劉慶元，文繼超，黃文嘉

(中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

基于嵌入式系統(tǒng)的多功能差分GPS在土地調(diào)查中的應(yīng)用研究

劉慶元，文繼超，黃文嘉

(中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

提出基于嵌入式系統(tǒng)的多功能差分GPS在土地調(diào)查中的應(yīng)用，對嵌入式設(shè)備野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并介紹其在土地調(diào)查中的作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了高精度的數(shù)據(jù)采集、處理、格式交換一體化。

嵌入式系統(tǒng);多功能DGPS;土地調(diào)查

一、引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，土地利用現(xiàn)狀也發(fā)生了極大的變化，及時準(zhǔn)確地獲取土地利用變化信息，并定期更新土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(1∶10 000)，直接影響到政府的決策和國土部門的管理。國務(wù)院于1906年下發(fā)了《關(guān)于開展全國第二次土地調(diào)查的通知》，目的是全面查清土地利用狀況，掌握真實(shí)的土地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立和完善土地調(diào)查、統(tǒng)計和登記制度，實(shí)現(xiàn)土地調(diào)查信息的社會化服務(wù)，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國土資源管理的需要。

傳統(tǒng)的土地調(diào)查采用常規(guī)測量儀器，利用手簿記錄數(shù)據(jù)和地類信息，手工繪制草圖，然后回到內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)及入庫。這種方法工作量大、效率低、誤差大。隨著嵌入式設(shè)備的發(fā)展及差分GPS(differential GPS，DGPS)技術(shù)的愈發(fā)成熟，利用基于嵌入式系統(tǒng)的DGPS技術(shù)進(jìn)行土地調(diào)查和變更，不但能夠真正實(shí)現(xiàn)無紙化的工作流程，保證調(diào)查的精度，還能夠與上級數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，大大提高工作效率。

二、技術(shù)簡介

1.嵌入式系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)是指有特定功能或用途的計算機(jī)硬、軟件的集合體。該系統(tǒng)出于產(chǎn)品體積的考慮，常要求將智能控制部分安裝在設(shè)備的內(nèi)部，使其占用空間盡可能小，便于攜帶。

2.嵌入式GIS

嵌入式GIS就是把GIS和嵌入式技術(shù)融合在一起，形成一個嵌入式的地理信息系統(tǒng)平臺。典型的嵌入式GIS是由嵌入式硬件系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)(如Windows Mobile操作系統(tǒng))和嵌入式GIS軟件組成的。它與傳統(tǒng)的GIS技術(shù)相比，具有跨平臺、易集成和易融合等優(yōu)點(diǎn)，它是當(dāng)前GIS研究領(lǐng)域的一個趨勢，是3S集成技術(shù)的基礎(chǔ)平臺。

3.多功能差分技術(shù)

利用GPS進(jìn)行測量時，GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號受到各種因素的影響，使得測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，精度下降?；谟^測量之間較強(qiáng)的相關(guān)性，DGPS技術(shù)通過在一個測站對兩個目標(biāo)的觀測量，兩個測站對一個目標(biāo)的觀測量或一個測站對一個目標(biāo)的兩次觀測量之間進(jìn)行求差，能極大地削弱或消除公共誤差和公共參數(shù)，使得觀測精度得以提高。

DGPS定位依據(jù)差分的時間分為:實(shí)時差分和后處理差分;依據(jù)基準(zhǔn)站發(fā)送信息方式分為:位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分和載波相位差分。而多功能差分技術(shù)是基于嵌入式GIS平臺，根據(jù)測量的目的和精度要求不同，選擇實(shí)時的或者事后處理的差分方法，還可進(jìn)行實(shí)時設(shè)置選擇接收SBAB(星基增強(qiáng)系統(tǒng))廣域差分或者基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)以及虛擬參考站數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的測量。

三、基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS設(shè)計及作業(yè)流程

基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS土地調(diào)查系統(tǒng)，是以嵌入式設(shè)備(如PDA)等硬件為基礎(chǔ)載體，以通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為支持，結(jié)合DGPS和GIS技術(shù)開發(fā)的嵌入式GIS系統(tǒng)。GPS技術(shù)和嵌入式設(shè)備的集成，通過對地物的空間幾何數(shù)據(jù)測量以及圖斑屬性的現(xiàn)場采集，可以實(shí)現(xiàn)高效率土地利用調(diào)查，為土地利用數(shù)據(jù)庫的更新和國土資源部門的管理提供可靠的數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS土地調(diào)查系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.功能設(shè)計

系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出四大模塊。

1)系統(tǒng)設(shè)置模塊:主要包括記錄設(shè)置、GPS設(shè)置、實(shí)時設(shè)置和其他設(shè)置。記錄設(shè)置主要用來設(shè)置在數(shù)據(jù)采集的時候一些設(shè)置項(xiàng)目;GPS設(shè)置用來設(shè)置GPS定位精度的參數(shù)選項(xiàng)，以及GPS接收機(jī)和電腦的端口，如設(shè)置最大PDOP、最小SNR和最小高程等，實(shí)時設(shè)置是設(shè)置GPS接收機(jī)使用未改正GPS信號，還是接收來自基準(zhǔn)站的差分信號亦或是整合的SBAS廣域差分信號等。若是要進(jìn)行高精度的測量，還可采集載波相位數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)進(jìn)行后差分處理。

2)數(shù)據(jù)采集模塊:主要包括空間信息采集和屬性信息采集?？臻g信息也是矢量數(shù)據(jù)，是對圖斑邊界或者線狀地物、零星地物的測量;屬性信息為地類碼以及長度、寬度、面積等信息。屬性信息的采集可用圖像數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，對測點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)景拍攝，有助于內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理。

