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浅议GIS在测绘中的应用与发展

职称驿站所属分类:电子技术论文发布时间:2011-08-10 06:09:42浏览:1

  摘要:GIS又称地理信息系统,在测量、勘探、规划、管理等多个领域发挥着重要作用。本文首先简要阐述了GIS的基本原理,并举例介绍了GIS各领域的应用,同时对GIS进行了误差分析。

  摘要:GIS又称地理信息系统,在测量、勘探、规划、管理等多个领域发挥着重要作用。本文首先简要阐述了GIS的基本原理,并举例介绍了GIS各领域的应用,同时对GIS进行了误差分析。
  关键词:GIS技术;测绘;原理;误差分析
  
  1.引言
  地球上的各种客观实体都可以被划分为二个抽象概念,即诸如房屋、树木之类的离散对象和类似于海拔高度、降雨量一类的连续对象。这两种抽象体都能在GIS系统中以数字信息的形式表现出来,存储数据的两种主要方法为栅格和矢量。
  GIS技术以数字信息的形式描述出地球上的各种客观实体,例如公路走向、物体海拔高度等。它在计算机硬、软件系统的支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系,包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等,用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程,解决复杂的测绘和规划问题。
  GIS的操作对象是空间数据,即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码,实现对其定位、定性和定量的描述。这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志,也是其技术难点之所在。
  GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力,可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息,测绘时实现地理空间过程演化的模拟和预测。
  2.GIS在我国的应用和发展状况
  2.1GIS在我的发展史
  GIS在我国的应用和发展起步较晚,但是在各级政府和相关科研机构的大力支持和促动下,我国的地理信息系统技术取得了迅猛的发展,特别是在近二三十年以来,成绩更是突出。
  从最初的GIS技术引进和知识传播,以及关于遥感分析、制图和数字地面模型的试验研究,到GIS主要理论体系的建立、软硬件的引进,相应规范的研究,局部系统或试验系统的开发,我国的GIS技术日趋成熟。
  特别是1986年以后,GIS作为一个全国性的研究与应用领域,进行了有计划、有目标、有组织的科学试验与工程建设,取得一定的社会经济效益。进入90年代后期,我国GIS的发展逐步向产业化模式转型。建立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模式,推动地理信息系统在社会主义各项事业中更加深入和广泛的应用。
  2.2GIS在我国的发展趋势
  GIS将往高维化发展,GIS在矿山与地质领域的应用受到很大限制的重要原因是其在处理三维问题上的不足。现有的GIS软件虽然可以用数字高程模型来处理空间实体的高程坐标,但是由于他们无法建立空间实体的三维拓扑关系,使得很多真三维操作难以实现,因而人们将现有的GIS称为二维GIS或2维半GIS。矿山、地质以及气象、环境、地球物理、水文等众多的应用领域都需要三维GIS平台来支持他们大量的真三维操作。空间可视化技术是指在动态、时空变换、多维的可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉效果的技术。虚拟现实(VR)技术,也称虚拟环境和人工现实,已在游戏中成功使用。运用空间可视化技术和虚拟现实技术进行地形环境仿真,真实再现地景,用于交互式观察和分析,提高对地形环境的认知效果,是今后三维GIS可视化发展的一个重点。
  3.GIS在测绘中的应用
  GIS技术在现代社会中有着广泛的应用,涉及到测量、勘探、规划、管理等各个领域。GIS在现代测绘工程中起着重要的作用。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数;电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用,可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品,为GIS提供丰富和更为实时的信息源,并促使GIS向更高层次发展。
  例如由安徽省地理信息中心和安徽省公路管理局共同完成的安徽省公路GIS测量,就是利用了GIS技术,以获取我省的高精度公路及各标志点的电子地图。这种地图的精确度可以控制在5米以内。该系统的地理空间基础框架采用安徽省1:25万基础地理信息数据,按照公路部门的要求,对省级以上的公路数据进行了全面更新,并增加特大桥梁、公路分局、公路道班等信息。系统能够完成全省公路信息的查询、显示、统计等功能。
  另外,GIS系统结合我省水利部门的需求,增加了大量的水文站、降雨量站、蒸发量站、堤坝、水库、湖泊等水利信息以及长江宜昌以东和淮河上游的信息。该系统能够完成全省和长江、淮河、新安江三个流域水利信息的查询、显示、打印等功能。
  再如,对于城市煤气管网信息系统的建设,GIS系统也发挥着重要的作用。GIS可以为对城市规划管理部门提供可视化管理信息,为了市煤气公司及城市规划管理部门合理利用城市地下空间提供管理手段,对城市地下管线实行实时动态管理。在功能上力求适用,以查询统计、管网分析、成果输出为系统重点。
