空间定位技术在数字化城市管理新模式中的应用.doc

个人收集整理 勿做商业用途空间定位技术在数字化城市管理新模式中的应用苏爱华胡环宇杨华（北京数字政通科技有限公司,北京100082）摘要：本文探讨了空间定位技术的发展现状和趋势，对常用的GPS、移动基站定位、地理编码和部件等定位方法在数字化城市管理新模式中的应用进行了具体阐述，并说明实现这些空间定位的不同数据条件、网络条件和在实际系统中的应用模式。关键词：空间定位城市管理数字化新模式GPS地理编码引言数字化城市管理新模式的一个特点是实现了城市管理对象在管理区域中的有序、精确定位。随着数字化城市管理系统的推广普及，空间定位技术的应用也逐步得到深化和扩展，目前已经有了多种定位方法，包括GPS、移动基站、地图标识、单元网格、地理编码、部件定位等。依据城市的现状与资源差异，所采用的方案也不尽相同，一般均采用多种定位方式相结合。本文着重对数字化城市管理系统中常用的GPS、移动基站、地理编码和部件等定位方法进行详细阐述，同时说明实现这些空间定位的不同数据条件、网络条件和在实际系统中的应用模式。一、空间定位技术发展现状和趋势空间定位技术最初面临的挑战是户外追踪.在这方面最有发展前景的两种技术手段当属全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）和基于蜂窝网络的无线定位技术。当前广泛应用的全球卫星导航系统主要包括美国全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS）、欧洲正在兴建的将于2008年投入使用的伽利略(Galileo）民用全球卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS系统1。用户采用双频/多频接收机可同时接收多星座信号，可靠性和定位精度都有显著提高，可以满足对精度要求较高用户的需求。在基于蜂窝网络的无线定位技术中，位置解算功能由蜂窝网络实现。通常使用的定位技术有起源蜂窝小区(CellofOrigin，COO，又称CellID技术）、信号场强、到达角度(AOA）、到达时间（TOA）、到达时间差分(TDOA)、增强观测时间差分（ETDOA)等2。其中，CellID技术是一种最简单的定位技术，无需对移动终端和网络进行修改,就可以向当前的注册用户提供自动定位服务。该技术是根据移动终端所处的蜂窝小区ID号来确定用户位置,因此它的定位精度取决于蜂窝小区的半径。与其他技术相比,其精度是最低的,当需要精度较高的紧急定位服务时，CELLID就无法满足要求了.目前，GPS所能达到的精度范围在520米。但是,在高楼林立的城市低谷地带，GPS的定位精度不是很好。无线运营商利用一种名为辅助GPS（AssistedGPS,A-GPS)的技术来克服GPS的上述缺陷.这种技术融合了GPS高精度定位与蜂窝网络高密集覆盖的特性,既提高了在城市范围内基于蜂窝网络定位的精度，也扩大了GPS应用的覆盖范围,使GPS在无法提供精确定位的区域内能够进行工作。加利福尼亚州的一家新兴企业Rosum则采用电视信号增强GPS系统，该系统利用增强的广播电视信号，而不是蜂窝网络信号来进行定位。同蜂窝网络信号相比，广播信号更具优越性，因为它们已经覆盖了更广的地理区域，而且更容易穿透建筑物3。比户外追踪更难以实现的是室内跟踪。由于天花板、墙壁或其他障碍物的阻挡，全球卫星导航系统的定位精度会大大降低，而基于蜂窝网络的无线定位技术就更为逊色了.当前流行的无线网络技术802。11(或者称作WiFi）可能是迄今最好的解决方案。众多无线服务商已开始在旅馆、咖啡厅和其他商用建筑物内部安装Wi-Fi收发器，使移动用户能够获得高速因特网服务。这些基础设施也能够用于室内定位。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wi-Fi进行室内定位的软件，WiFi绘图的位置精确度大约在120米的范围内，比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。另外，由于建筑物内部各个楼层上的信号强度不同,因此Ekahau的技术还可以用于解决垂向定位的问题3.Wi-Fi收发器只能覆盖半径90米以内的地理区域，也很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，并不十分可靠。另一种处于发展初级阶段的无线网络技术超宽带（UWB）有可能弥补这一不足4。UWB具有传输速率高、耗电少等特点，而且能够提供超精确定位。与WiFi和GPS一样，UWB也能够配置到移动终端上.