GNSS在地形圖制圖中的動態數據采集與實時更新策略分析

摘 要：研究旨在探討GNSS在地形圖制圖中動態數據采集與實時更新的策略。通過分析GNSS技術的基本原理和地形圖制圖的需求，提出動態數據采集和實時更新的方法。在此基礎上，結合應用案例驗證該策略的有效性。結果顯示，采用GNSS進行動態數據采集和實時更新可以提高地形圖的精度和時效性。該文的研究為地形圖制圖領域提供一種有效的數據采集和更新方法，具有重要的應用價值和推廣意義。

關鍵詞：GNSS；地形圖制圖；動態數據采集；實時更新；地理信息數據

中圖分類號：P208 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0171-04

Abstract： This study aims to explore the strategy of GNSS dynamic data acquisition and real-time update in topographic map mapping. By analyzing the basic principle of GNSS technology and the demand of topographic map drawing， the method of dynamic data acquisition and real-time update is put forward. On this basis， combined with the application case to verify the effectiveness of the strategy. The results show that GNSS dynamic data acquisition and real-time update can improve the accuracy and timeliness of topographic maps. The research in this paper provides an effective data collection and updating method for the field of topographic map mapping， which has important application value and popularization significance.

Keywords： GNSS; topographic map mapping; dynamic data acquisition; real-time update; geographic information data

地形圖是地理信息系統中的重要組成部分，對于土地利用規劃、自然資源管理、城市規劃等領域具有重要意義。而全球導航衛星系統（GNSS）技術作為一種高精度的定位技術，具有在實時、動態環境下獲取位置信息的能力，因此在地形圖制圖中具有廣泛的應用前景。

1 GNSS在地形圖制圖中的重要性與應用

1.1 GNSS技術概述

GNSS是一種基于衛星的導航系統，由空間段、地面段和用戶段組成，如圖1所示。空間段由運行于地球上空20 000～37 000 km的衛星組成，這些衛星廣播信號，提供時間、軌道和健康狀況等信息。地面段由主控、數據上傳和監測站組成，負責接收衛星信號并校正位置信息。而用戶段則包括接收天線和定位模塊，能夠接收衛星信號并輸出位置信息。GNSS技術利用衛星信號進行定位和導航，具有全球覆蓋、高精度和實時性強的特點[1]。在地形圖制圖中，GNSS技術可用于實時獲取地圖點位信息，幫助繪制精準的地圖，提高地圖的準確性和更新速度。

圖1 GNSS技術組成

1.2 地形圖制圖的需求與挑戰

在現代社會，地形圖在城市規劃、交通建設、資源管理和環境保護等領域扮演著重要角色。地形圖制圖的主要需求體現在對地理信息的準確獲取和實時更新上。通過地形圖，人們可以了解地表地形特征，預測自然災害、規劃城市建設、保護生態環境等。然而，地形圖制圖也面臨著一些挑戰。一方面是數據獲取的困難，特別是在地形復雜、交通不便的地區，數據采集成本高且效率低。另一方面是數據的準確性和實時性要求，傳統的地形圖制圖往往需要花費大量時間和人力進行數據處理和更新，無法滿足人們對實時信息的需求。地形圖制圖還面臨著數據融合和處理的技術挑戰，需要綜合利用各種傳感器和技術手段，提高地圖的精度和更新速度。因此，如何利用GNSS技術手段來解決地形圖制圖中的需求和挑戰，成為了當前研究的重要課題之一。

1.3 GNSS在地形圖制圖中的作用與優勢

GNSS通過提供高精度的定位和導航信息，可以實現地圖數據的動態采集與實時更新，大大提高了地圖的精度和時效性。GNSS技術具有全球覆蓋的特點，可以在任何地點、任何時間獲取位置信息，使地形圖的制圖范圍更加廣泛和全面。GNSS還能夠提供三維定位信息，包括海拔高度等，為地形圖的立體展示提供了數據支持。GNSS在地形圖制圖中可以實現多源數據融合，結合地圖數據、遙感影像等信息，進一步提高了地圖的準確性和完整性。GNSS技術還具有成本低、易于操作、覆蓋范圍廣等優勢，適用于各種地形和環境條件下的地圖制圖工作。

