本层为相关领导部门提供辅助决策支持，为数据维护人员提供工作依据，可以极大地提高相关部门的工作效率。

2）应用层，是系统的核心部分，该层主要向相关城市管理部门、企业和社会及个人等提供道路规划、城市建设、空间需求分析、空间信息查询等服务。

3）逻辑层，主要由6大功能模块组成，负责接收和处理各种数据，并实时监控整个系统的运行，可在数据存储层查询、提取和输出所需要的数据，实现地图和道路轨迹的可视化。

4）数据层，主要包括3种数据：坐标数据用来实现轨迹的生成；导航信息数据用来显示卫星个数和强度等接收状况；地图数据用来显示动态地图。

5）支撑层，由客户端和服务器端组成，客户端主要由各种硬件和软件系统组成，服务器端主要由 Web服务器和数据库服务器组成。客户端可通过无线3G网和Inter网将用户指令或请求提交给服务器端，服务器端再从后台调出其所需要的服务和处理结果并返回给客户端。

3.2 系统功能设计

系统功能主要包括数据接收、数据处理、导航信息监控、道路生成、地图显示、数据导出等，功能构成如图2所示。

图2 系统功能构成图

1）数据接收模块。GPS接收机与便携计算机连接在一起，安置在车辆上，持续跟踪所有视野内的卫星，接收机将这些卫星的讯号接收下来，并通过串行通信口输出。接收模块接收串口输出的各种信息，包括时间信息、卫星信息、坐标信息等。

2）数据处理模块。将接收到的各种坐标信息、导航信息、卫星信息等进行解析，根据数据精度情况，剔除粗差坐标信息数据，进行初步的数据处理，为其他功能使用这些数据做好准备工作。

3）导航信息监控模块。对各种GPS信息数据，包括坐标信息数据、时间信息数据、卫星分布信息数据、信号强度信息数据、高程信息数据等进行可视化显示，方便用户及时了解各种GPS信息数据实时接收的状况（如卫星个数是否足够、信号是否良好等）。

4）道路生成模块。根据实验接收的各种GPS坐标信息数据，生成可供在湖北省1∶50000基础底图上直接显示的路径信息数据，并在基础底图上显示运行轨迹。

5）地图显示模块。加载境界、道路、水系、居民地等可以辅助监测GPS车辆实时运行情况的矢量信息数据，方便用户进行实际道路信息更新的监控，主要功能包括放大、缩小、漫游、刷新、全屏及各种状态的切换等。

6）道路数据导出模块。将接收到的道路数据以ArcGIS中的shp格式输出显示。

3.3 系统数据库设计

系统数据库设计主要用到两大类数据：①GPS定位信息数据，包括坐标信息数据、导航信息数据，如时间、卫星状态、信号强度，方位角等；②地图数据，即叠加在实时道路信息下面的基础地理信息底图，采用数字武汉解密版1∶50000电子地图数据。前者采用数据库管理系统的形式在本地客户端和服务器端同时存储；后者采用本地文件数据库的形式进行组织存储，如图3所示。

图3 系统数据库逻辑结构图

GPS接收机每秒接收至少10条数据字符串，各种GPS专项信息，如定位信息、可见卫星信息、地面速度信息等都是由1条或多条这样的字符串组成。因此，为了降低系统复杂性,统一存储模式，提高解析效率，系统对所有字符串信息采用分条存储的方式进行建库，系统启动时直接实时调用这些数据并予以处理。系统GPS定位信息表如表1所示。

GPS接收机接收的数据具体格式为：

表1 GPS定位信息表

4 系统实现

系统的开发环境为M icrosoft Visual Studio2008,采用的编程语言为 Visual Basic.NET，GIS开发平台为ArcGIS Engine，数据库为Access 2003。系统将导航型GPS接收机连接到PC机上，整套装置安置在移动车辆上，通过车辆移动将实时接收到的卫星数据通过串口传送到计算机上，再通过3G网络，将数据信息存储到特定服务器数据库中，其他用户若要观察GPS车辆实时路径信息，可安装该客户端，通过Inter网连接指定数据库，在GIS的支持下，进行地图匹配等相关处理后，在电子地图上显示出车辆的运行轨迹。本系统在用户接口设计方面遵守用户界面设计的3个原则：“置界面于用户的控制之下”、“减少用户的记忆负担”、“保持界面的一致性”。系统保持界面的简洁，合理分配空间摆放各种菜单、工具条、控件，利用颜色、图像和显示效果来达成内容与形式的统一。系统部分主界面如图4所示。

2011年8月20日，采用车载GPS技术，车辆沿湖北省武汉市中南路、武珞路、珞狮路、雄楚大道、南湖大道方向行驶，实验时间60 m in，将采集到的数据和武汉市原数据库中的1∶50000数据进行了精度对比分析，实验证明该系统的道路数据精度可达到 5 m，能够满足湖北省1∶50 000地图道路数据更新的需求。此外，本系统运行稳定、成本低、实用性强、更新速度快、开发性强。

图4 系统部分主界面

5 结 语

本系统不仅可以满足湖北省1∶50000地图道路数据的更新，还可为政府交通、旅游、公安等相关部门提供各种导航、数据和车辆服务,具有较大的实用价值和广阔的应用前景。为了使本系统能够得到更广泛的应用，可结合湖北省 CORS(连续运行参考站)系统，采用差分GPS定位、CCD相机等相关设备，对其功能的扩展、精度的提高、信息的丰富等进行进一步地研究和开发，以满足1∶10000地图道路数据更新的精度要求，使其应用达到一个新的高度。

[1] 李永丰,於新国.利用GPS快速采集道路信息系统的研究[J].地理空间信息,2007,5(5):28-29

[2] 李翠.车载GPS道路测量与修正系统的研究与开发[D].西安：长安大学,2006

[3] 吕志伟,郝金明.关于GPS用于道路信息采集与更新系统的研究[J].测绘通报,2002(12):25-27

[4] 李德仁,陈小明,郭炳轩，等.车载GPS道路信息采集与更新系统的研究[J].武汉测绘科技大学学报,2000,25(2):97-98

[5] 公丕波.智能车载导航系统研究[D].郑州：解放军信息工程大学,2005

[6] 张妤.GPS及GIS技术在车载导航系统中的应用研究[D].西安：西安科技大学,2009

[7] 李庆田.车载GPS公路测量中数据采集与数据处理方法研究[D].郑州：解放军信息工程大学,2006

Design of Road Update System Based on Vehicle-borne GPS

by WANG Jianyun

This paper designed the Road Update System which based on Vehicle-borne GPS with Visual Basic.net and ArcGIS Engine component technology.It discussed the background and significance of the Road Update System construction and introduced the key technology, construction goal,overall structure,database and function design of the system.It turned out that the system was of great stability and strong practicability.

GPS，ArcGIS Engine，Road Update System

2012-02-22

P228.4

B

1672-4623(2012)03-0097-03

汪剑云，硕士，主要从事GPS应用研究。