GPS坐標與公路樁號轉換研究*

段明華 王敬豐

(安徽交通職業(yè)技術學院城市軌道交通與信息工程系 安徽合肥 230051)

在現代公路信息化管理系統(tǒng)中，對公路沿線工作點的地理位置的定位主要是通過對其經緯度坐標在地理信息系統(tǒng)(geographical information system，GIS)定位，并在電子地圖上顯示而實現。GPS定位技術是指將GPS接收機所獲取的信號通過誤差處理最后得到更加精準的位置信息，將位置信息傳遞給所連接計算機設備，通過對該信息進行計算和轉換，最后傳遞給顯示終端，得出直觀的定位效果[1]。在大多數公路管理系統(tǒng)軟件中，裝備于前端現場工作點的系統(tǒng)設備不斷采集現場巡查點所在位置的GPS經緯度坐標，并實時上傳至管理系統(tǒng)，以實現公路管理部門對公路的建設、維護、施救、治超、應急處理等管理工作，并在GIS和電子地圖上實時定位和跟蹤。然而，在實際公路管理實踐工作中，管理人員和工程技術人員在現場通常采用傳統(tǒng)的公路里程樁號值對每條公路沿線點、構筑物和交通事件點的地理位置進行實際定位。例如某公路管理部門需要維護的某道路工作點位置經常表示為XX高速YK200+125處，而不是經緯度值。在不借助GIS和電子地圖的情況下，一線工作人員很難通過直接的GPS經緯度坐標進行具體實際的現場地理位置定位。同時，目前GIS和電子地圖中尚無建立公路網公路里程樁號數據系統(tǒng)，因而現有GIS和電子地圖無法實現具體公路里程樁號值的定位查詢。

目前有些學者對道路點的定位進行了一些相關研究，如吉林大學研究的路面破損定位系統(tǒng)[2]，長安大學研究的基于GPS的路面裂縫定位方法[3]， 這些定位技術只能對道路信息進行大致定位，隨著檢測里程增加， 誤差不斷累積[4]。長安大學研究的另一種采用基于GPS、視頻、本文檔、陀螺儀和光電編碼器等多傳感器信息融合技術，通過GPS結合道路環(huán)境視頻的方法精確定位[5]。這個方法雖然精度相對較好，但是投入成本高，計算數據多，計算時間長，延誤長，不適合快速全路段線路樁號轉換計算，不適合公路外業(yè)現場實際使用。

根據以上目前存在的問題以及管理實踐的實際需求，研究全路段公路樁號值和GPS經緯度坐標相互轉換功能，進行兩種坐標系統(tǒng)的轉換。以實現對公路管理工作的地理位置在電子地圖上準確定位(GPS經緯度坐標)，同時也能提供對公路管理人員有實際工作意義的參考坐標信息(公路樁號值)。

1坐標轉換

根據實際需求，具體分為GPS經緯度坐標轉換公路樁號值和公路樁號值轉換GPS經緯度坐標兩個部分。

1.1 GPS經緯度坐標轉換公路樁號值

通過給定某點GPS經緯度坐標，首先搜索并判斷該給定點是否在公路網某公路沿線范圍內。若是，搜索出公路路線名，并計算出給定點的公路樁號和可能行車方向。否則，提供離給定點最近公路路線名、公路樁號或公路匝道樁號。計算流程圖如圖1所示。此轉換主要目的是實現在已知GIS電子地圖位置點(例如交通事件處置的實時位置)情況下，能同時為公路管理人員提供其直觀的實際公路樁號地理位置。

圖1 經緯度轉換公路樁號值流程圖

1.2公路樁號值轉GPS經緯度坐標

通過給定某公路樁號和可能的行車方向，計算此樁號的GPS經緯度坐標,計算流程如圖2所示。該轉換主要目的是實現根據公路管理人員提供的實際位置點，在GIS電子地圖準確定位。

圖2 公路樁號轉換經緯度坐標流程圖

2對應法坐標轉換

文章采用樁號對應法實現公路參考點樁號坐標表的建立，主要原因有：

①對應法計算簡單，計算效率高，計算速度快，結果相對比較穩(wěn)定；②對應法對各樁號值準確度無特定要求，對公路路線斷鏈、樁號值累計誤差無須進行特別計算處理；③對應法各對應點相對獨立，對于將來的公路路線局部的樁號的改變和更新，只須對其中對應部分的數據修正和調整，無須對計算和整體數據進行變動。

2.1參考點坐標采集

首先要采集公路沿線公里樁參考點GPS經緯度值。對于參考點經緯度坐標值采集通常有兩種：方法一采用高精度的GPS手持機直接采集；方法二系統(tǒng)調用Google earth進行圖上采集[6]。方法二精度差，文章采用方法一。文章通過參考樁號對應法和公路線性內插計算法來測量待測點樁號值。

由于公路施工時的各種原因會造成公路的公里樁號位置不準、累積誤差大等問題，因此需要對每一個樁號進行GPS定位采集，建立準確的各公路樁號與經緯度坐標對應表。采集錄入樁號并記錄GPS信息，將樁號與對應的GPS經緯度信息存入數據表。當采集完所有的GPS信息，樁號與對應的GPS經緯度信息對應表也建立完成。為了進一步提高GPS的定位精度，采用了卡爾曼濾波算法[7]。