2 GNSS動態數據采集策略分析

2.1 動態數據采集原理與流程

GNSS動態數據采集是指利用全球導航衛星系統實時采集地理信息數據的過程，主要包括如圖2所示的數據采集準備、信號接收與處理、數據存儲與傳輸等步驟。在動態數據采集前，需要進行野外調查和規劃，確定采集區域、時間和采集任務，并準備好相關設備和工具。通過GNSS接收設備在野外開始信號接收與處理。這些接收設備通常包括接收天線和接收器，天線用于接收來自衛星的導航信號，接收器則負責處理信號并計算接收位置的坐標。在信號接收與處理階段，GNSS接收設備會通過接收衛星信號確定自身的位置、速度和時間信息。接收器會接收來自至少4顆衛星的信號，并利用這些信號計算出接收器所在位置的三維坐標，這一過程稱為三角定位[2]。同時，接收器還會記錄接收到的衛星信號的強度和信噪比等信息，以評估信號質量和可靠性。采集到的數據會被存儲在接收設備的存儲器中，并通過數據傳輸設備傳輸至數據中心或后臺服務器進行進一步處理和分析。這些數據通常包括位置坐標、時間戳、信號質量等信息。在數據存儲與傳輸階段，需要確保數據的完整性和安全性，以防止數據丟失或損壞。最后對采集到的數據進行后續處理和分析，包括數據清洗、校正、整合和轉換等操作，以生成地形圖或其他地理信息產品。同時，可以將動態采集的數據與現有地圖數據進行對比和更新，實現地圖的實時更新和精度提升。

2.2 動態數據采集技術與方法

在GNSS應用中，動態數據采集技術主要涉及對移動目標的實時位置、速度及方向等信息的捕捉和處理。動態數據采集技術主要依賴于GNSS的高精度信號接收和處理能力。通過配備高性能的GNSS接收器，能夠實時接收來自衛星的信號，并解算出目標的位置信息。同時，為了應對動態環境中可能出現的信號干擾和遮擋問題，現代GNSS接收器還采用了多頻點、多系統融合等技術，提高了數據采集的可靠性和穩定性。在數據采集方法上，動態數據采集通常采用差分技術，包括相對差分和實時差分等。相對差分技術通過比較2個接收器之間的信號差異，可以消除部分共模誤差，提高定位精度。而實時差分技術則利用基準站與流動站之間的實時數據傳輸，對流動站的定位結果進行實時修正，進一步提升了動態定位的精度和實時性。隨著物聯網、云計算等技術的發展，動態數據采集還融入了更多信息技術元素。例如通過物聯網技術，可以實現GNSS接收器與其他傳感器、設備的互聯互通，實現多源數據的融合與協同處理[3]。云計算技術則為海量數據的存儲、處理和分析提供了強大的支持，使得動態數據采集能夠應對更大規模、更復雜的應用場景。

2.3 動態數據采集中的關鍵技術與挑戰

動態數據采集中的關鍵技術與挑戰在于如何實現高效、準確和實時的數據采集，以滿足地形圖制圖的需求。其中，由于GNSS系統的信號受到大氣、地形和建筑物等因素的影響，信號質量容易受到干擾，因此需要采用先進的信號接收器和天線設計，以提高信號接收的靈敏度和穩定性。同時，需要利用先進的數據處理算法，如多路徑抑制、信號跟蹤和時鐘同步等技術，對接收到的信號進行有效處理和分析，提高定位精度和可靠性。而隨著數據量的增加和實時性的要求，數據傳輸和存儲成為一個挑戰。需要采用高速、穩定的數據傳輸通道，如衛星通信、移動網絡等，以確保數據的及時傳輸。同時，需要設計高效的數據存儲方案，包括實時存儲和遠程存儲，以滿足大規模數據的存儲和管理需求。動態數據采集還面臨著環境因素、安全性和隱私保護等挑戰。環境因素包括天氣、地形和建筑物等因素對信號的影響，需要采用適應性強的算法和技術來應對不同的環境條件。安全性方面，需要采取有效的數據加密和認證技術，以保護數據的安全性和完整性，防止數據被惡意篡改或竊取。同時，需要制定嚴格的數據隱私保護政策，保護用戶的隱私信息和個人數據不被泄露。

