段明華 王敬豐

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

在現(xiàn)代公路信息化管理系統(tǒng)中，對(duì)公路沿線工作點(diǎn)的地理位置的定位主要是通過(guò)對(duì)其經(jīng)緯度坐標(biāo)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(shí)現(xiàn)。GPS定位技術(shù)是指將GPS接收機(jī)所獲取的信號(hào)通過(guò)誤差處理最后得到更加精準(zhǔn)的位置信息，將位置信息傳遞給所連接計(jì)算機(jī)設(shè)備，通過(guò)對(duì)該信息進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，最后傳遞給顯示終端，得出直觀的定位效果[1]。在大多數(shù)公路管理系統(tǒng)軟件中，裝備于前端現(xiàn)場(chǎng)工作點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)備不斷采集現(xiàn)場(chǎng)巡查點(diǎn)所在位置的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)上傳至管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)公路管理部門(mén)對(duì)公路的建設(shè)、維護(hù)、施救、治超、應(yīng)急處理等管理工作，并在GIS和電子地圖上實(shí)時(shí)定位和跟蹤。然而，在實(shí)際公路管理實(shí)踐工作中，管理人員和工程技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)通常采用傳統(tǒng)的公路里程樁號(hào)值對(duì)每條公路沿線點(diǎn)、構(gòu)筑物和交通事件點(diǎn)的地理位置進(jìn)行實(shí)際定位。例如某公路管理部門(mén)需要維護(hù)的某道路工作點(diǎn)位置經(jīng)常表示為XX高速YK200+125處，而不是經(jīng)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(guò)直接的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行具體實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)地理位置定位。同時(shí)，目前GIS和電子地圖中尚無(wú)建立公路網(wǎng)公路里程樁號(hào)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，因而現(xiàn)有GIS和電子地圖無(wú)法實(shí)現(xiàn)具體公路里程樁號(hào)值的定位查詢。

目前有些學(xué)者對(duì)道路點(diǎn)的定位進(jìn)行了一些相關(guān)研究，如吉林大學(xué)研究的路面破損定位系統(tǒng)[2]，長(zhǎng)安大學(xué)研究的基于GPS的路面裂縫定位方法[3]， 這些定位技術(shù)只能對(duì)道路信息進(jìn)行大致定位，隨著檢測(cè)里程增加， 誤差不斷累積[4]。長(zhǎng)安大學(xué)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(shù)，通過(guò)GPS結(jié)合道路環(huán)境視頻的方法精確定位[5]。這個(gè)方法雖然精度相對(duì)較好，但是投入成本高，計(jì)算數(shù)據(jù)多，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，延誤長(zhǎng)，不適合快速全路段線路樁號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算，不適合公路外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用。

根據(jù)以上目前存在的問(wèn)題以及管理實(shí)踐的實(shí)際需求，研究全路段公路樁號(hào)值和GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行兩種坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路管理工作的地理位置在電子地圖上準(zhǔn)確定位(GPS經(jīng)緯度坐標(biāo))，同時(shí)也能提供對(duì)公路管理人員有實(shí)際工作意義的參考坐標(biāo)信息(公路樁號(hào)值)。

1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

根據(jù)實(shí)際需求，具體分為GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公路樁號(hào)值和公路樁號(hào)值轉(zhuǎn)換GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)兩個(gè)部分。

1.1 GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公路樁號(hào)值

通過(guò)給定某點(diǎn)GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)，首先搜索并判斷該給定點(diǎn)是否在公路網(wǎng)某公路沿線范圍內(nèi)。若是，搜索出公路路線名，并計(jì)算出給定點(diǎn)的公路樁號(hào)和可能行車方向。否則，提供離給定點(diǎn)最近公路路線名、公路樁號(hào)或公路匝道樁號(hào)。計(jì)算流程圖如圖1所示。此轉(zhuǎn)換主要目的是實(shí)現(xiàn)在已知GIS電子地圖位置點(diǎn)(例如交通事件處置的實(shí)時(shí)位置)情況下，能同時(shí)為公路管理人員提供其直觀的實(shí)際公路樁號(hào)地理位置。

圖1 經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換公路樁號(hào)值流程圖

1.2公路樁號(hào)值轉(zhuǎn)GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)

通過(guò)給定某公路樁號(hào)和可能的行車方向，計(jì)算此樁號(hào)的GPS經(jīng)緯度坐標(biāo),計(jì)算流程如圖2所示。該轉(zhuǎn)換主要目的是實(shí)現(xiàn)根據(jù)公路管理人員提供的實(shí)際位置點(diǎn)，在GIS電子地圖準(zhǔn)確定位。

