段明华 王敬丰

(安徽交通职业技术学院城市轨道交通与信息工程系 安徽合肥 230051)

在现代公路信息化管理系统中，对公路沿线工作点的地理位置的定位主要是通过对其经纬度坐标在地理信息系统(geographical information system，GIS)定位，并在电子地图上显示而实现。GPS定位技术是指将GPS接收机所获取的信号通过误差处理最后得到更加精准的位置信息，将位置信息传递给所连接计算机设备，通过对该信息进行计算和转换，最后传递给显示终端，得出直观的定位效果[1]。在大多数公路管理系统软件中，装备于前端现场工作点的系统设备不断采集现场巡查点所在位置的GPS经纬度坐标，并实时上传至管理系统，以实现公路管理部门对公路的建设、维护、施救、治超、应急处理等管理工作，并在GIS和电子地图上实时定位和跟踪。然而，在实际公路管理实践工作中，管理人员和工程技术人员在现场通常采用传统的公路里程桩号值对每条公路沿线点、构筑物和交通事件点的地理位置进行实际定位。例如某公路管理部门需要维护的某道路工作点位置经常表示为XX高速YK200+125处，而不是经纬度值。在不借助GIS和电子地图的情况下，一线工作人员很难通过直接的GPS经纬度坐标进行具体实际的现场地理位置定位。同时，目前GIS和电子地图中尚无建立公路网公路里程桩号数据系统，因而现有GIS和电子地图无法实现具体公路里程桩号值的定位查询。

目前有些学者对道路点的定位进行了一些相关研究，如吉林大学研究的路面破损定位系统[2]，长安大学研究的基于GPS的路面裂缝定位方法[3]， 这些定位技术只能对道路信息进行大致定位，随着检测里程增加， 误差不断累积[4]。长安大学研究的另一种采用基于GPS、视频、本文档、陀螺仪和光电编码器等多传感器信息融合技术，通过GPS结合道路环境视频的方法精确定位[5]。这个方法虽然精度相对较好，但是投入成本高，计算数据多，计算时间长，延误长，不适合快速全路段线路桩号转换计算，不适合公路外业现场实际使用。

根据以上目前存在的问题以及管理实践的实际需求，研究全路段公路桩号值和GPS经纬度坐标相互转换功能，进行两种坐标系统的转换。以实现对公路管理工作的地理位置在电子地图上准确定位(GPS经纬度坐标)，同时也能提供对公路管理人员有实际工作意义的参考坐标信息(公路桩号值)。

1坐标转换

根据实际需求，具体分为GPS经纬度坐标转换公路桩号值和公路桩号值转换GPS经纬度坐标两个部分。

1.1 GPS经纬度坐标转换公路桩号值

通过给定某点GPS经纬度坐标，首先搜索并判断该给定点是否在公路网某公路沿线范围内。若是，搜索出公路路线名，并计算出给定点的公路桩号和可能行车方向。否则，提供离给定点最近公路路线名、公路桩号或公路匝道桩号。计算流程图如图1所示。此转换主要目的是实现在已知GIS电子地图位置点(例如交通事件处置的实时位置)情况下，能同时为公路管理人员提供其直观的实际公路桩号地理位置。

图1 经纬度转换公路桩号值流程图

1.2公路桩号值转GPS经纬度坐标

通过给定某公路桩号和可能的行车方向，计算此桩号的GPS经纬度坐标,计算流程如图2所示。该转换主要目的是实现根据公路管理人员提供的实际位置点，在GIS电子地图准确定位。

图2 公路桩号转换经纬度坐标流程图

2对应法坐标转换

文章采用桩号对应法实现公路参考点桩号坐标表的建立，主要原因有：

①对应法计算简单，计算效率高，计算速度快，结果相对比较稳定；②对应法对各桩号值准确度无特定要求，对公路路线断链、桩号值累计误差无须进行特别计算处理；③对应法各对应点相对独立，对于将来的公路路线局部的桩号的改变和更新，只须对其中对应部分的数据修正和调整，无须对计算和整体数据进行变动。

2.1参考点坐标采集

首先要采集公路沿线公里桩参考点GPS经纬度值。对于参考点经纬度坐标值采集通常有两种：方法一采用高精度的GPS手持机直接采集；方法二系统调用Google earth进行图上采集[6]。方法二精度差，文章采用方法一。文章通过参考桩号对应法和公路线性内插计算法来测量待测点桩号值。

由于公路施工时的各种原因会造成公路的公里桩号位置不准、累积误差大等问题，因此需要对每一个桩号进行GPS定位采集，建立准确的各公路桩号与经纬度坐标对应表。采集录入桩号并记录GPS信息，将桩号与对应的GPS经纬度信息存入数据表。当采集完所有的GPS信息，桩号与对应的GPS经纬度信息对应表也建立完成。为了进一步提高GPS的定位精度，采用了卡尔曼滤波算法[7]。

