GPS定位優(yōu)化技術在路橋工程監(jiān)測中的應用

段 曉 東

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司，山西 大同 037006)

目前，路橋工程監(jiān)測管理逐步向智能化、可視化方向發(fā)展，既能夠對工程設備的位置、軌跡、速度等進行實時查看，又能夠結合航空影像對施工現(xiàn)場、各類材料進行安全檢查和日常管理。但是，以GPS接收機進行定位時會受到施工現(xiàn)場環(huán)境的影響，導致定位數(shù)據(jù)回傳錯誤，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。針對此問題，本文提出采用GPS定位優(yōu)化技術進行數(shù)據(jù)處理和分析，規(guī)避粗差、停留點以及部分數(shù)據(jù)丟失給路橋工程監(jiān)測管理系統(tǒng)造成的消極影響。

1 GPS定位在路橋工程監(jiān)測中存在的問題

1.1 GPS數(shù)據(jù)受多類誤差干擾，定位數(shù)據(jù)存在粗差

GPS是衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，由空間部分、地面控制部分、用戶設備部分構成。空間部分的衛(wèi)星和地面控制部分的監(jiān)測站、主控制站和地面天線都比較穩(wěn)定，而用戶設備部分的GPS信號接收機會受到多類干擾，包括施工現(xiàn)場各類電磁波、噪聲、反射信號等。在施工過程中，設備上安裝帶有GPS定位功能的傳感器常常回傳錯誤定位信息，使定位數(shù)據(jù)偏離真實位置，尤其在多云天氣、電壓較高、大面積水域存在的時候。此外，當施工現(xiàn)場過于狹長時，處于現(xiàn)場邊緣位置的設備定位數(shù)據(jù)會因為與其他設備接收的衛(wèi)星定位信息不同而出現(xiàn)偏差，影響對施工設備的實時跟蹤。

1.2 GPS保留多個停留點數(shù)據(jù)，干擾設備軌跡識別

GPS定位數(shù)據(jù)隨著時間定期產生，與車輛設備運動與否、材料轉運與否沒有關系。當車輛停留在一個地方長期不動時，工程監(jiān)測平臺就會出現(xiàn)以實際位置為中心的眾多定位數(shù)據(jù)，會掩蓋掉部分設備定位信息，大大干擾了對真實運動物體軌跡的判斷。此類問題常常出現(xiàn)在施工休息期、設備檢修期以及施工規(guī)劃調整期。對于路橋工程監(jiān)測平臺而言，重復性停留點是冗雜數(shù)據(jù)，既不能夠提供價值性信息，又無法輔助工作人員判斷其他設備的運動軌跡。反而會給平臺數(shù)據(jù)儲存、設備軌跡識別帶來消極影響。如果一味采取人工手動刪除數(shù)據(jù)點，工作量是非常巨大的，是不符合施工現(xiàn)場監(jiān)測需求的，必須依靠計算機進行智能化處理。

1.3 高大物體遮擋，導致GPS部分數(shù)據(jù)丟失

GPS依靠衛(wèi)星電磁波傳遞過程中存在的時間差進行定位，一旦電磁波被阻擋，那么，GPS接收機便無法得到定位數(shù)據(jù)。無論是在城市的高大建筑物、高大樹木下，還是在隧道、地下公路中，GPS接收機都會因高大物體的遮擋而造成數(shù)據(jù)丟失。當施工現(xiàn)場處于山區(qū)時，車輛駛出施工場地便會進入高大樹木遮蓋的盤山公路，其定位數(shù)據(jù)時有時無；當施工現(xiàn)場處于鬧市區(qū)中，干擾源則更多，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象也更為明顯。總之，無論在山區(qū)還是城市，GPS定位數(shù)據(jù)都存在丟失現(xiàn)象。這給路橋工程監(jiān)測平臺的信息展示帶來了極大挑戰(zhàn)，也需要借助數(shù)據(jù)分析技術進行恢復處理，才能實現(xiàn)實時監(jiān)測的可視化。

1.4 GPS定位點分布不均，軌跡擬合與預測偏離度高

GPS定位數(shù)據(jù)是定期產生的，而不是隨施工設備的移動速度均勻產生的，在空間分布上具有嚴重的不均衡性。路橋平臺的監(jiān)測系統(tǒng)展示的軌跡實為軌跡擬合后的效果，而不是逐點定位產生的結果。由此，若不加以條件約束，設備的運動軌跡便是偏離實際位置的曲線。比如，對缺少拐彎點定位數(shù)據(jù)的設備進行路線擬合，其擬合線便是沒有直角的弧形線段。同樣，在對設備的運動進行預測時，不考慮道路通行情況和固有運動路線的規(guī)律，也會出現(xiàn)運動方向的誤判，從而造成明顯偏離。針對此問題，以往常常采用最小二乘擬合法，通過多余觀測數(shù)據(jù)進行擬合，優(yōu)化參數(shù)值。然而，道路的多變性、車輛軌跡數(shù)據(jù)的偏離使曲線擬合難度增加，三次多項式仍不能滿足平臺對軌跡預測的需求。