圖2 公路樁號(hào)轉(zhuǎn)換經(jīng)緯度坐標(biāo)流程圖

2對(duì)應(yīng)法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

文章采用樁號(hào)對(duì)應(yīng)法實(shí)現(xiàn)公路參考點(diǎn)樁號(hào)坐標(biāo)表的建立，主要原因有：

①對(duì)應(yīng)法計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高，計(jì)算速度快，結(jié)果相對(duì)比較穩(wěn)定；②對(duì)應(yīng)法對(duì)各樁號(hào)值準(zhǔn)確度無(wú)特定要求，對(duì)公路路線斷鏈、樁號(hào)值累計(jì)誤差無(wú)須進(jìn)行特別計(jì)算處理；③對(duì)應(yīng)法各對(duì)應(yīng)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于將來(lái)的公路路線局部的樁號(hào)的改變和更新，只須對(duì)其中對(duì)應(yīng)部分的數(shù)據(jù)修正和調(diào)整，無(wú)須對(duì)計(jì)算和整體數(shù)據(jù)進(jìn)行變動(dòng)。

2.1參考點(diǎn)坐標(biāo)采集

首先要采集公路沿線公里樁參考點(diǎn)GPS經(jīng)緯度值。對(duì)于參考點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)值采集通常有兩種：方法一采用高精度的GPS手持機(jī)直接采集；方法二系統(tǒng)調(diào)用Google earth進(jìn)行圖上采集[6]。方法二精度差，文章采用方法一。文章通過(guò)參考樁號(hào)對(duì)應(yīng)法和公路線性內(nèi)插計(jì)算法來(lái)測(cè)量待測(cè)點(diǎn)樁號(hào)值。

由于公路施工時(shí)的各種原因會(huì)造成公路的公里樁號(hào)位置不準(zhǔn)、累積誤差大等問(wèn)題，因此需要對(duì)每一個(gè)樁號(hào)進(jìn)行GPS定位采集，建立準(zhǔn)確的各公路樁號(hào)與經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表。采集錄入樁號(hào)并記錄GPS信息，將樁號(hào)與對(duì)應(yīng)的GPS經(jīng)緯度信息存入數(shù)據(jù)表。當(dāng)采集完所有的GPS信息，樁號(hào)與對(duì)應(yīng)的GPS經(jīng)緯度信息對(duì)應(yīng)表也建立完成。為了進(jìn)一步提高GPS的定位精度，采用了卡爾曼濾波算法[7]。

GPS測(cè)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(duì)流層折射、多路徑誤差、信號(hào)干擾、接收機(jī)方面所致誤差等)[8]，GPS數(shù)據(jù)采集的數(shù)量或采集時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)對(duì)最終采集精度有一定影響，但影響較小。在GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)樁號(hào)點(diǎn)均采集2遍，每次20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如表1所示。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與實(shí)際樁號(hào)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(xiàn)場(chǎng)工作上的實(shí)際需要。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集平均總結(jié)分析

2.2建立各公路樁號(hào)與GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表

各公路樁號(hào)的GPS經(jīng)緯度值采集完成后，建立所有的GPS經(jīng)緯度值與公路樁號(hào)的對(duì)應(yīng)表。對(duì)應(yīng)表各樁號(hào)點(diǎn)為沿公路上下行雙向路肩邊緣點(diǎn)。各樁號(hào)對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)包括：①公路名； ②樁號(hào)值；③經(jīng)緯度等；④對(duì)應(yīng)點(diǎn)說(shuō)明等。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集，宣廣高速部分樁號(hào)與GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表如表2所示。

表2 公路樁號(hào)與GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)表

2.3建立邊界區(qū)域

根據(jù)公路網(wǎng)中公路線性和對(duì)應(yīng)表數(shù)據(jù)，建立整個(gè)公路網(wǎng)、各條公路以及各公路路段邊界區(qū)域(見(jiàn)圖3)。各邊界區(qū)域劃分應(yīng)根據(jù)公路網(wǎng)各公路線性分布制定，保證邊界區(qū)域點(diǎn)在一定數(shù)量范圍內(nèi)(20-60個(gè))。邊界區(qū)域包括：①區(qū)域類型(公路網(wǎng)、公路、公路分段等)；②邊界區(qū)域點(diǎn)數(shù)目及各點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)；③區(qū)域描述；④區(qū)域內(nèi)公路或公路段名、路段起點(diǎn)、終點(diǎn)樁號(hào)值。邊界區(qū)域的建立目的是在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算前，能快速對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域搜索定位，縮小進(jìn)一步搜索范圍，減小坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的整體時(shí)間，提高計(jì)算速度和效率。