3)數(shù)據(jù)處理模塊:包括圖形的顯示和編輯、屬性的錄入、差分處理和數(shù)據(jù)的管理與分析。根據(jù)測量的目的和精度要求不同，選擇實(shí)時差分或者后處理差分。GPS測量得到的數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步生成矢量數(shù)據(jù)圖層，并且可以對矢量圖層進(jìn)行編輯，如刪除某些明顯測錯的點(diǎn)、點(diǎn)與點(diǎn)自動連接成線、圖斑自動封閉、線的延伸或縮短等。還能對圖形進(jìn)行放大、縮小、漫游等。對圖形屬性可進(jìn)行編輯和查詢。數(shù)據(jù)的管理與分析包括數(shù)據(jù)壓縮存儲、數(shù)據(jù)字典的建立或修改。

4)數(shù)據(jù)輸出模塊:主要是實(shí)現(xiàn)從嵌入式設(shè)備到PC機(jī)上數(shù)據(jù)庫之間的無縫鏈接，以及各種數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換。

2.作業(yè)流程

基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS技術(shù)應(yīng)用于土地調(diào)查中，其作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

1)獲取遙感影像并制作數(shù)字正射影像圖:選擇層次豐富、紋理清晰、色調(diào)均勻、反差適中并且云層覆蓋小的影像，對其進(jìn)行幾何糾正，再將影像重采樣，并使用ERDAS等軟件對其進(jìn)行色彩平衡處理，使其更適合土地調(diào)查。

2)外業(yè)前期準(zhǔn)備:收集土地利用變化信息，將土地利用現(xiàn)狀和變化信息與數(shù)字正射影像圖套合，壓縮數(shù)據(jù)并導(dǎo)入到嵌入式設(shè)備中。

3)外業(yè)數(shù)據(jù)采集:采集權(quán)屬界址點(diǎn)時，對界址點(diǎn)精度要求較高，可以架設(shè)基準(zhǔn)站，通過控制中心向嵌入式設(shè)備發(fā)送改正信息，實(shí)時差分獲得高精度界址點(diǎn)坐標(biāo);也可選擇接收載波相位信號，回到內(nèi)業(yè)進(jìn)行后差分處理，同樣獲得高精度測量值。在進(jìn)行地類調(diào)查時，可以選擇接收SBAS星基增強(qiáng)系統(tǒng)的差分信號，實(shí)時獲得亞米級的精度，這符合土地調(diào)查的精度要求，并省去了架設(shè)基準(zhǔn)站的要求，經(jīng)濟(jì)效益高。

4)建立土地利用數(shù)據(jù)庫:采集好空間信息之后，現(xiàn)場錄入屬性，經(jīng)過系統(tǒng)后臺處理、數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，更新土地利用數(shù)據(jù)庫。

四、技術(shù)的完善和應(yīng)用前景展望

1)基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS，是3S集成技術(shù)運(yùn)用的典型成功范例，是土地調(diào)查中的一項(xiàng)新技術(shù)，并且是土地調(diào)查技術(shù)未來發(fā)展的重要趨勢。GPS-PDA的出現(xiàn)就是很好的證明，它可以將高分辨率的數(shù)字柵格地圖以及矢量數(shù)據(jù)疊加，實(shí)現(xiàn)圖形顯示，很方便地判讀土地使用變更情況，方便外業(yè)調(diào)繪工作;它與DGPS技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了邊界的高精度測量，提高了土地調(diào)查成果的質(zhì)量。另外，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式設(shè)備存儲容量得到提高，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS在土地調(diào)查中的應(yīng)用定會越來越廣泛。

2)多功能 DGPS，以嵌入式系統(tǒng)為平臺，以GPRS、網(wǎng)絡(luò)通信為支撐，可以提供從十幾厘米、亞米到2～5 m的不同層次精度，能夠滿足不同測量目的的需要。鑒于此，它不僅可以廣泛應(yīng)用于土地調(diào)查，還可以應(yīng)用到土地執(zhí)法、礦產(chǎn)資源調(diào)查、精細(xì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等各種高精度地理信息空間位置與屬性數(shù)據(jù)的采集行業(yè)。

3)目前，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的軟件功能不夠完善，程序操作較為復(fù)雜，進(jìn)行空間信息采集和屬性信息采集時集成化程度不高，用實(shí)時差分進(jìn)行測量時，軟件也顯得不夠成熟。這些是限制其得以推廣應(yīng)用在其他領(lǐng)域的重要因素。設(shè)計開發(fā)一款集成化、自動化程度高、操作簡易、功能完善的嵌入式GIS系統(tǒng)，仍然是今后很長一段時間的研究熱點(diǎn)。

五、結(jié)束語

應(yīng)用基于嵌入式系統(tǒng)的多功能DGPS進(jìn)行土地調(diào)查，能夠滿足亞米級的精度要求，并且可以利用遙感圖像作為背景，直接在外業(yè)中進(jìn)行實(shí)地測量調(diào)繪，數(shù)據(jù)可以和土地利用數(shù)據(jù)庫無縫鏈接，給土地調(diào)查工作帶來了很大的方便，提高了工作效率。隨著嵌入式設(shè)備的發(fā)展和嵌入式GIS的進(jìn)一步完善，多功能DGPS將滿足各種層次的精度要求，可以應(yīng)用于各種地理空間信息和屬性信息采集的行業(yè)。

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Research on the Application of Multi-function DGPS in Land Survey Based on Embedded System

LIU Qingyuan，WEN Jichao，HUANG Wenjia

0494-0911(2011)03-0038-03

P228.4

B

2010-09-15

劉慶元(1958—)，男，河南滎陽人，教授，主要從事3S集成技術(shù)理論與應(yīng)用，以及移動GIS技術(shù)研究。