  4.GIS测量的误差分析
  GIS测绘的误差来源主要分为轨道误差、多路径误差、电离层的信号传播延迟误差三大类。
  4.1轨道误差
  有关部门提供一定精度的卫星轨道,以广播星历形式发播给用户使用,从而已知观测瞬间所观测卫星的位置,因而卫星轨道误差与星历误差是一个概念。卫星星历误差又等效为伪距误差。由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响,而其中有的是随机影响,而不能精密确定,使卫星轨道产生误差。目前,GIS卫星轨道误差的等效伪距误差(使用的卫星广播星历)为4.2m。美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低,点位误差有时达到100m。
  控制网的静态GIS测量是利用载波相位测量,一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GIS卫星,取得载波相位观测值,从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值,称为基线测量,短基线测量可以消除SA影响。动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位,即在已知坐标点上布设基准点,通过基准站取得误差校正值,通过数据链实时传给导航定位的移动站,从而消除SA影响及两站的各种共同的误差,提高了移动站的导航定位精度。加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统,已使导航定位精度差分距离在100km左右时达到亚米级,差分距离远于1500km时达到米级。
  4.2多路径误差
  多路径误差是指GIS信号射至其他的物体上又反射到GIS接收天线上,对GIS信号直接射至GIS接收天线上的直接波的干扰。多路径误差的大小,取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。用户天线附设仰径板,当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m,可抑制多路径影响。
  据大量资料的分析统计,多路径误差有以下缺点:①当边长小于10km时,主要误差源是天线的对中误差和多路径误差;②多路径误差对点位坐标的影响,在一般环境下可达5~9cm,在高反射环境下可达15cm;③在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下,码信号受多径误差的影响,可导致接收机的相位失锁;④实践证明,多路径误差还容易引起观测中值的周跳现象。
  接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GIS信号产生镜反射。天线附近的地形地物,例如道路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此,选择GIS点位时应特别注意避开这些地形地物,采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。
  4.3电离层的信号传播延迟误差
  电离层引起码信号传播延迟,它与沿卫星和用户接收机视线方向上的电子密度有关,在垂直方向上延迟值在夜间平均可达3m左右,白天可达15m,在低仰角情况下分别可达9m和45m,在反常时期这个值还会加大。为了削弱电离层延迟所引起的定位精度损失,在长基准测量中用双频接收机采集GIS数据,对观测成果进行实时电离层延迟改正,可以获得很好的效果。对于单频接收机的用户,虽然可以用数学模型进行改正,但其残差仍然很大。也可以用提高卫星高度截止角减少其影响。
  在赤道和地极附近存在着严重的电离层赤道扰动和地极扰动。因而,利用双频GIS接收机观测,只适用于没有电离层扰动的中纬度地区来进行电离层改正。
  赤道扰动。最坏的电离层影响是在赤道附近。强烈影响大概在±10°以内的区域,此影响可延续至赤道两边的±30°。扰动一般在日落到午夜发生,延续到第二天黎明。它是由电离层中电子含量小规模无规律引起的,它有几米到几千米的波长,这些无规律的电子密度能够产生衍射和反射效应,接收的信号能使相位和振幅变异,它能妨碍GPS卫星信号跟踪,引起周跳。甚至基线在10km以内时,强烈的电子水平分布梯度能使模糊度解算不能进行。
  由GIS测量的误差源可以看出,GIS技术的应用不需要测角、边角同测和测边网的传统要求。它不需要点间通视,也不需要考虑布设什么样的图形,也就更不需要考虑图形强度,不需要设置在制高点上(哪里需要就可以设置在哪里)。所以GIS网的设计是非常灵活的。但也应注意以下几个问题:①除了特殊需要,一般GIS基线长度相差不要过大,这样可以使GIS测量的精度分布均匀;②GIS体系不要有开放式的网型结构,应构成封闭式闭合环和子环路;③应尽量消除多路径影响,避开强反射的地面,避开强反射环境,如山谷、山坡、建筑物等;④避开强电磁波干扰,设站应远离雷达站、电台、微波中继站等。
  5.结语
  GIS技术在现代社会中发挥的作用越来越重要,特别是在工程测绘、规划管理等方面,利用GIS技术,结合传统的测绘工具,将两者配合使用,充分发挥两者的优势,建立GIS信息体系,并努力减小系统的误差,为测绘提供精确的地点位成果。
  
  参考文献
  [1]倪金生,李琦,曹学军.遥感与地理信息系统基本理论和实践.[M].电子工业出版社.2004.
  [2]王占全,赵斯思,徐慧.地理信息系统(GIS)开发工程案例精选.[M].人民邮电出版社.2005.
  [3]刘光.地理信息系统—基础篇.[M].中国电力出版社.2003.

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