高精度数字地图在信息通信领域的应用研究.pdf

信息技术 年第 期高精度数字地图在信息通信领域的应用研究 祝玉东 赵国强 韩 雷 代金国 侯永斌(西安卫星测控中心 西安)摘 要:针对野外通信线缆所经地形复杂、环境恶劣、铺设方式多样、探查维护困难的问题设计并开发了一款可用于线缆巡查的高精度数字地图系统()该系统采用 构建窗口界面使用 ()三维渲染引擎利用高精度的卫星影像数据构建数字地球通过北斗全球卫星导航系统实时定位人员位置地下线缆定位精度小于 米可实现地下管线的快速定位 系统可视化程度高、结构轻便、操作简单、扩展性强极大地方便了线缆巡查工作关键词:线缆巡查 全球卫星导航系统 三维可视化 瓦片地图服务中图分类号:文献标识码:文章编号:():./.作者简介:祝玉东()男本科工程师研究方向为网络通信、通信运维等通讯作者:韩雷()男硕士高级工程师研究方向为深空测控 ():().:引 言野外通信线缆所经区域大多自然环境恶劣地形复杂铺设方式多样 线缆巡查靠经验位置环境靠记忆维修更新靠回想延续性差地形变化、工程施工造成的线缆中断故障点定位时间长给通信安全带来较大隐患对线缆的巡查和维护造成了极大的不便现阶段商业化的数字地图形式多样、发展迅速在社会各个方面得到了广泛的应用 但是各商业化数字地图在市区内较为清晰市区外分辨率较低不能满足线缆巡查的特殊场景需求和精度需求专业线缆告警系统中数字地图仅有装饰作用仅能进行区间报警无参考价值精度较差无法准确定位在线数字地图需要联网且功能较少扩展性较差保密性不足网络信号差的区域无法使用高精度数字地图在信息通信领域的应用研究 祝玉东 等本文采用高精度卫星遥感影像数据构建三维地形使用 进行三维渲染实时显示线缆定位信息利用北斗全球卫星导航系统()进行实时定位引导巡查人员进行线缆巡查通过线缆断点测距信息输入可实现故障点快速定位对维护维修线缆进行图片标注实现维修记录功能方便后续识别、维护 应用需求 线缆巡查维护现状野外线缆动辄长达数百公里所经地形有城区、旱田、水田、河道、公路、山丘和森林等铺设方式有地埋、管道、涵洞和架空等 安全隐患较多自然环境恶劣冬季冰雪覆盖、夏季水土流失、工程施工频繁、车辆碾压剐蹭、土地用途变更等造成巡查、管理、抢修困难 主要表现为:线路长人员少维护效率低下环境差隐患多故障定位困难线缆巡查靠经验位置、环境靠记忆延续性差可视化不足 图 所示为某单位原有定位系统 该系统可以提供实时 定位信息通过一个 英寸屏幕进行定位信息和地图的显示地图仅有道路数据没有地名、河流等矢量数据和高清晰的影像、高程等地形数据 在野外由于森林、农田覆盖该地图基本不具备参考价值图 原定位设备 需求分析为解决上述问题急需研究一套用于线缆巡查的高精度数字地图该系统应该具备以下功能 高精度全覆盖的数字地图及实时定位能力能够提供高精度的数字地图该地图应该使用修正后的卫星影像数据、高程数据和矢量数据以表格的形式显示所有标石定位信息并在地图上进行实时显示标石间线缆以直线连接且具备可视化程度高、操作简便的定位信息管理功能可以对线缆定位点进行增加、删除、修改、保存等能够通过某种外置或内置设备连接北斗、或 等 实时获取巡线员可靠的位置信息以便巡线人员利用地图结合周围环境迅速确定自身和线缆位置 故障点快速定位及辅助措施当线缆由于雨水冲刷、建筑施工等不可控外力造成中断时通过通信检修设备测量断点距离将线缆断点距离信息输入系统能够标示出具体断点参考位置为抢修人员提供参考具备直线、折线测距功能能够测量地图上两点之间的球面直线长度或者任意连续多点构成的折线的总长度方便位置测量及线缆与周边河道、施工场地的实际距离进行隐患分析具备图片信息标注功能能够对线缆定位点进行图片标注存储维护维修时间、内容及线缆变更后的实际状态存储定位点线缆(含预留、盘绕线缆长度)距离值方便抢修人员与地理距离进行比对更加精确、快速定位故障点 视图快速切换和功能扩展具备地球视图、整体线缆视图、视图和任意选定定位点视图的快速切换能力提高系统实用性具备任意区域地图的增加、替换、更新功能方便系统推广使用预留三维模型输入、物联网数据接入接口为智慧化园区建设奠定基础 系统设计概况 地图设计本文使用 三维渲染引擎进行地图的构建 是一个开源的三维引擎被广泛应用在可视化仿真、游戏、虚拟现实、科学计算、三维重建、地理信息、太空探索等领域 