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1、-基于北斗的轨道交通快速测绘技术研究有色金属华东地质勘查局地质信息中心二一四年十月.-目 录一、课题概况11.1 研究背景11.1.1 轨道交通测绘技术11.1.2 北斗卫星定位系统应用现状21.2 研究内容31.3 研究意义41.4 可行性分析5二、总体技术路线62.1 设计原则62.2 技术路线62.2.1 轨道交通车站测绘的主要内容62.2.2 北斗系统应用于轨道交通快速测绘的工作原理72.2.3 北斗轨道交通快速测绘技术设计方案92.3 关键技术研究122.3.1 快速测绘技术122.3.2 坐标转换技术132.3.3 地形三维建模技术132.3.4 精密授时技术142.3.5 短报文
2、通信技术142.3.6 无线数据传输技术14三、北斗快速测绘技术与其他技术的对比方案153.1 北斗快速测绘技术应用效果实验与评价153.2 北斗快速测绘技术与传统测绘方法的对比方案163.3 北斗快速测绘技术与GPS测绘技术的对比方案17四、预期成果18五、工作安排18六、人员分工196.1项目组组织机构与职责196.2项目人员组成与分工21七、经费预算22八、单位简介及以往成果228.1 单位简介228.2 以往成果238.2.1 基于北斗定位的野外地质数据采集系统238.2.2 矿区运输车辆定位管理系统248.2.3虚拟仿真场景构建技术24一、课题概况1.1 研究背景1.1.1 轨道交通
3、测绘技术随着城市经济的高速发展，人们生活水平的提高，交通拥堵问题也随之日益严重，现有的交通方式越来越不能满足人们的出行需求，城市交通供应与需求矛盾日益突出，而轨道交通系统以运量大、快速安全、准时到发的运营特点，受到亟需优化交通系统的各大城市的青睐，成为解决交通拥堵问题的首选。在这样的环境下，我国的城市轨道交通建设迎来了黄金发展期，伴随投资额度的加大，城市轨道交通建设已然成为继铁路大规模投资之后新的投资热点。苏州作为江苏经济的领头羊城市，其轨道交通也紧跟经济社会发展的步伐，适时启动轨道交通工程的规划建设。早在2012年4月28日，轨道交通1号线就已开通运营，苏州也因此成为国内首个建设并投运轨道交
4、通的地级市。2013年12月28日，轨道交通2号线也正式开通投运，目前，2号线延伸线、4号线及支线正在有序的施工中，已获批的3号线也按计划有序推进各项工作，苏州轨道交通正式迈入网络化运营时代。但轨道交通建设成本高、风险大，是城市百年市政工程，规划建设的效果将长期影响轨道交通的运营效率和社会经济效益，为减少投资浪费，规避建设风险，协调城市建设规划，有效带动社会经济发展，城市轨道交通车站建设前的合理规划及站点选址显得尤为重要。而站点的规划选址，则需要精密快速的测绘技术作为基础，测绘数据质量影响着轨道交通规划、设计、审批、施工以及后期维护的各个方面。目前，市场上测绘的方法很多，原理也不尽相同，其主要
5、手段有经纬仪加皮尺测量，全站仪加高精度水准仪测量，摄影或遥感测量，GPS测量等，虽然都能取得一定的测绘资料，但传统的经纬仪配合皮尺作业效率低，作业强度大，精度也得不到保障；全站仪、水准仪是目前运用较多的测绘工具，虽然精度有保证，但其工作量大、效率低、测点之间需要通视、长距离测量误差大等弊端，仍不能满足人们实际工作中的需求；摄影和遥感技术，虽然速度快，但成本太高，精度太低；GPS只能用作定位却无法实现通信功能，因而不能满足特殊情况下传输数据的需求，且仅依赖GPS，很容易受国外的控制。因此，更科学更实用的测绘方法亟需我们去发掘研究。1.1.2 北斗卫星定位系统应用现状目前，我国正在实施北斗卫星导航