在理想的世界中，随着使用者从室外步入室内,移动终端将能够选择最佳定位技术（如从依赖GPS定位自动转向Wi-Fi定位），从而可以不间断地帮助使用者得到最新的位置信息.移动终端的高度便携性和快捷的通讯能力、用户的飞速增长、各种定位技术的发展共同孕育出了新的服务类型：“基于位置的服务”(Location-BasedService,LBS）,即通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的与位置相关的信息服务2。图1是LBS的一个典型网络结构图。随着3G时代的到来,在3G高速无线网络的支持下5，LBS服务能够将高精度的定位技术与丰富的多媒体信息相结合,为用户提供更好的定位服务。这些空间定位技术的发展将为数字化城市管理新模式的精细化管理提供强有力的技术支撑。二、空间定位技术在监管数据采集中的应用按照住房和城乡建设部行业标准城市市政综合监管信息系统技术规范（CJJ/T106）要求,城市管理(一）嵌入式地理信息系统引擎关键技术部件的空间定位中误差不应超过1m，管理事件的定位中误差不应超过5m6。为达到这一精度要求，信息采集员（即监督员）在进行监管数据采集过程中，就必须综合应用多种空间定位技术确定问题的所在位置。嵌入式地理信息系统引擎安装在监管数据无线采集设备即城管通中，用于信息采集员对各种事件和部件信息进行快速定位和查询。嵌入式地理信息系统引擎全面支持PocketPC，SmartPhone等各种智能手机平台,具备如下功能：基本的地图浏览功能（放大、缩小、全图、漫游)；分析与地图量算功能；能够读取GPS定位信息；能够标识部件或事件位置；具备搜索引擎功能，即能够根据地名、路名、兴趣点名称、门牌号、单元网格等查询和定位;根据地理位置坐标(X，Y)以及搜索半径,查询地址信息；根据部件编号，精确定位部件的坐标（X，Y）及其标准地址信息。在性能上达到以下要求：精练的内核，高效的空间索引机制,很高的浏览速度;支持大数据量处理,高效的数据压缩比。（二）监管数据采集过程中采用的空间定位方法在监管数据采集过程中,信息采集员可以采用如下几种定位方法：1。地图浏览定位信息采集员通过监管数据无线采集设备(即城管通）的屏幕浏览地图，直接确定问题所在的位置，并用坐标、单元网格编号、邻近地物名称及方位,或部件编号等方式描述该位置。2。地图查询定位信息采集员通过速查手册方式，输入地名、路名、兴趣点名称、门牌号、单元网格等进行查询定位.3。部件定位（含电杆定位）对于部件问题，可以在地图浏览窗口中，通过标识部件信息进行定位.如果标识的位置不只一个部件，则会在地图上列出该位置附近所有部件（包括部件编码和类型)供信息采集员进一步选择确认（图2、图3)。该定位方法能够有效保证定位的精度符合要求。部件定位的另一种方法是在对城市所有的电杆统一编号的基础上,实现电杆定位,即在发现问题之后，通过读取事发位置附近电杆上标注的编码，实现快速定位。城市电杆类部件包括供电局的电线杆、路灯管理处的路灯杆、电信局的电信杆、电车公司的电车杆等。这些电杆按照一定规则进行编码,原则是全市统一编排，具有规律性，便于记忆和查找。如可采用7位编码，第1位数字代表“行政区划”;第2位至第4位数字代表“道路名称”；第5位至第7位数字代表“灯柱”和“位置”（走向)7.信息采集员在监管数据无线采集设备上输入电杆上的编码,或在群众举报某个管理部件或事件问题的同时，提供最近位置的电杆编码,如“7223008”，即可在地图上快速定位。4.GPS、A-GPS辅助定位在监管数据无线采集设备上配备GPS定位模块，由嵌入式地理信息系统引擎读取GPS定位信息,在地图上显示定位。在高楼林立的城市低谷地带，由于GPS的定位精度不是很好，也可以采用A-GPS技术扩大GPS的应用覆盖范围。信息采集员在GPS辅助定位的基础上，浏览地图，进一步确定问题所在位置。5.LBS辅助定位当监管数据无线采集设备上没有配备GPS定位模块时，可以通过无线运营商提供的LBS服务进行辅助定位。此外，还可以采用射频识别（RadioFrequencyIdentication，RFID）技术进行部件定位。（三）定位方法比较数字化城市管理系统监管数据采集使用的定位方法比较如表1所示。三、空间定位技术在协同办公中的应用数字化城市管理模式的工作流程规定监管数据采集之后，应通过网络和城市市政综合监管信息系统传输到城市管理监督指挥中心进行任务的派遣、处理和反馈.不同角色的用户在城市市政综合监管信息系统中，借助于WebGIS，借助地理编码、部件编码或单元网格等空间定位技术来快速、准确判定问题所在的位置。(一）WebGIS与空间定位技术WebGIS是指利用广域网向各类用户提供地理空间信息服务的地理信息系统，是Internet与GIS结合的产物8.