基于車載GPS技術的道路更新系統設計

汪劍云，劉 巖，李 兵，聶小波，肖 昶

（1.中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2.湖北省基礎地理信息中心,湖北武漢430071）

基于車載GPS技術的道路更新系統設計

汪劍云1，劉 巖1，李 兵2，聶小波2，肖 昶2

（1.中國地質大學(武漢)信息工程學院，湖北武漢430074；2.湖北省基礎地理信息中心,湖北武漢430071）

采用Visual Basic.NET和ArcGIS Engine組件技術，設計了基于車載GPS技術的道路更新系統；討論了道路更新系統建設的背景和意義；介紹了系統的關鍵技術、建設目標、總體構架、數據庫及功能設計。實踐證明，該系統運行穩定、成本低、實用性強。

GPS；ArcGIS Engine；道路更新系統

近年來，道路交通的發展和增長速度迅猛，而現有導航電子地圖中道路信息的現勢性差，更新周期長，數據年代不一，資料陳舊，時間跨度大，嚴重制約了經濟的發展。因此，如何及時地更新道路信息被各級測繪部門提上了日程。在國外，應用在道路測量上的重要方法主要有遙感測量、航空數字攝影和車載 GPS測量法。遙感測量和航空數字攝影雖然精度高，但是價錢昂貴、可操作性不強、更新周期長，而利用車載GPS技術可以快速、高效、低成本地采集公路及其附屬設施數據，是當今測繪界最為前沿的科技之一，代表著未來道路地理信息更新的發展主流[1-3]。道路數字化是“數字湖北”的重要組成部分。如何加快湖北省道路的數字化建設，如何及時地進行道路信息的更新，是實現湖北省道路管理現代化的必由之路。在這種需求和背景下，本文采用ArcGISEngine作為二次開發平臺，設計開發了適用于湖北省基礎地理信息中心的道路更新系統。

1 系統關鍵技術

1.1 GIS技術

近年來，GIS技術在各行各業中的應用越來越廣泛。GIS以地理空間為基礎，采用地理模型分析方法，提供多種空間和動態的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。在系統中，GIS技術不僅為客戶端提供地圖和數據服務，還可支持用戶遠程數據采集，為系統操作人員實現定制界面以及面向數據編輯的應用等。系統將采集到的信息實時地進行處理后輸出到GIS系統，以生成和更新數字道路網數據庫，實現對電子地圖的更新。GIS具有很強的分析、處理和查詢等功能[4]。

1.2 車載GPS技術

車載GPS技術就是將GPS接收機連接到電腦上，整套裝置安置在移動車輛上，根據車輛移動實時接收的衛星數據來定位，解析坐標信息實現衛星的可視化，顯示車輛的運行軌跡。車載GPS技術具有全天候、全球性、觀測時間短、定位精度高、應用廣泛等優點，能夠快速實現道路數據的采集和更新，修正和完善制約交通發展的電子地圖[5，6]。

1.3 通信技術

系統中設計的通信技術包括 2種：①串口通信技術。通過計算機的串行端口，使用RS-232通信接口標準，按異步串行方式進行數據傳輸，通過SerialPort串口控件編寫串口通信程序，實現GPS接收機和計算機之間的通信過程。這種通信方式簡單可行，在遠距離通信中可以節約通信成本[7]。②第三代移動通信技術。它是支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。它可以作為道路信息更新系統客戶端與服務端的連接件，使道路信息更新系統與監控中心能夠進行遠程數據交互。

1.4 多線程技術

多線程技術是指在一個進程中相對獨立的運行多個線程。一般而言，系統的每一個程序都是一個進程，在本系統中，采用多線程技術可以有效地簡化開發工作，主線程專門負責消息處理，使程序能夠迅速地響應用戶的需求；輔助線程用于實現串口通信，接收GPS信息，通過控制事件來解除線程的阻塞和響應主線程的命令。在程序結束時關閉串口，釋放串口資源[7]。