GPS测量精度一般为10米，但因其受到多重因素的影响(星历误差、卫星钟差、电离层折射、对流层折射、多路径误差、信号干扰、接收机方面所致误差等)[8]，GPS数据采集的数量或采集时间长短会对最终采集精度有一定影响，但影响较小。在GPS经纬度数据采集实验中，每个桩号点均采集2遍，每次20个数据点，如表1所示。数据分析发现采集数据与实际桩号位置平均误差约为4.8米，方差为2.475，足够满足管理人员在现场工作上的实际需要。

表1 试验数据采集平均总结分析

2.2建立各公路桩号与GPS经纬度坐标对应表

各公路桩号的GPS经纬度值采集完成后，建立所有的GPS经纬度值与公路桩号的对应表。对应表各桩号点为沿公路上下行双向路肩边缘点。各桩号对应点数据包括：①公路名； ②桩号值；③经纬度等；④对应点说明等。经现场实际采集，宣广高速部分桩号与GPS经纬度坐标对应表如表2所示。

表2 公路桩号与GPS经纬度坐标对应表

2.3建立边界区域

根据公路网中公路线性和对应表数据，建立整个公路网、各条公路以及各公路路段边界区域(见图3)。各边界区域划分应根据公路网各公路线性分布制定，保证边界区域点在一定数量范围内(20-60个)。边界区域包括：①区域类型(公路网、公路、公路分段等)；②边界区域点数目及各点经纬度坐标；③区域描述；④区域内公路或公路段名、路段起点、终点桩号值。边界区域的建立目的是在进行坐标转换计算前，能快速对待测点进行区域搜索定位，缩小进一步搜索范围，减小坐标转换计算的整体时间，提高计算速度和效率。

图3 公路网各公路边界区域的建立

2.4建立坐标转换计算

经纬度与桩号值互换计算将首先通过图形搜索，确定坐标点所处公路边界区域，并通过拓扑计算，在对应表中搜索待测点临近的对应表对应桩号点作为该段路线参考的基准点，最后利用二维比例法计算出坐标点的桩号或经纬度坐标。

按照待测坐标点临近对应表对应前后两个桩号点作为参考点进行编号，若参考点对应的两个对应桩号值分别为A、B，用N表示待测坐标点桩号值，用x表示经度值，y表示纬度值，(Ax,By)表示A点经纬度值，(Bx,By)表示B点经纬度值，(Nx,Ny)表示待测坐标点N的经纬度值。为了计算出的待测点桩号更精确，采用经度和纬度的两次比例值计算，然后取平均值。

首先利用经度值算出待测坐标点的桩号第一次计算值N1：

(1)

然后利用纬度值算出待测坐标点的桩号第二次计算值N2：

(2)

则最终待测坐标点的桩号为N：

(3)

从而得出精度较高的待测点桩号值，根据桩号的变化，还可以判断上行线和下行线的方向。反之可以从已知桩号得出待测坐标点经纬度值。

2.5公路交叉路段处理

建立交叉路段特别边界区域，此边界区域面积范围应相对较小，仅限于交叉路段范围内，便于对给定点是否处于交叉的直接判断。

2.6最近公路匝道搜索

对于给定公路网外某点，无法提供公路网至给定点的通行路径。因而仅提供离给定点最近公路匝道信息。最近公路匝道将通过计算最短空间距离搜索而确定。

通过以上六个步骤实现坐标转换的功能和目标。

3 GPS数据采集实验

3.1路段试验应用

根据上述成果，在宣广高速公路上进行GPS数据采集并进行全路段桩号转换实际应用。转换应用结果在管理系统软件显示结果分别如图4所示。

图4 GPS数据采集并进行桩号转换显示结果

4结论

通过以上实验和应用，可以得出文章的公路桩号和经纬度坐标相互转换，且具有以下特点：①准确性：在允许误差范围内，减小了坐标转换产生的误差，保持转换坐标计算的准确性。②有效性：在转换计算过程中，采用了合理的结构和优化算法，缩短计算时间，减小延误，保证计算的效率。③稳定性：不同输入条件下，提供转换计算结果，也考虑了公路坐标的变更，保证了计算的稳定性。

该研究成果准确、快捷地实现了研究公路桩号值和GPS经纬度坐标相互转换功能，能有效进行两种坐标系统的转换，实现了对公路管理工作的地理位置在电子地图上准确定位(GPS经纬度坐标)。同时也能为公路管理人员提供有实际工作意义的参考坐标信息(公路桩号值)，对提高公路的建设、维护、施救、治超、应急处理等管理响应时间和管理水平具有重要作用。