GPS与GIS数据集成解决方案

李海胜,张恒

（1.郑州铁路职业技术学院软件学院,河南郑州 450052；2.中国地质科学院地质研究所,北京 100037）

GPS与GIS数据集成解决方案

李海胜1,张恒2

（1.郑州铁路职业技术学院软件学院,河南郑州 450052；2.中国地质科学院地质研究所,北京 100037）

提出自建单机站、自建VRS、后处理差分3种GPS外业数据采集方案.通过外业数据采集与内业数据处理将GPS数据集成到GIS系统之中,并以北京市电力系统为例提出了GPS与GIS数据集成方案.实际测试表明：方案实时性强、精度高、成本低,在电力等行业中应用前景广阔.

GPS；数据集成；差分定位；GIS电力系统

随着3S技术的不断发展,将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的一体化技术已显示出更为广阔的应用前景[1].以RS、GPS、GIS为基础,将RS、GPS、GIS三种技术中的有关部分有机集成起来,构成一个强大的技术体系,可实现对各种空间信息和环境信息快速、机动、准确、可靠的收集处理与更新.实际应用中,较为多见的是两两之间的结合.

GPS可以获得极为重要的实时、动态、精确的空间数据,是GIS的重要数据源,拓展了GIS的应用领域和应用方式.GIS对于GPS来说,是一种重要的空间数据处理、集成和应用工具.二者紧密联系,共同开创和深化更多领域的空间应用.GPS与GIS集成主要可用于：建立大地测量控制网和水准网；实时地采集地物的位置数据、属性数据；为空间数据信息的获取（如航空摄影与卫星遥感）提供实时定位数据等[2-3].在这种集成中,GPS主要用于实时、快速地提供目标的空间位置,GIS则是对不同来源的时空数据进行综合处理分析和应用的平台,而如何将GPS数据与GIS系统集成在一起,是研究的热点和难点问题[4-5].本文以北京市GIS电力系统为例提出了将GPS数据集成到GIS系统之中的解决方案.

1 北京市GIS电力系统GPS、GIS集成方案

采用GIS技术可以显著提高以空间数据为基础的电力信息分析处理的能力,不同电力企业的GIS系统对数据提取、分析和处理有不同的需求,但是所有的电力GIS系统都包括以下一些基本功能：基本GIS功能（图层操作、图形浏览、长度面积量算等）,自动成图功能（GPS数据文件接收、相位图的编辑、注记层的编辑生成等）,设备管理功能（查询统计、单线图提取、线路模拟追踪等）,巡线管理（GPS数据录入接口、图形数据输入、危险点查询等）.以上功能都是以电力设施的基础数据为基础的.因此,建立和完善电力GIS系统,首先必须解决电力设施数据采集问题,包括设施的属性数据和空间数据.其中属性数据涉及设备的名称、型号、检修记录等；空间数据则包括以各种形式表达的电力设施的空间坐标,这些空间坐标一方面作为电力设施的重要基础数据,另一方面用来检验人员到岗情况,起到工作监督的作用.

通过GPS可以很好地解决数据采集问题.GPS系统可以结合视频图像采集系统,在采集位置数据和一般属性数据的同时,采集相应的图像信息,形成丰富和直观的GIS属性数据库.现场采集的数据可通过数据线缆、Wi-Fi或移动通信方式即时进入GIS系统,为内业处理节省时间.

对于精度要求在1m以内的设施,必须采用差分定位的方式.按照工作程序的不同,分为实时差分和后处理差分[6].常见的实时差分系统有信标差分、单基站、VRS和卫星差分等.后处理差分利用两台或多台GPS接收机,在同一时段对同一组卫星星座进行观测,观测结束后分别将基准站和流动站观测数据导入后处理软件,通过软件解算方式进行数据改正,得到较高的定位精度.以下对自建单机站方案、自建VRS方案、后处理差分方案做简单介绍.