采用标准 和 编写而成可运行在几乎所有操作系统中支持市面上几乎所有的数据格式无论是图片还是三维模型以及字体等都能很好的读取 是基于 开发的三维高精度数字地图在信息通信领域的应用研究 祝玉东 等数字地球引擎库在 基础上实现了瓦片调度插件可选的四叉树调度插件更多的地理数据加载插件(包括、等)再结合一套地理投影转换插件这样就能够实现高效处理加载调度地理数据在三维地球上的显示实现虚拟三维地球本文使用高精度的卫星光学影像数据、高程数据和天地图数据构建数字地图 卫星影像是通过安装在卫星上的相机拍摄得到的地球图像“天地图”是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务是“数字中国”的重要组成部分天地图能够提供无偏的矢量信息 其中中国的数据覆盖了从宏观的中国全境到微观的乡镇、村庄由于该段线路达到数百公里如果采用单张图片进行显示为了实现高精度的地图显示该图片的大小可达到 左右三维渲染引擎和硬件无法实现这么大图片的加载显示 本文对地图数据建立金字塔结构采用 加载 金字塔结构中随着层级的增大地图分辨率越高数据量也越大 为了减小数据量在线缆走向周边下载分辨率高的地图其他区域地图选择相对较低的层级 是一种瓦片地图服务 的算法很简单就是把投影后的世界地图按照层级进行四叉树切割切割后的瓦片数量随层级呈金字塔型对这些瓦片进行分割由于瓦片编号的规律性(平面直角坐标系)加上投影也是一种算法(球形展开成平面)所以编号和坐标之间就建立了一种索引关系通过编号可以得到经纬度区间通过经纬度也可以找到瓦片的编号 定位设计目前常用的定位方式主要有:卫星定位(北斗、伽利略等)、移动基站定位、辅助定位、定位 本文使用卫星定位方式选购了一台我国国产的“吉度”卫星定位接收器该设备支持北斗、三个卫星导航系统(同时双系统运行组合模式为“北斗”或“”)该接收器参数如表 所示表 卫星接收器参数表参数取值中心频率 更新频率 工作温度 参数取值灵敏度输出协议 波特率卫星定位接收器输出信息采用()协议 是美国国家海洋电子协会为海洋导航规范而制定的标准该格式标准已经成为国际通用的一种格式大多数常见的 接收机、数据处理软件、导航软件都遵守或者兼容该协议 协议定义的语句非常多但是常用或者说兼容性最广的语句只有、几种 格式数据串的所有数据都采用文本字符表示数据传输以“”开头后面是语句头 语句头由 个字母组成分两部分前两个字母表示“系统”即表示该语句是属于何种系统或设备(:表示:表示北斗:表示格洛纳斯)后三个字母表示“语句”表示该语句是关于何方面的数据 语句头后面是数据体包含不同的数据体段语句末尾为校验码以回车换行符 结束也就是 字符“回车”(十六进制的)和“换行”(十六进制的)数据字段以逗号分隔识别空字段保留逗号本文使用 语句获取 相关信息该语句格式如表 所示格式示例:界面设计 可以满足三维地图的需求但是在界面设计方面却存在不足本文选择 进行界面设计 是一款跨平台 图形用户界面程序开发框架 是面向对象的框架使用特殊的代码生成扩展(称为元对象编译器)以及一些宏很容易扩展可以提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能高精度数字地图在信息通信领域的应用研究 祝玉东 等表 语句解析字段名称示例说明信息 语句 时间 :纬度 南/北半球指示 经度 东/西半球指示 状态:未定位:非差分定位:差分定位:无效:正在估算卫星数量 水平精度因子 单位:米海拔高度 单位:米海拔高度单位单位:米大地水准面高度异常差值 单位:米大地水准面高度异常差值单位单位:米差分时间 从最近一次接收到差分信号开始的秒数差分参考基站编号校验位结束 系统设计通过对需求的分析以及三大关键数据的实现确定了 的整体实现思路 采用 构建窗口界面使用 三维渲染引擎利用 加载卫星影像数据、高程数据、天地图矢量数据构建三维数字地图通过吉度 接收器接收北斗定位信息实时定位人员位置 全系统设计框图如图 所示 系统功能实现系统运行主界面如图 所示该界面包括菜单栏、工具栏、地图显示区、定位信息显示管理区、鼠标点地理信息及测距显示区 具备如下功能:高清地图显示及实时定位、定位信息管理、直线折线测距、视角切换管理、环境控制管理等 