3 GNSS實時更新策略分析

3.1 實時更新原理與流程

GNSS實時更新是指通過GNSS系統實時采集地理信息數據，并及時將這些數據更新到地圖或地理信息系統中。實時更新過程主要包括數據采集、數據處理、數據傳輸和地圖更新等步驟，如圖3所示。在數據采集階段，GNSS接收器會持續接收來自衛星的導航信號，并計算出接收器所在位置的坐標信息。同時，接收器會記錄下接收到的信號強度、信噪比等數據，并與時間戳進行關聯，以便后續的數據處理和分析。接著，采集到的數據將被傳輸至數據處理中心進行進一步處理。在數據處理階段，首先需要對采集到的原始數據進行清洗和校正，去除可能存在的誤差和干擾。然后，利用數據處理算法對清洗后的數據進行處理和分析，包括數據插值、外推和濾波等操作，以提高數據的準確性和穩定性。在數據處理完成后，更新后的數據將被傳輸至地圖或地理信息系統中[4]。這一過程涉及數據傳輸和地圖更新2個步驟。數據傳輸可以通過網絡通信、衛星通信或其他方式進行，將處理后的數據傳輸至地圖更新中心。地圖更新中心接收到數據后，會對地圖數據進行更新，并及時發布更新后的地圖信息，以供用戶使用。

3.2 實時更新技術與方法

GNSS實時更新是地圖或地理信息系統保持準確性和實時性的重要手段。實時更新技術與方法主要包括數據傳輸、數據處理和地圖更新等方面。數據傳輸方式多樣，包括無線網絡通信、衛星通信、移動通信等。無線網絡通信適用于城市地區，其速度較快且成本較低，但在偏遠地區信號覆蓋可能不足。衛星通信適用于偏遠地區，但成本較高且傳輸速度較慢。移動通信是常用的數據傳輸方式，具有較好的覆蓋范圍和傳輸速度，但可能受網絡擁堵等因素影響。在數據傳輸至處理中心后，需要進行數據清洗、校正和處理。清洗過程包括去除錯誤數據和噪聲數據，確保數據的完整性和可靠性。校正過程用于修正數據中的誤差，例如修正位置偏移、信號延遲等。處理過程則包括數據插值、外推和濾波等操作，以提高數據的準確性和穩定性。更新后的數據需要與地圖數據進行整合，并及時發布更新后的地圖信息。地圖更新過程包括數據處理、地圖繪制和發布[5]。數據處理階段涉及數據格式轉換、地圖數據匹配等操作；地圖繪制階段用于將處理后的數據繪制成地圖圖層，并進行風格設計和標注；發布階段則將更新后的地圖信息發布至地圖服務平臺或地理信息系統中，以供用戶使用。

3.3 實時更新中的關鍵技術與挑戰

在GNSS系統中，實時更新中的關鍵技術包括數據傳輸、數據處理和地圖更新等方面。數據傳輸技術需要確保數據的快速、穩定傳輸，考慮網絡環境和信號覆蓋等因素。數據處理技術涉及數據清洗、校正和處理，需要處理大量數據并保證其準確性和一致性。地圖更新技術需要與現有地圖數據進行融合，確保新數據能夠無縫地集成到地圖系統中。