2 系統分析

2.1 系統建設目標

系統的總體建設目標是：運用車載GPS技術、GIS技術、計算機技術、現代化通信技術和多線程技術，結合數據庫技術，初步探討運用車載GPS進行道路更新的方法、手段、坐標精度及關鍵技術。構建車載 GPS數據更新系統，可以實現對省內道路信息的采集、錄入、處理、存儲、查詢、顯示、輸出和更新等功能的開發，為湖北省地理信息平臺道路信息數據更新提供關鍵技術支撐，為建設“數字湖北”和政府管理決策信息化提供必要的信息基礎。

2.2 系統設計原則

1）先進性和成熟性原則。系統建設采用先進的技術、方法、軟件、硬件和網絡平臺，確保方法及系統的先進性和可靠性能夠適應未來技術的發展和需求的變化，能夠可持續發展。

2）實用性原則。系統的建設以實際應用為本，充分考慮相關部門業務活動的實際需要，貼近用戶的實際需求、方法先進、功能實用、界面友好和美觀、操作簡單、使用方便。

3）可維護性和擴展性原則。系統具有較強的可維護性和擴展性，能夠方便地進行管理與維護，軟、硬件的升級不影響正常運作，系統功能、結構以及數據庫可方便地擴展。

4）高性能和穩定性原則。在系統的設計、開發和應用時，從系統結構、技術措施、軟硬件平臺、技術能力等方面綜合考慮，確保系統具有較高的性能，運行穩定。

3 系統設計

3.1 系統總體框架設計

鑒于本系統的建設目標和需求分析，采用 C/S的雙層系統構架，以基于車載GPS技術的道路更新系統研發為主，將系統總體框架結構劃分為5層：用戶層、應用層、邏輯層、數據層和支撐層，如圖1所示。

圖1 系統總體框架結構圖

1）用戶層，由湖北省基礎地理信息中心領導及相關部門人員組成。通過本層為相關領導部門提供輔助決策支持，為數據維護人員提供工作依據，可以極大地提高相關部門的工作效率。

2）應用層，是系統的核心部分，該層主要向相關城市管理部門、企業和社會及個人等提供道路規劃、城市建設、空間需求分析、空間信息查詢等服務。

3）邏輯層，主要由6大功能模塊組成，負責接收和處理各種數據，并實時監控整個系統的運行，可在數據存儲層查詢、提取和輸出所需要的數據，實現地圖和道路軌跡的可視化。

4）數據層，主要包括3種數據：坐標數據用來實現軌跡的生成；導航信息數據用來顯示衛星個數和強度等接收狀況；地圖數據用來顯示動態地圖。

5）支撐層，由客戶端和服務器端組成，客戶端主要由各種硬件和軟件系統組成，服務器端主要由 Web服務器和數據庫服務器組成。客戶端可通過無線3G網和Inter網將用戶指令或請求提交給服務器端，服務器端再從后臺調出其所需要的服務和處理結果并返回給客戶端。

3.2 系統功能設計

系統功能主要包括數據接收、數據處理、導航信息監控、道路生成、地圖顯示、數據導出等，功能構成如圖2所示。

圖2 系統功能構成圖

1）數據接收模塊。GPS接收機與便攜計算機連接在一起，安置在車輛上，持續跟蹤所有視野內的衛星，接收機將這些衛星的訊號接收下來，并通過串行通信口輸出。接收模塊接收串口輸出的各種信息，包括時間信息、衛星信息、坐標信息等。

2）數據處理模塊。將接收到的各種坐標信息、導航信息、衛星信息等進行解析，根據數據精度情況，剔除粗差坐標信息數據，進行初步的數據處理，為其他功能使用這些數據做好準備工作。

3）導航信息監控模塊。對各種GPS信息數據，包括坐標信息數據、時間信息數據、衛星分布信息數據、信號強度信息數據、高程信息數據等進行可視化顯示，方便用戶及時了解各種GPS信息數據實時接收的狀況（如衛星個數是否足夠、信號是否良好等）。

4）道路生成模塊。根據實驗接收的各種GPS坐標信息數據，生成可供在湖北省1∶50000基礎底圖上直接顯示的路徑信息數據，并在基礎底圖上顯示運行軌跡。

5）地圖顯示模塊。加載境界、道路、水系、居民地等可以輔助監測GPS車輛實時運行情況的矢量信息數據，方便用戶進行實際道路信息更新的監控，主要功能包括放大、縮小、漫游、刷新、全屏及各種狀態的切換等。