圖3 公路網(wǎng)各公路邊界區(qū)域的建立

2.4建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算

經(jīng)緯度與樁號(hào)值互換計(jì)算將首先通過(guò)圖形搜索，確定坐標(biāo)點(diǎn)所處公路邊界區(qū)域，并通過(guò)拓?fù)溆?jì)算，在對(duì)應(yīng)表中搜索待測(cè)點(diǎn)臨近的對(duì)應(yīng)表對(duì)應(yīng)樁號(hào)點(diǎn)作為該段路線參考的基準(zhǔn)點(diǎn)，最后利用二維比例法計(jì)算出坐標(biāo)點(diǎn)的樁號(hào)或經(jīng)緯度坐標(biāo)。

按照待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)臨近對(duì)應(yīng)表對(duì)應(yīng)前后兩個(gè)樁號(hào)點(diǎn)作為參考點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，若參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)對(duì)應(yīng)樁號(hào)值分別為A、B，用N表示待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)樁號(hào)值，用x表示經(jīng)度值，y表示緯度值，(Ax,By)表示A點(diǎn)經(jīng)緯度值，(Bx,By)表示B點(diǎn)經(jīng)緯度值，(Nx,Ny)表示待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)N的經(jīng)緯度值。為了計(jì)算出的待測(cè)點(diǎn)樁號(hào)更精確，采用經(jīng)度和緯度的兩次比例值計(jì)算，然后取平均值。

首先利用經(jīng)度值算出待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)的樁號(hào)第一次計(jì)算值N1：

(1)

然后利用緯度值算出待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)的樁號(hào)第二次計(jì)算值N2：

(2)

則最終待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)的樁號(hào)為N：

(3)

從而得出精度較高的待測(cè)點(diǎn)樁號(hào)值，根據(jù)樁號(hào)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(hào)得出待測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)經(jīng)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(yīng)相對(duì)較小，僅限于交叉路段范圍內(nèi)，便于對(duì)給定點(diǎn)是否處于交叉的直接判斷。

2.6最近公路匝道搜索

對(duì)于給定公路網(wǎng)外某點(diǎn)，無(wú)法提供公路網(wǎng)至給定點(diǎn)的通行路徑。因而僅提供離給定點(diǎn)最近公路匝道信息。最近公路匝道將通過(guò)計(jì)算最短空間距離搜索而確定。

通過(guò)以上六個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的功能和目標(biāo)。

3 GPS數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

3.1路段試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)上述成果，在宣廣高速公路上進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行全路段樁號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)際應(yīng)用。轉(zhuǎn)換應(yīng)用結(jié)果在管理系統(tǒng)軟件顯示結(jié)果分別如圖4所示。

圖4 GPS數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行樁號(hào)轉(zhuǎn)換顯示結(jié)果

4結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，可以得出文章的公路樁號(hào)和經(jīng)緯度坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換，且具有以下特點(diǎn)：①準(zhǔn)確性：在允許誤差范圍內(nèi)，減小了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，保持轉(zhuǎn)換坐標(biāo)計(jì)算的準(zhǔn)確性。②有效性：在轉(zhuǎn)換計(jì)算過(guò)程中，采用了合理的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化算法，縮短計(jì)算時(shí)間，減小延誤，保證計(jì)算的效率。③穩(wěn)定性：不同輸入條件下，提供轉(zhuǎn)換計(jì)算結(jié)果，也考慮了公路坐標(biāo)的變更，保證了計(jì)算的穩(wěn)定性。

該研究成果準(zhǔn)確、快捷地實(shí)現(xiàn)了研究公路樁號(hào)值和GPS經(jīng)緯度坐標(biāo)相互轉(zhuǎn)換功能，能有效進(jìn)行兩種坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路管理工作的地理位置在電子地圖上準(zhǔn)確定位(GPS經(jīng)緯度坐標(biāo))。同時(shí)也能為公路管理人員提供有實(shí)際工作意義的參考坐標(biāo)信息(公路樁號(hào)值)，對(duì)提高公路的建設(shè)、維護(hù)、施救、治超、應(yīng)急處理等管理響應(yīng)時(shí)間和管理水平具有重要作用。