GPS在地理信息数据采集和更新方面的应用

引言：GPS系统这一全新的现代定位方法已全面取代常规光学和电子仪器，与现代通讯和计算机技术相结合，以同时测定三维坐标的方法将测量定位技术扩展到海洋和外层空间，同时从定点扩展到区域，从静态扩展到动态，精度达到毫米级，从而大大拓宽了应用范围，在地球物理学、气象、海洋、交通等领域获得了广泛运用。

GPS系统介绍和现状

GPS全称为全球定位系统（Global Position System），硬件是由环球通讯卫星和接收装置组成，基于卫星的无线电导航定位系统，为用户提供精密的三维坐标、导航与时间信息。随着地球的数字化进程，微电子技术和GIS技术获得重大进展，卫星导航、定位的理论已趋成熟，同时各个领域都需要掌握对空间资料的处理和利用的基本技术，GPS将作为通用设备越来越多地应用于科研和民用领域。

1、GPS系统由3部分组成：

· 空间部分：主动式工作卫星：26颗卫星分布6个椭圆轨道上，长半轴26600km，高度20200km，时间基准10-12?/FONT>10-13秒

· 控制部分：轨道预报（监测和控制卫星系统），确定系统时间，预报卫星星历、卫星钟状态，更新卫星导航电文。

· 用户部分：不同类型的接收机（由带前置放大器的天线、信号识别和处理的射频仓、微处理器、精密振荡器、电源、显示屏、内存和数据存储器组成）。

2、观测原理和信号结构：

· 基本观测量：卫星发射天线和接收机天线间信号传播时间

· 伪距测量由时间系统同步误差参数决定

· 轨道确定和描述保证卫星精确定位

· 系统精度：（美国政府出于军事利益上的原因对精度进行了人为限制：（1）、AS政策：加密P码（2）、SA政策：选择利用性：a：在星历数据中加干扰 b：卫星时钟加抖动或使时间系统不稳定。）

导航精度：10?/FONT>15米

动态测量精度：亚米级

静态测量精度：毫米级

3、GPS系统的应用

· 在科学研究方面，利用GPS的观测精度（毫米级）和时空分辨率监测地球的动态变化，从而剖析地球内部和地壳、大气层、海洋等的变化情况；同时利用卫星轨道的测定和影响参数的分析可对地球引力系数，自转、潮汐、大气、电离层等参数进行研究。GPS系统的广泛应用大大推进了地球科学及地震、气象、海洋等各相关科学的发展。

目前中国首期地壳运动观测GPS网络工程已经完成。国家地震局、总参测绘局和科学院等部门联合在全国各地建立了25个连续观测基准站、56个定期复测基准站和1000多个不定期复测站，通过对大地板块进行以毫米/年为单位的长期测量，分析地壳运动规律，从而开展地震预报、大地测量和国防等方面的研究工作。

· 在政府管理和民用领域，GPS的导航和动态定位测量等功能得到广泛应用。如在针对各类灾害的预防和快速反应上，如地震、森林火灾、水灾等，可以快速确定发灾地点、受灾范围和灾情的发展趋势。在交通、环保、城市规划、水利和旅游等方面GPS获得了广泛的运用。

二、GPS 系统和GIS系统的结合应用

随着社会和经济的高速发展，人类活动同时也带来了环境恶化、人口剧增、资源耗费等急待解决的问题，这就要求从事与之相关的各部门以整体的观点认识地球和我们身边的环境系统。GIS（Geographic Information System 地理信息系统）能够将各种信息同空间地理位置有机结合起来，将地理学、计算机科学、RS、GPS和INTERNET等技术相融合实现综合分析处理，以数字化的手段统一实现对整个地球及其相关现象的重现和认识及对空间环境的多分辨率、三维描述，以处理自然和社会活动诸方面的问题，建立具有生物物理和社会经济各方面资料的基础地理信息数据库和综合信息数据库。

传统空间数据的主要资料源是测绘部门提供的大比例尺地图。由于这些地图的绘制需要测绘、统计、交通等部门的协作，投入大量人力物力来完成，因此其更新的周期较长；另外它们不具备汇总其它社会经济等各方面信息，提供动态综合分析的功能。在经济高速发展的现在，政府宏观决策、城市规划、交通建设等等方面对空间资料的要求是实时、高精度和全方位的，这就需要健全能够实现及时更新的基础地理信息数据库。

基础地理信息数据库建立以PC ARC/INFO、ARCVIEW为软件平台，按WGS84坐标系和UTM投影方式制成电子地图，开发软件为ARCVIEW、MAPINFO等。

三、GPS实地测量范例

这里我们以安徽省地理信息中心和安徽省公路局合作的全省国道、省道及交通标志位置GPS测量项目为例予以简要介绍。

1、测量方式：

测量人员按照各地市公路部门提供的各级公路和沿途各特征点资料制定线路，安排日程表，每天将取得数据输入便携式电脑，完成移动测量后将全部数据同基准站GPS进行校正差分，得出标志点和路线的经纬度坐标文件，再经ARC/INFO软件处理得到完整准确的电子地图。

2、测量设备：

测量中使用的GPS设备是由美国TRIMBLE公司出品的两台套GPS Pathfinder Basic Plus双频接收机。基准站设于安徽省科委院内。移动站由接收机、天线和其它辅助设备组成。

基准站：天宝Trimble 12 Channel 运行软件：PFCBS

移动接收机：天宝 Trimble 6 Channel 运行软件：PFINDER

内存：256K Waypoint 99/999 点

实测环境要求：3颗卫星可测2D；4颗卫星可测3D

差分软件：PFINDER

现场实测精度: < 100米

差分后精度为: 2-5米

测量范围：海拔 –500米?/FONT>20000米，距基准站（合肥）500公里内，覆盖全省

测量方式：车载

3、测量成果：

省地理信息中心和省公路局的野外测量人员以大约每周一个地区的进程测得蚌埠、淮南、滁州等地区的高速国道、省道，各级国道、省道等路线（如下图所示）；公路局、大小桥、工区等标志点，见图。

部分地区国省道电子地图

4、测量总结：

合理设定测量速度：在GPS动态测量时，路线的形状描述由拐点密度决定，根据精度要求应合理设定测量速度和记录间隔时间。

注意测量环境对卫星信号接收的影响：在山区、茂密森林和高大建筑附近，需随时注意天线对天空的可视范围，保证接收到可进行3维计算的4颗以上卫星的信号。

注意接收机内存量：新的GPS产品具有较大的内存量，但野外测量时最好配备便携式计算机，分时间段将测量数据输入同时空出接收机内存。

结束语：在当前，空间信息数据是政府部门决策和行业发展规划的重要依据，是网络高速公路上的主流内容之一。利用GPS进行GIS地理数据更新具有及时、高效、高精度、不受恶劣环境气候影响等优势，未来的几年内，GPS连续观测基准站将会遍布全国，任何地区都可以实现实时测量；美国也将取消人为的精度限制，民用测量可以取得更高的精度。GPS作为一种便捷的科学工具将在空间科学领域获得广泛的应用。