6、系统建设，该系统是世界上继美国的GPS和俄罗斯的GLONASS之后，第三个建成并投入使用的卫星导航定位系统，从2004年4月正式运营，至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已经在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55的轨道面上），4颗中地球轨道卫星。北斗系统作为我国自行研制、拥有自主知识产权、具有鲜明应用特点的卫星导航系统，从设计指标上看，北斗二代定位、授时精度都不逊于美国的GPS系统，增强区域即亚太地区，甚至会超过GPS。自从北斗卫星系统建成以来，便开始应用于中国及周边地区的交通运输、应急救援、森林防火、
7、水利水电、海洋渔业、油气运输、部队指挥等领域，并取得了一定的成果，在桥梁变形监测、铁路安全运行定位方面也取得了一定的进展。但总体来说，北斗卫星资源闲置比较严重，尤其在城市轨道交通规划这一领域，未能充分研究发掘并加以运用。据统计，全年有数亿元的资源未能充分发挥作用。2013年初，发改委下发文件国家发展改革委办公厅、财政部办公厅关于组织实施卫星及应用产业发展专项的通知，其中指出重点支持北斗兼容型导航芯片及其终端产品规模化应用，基于智能位置服务、室内外无缝定位融合服务、高精度位移监测服务的技术和系统集成，推动北斗导航系统在智能交通、城建规划、医疗救助、煤矿安全生产、重要设施安全监测等重点领域的深度应
8、用及公共领域的规模化应用。1.2 研究内容 以信息技术为依托，将北斗卫星定位系统与轨道交通车站周边建筑边界测绘技术紧密结合，在深入研究两者工作原理的基础上，运用快速定位、无线信息传输、实时动态分析等技术，创新性的提出以北斗系统进行苏州轨道交通车站测绘的实现思路，开展对北斗快速测绘技术的实现原理、设计方案、关键技术以及显著优势的研究，从精度、效率等方面进行可行性分析并与传统测量方法、GPS测量方法进行对比实验，为实现轨道交通车站周边建筑测绘数字化、智能化、一体化提供全流程的技术方法体系。1、结合苏州轨道交通的基本情况，对车站周边建筑边界测绘方法进行研究，以此为基础，分析车站周边测绘在苏州轨道交通
9、站点建设中的必要性和重要性，确定测绘的主要内容。2、基于北斗卫星定位系统的工作原理，分析北斗系统应用于轨道交通车站周边快速测绘的可行性，并对其实现原理展开研究。3、研究基于北斗技术的车站周边快速测绘方法，归纳出一套灵活性强、效率高、自动化程度高、精度高、适用于苏州轨道交通的北斗快速测绘设计方案。4、 研究测绘所得大地坐标与苏州城市坐标转换的方法，求解坐标转换公式和参数，建立北斗测绘数据库。5、结合北斗系统自身的特点，从测量精度、数据质量、测量效率、建设成本等方面，对北斗技术和传统方法、GPS技术在数字测绘领域进行对比，分析北斗系统应用于轨道交通车站周边建筑边界测绘的优缺点。1.3 研究意义本次
10、研究旨在将北斗系统应用引入苏州轨道交通车站周边建筑边界测绘工作中，通过北斗接收机终端对轨道交通站点周围的地形测绘，第一时间将测量结果传递到分析终端，通过分析终端的解算程序，得出精度为毫米级的测量数据。在轨道交通这种大投资的市政建设中，所有的测量数据都必须准确无误精度高，因为在这项工程中才真正体现出“差之毫厘谬以千里”的意义。我们的宗旨是杜绝后期因站点位置偏差导致的所有问题，保障轨道交通建成后最安全最高效的运营，这也使得苏州轨道交通一直秉持的“快乐启程，温馨到达”的服务理念得到更好的保障，具体意义如下：（1）为轨道交通系统站点选址提供一套作业灵活、高精度、高智能、响应快速的测绘技术体系，提高测绘