通过WebGIS平台,才可以将各类GIS数据（包括部件数据）综合在一起，将各种空间定位技术(地理编码、部件编码、单元网格）的定位结果标识在地图上，为用户所直观的理解。WebGIS平台的“标识位置”功能,能够将确定好的问题所在位置保存为“位置图”图片(见图4）,用于问题信息表打印。专业部门可以根据位置图的指示到达问题所在位置现场。（二）协同办公中采用的空间定位方法地理编码定位地理编码技术提供了一种把具有名称和地址的信息资源赋予地理位置坐标、进而可以为计算机所识别的方法。地理编码技术将城市地址进行数字化、空间化和规范化,在地址名称与地址实际空间位置之间建立起对应关系,实现地址空间的相对定位.地理编码可以使城市中的各种数据资源通过地址信息反映到空间位置上来，在各种空间区域内达到信息的整合.通过地理编码技术对城市部件、事件进行分类分项管理，使问题发生位置的描述依托地理编码技术，实现城市管理由盲目到精确、由人工管理到信息管理的转变.地理编码定位的工作流程如图5所示。图6是地理编码应用的一个实例,受理员在接到一个公众举报电话之后，根据公众提供的地址信息（如“钱粮胡同3号），就可以定位到地图上一个准确的位置.地理编码定位成功的基础是地理编码数据，需要严格按照住房和城乡建设部行业标准城市市政综合监管信息系统地理编码(CJ/T215)9采集数据，建立地理编码库，并定期进行更新维护，保持地单元网格定位理编码库的现势性和有效性。部件定位(含电杆定位）与监管数据采集过程中部件定位类似，对于部件类问题,受理员可以在地图浏览窗口中通过位置选择和部件编码准确标识部件。此外，受理员还可以根据公众举报人报告事发位置附近电杆的编号,如“7223008，在地图上定位置，如“宝安区河堤路靠西、从东到西第5根电杆”.在城市管理中,为了分层次精确管理，还采用了单元网格技术,从城市管理角度划分单元网格，将城市管理部件、道路、社区、门址、建筑物、企事业单位、地名等要素通过单元网格直接建立地理位置关系。基于WebGIS的查询功能,可以根据受理员输入的单元网格编码进行定位，也可以根据受理员标识的位置坐标(X、Y）获取所在单元网格的编码信息。四、空间定位技术在监督指挥中的应用借助于空间定位技术，监管数据无线采集设备和巡查车辆能够定时将自身所在位置坐标传给城市管理监督指挥中心。城市管理监督指挥中心可以实施监控当日在岗信息采集员、巡查车辆的分布情况，并可以进行信息采集员、巡查车辆巡查路线回放，还能够对是否超出管理区域（责任网格）进行自动提示，如图7所示。从管理的角度而言,信息采集员的一个考核指标是巡查覆盖率。对信息采集员的定位精度要求在30米以内，能够准确反映信息采集员所经过的单元网格。通过GPS设备采集坐标会有一定的误差，而信息采集员通常是沿着道路巡查，因此可以通过合适的路线纠偏算法对GPS设备定位结果进行匹配处理。地图匹配是一种基于软件技术的定位修正方法，其基本思想是将定位轨迹与数字地图中的道路网信息联系起来，通过模式识别和匹配过程来确定信息采集员相对于地图的位置10。图8和图9是路线匹配纠偏前后效果对比。五、结束语本文在总结目前空间定位技术发展现状和趋势的基础上，讨论了各种空间定位技术在数字化城市管理新模式的监管数据采集、协同办公和监督指挥中的应用。不同的空间定位方法，需要不同的技术条件和基础，也具有不同的定位精度。在新模式的实际运行中，对于不同的城市、不同的应用场合，往往需要考虑多种定位技术的综合应用，使得方案既经济可行，在精度上又能满足城市日常管理工作的需要。参考文献：1。易昌华。定位技术的几个前沿问题J物探装备，2007，17（3)：163-166。2.刘长征,李纬，丁辰,过静。多种定位技术融合构建LBS体系J地理信息世界,2003，1(3）：24-27。3。定位技术面面观EB/OL.http：/www.360doc。com/showWeb/0/0/294855.aspx。200404-18/200807-06。4.通信世界网.UWB超宽带传输技术及其应用。EB/OL.http：/。cn/tech/html/2008/5/26/2008526112104005.htm.200805-26/200807-06。5。3G时代的移动定位技术EB/OL。6.CJJ/T1062005,城市市政综合监管信息系统技术规范S，中国建筑工业出版社，2005.7.搜狐新闻。深圳市公安局：10万路灯杆喷涂报警编号EB/OL。http：/news。8。李飞雪，李满春，梁健.基于SOA的WebGIS框架探索J计算机应用，2006，26（9）：2225-2228。9。CJ/T2152005，城市市政综合监管信息系统地理编码S,中国建筑工业出版社，2005。10.张敏,郭进，杨扬。定位技术在列车调度监督系统中的应用J铁道通信信号，2004，40（5）：18-20.