6）道路數據導出模塊。將接收到的道路數據以ArcGIS中的shp格式輸出顯示。

3.3 系統數據庫設計

系統數據庫設計主要用到兩大類數據：①GPS定位信息數據，包括坐標信息數據、導航信息數據，如時間、衛星狀態、信號強度，方位角等；②地圖數據，即疊加在實時道路信息下面的基礎地理信息底圖，采用數字武漢解密版1∶50000電子地圖數據。前者采用數據庫管理系統的形式在本地客戶端和服務器端同時存儲；后者采用本地文件數據庫的形式進行組織存儲，如圖3所示。

圖3 系統數據庫邏輯結構圖

GPS接收機每秒接收至少10條數據字符串，各種GPS專項信息，如定位信息、可見衛星信息、地面速度信息等都是由1條或多條這樣的字符串組成。因此，為了降低系統復雜性,統一存儲模式，提高解析效率，系統對所有字符串信息采用分條存儲的方式進行建庫，系統啟動時直接實時調用這些數據并予以處理。系統GPS定位信息表如表1所示。

GPS接收機接收的數據具體格式為：

表1 GPS定位信息表

4 系統實現

系統的開發環境為M icrosoft Visual Studio2008,采用的編程語言為 Visual Basic.NET，GIS開發平臺為ArcGIS Engine，數據庫為Access 2003。系統將導航型GPS接收機連接到PC機上，整套裝置安置在移動車輛上，通過車輛移動將實時接收到的衛星數據通過串口傳送到計算機上，再通過3G網絡，將數據信息存儲到特定服務器數據庫中，其他用戶若要觀察GPS車輛實時路徑信息，可安裝該客戶端，通過Inter網連接指定數據庫，在GIS的支持下，進行地圖匹配等相關處理后，在電子地圖上顯示出車輛的運行軌跡。本系統在用戶接口設計方面遵守用戶界面設計的3個原則：“置界面于用戶的控制之下”、“減少用戶的記憶負擔”、“保持界面的一致性”。系統保持界面的簡潔，合理分配空間擺放各種菜單、工具條、控件，利用顏色、圖像和顯示效果來達成內容與形式的統一。系統部分主界面如圖4所示。

2011年8月20日，采用車載GPS技術，車輛沿湖北省武漢市中南路、武珞路、珞獅路、雄楚大道、南湖大道方向行駛，實驗時間60 m in，將采集到的數據和武漢市原數據庫中的1∶50000數據進行了精度對比分析，實驗證明該系統的道路數據精度可達到 5 m，能夠滿足湖北省1∶50 000地圖道路數據更新的需求。此外，本系統運行穩定、成本低、實用性強、更新速度快、開發性強。

圖4 系統部分主界面

5 結 語

本系統不僅可以滿足湖北省1∶50000地圖道路數據的更新，還可為政府交通、旅游、公安等相關部門提供各種導航、數據和車輛服務,具有較大的實用價值和廣闊的應用前景。為了使本系統能夠得到更廣泛的應用，可結合湖北省 CORS(連續運行參考站)系統，采用差分GPS定位、CCD相機等相關設備，對其功能的擴展、精度的提高、信息的豐富等進行進一步地研究和開發，以滿足1∶10000地圖道路數據更新的精度要求，使其應用達到一個新的高度。

[1] 李永豐,於新國.利用GPS快速采集道路信息系統的研究[J].地理空間信息,2007,5(5):28-29

[2] 李翠.車載GPS道路測量與修正系統的研究與開發[D].西安：長安大學,2006

[3] 呂志偉,郝金明.關于GPS用于道路信息采集與更新系統的研究[J].測繪通報,2002(12):25-27

[4] 李德仁,陳小明,郭炳軒，等.車載GPS道路信息采集與更新系統的研究[J].武漢測繪科技大學學報,2000,25(2):97-98

[5] 公丕波.智能車載導航系統研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學,2005

[6] 張妤.GPS及GIS技術在車載導航系統中的應用研究[D].西安：西安科技大學,2009

[7] 李慶田.車載GPS公路測量中數據采集與數據處理方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學,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

汪劍云，碩士，主要從事GPS應用研究。