11、效率和质量。（2）动态观测，随时随地掌握轨道交通站点与周边工程的位置关系，为轨道交通部门合理规划站点提供决策依据。（3）将北斗测量数据处理为设计所需的基础测绘资料，修正老旧的地形图，避免了大工程量的全线测绘，节省人力物力财力。（4）使北斗快速测绘技术在轨道交通站点测量领域中得到推广应用，有力推进国产定位系统民用产业化，带动国产定位应用服务市场的发展，以减少对国外GPS的依赖。1.4 可行性分析1、技术可行性。轨道交通站点地形测绘关注的主要是不同地点的地面坐标，完全可以根据北斗的定位功能获取测量点的大地坐标。所以可以基于北斗建立基准站，利用移动接收站获取目的点的坐标，并进行远程无线数据传递进行实
12、时数据处理。2、测量精度的可靠性。目前，我国正在实施北斗卫星定位系统建设，2015年该系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航以及通信服务能力，2020年左右，将覆盖全球。从设计指标上看，北斗二代定位、授时精度都不逊于美国现有的GPS-系统，增强区域即亚太地区，甚至会超过GPS。3、测量服务的高效性。北斗卫星定位系统的接收机可以单人独立采集，人工参与度低，测点之间无需通视，并且可以有效消除天气、气候、人员等因素造成的工作延迟，同时有效避免了人为误差。北斗接收终端接收到卫星数据，远程实时传递到数据处理中心进行解算，数据传输、数据处理效率高。二、总体技术路线2.1 设计原则1、北斗快速测绘技术既要有
13、一定的快速性，能快速采集点位坐标，又要有良好的可操作性，车站周边建筑边界控制点测量要求仪器布置方便、易操作，同时还要兼顾测绘设备的经济性。2、测量成果需具有高度的精确性，符合轨道交通建设技术指标中的精度要求，能有效、准确的反映轨道交通车站与周边建筑物的距离关系。3、快速测绘需充分考虑工程的实际特点，合理设置测绘相关项目，科学布置测绘点位，既要保证测绘点的代表性，又要体现其特殊性，务必有效控制车站及周边建筑的边界。4、快速测绘数据采集后要有坐标转换的能力，需配置有效的坐标转换程序，及时将测量的数据转换到城市坐标网上，并自动投影到数字化地图上，实现可视化管理。2.2 技术路线2.2.1 轨道交通车
14、站测绘的主要内容在测绘界，人们把轨道交通等工程建设中的所有测绘工作统称为工程测量。实际上它包括在轨道交通工程建设勘测、设计、施工和管理阶段所进行的各种测量工作。它是直接为轨道交通各项建设项目的勘测、设计、施工、安装、竣工、监测以及营运管理等一系列工程工序服务的。可以这样说，没有测量工作为轨道交通工程建设提供数据和图纸，并及时与之配合和进行指挥，任何轨道交通等工程建设都无法进展和完成。轨道交通中，在测量车站与周边建筑的距离时，传统的测绘手段是利用航拍图、老的地形图来确定设计方案和周边建筑的距离关系，将设计方案在现场放样，运用全站仪、精密水准仪、钢尺传统仪器工具测量出和周边建筑的距离。轨道交通快速
15、测绘是将传统测量中测量时间过长、测量费用过高和过分依赖老旧地形图的方式取代，利用北斗卫星定位系统在很短的时间里把轨道交通车站周边建筑的边界控制点直接测出来，投影到地形图上之后重新设计车站位置，为设计方案提供基础测绘资料。2.2.2 北斗系统应用于轨道交通快速测绘的工作原理北斗快速测绘技术包含了边界控制点数据自动化采集、无线数据传输、室内数据解算存储、成果数据分析等一系列过程，其基本工作原理如下图所示： 数据中心分析终端移动站移动站基准站基准站移动站基准站无线网络防火墙数据中心服务器端网络中断时使用短报文通信北斗快速测绘技术体系工作原理示意图实际工作中，首先要根据轨道交通路段情况，在测绘地段布设测绘基准站，选择地质构造较坚硬，无物体遮挡、无强电场和微波电磁干扰的地方，安置高精度北斗双频接收机。在被测量的轨道交通车站周边建筑边界选择若干边界控制点安置移动测量站，基准站与移动站间通过无线电进行同步联络，接收机根据载波相位差分的相对定位原理，可实时进行数据处理，获得移动站每一时刻高精度的三维空间坐标信息，并利用北斗的授时功能获取当前时间。在布设好移动站和基准站设备后，在服务器端开启数据接收服务，