1.1 自建单基站

流动站采用TrimbleGeoXT和可作为外置Modem的SonyEricsson k700c手机配合作业.GeoXT负责GPS卫星接收、解算、数据存贮,手机用于建立和保持与基准站的实时通信.该方案的实时差分定位精度为亚米级,能够满足大部分点位的精度要求.

基准站包括Trimble5700系列产品和Modem.如果要接入多个流动站,则需若干个Modem.基准站采用功能强大的GPSBase软件.

1.2 自建VRS

自建VRS（VirtualReference Station,如图1所示）与自建单基站在流动站硬件配置上完全相同,而基准站数量较多,北京市配置2台基准站就可以覆盖全区.通过缩小覆盖半径,架设多个基准站,可以得到更高的精度.如果覆盖半径在50 km,则需要架设2个基准站,2个基准站分别架设在密云县和石景山区.所有基准站通过FR或DDN方式接入主控制中心.

图1 自建VRS方案Fig.1 Self-builtVRSprogram

中心服务器安装和运行GPSNet、GPSServer.其中GPSNet实现对基准站的监视、控制、数据收集、解算和通过GSMModem的数据发布.GPSServer实现差分数据在Internet上的实时发布,使得流动站可以通过GPRS方式获取实时差分数据.

1.3 后处理差分

在数据采集或更新阶段,用户可以使用后处理方式（如图2所示）实现亚米级或更高精度的定位.这种方式的工作原理是：流动站和基准站在同一时段对同一组卫星星座进行观测,分别记录和存贮观测数据.在两者相距不太远的情况下,可以认为两者的误差来源基本相似,差分改正数也很接近,具备差分的基本条件.观测完毕后,分别将基准站数据和流动站数据导入后处理软件,进行差分解算,得到亚米级或更高精度的位置数据.

后处理差分方式基准站的部署与自建单基站的策略相同.基准站和流动站之间各自独立工作,无需实时通信.基准站架设和管理方便,流动站操作简单灵活,适用于不需要实时高精度定位的场合.

图2 后处理差分方案Fig.2 Post-processing differentiation program

1.4 方案选择

卫星差分实时精度高,工作效率高,但服务费用较高导致数据采集成本过高.信标作业免收服务费,但信标设备昂贵.公共VRS服务在北京市已经开通可免费使用.后处理差分工作灵活精度高,因此建议基础数据采集和维护采用后处理差分作业方式.如果对实时性要求较高,自建单基站是一种很好的选择.

北京市电力设施的定位主要用来导入GIS系统进行系统基础数据建库,因此采用后处理差分方案.而在事故抢修等紧急情况下,采用实时差分定位方式公共VRS或自建单机站.

2 作业流程

2.1 准备工作

2.1.1 软件安装在PC机上安装数据同步软件ActiveSync v4.5,业内数据处理软件PathfinderOffice3.10[7].通过数据同步软件ActiveSync v4.5连接天宝GPS机GeoXT2005和PC机,然后在PC机上为GPS机GeoXT2005安装外业数据采集软件TerraSync V3.20.

2.1.2 设置外部差分源启动TerraSync,TerraSync会自动连接到GPS接收机并追踪可见卫星计算获取其当前位置.Nokia 6670与GeoXT2005两台设备建立蓝牙连接,GeoXT通过Nokia 6670的GPRS网络连接Internet.打开TerraSync软件,点击“安装”菜单（V3.00以上版本为“设置”菜单）,点击“实时设置”,然后将“实时设置”窗口的“选择1”设置为“外部源”.进入外部源设置窗口,根据作业地区的实际情况选择单个基站或VRS.如果是VRS类型的外部源,还需选择数据源服务类型.

2.1.3 编辑数据字典应研究制定适合本行业或本单位应用的属性数据规范,通过PathFinder Office编辑相应的数据字典.如果外业采集分阶段或分区域完成,则需制定适合不同阶段不同地区的数据字典,并上传到相应的GeoXT手持机上.