高清地图显示及实时定位系统采用天地图卫星影像构建高清晰度卫星地图 图 所示为系统实时信息显示区域包含五项信息的显示分别为:球面距离鼠标位置经纬度和高程信息通过 定位实时经纬度和高程、工作状态、导航系统水平精度因子图 系统设计框图 定位信息管理系统根据读取到的线缆定位信息在地图中绘制线缆 当线缆定位点进行增加、删除等操作后系统可对绘制出的电缆线路进行更新 图 中右侧表格显示所有定位点的经度、纬度、高程以高精度数字地图在信息通信领域的应用研究 祝玉东 等图 主界面图 地图显示区域及关联的展示图片 表格的下方 个按钮中的前 个分别负责定位信息的增加、删除和保存功能通过点击工具栏中的查找断点按钮可以开启相应功能 在弹出的界面中输入起点、断点距离、方向点击定位按钮即可根据输入定位疑似断点并在地图中显示疑似断点位置以及该疑似断点前后两个定位点如图 所示图 断点定位功能点击工具栏或菜单栏中的“图片标记使能”按钮所有链接了图片的定位点会出现一个图片类型的图标点击该图标既可以显示该定位点链接的图片如图 所示 直线、折线测距通过菜单栏或者工具栏的直线、折线按钮可以开启相应测距功能测量两个或多个鼠标点击图 定位点链接图片显示点之间的距离并显示在图 左下角第一行 视点切换管理为了方便视点的切换设计了视点切换功能可以在全球视角、本市视角、指定定位点视角、目标点等视点之间快速切换 环境控制管理为了更加形象地进行三维显示系统设计了星空、太阳、月亮、夜影等功能并可以根据系统时间或者 时间进行更新 为了便于显示设计了环境控制功能可以对星空、月亮、夜影等进行参数控制同时也可以对地球的多个图层进行控制 结束语本文针对通信线缆巡查中存在的问题开发了一款基于 的数字地图通过北斗全球卫星导航系统实时定位人员位置引导巡查人员进行线缆巡查具有较高的实用性和推广价值 研发人员后续将在设备小型化方面继续发力探索基于安卓操作系统的便携式系统 预留的三维模型输入、物联网数据接入接口也可为智慧化园区建设奠定基础参 考 文 献:杨化斌于振华林中等.三维视景仿真技术开发详解.北京:国防工业出版社:.肖鹏刘更代徐明亮.三维渲染引擎编程指南.北京:清华大学出版社:.:.超级宝典.付飞等译.北京:人民邮电出版社:.(下转第 页)基于流量分析的 嵌套数据流无损压缩算法 徐晨 等图 数据压缩前后信源符号概率分布参 考 文 献:何志学廖湖声.基于森林自动机处理 流数据方法.计算机工程与设计():.杨敏珠邹曜璞韩昌佩.基于单帧干涉图的无损压缩的研究.现代电子技术():.赵雅倩李龙郭跃超等.基于 的 数据压缩算法.计算机应用():.胡斌李忠强刘婷婷等.与 算法在海洋观测浮标通信数据压缩中的应用研究.海洋科学():.赵延龙滑楠.基于数据集压缩的聚类算法性能优化研究 .计 算 机 应 用 研 究 ():.徐金甫刘露李伟等.一种基于阵列配置加速比模型的无损压缩算法.电子与信息学报():.梁耀鞠晓东李传伟等.基于帧间差分的随钻测井数据压缩算法.数据采集与处理():.李政廉吉立新黄瑞阳等.面向强连接网络图的无损压缩算法.计算机辅助设计与图形学学报():.杨敏珠邹曜璞韩昌佩.基于矢量量化与线性预测的干涉图分段无损压缩.红外技术():.罗瑜张珍珍.一种快速的纹理预测和混合哥伦布的无损压缩算法.电子与信息学报():.李欣然钟俊.基于 改进的 算法在报文压缩中的应用.现代电子技术():.刘晨李玉峰陈好.基于 无损数据压缩技术的改进与实现.电子设计工程():.孟卫东龙美彪.曲线数据压缩算法的研究及应用.计算机系统应用():.伍卫国王超辉王今雨等.基于混合编码的 系统配置文件压缩算法.计算机研究与发展():.高邈史国友李伟峰.改进的 在线船舶 轨迹数据压缩算法.交通运输工程学报():.(责任编辑:丁晓清)(上接第 页).计算机图形学:版.胡事民等译.北京:清华大学出版社:.龚立民.基于 的地球/地图三维模拟软件设计.信息技术():.朱国涛胡文婷.基于 和 的电子地图绘制技术研究.计算机科学与应用():.倪冰洁.天地图电子地图配图中 智能标注方法研究.江苏科技信息():.魏伟.数据采集及动态显示系统的研究与实现.青岛远洋船员学院学报():.张帅帅崔红霞.数据的采集提取和显示.科技创新导报():.(责任编辑:丁玥)