全球定位系統(tǒng)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用分析

劉長新 張廣華

摘?要：全球定位系統(tǒng)是利用接收到的衛(wèi)星信號可以確定目標(biāo)點(diǎn)的精確位置，而這種技術(shù)在GIS數(shù)據(jù)采集過程中具有非常明顯的優(yōu)勢，GIS是可以對地理信息進(jìn)行采集、存儲、和描述。本文基于GIS數(shù)據(jù)采集，在指出傳統(tǒng)的信息采集方式缺陷的基礎(chǔ)上，介紹了GPS定位原理及應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)?數(shù)據(jù)采集?GIS?GPS

中圖分類號：P288.4?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?文章編號：1003-9082（2020）10-000-02

引言

地理空間數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容，而數(shù)據(jù)采集是建立系統(tǒng)的一項(xiàng)最基礎(chǔ)性的工作，而且工作量大。然而，在全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用到GIS系統(tǒng)中之后，不僅減輕在數(shù)據(jù)采集的工作量，而且提升了定位精度。

一、相關(guān)概念及GPS定位原理

1.相關(guān)概念

1.1全球定位系統(tǒng)的概念

全球定位系統(tǒng)的簡稱為GPS，從它的總體構(gòu)成來看，這一系統(tǒng)主要由三個(gè)子系統(tǒng)所組成，一是由24顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座系統(tǒng)，每個(gè)軌道分布了4顆衛(wèi)星，這種的空間分布之后，觀察衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)情況就不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，而且可以在全球范圍內(nèi)進(jìn)行24小時(shí)的定位;二是地面監(jiān)控系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的主要功能是觀察和監(jiān)控24顆衛(wèi)星的運(yùn)行以及相關(guān)運(yùn)行設(shè)備的情況，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或者衛(wèi)星偏離了預(yù)定軌道，那么這一系統(tǒng)就會發(fā)出預(yù)警信號;三是用戶系統(tǒng)，這一系統(tǒng)的功能主要是對采集數(shù)據(jù)的處理，它是由數(shù)據(jù)處理的軟件、硬件等部分組成。

1.2GIS的概念

GIS指的是地理信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)然，這一系統(tǒng)的功能除了數(shù)據(jù)采集以外，還具有數(shù)據(jù)存儲、分析的功能。GIS數(shù)據(jù)獲取的地理信息非常準(zhǔn)確、全面，除了獲取空間位置信息以外，還可以獲取地理目標(biāo)的類別、高度、植被覆蓋等綜合信息，因此，可以廣泛應(yīng)用于城市交通規(guī)劃、國土資源監(jiān)測、災(zāi)害檢測等多個(gè)領(lǐng)域。

2.全球定位系統(tǒng)采集GIS數(shù)據(jù)的原理

全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用，大大減輕人傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方面的工作量，而且數(shù)據(jù)更為全面準(zhǔn)確。GIS數(shù)據(jù)是對現(xiàn)實(shí)地理信息的綜合體現(xiàn)，因此，全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用中，首先是采集地面地理信息，然后將這一信息輸入到GIS數(shù)據(jù)庫。因此，數(shù)據(jù)采集是整個(gè)GIS的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，當(dāng)然，傳統(tǒng)以來來所采用的野外采集、航測、掃描采集方式都存在不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，而應(yīng)用全球定位系統(tǒng)則能較好地解決這一問題，因?yàn)槿蚨ㄎ幌到y(tǒng)可以采集到地面信息的屬性數(shù)據(jù)，比如道路的長度、寬度、等級各方面的信息。全球定位系統(tǒng)這一功能的實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)檫@一系統(tǒng)配有電子手簿，可以對任何采集到的信息進(jìn)行的特征和屬性項(xiàng)的輸入，而數(shù)據(jù)采集之后，只需應(yīng)用相關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，就可以得到用戶所需要的信息。

二、傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)采集方式及其缺陷

在全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用之前，在GIS數(shù)據(jù)采集方面大多采用野外采集、航測、掃描采集方式，而這種方式不僅工作量大、同期長，而且采集的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)。