2.2 采集数据

假设需记录的要素是路标（点要素）.在路标点周围多次获取GPS值（获取过程中GPS接收机需保持稳定不动）,取这些位置坐标的平均值计算路标的最终GPS坐标.

2.3 内业数据处理

外业工作结束后,应将手持机中存贮的数据通过PathfinderOffice的数据传输功能导入到计算机中,并对已采集数据进行检查.使用“差分改正”功能对已采集数据进行差分处理,提高GPS数据精度.

将差分处理后的数据导出为ArcGIS格式或其它数据格式.还可通过Medea Mapper或其他插件上传视频数据,并将地理数据与视频内容进行匹配.如需对数据进行定期或不定期更新,则需将GIS系统中的数据导入到PathfinderOffice中,然后上传到流动站设备上,用作导航或更新目标.

连接外部差分定位源进行实时差分可以有效提高定位精度,而外业数据采集与内业数据处理将GPS数据与GIS集成在一起.

3 运行分析

将北京市电力设施点数据、线数据等集成到GIS系统之中,变压器分布图如图3所示.系统具有实时查询各种电力设施的位置、属性、自动成图、外业人员位置动态监测等功能；日常工作中,系统主要执行设备信息管理功能；设备抢修紧急情况下,可快速定位故障设备位置,获取设备信息为维修人员提供必要的信息参考,节省抢修时间.经实际运行,电力GIS系统大大提高了电力设施的管理水平,降低了设备维护成本,为紧急情况处理提供必要的信息支撑.

图3 变压器箱分布Fig.3 Transformerbox distribution chart

4 小结

本文概括了GPS当前发展及应用的现状,依次提出自建单基站、自建VRS和后处理差分等方案,3种方案具有不同的特点.在实际应用过程中根据对GPS定位精度的要求以及GPS基础设施的差异,选择不同的方案.GPS数据向GIS系统集成可以概括为3个步骤：差分定位方案的选择、数据采集和数据处理.最后,将GPS数据集成到GIS系统之中.此种集成方法适合GIS数据的采集,无需特定的GPS接收机,数据采集成本低,满足大多数应用的需求.

[1]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社,2000.

[2]韩敏,张黎.基于GPS与GIS集成的湿地信息处理技术研究[J].计算机工程与设计,2007,28（18）：4511-4514.

[3]刘利君,武文波.GPS与GIS集成技术在矿山沉降监测中的应用[J].测绘科学,2009（S1）：101-102.

[4]毛政元,李霖.“3S”集成及其应用[J].华中师范大学学报：自然科学版,2002,36（3）：385-388.

[5]刘震,李树楷.遥感、地理信息系统与全球定位系统集成的研究[J].遥感学报,1997,1（2）：157-159.

[6]徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社,2003.

[7]黄万里,林广发,江辉仙.GPS与GIS的集成方法[J].测绘通报,2005（4）：33-35.

Solutions of GPS data integrating w ith GIS data

LiHaisheng1,Zhang Heng2
（1.SchoolofSoftware,Zhengzhou Railway Vocational&TechnicalCollege,Zhengzhou 450052,China；2.Institute ofGeology,Chinese Academy ofGeologicalSciences,Beijing 100037,China）

Proposed three GPS filed data collection program：self-built stand-alone station,self VRS and postprocessing differentiation.By field data collection and data processing within the industry,the GPS data is integrated into the GIS system.And Beijing power system is taken as an example.Actual tests show that the program is realtime,high-precision and low-cost,itwill has a broad application prospects to power industry.

GIS；data fusion；differential positioning；GIS power system

TP311

A

1008-7516（2013）01-0073-04

10.3969/j.issn.1008-7516.2013.01.018

2012-12-09

李海胜（1984-）,男,河南郑州人,硕士,助教.主要从事遥感与地理信息系统研究.

卢奇）