GPS測量精度一般為10米，但因其受到多重因素的影響(星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層折射、對流層折射、多路徑誤差、信號干擾、接收機方面所致誤差等)[8]，GPS數據采集的數量或采集時間長短會對最終采集精度有一定影響，但影響較小。在GPS經緯度數據采集實驗中，每個樁號點均采集2遍，每次20個數據點，如表1所示。數據分析發(fā)現采集數據與實際樁號位置平均誤差約為4.8米，方差為2.475，足夠滿足管理人員在現場工作上的實際需要。

表1 試驗數據采集平均總結分析

2.2建立各公路樁號與GPS經緯度坐標對應表

各公路樁號的GPS經緯度值采集完成后，建立所有的GPS經緯度值與公路樁號的對應表。對應表各樁號點為沿公路上下行雙向路肩邊緣點。各樁號對應點數據包括：①公路名； ②樁號值；③經緯度等；④對應點說明等。經現場實際采集，宣廣高速部分樁號與GPS經緯度坐標對應表如表2所示。

表2 公路樁號與GPS經緯度坐標對應表

2.3建立邊界區(qū)域

根據公路網中公路線性和對應表數據，建立整個公路網、各條公路以及各公路路段邊界區(qū)域(見圖3)。各邊界區(qū)域劃分應根據公路網各公路線性分布制定，保證邊界區(qū)域點在一定數量范圍內(20-60個)。邊界區(qū)域包括：①區(qū)域類型(公路網、公路、公路分段等)；②邊界區(qū)域點數目及各點經緯度坐標；③區(qū)域描述；④區(qū)域內公路或公路段名、路段起點、終點樁號值。邊界區(qū)域的建立目的是在進行坐標轉換計算前，能快速對待測點進行區(qū)域搜索定位，縮小進一步搜索范圍，減小坐標轉換計算的整體時間，提高計算速度和效率。

圖3 公路網各公路邊界區(qū)域的建立

2.4建立坐標轉換計算

經緯度與樁號值互換計算將首先通過圖形搜索，確定坐標點所處公路邊界區(qū)域，并通過拓撲計算，在對應表中搜索待測點臨近的對應表對應樁號點作為該段路線參考的基準點，最后利用二維比例法計算出坐標點的樁號或經緯度坐標。

按照待測坐標點臨近對應表對應前后兩個樁號點作為參考點進行編號，若參考點對應的兩個對應樁號值分別為A、B，用N表示待測坐標點樁號值，用x表示經度值，y表示緯度值，(Ax,By)表示A點經緯度值，(Bx,By)表示B點經緯度值，(Nx,Ny)表示待測坐標點N的經緯度值。為了計算出的待測點樁號更精確，采用經度和緯度的兩次比例值計算，然后取平均值。

首先利用經度值算出待測坐標點的樁號第一次計算值N1：

(1)

然后利用緯度值算出待測坐標點的樁號第二次計算值N2：

(2)

則最終待測坐標點的樁號為N：

(3)

從而得出精度較高的待測點樁號值，根據樁號的變化，還可以判斷上行線和下行線的方向。反之可以從已知樁號得出待測坐標點經緯度值。

2.5公路交叉路段處理

建立交叉路段特別邊界區(qū)域，此邊界區(qū)域面積范圍應相對較小，僅限于交叉路段范圍內，便于對給定點是否處于交叉的直接判斷。

2.6最近公路匝道搜索

對于給定公路網外某點，無法提供公路網至給定點的通行路徑。因而僅提供離給定點最近公路匝道信息。最近公路匝道將通過計算最短空間距離搜索而確定。

通過以上六個步驟實現坐標轉換的功能和目標。

3 GPS數據采集實驗

3.1路段試驗應用

根據上述成果，在宣廣高速公路上進行GPS數據采集并進行全路段樁號轉換實際應用。轉換應用結果在管理系統(tǒng)軟件顯示結果分別如圖4所示。

圖4 GPS數據采集并進行樁號轉換顯示結果

4結論

通過以上實驗和應用，可以得出文章的公路樁號和經緯度坐標相互轉換，且具有以下特點：①準確性：在允許誤差范圍內，減小了坐標轉換產生的誤差，保持轉換坐標計算的準確性。②有效性：在轉換計算過程中，采用了合理的結構和優(yōu)化算法，縮短計算時間，減小延誤，保證計算的效率。③穩(wěn)定性：不同輸入條件下，提供轉換計算結果，也考慮了公路坐標的變更，保證了計算的穩(wěn)定性。

該研究成果準確、快捷地實現了研究公路樁號值和GPS經緯度坐標相互轉換功能，能有效進行兩種坐標系統(tǒng)的轉換，實現了對公路管理工作的地理位置在電子地圖上準確定位(GPS經緯度坐標)。同時也能為公路管理人員提供有實際工作意義的參考坐標信息(公路樁號值)，對提高公路的建設、維護、施救、治超、應急處理等管理響應時間和管理水平具有重要作用。