1.利用現(xiàn)有地圖資料

在GIS數(shù)據(jù)采集方面，如果是將現(xiàn)有地圖資料錄入到系統(tǒng)之中，那么通常會采用兩種方式，一是手扶跟蹤矢量化，也就是將現(xiàn)有地圖資料掃描到系統(tǒng)中，然后形成柵格化矢量圖，但是這種方式需要手扶跟蹤各個(gè)要素，如果操作人員稍有疏忽，就會形成數(shù)據(jù)的混亂;二是自動掃描矢量化，也就是將現(xiàn)有的圖幅掃描到系統(tǒng)中，然后建立矢量圖，但這種方式的成本投入較大，對硬件設(shè)施的要求高。

2.利用圖像資料

在利用圖像資料的過程中，需要采用高質(zhì)量、高科技含量的硬件設(shè)備，也就是說，采用數(shù)字?jǐn)z影測量儀器采集航攝像片或衛(wèi)星影像，雖然這種方式的精度相對較高，但運(yùn)行成本過大。

3.實(shí)地測量

所謂實(shí)地測量，指的是在野外建立測量站，采用GPS技術(shù)、電子全站儀設(shè)備建立精度高的地形測圖，這種方式雖然生成數(shù)字地圖精度高，但依然存在速度慢、工作量大的缺陷。

三、全球定位系統(tǒng)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

由于全球定位系統(tǒng)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用時(shí)間不長，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，在關(guān)鍵技術(shù)方面面還存在一定的技術(shù)短板。本文綜合運(yùn)用最新理論研究成果以及實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對全球定位系統(tǒng)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用分析如下。

1.數(shù)據(jù)采集的實(shí)施

1.1作業(yè)方式的選取。隨著全球定位系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的不斷升級，雖然在定位方面的作業(yè)方式的選取方式存在靜態(tài)、動態(tài)化的多種方法，但本文僅選取認(rèn)為動態(tài)差分后處理方式進(jìn)行分析，在具體操作中，首先選取兩臺性能相同的設(shè)備，分別安置在基線的兩個(gè)端點(diǎn)，然后將其中的一臺設(shè)備作為基準(zhǔn)站，另一臺設(shè)備作為流動站，當(dāng)然，開電腦PC機(jī)的菜單設(shè)置時(shí)，需要分別定義流動站和基準(zhǔn)站的名稱，在具體操作時(shí)，還需要設(shè)置采樣率和衛(wèi)星截止角，以提高作業(yè)效率。

1.2基準(zhǔn)站的設(shè)置。將位于基準(zhǔn)站點(diǎn)的GPS接收儀與天線連接起來，然后將其安放到高處，之后就開始接收記錄衛(wèi)星數(shù)據(jù)。當(dāng)然，GPS接收儀安放點(diǎn)的坐標(biāo)要事先計(jì)算設(shè)置，否則難于準(zhǔn)確定位。一般來說，GIS數(shù)據(jù)通常需要設(shè)置多個(gè)基準(zhǔn)站，每一個(gè)基站的坐標(biāo)確定以后，對各個(gè)采集點(diǎn)的定位儀命名，以方便數(shù)據(jù)查找。

1.3移動站屬性的編制與設(shè)置。將需要定位的地理信息輸入到GPS數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)會根據(jù)地理位置的屬性信息進(jìn)行編制，屬性庫編制之后，系統(tǒng)按地類代碼分層。然后進(jìn)行移動站的設(shè)置，在操作中，只需把基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)打開，就可以看到設(shè)置菜單，在設(shè)定的菜單里選擇相應(yīng)的程序即可。

1.4數(shù)據(jù)采集的實(shí)施。在前期準(zhǔn)備工作完成之后，然后定位操作人員手持GPS接收儀走出戶外，操作人員的行走路線可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需要而定，同時(shí)，為有效接收信息，還可以將外置天線固定在遮陽帽上。操作人員在規(guī)定的范圍行走一圈之后，便完成了一個(gè)封閉完整的曲線的采集，這時(shí)，操作人員在記錄好相應(yīng)端點(diǎn)數(shù)據(jù)并寫上連接的順序。

2.GPS內(nèi)業(yè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

GPS定位儀自帶數(shù)據(jù)處理軟件，同時(shí)，在數(shù)據(jù)處理中還需要采用相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，這是數(shù)據(jù)處理必備的兩個(gè)軟件。在具體的操作過程中，首先是做差分處理，而差分處理需要運(yùn)用基準(zhǔn)站和移動站所采集的數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)PC端以后再基準(zhǔn)站坐標(biāo)輸送到電腦，在系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，會自動生成處理文件，當(dāng)然，數(shù)據(jù)處理文件格式需要操作人員事先設(shè)置。具體流程如下.