然而，實時更新中也存在一系列挑戰。一是數據安全和隱私保護問題，數據傳輸過程中可能會受到網絡攻擊或數據泄露的威脅，需要采取加密、身份驗證等措施保障數據安全。二是數據質量和準確性問題，實時更新需要處理大量數據，但數據質量可能受到信號干擾、多徑效應等影響，導致數據準確性降低。三是實時更新還需要考慮數據更新頻率和時效性，即時傳輸和處理數據可能會增加系統負擔，影響更新效率。四是技術標準和規范的制定也是一個挑戰，不同廠商或組織可能采用不同的數據格式和協議，需要統一標準以確保數據互操作性和一致性。

4 GNSS動態數據采集與實時更新的應用案例分析

4.1 案例概況

在城市交通管理領域，以某城市交通管理部門為例，利用GNSS系統實時采集車輛位置信息，以及交通流量、速度等數據，實現城市交通狀態的實時監測和分析。通過在交通要道、主干道和重要路段部署了大量的GNSS接收設備，用于實時監測車輛位置和運行狀態。這些設備通過接收衛星信號，能夠準確獲取車輛位置信息，并記錄下車輛的行駛速度、方向等數據。采集到的數據通過網絡傳輸至交通管理中心進行處理和分析。在數據處理過程中，利用實時更新技術對數據進行清洗、校正和整合，確保數據的準確性和一致性。然后，交通管理部門利用這些數據生成交通狀態地圖，實時顯示各路段的車流量、擁堵情況等信息。在實際應用中，交通管理部門可以根據實時更新的交通狀態地圖，及時調整信號燈時序、交通導向標志等措施，優化交通流量，緩解交通擁堵。通過分析歷史數據，可以發現交通瓶頸和高峰期，為城市交通規劃和管理提供科學依據。

4.2 應用效果

利用GNSS系統進行動態數據采集與實時更新，在城市交通管理中取得了顯著的應用效果具體見表1。例如在2024年3月1日8：00—18：00期間，主干道A、主干道B和快速路C的車流量分別在1 200～1 800輛/h之間波動，這反映了交通流量的高峰期和低谷期。同時，平均車速數據顯示了車輛行駛速度的變化情況，例如在主干道B上，車流量較大時，平均車速較低，擁堵指數相對較高；而在快速路C上，車流量較小時，平均車速較高，擁堵指數相對較低。這些數據反映了交通擁堵程度和交通狀況的實時變化，為交通管理部門提供了重要的參考依據。通過實時更新技術，交通管理部門能夠及時獲取最新的交通數據，并根據實時更新的交通狀態地圖，靈活調整交通信號燈時序、交通導向標志等措施，有效優化交通流量，減少交通擁堵。

表1 GNSS系統應用效果

5 結束語

在地形圖制圖中，GNSS動態數據采集與實時更新技術的應用為地理信息領域帶來了重大的進步和發展。通過對GNSS系統的有效利用，能夠實時獲取地理信息數據，并及時更新到地圖中，從而提高了地圖的準確性和實用性。這種技術不僅在地圖制圖領域具有廣泛的應用，還在城市規劃、交通管理、資源管理等領域發揮著重要作用。隨著技術的不斷發展和完善，GNSS動態數據采集與實時更新將會在更多領域展現出其巨大的潛力和價值。

參考文獻：

[1] 張增場.GNSS-PPK技術在城市地形圖高程測量中的應用[J].測繪技術裝備，2023，25（4）：61-65.

[2] 張正，熊紹文，王衛.地形復雜區GNSS動態測量修正技術研究[J].水利建設與管理，2023，43（S1）：97-100，120.

[3] 康蛇龍.GNSS-RTK聯合數字測深儀在河道地形測量中的應用[J].水科學與工程技術，2022（5）：77-79.

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[5] 黎軍.GNSS技術在城市道路工程測量方面的應用研究[J].運輸經理世界，2021（4）：11-12.