2 GPS定位數(shù)據(jù)后期優(yōu)化技術的分析

1)動態(tài)閾值技術剔除GPS粗差，增強數(shù)據(jù)準確性。受自然條件的影響，帶有GPS定位的傳感器會回傳帶有粗差的定位信息，采用動態(tài)閾值技術進行剔除，從而增強平臺整體數(shù)據(jù)的準確性。首先，考慮到同一設備在不同施工區(qū)域位置移動速度和方向的不同，對同一設備的GPS定位信息數(shù)據(jù)分區(qū)域統(tǒng)計；然后，將新的定位數(shù)據(jù)傳入監(jiān)測平臺后，對其與區(qū)域均值、方差運算，與3倍中誤差標準對比，超出標準后，立刻剔除；若處于2倍與3倍中誤差之間，則根據(jù)此前連續(xù)的十個定位數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合分析，符合預測規(guī)律便保留；最后，對于剔除的粗差點根據(jù)預測算法進行補充。為避免定位數(shù)據(jù)剔除錯誤，設計了數(shù)據(jù)預留存儲位置，當后續(xù)的數(shù)據(jù)點也符合規(guī)律時，才將粗差點徹底刪除。2)停留點歸納技術降低數(shù)據(jù)冗雜，增強設備軌跡。停留點是造成路橋施工監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)冗雜的主要原因，有必要采用歸納算法技術對停留點進行刪除，以增強設備軌跡。首先，通過兩定位數(shù)據(jù)點之間距離的差來判斷車輛是否在移動，通過連續(xù)兩兩定位點之間方向角度的差來判斷車輛的移動方向是否變化。若對距離、方向的判斷都小于設定閾值，則判定為停留點；然后，對此設備全部落入以停留點為中心圓形區(qū)域的數(shù)據(jù)設為停留點點集，以20次定位數(shù)據(jù)為一組，判斷設備是否開始移動，若仍保持停留點特征，便從數(shù)據(jù)存儲中剔除；最后，結合空間方面的軌跡特征，對設備路線數(shù)據(jù)量進行壓縮，即直線運動軌跡剔除中間多余定位數(shù)據(jù)點。由此，路橋工程監(jiān)測平臺才能持續(xù)高效地運行。3)數(shù)據(jù)濾波算法補充遮擋數(shù)據(jù)，形成連貫軌跡線。數(shù)據(jù)濾波算法在剔除粗差、停留點的基礎上，對純凈軌跡數(shù)據(jù)進行濾波處理，形成連貫軌跡線。首先，根據(jù)設備目標在各個區(qū)域內定位數(shù)據(jù)點的空間分布，設定狀態(tài)轉移方程和初值，運用卡爾曼濾波迭代算法和已有的定位數(shù)據(jù)，進行模型參數(shù)優(yōu)化，從而對缺失的部分預測、補充；然后，對擬合模型的數(shù)據(jù)進行定期更新，一般而言，設備數(shù)據(jù)超過7 d便不再參與模型參數(shù)優(yōu)化，以免過時數(shù)據(jù)對設備目標新軌跡參數(shù)的錯誤擬合；最后，對圓曲線、緩曲線曲率變化速度快的路段進行數(shù)據(jù)補充，以曲率計算公式添加相應的拐點，從而增強軌跡預測的擬合效果，做好路橋工程智能監(jiān)測。4)道路約束擬合技術擴充定位點，優(yōu)化擬合和預測效果。通過以上數(shù)據(jù)處理步驟后，路橋工程監(jiān)測平臺的定位數(shù)據(jù)量已經能夠滿足實時監(jiān)測的需求，只需通過道路約束進行擬合，便能夠實現(xiàn)監(jiān)測狀態(tài)的可視化。首先，提供施工現(xiàn)場以及周圍區(qū)域的道路底圖，為定位數(shù)據(jù)點增加道路約束，實現(xiàn)道路與定位數(shù)據(jù)點的聯(lián)合分析；然后，結合道路形狀、拐點、曲線弧度對定位點、補充定位點進行二次糾正和調整，規(guī)避設備自身小幅度偏移造成的擬合干擾，從而使定位數(shù)據(jù)擬合效果更加理想；最后，借助計算機擬合出的運動軌跡，設定設備的預測路線，當設備偏離預測路線或長期停留在重要位置時，便可以進行及時指揮。對于路橋工程監(jiān)測的管理者而言，道路約束技術下做出的擬合軌跡和預測具有現(xiàn)實指揮意義，有助于提高工作效率。

3 結語

本文通過剔除粗差、歸納停留點、濾波算法補充數(shù)據(jù)、道路約束擬合擴充定位點幾項技術對GPS定位數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，減少了外界干擾，能夠滿足路橋工程實時監(jiān)測的需求。在此基礎上，路橋工程監(jiān)測還有必要與GIS系統(tǒng)相結合，增強定位數(shù)據(jù)的分析功能，以便發(fā)揮出更大價值。