2.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

不同的地理位置，通常要以坐標(biāo)系的形式體現(xiàn)出來，目前，坐標(biāo)系的表達(dá)方式有多種，比如直角坐標(biāo)系、空間大地坐標(biāo)系、WGS-84世界大地坐標(biāo)系、國家大地坐標(biāo)系等。因此，基于不同的全球定位系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)庫信息，在數(shù)據(jù)處理時(shí)就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

由于全球定位系統(tǒng)采用了WGS-84世界大地坐標(biāo)系，這一系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)庫就存不匹配的問題，因此需要將WGS-84世界大地坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之與GIS數(shù)據(jù)庫一致。目前，北京54坐標(biāo)系是我國定位系統(tǒng)常用的坐標(biāo)體系，因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，還需要將WGS-84世界大地坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之與北京54坐標(biāo)系相對應(yīng)。另外，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還要進(jìn)行投影變換，這樣才能得到完整的、符合數(shù)據(jù)庫要求的坐標(biāo)位置形式。

2.3數(shù)據(jù)采集后的處理

對于通過各種方式采集到的地理信息數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)采集工作之后，都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后的處理，然后輸出各種格式的數(shù)據(jù)。在此過程中，數(shù)據(jù)都是通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，因此，選擇何種軟件就顯得非常關(guān)鍵，合格的軟件系統(tǒng)必須符合以下要求：一是能夠?qū)Ω鞣N格式的進(jìn)行輸入輸出處理，二是采用集成式系統(tǒng)架構(gòu)，方便用戶操作，三是具有導(dǎo)航或跟蹤功能，提升數(shù)據(jù)采集速度。

3.GPS數(shù)據(jù)處理

地理數(shù)據(jù)信息采集之后，除了要對其進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換以及軟件選擇之外，觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、平差計(jì)算，也是GPS數(shù)據(jù)處理重要環(huán)節(jié)。

3.1觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理。觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理，指的是對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、加工，并按不同的格式進(jìn)行歸類，只有對數(shù)據(jù)預(yù)算理科學(xué)合理，下一步的平差計(jì)算結(jié)果才更為精準(zhǔn)。通常情況下，觀測數(shù)據(jù)的預(yù)處理的方法大多要通常建立數(shù)學(xué)模型，然后采用評價(jià)數(shù)據(jù)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和分流，當(dāng)然，這種預(yù)處理后的數(shù)據(jù)只是數(shù)據(jù)的加工，為了統(tǒng)一不同來源衛(wèi)星軌道信息的表達(dá)方式一船須采用多項(xiàng)式擬合法，使觀測時(shí)段的衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2平差計(jì)算。平差計(jì)算的主要內(nèi)容包括三個(gè)方面：一是同步觀測的基線向量平差，即同一基線邊、多歷元同步觀測值的平差計(jì)算;二是GPS網(wǎng)平差，利用上述基線邊的平差結(jié)果，作為相關(guān)觀測量，進(jìn)行網(wǎng)的整體平差;三是坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換或與地面網(wǎng)的聯(lián)合平差，GPS網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中的平差結(jié)果，尚需按用戶的要求進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，因此需要進(jìn)行兩網(wǎng)的聯(lián)合平差。

結(jié)語

GIS數(shù)據(jù)采集是GIS系統(tǒng)的一項(xiàng)最基礎(chǔ)性的工作，長期以來，GIS數(shù)據(jù)采集方面大多采用野外采集、航測、掃描采集方式，而這種方式不僅工作量大、同期長，而且采集的數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，全球定位系統(tǒng)的應(yīng)用，大大減輕人傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方面的工作量，而且數(shù)據(jù)更為全面準(zhǔn)確。全球定位系統(tǒng)在GIS數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在全球定位系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的實(shí)施、GPS內(nèi)業(yè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、GPS內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面。

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作者簡介：劉長新（1983.2—），男，漢族，吉林德惠人，本科，工程師，研究方向：地圖制圖。