实验报告六.docx
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实验报告六.docx
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实验报告六
徐州工程学院
管理学院实验报告
实验课程名称:
物流信息技术
实验地点:
南主楼机房
2014年5月至2014年5月
专业物流工程
班级11物流1班
学生姓名吴燕
学号 20111514105
指导老师周渠
实验报告
实验项目:
GIS,GPS
实验学时:
4
实验日期:
2014年5月
实验要求:
了解GIS组成,GPS技术、应用。
实验内容:
一、GIS
地理信息系统(GIS,GeographicInformationSystem)是一门综合性学科,结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学,已经广泛的应用在不同的领域,是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,随着GIS的发展,也有称GIS为“地理信息科学”(GeographicInformationScience),近年来,也有称GIS为"地理信息服务"(GeographicInformationservice)。
GIS是一种基于计算机的工具,它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之,是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)。
GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。
GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析,从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。
二、GIS组成
人员,是GIS中最重要的组成部分。
开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务,开发处理程序。
熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足,但是相反的情况就不成立。
最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
[1]
数据,精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
硬件,硬件的性能影响到软件对数据的处理速度,使用是否方便及可能的输出方式。
软件,不仅包含GIS软件,还包括各种数据库,绘图、统计、影像处理及其它程序。
过程,GIS要求明确定义,一致的方法来生成正确的可验证的结果。
GIS属于信息系统的一类,不同在于它能运作和处理地理参照数据。
地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性,在GIS中的两种地理数据成分:
空间数据,与空间要素几何特性有关;属性数据,提供空间要素的信息。
地理信息系统(GIS)与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称3S系统。
三、特点
公共的地理定位基础;
具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力;
系统以分析模型驱动,具有极强的空间综合分析和动态预测能力,并能产生高层次的地理信息;
以地理研究和地理决策为目的,是一个人机交互式的空间决策支持系统。
四、产品分类
按功能:
专题地理信息系统(ThematicGIS)
区域地理信息系统(RegionalGIS)
地理信息系统工具(GISTools)
按内容:
城市信息系统
自然资源查询信息系统
规划与评估信息系统
土地管理信息系统等
五、应用
近两年,行业普遍认为GIS将朝着专业化、普适化、智能化方向发展,普适的GIS无疑将引领地理信息产业未来的发展。
普适化计算的开发能够通过网络和移动设备等为人们提供更多信息服务,提高计算机感知能力,增强社会关联,具有很强的主动交互和自然交互特点,给人们的生活带来便捷、简单、快速的信息应用,且具有可控性,是GIS行业重要的发展趋势之一。
未来的GIS将会是普适化的GIS,任何人都可以用,在任何的地方,拿着任何的终端都可以访问GIS服务,而且不局限在专业的终端上,让普通用户都可以通过多媒介进行访问。
这也得益于云计算技术、移动终端等方面的快速发展,让用户的更多需求都能够非常轻松的实现。
在普适化的环境之下,我们要做的是为大家创造一个GIS的环境,需要把我们的知识和经验用地图的方式来表达,让用户非常方便的获得地图数据。
随着云计算、物联网、移动终端等新技术的快速发展,未来的GIS将会是普适化的GIS,用户日益多样的需求将能够得以轻松解决。
无论任何人都可以使用,无论在任何的地方,无论拿着任何的终端都可以访问GIS服务,而不再局限于专业终端上,让普通用户都可以通过多重媒介进行访问。
1.OGC标准
开放地理联合会是一个参与一致进程以开发公开地理处理规格的384家公司、政府机构、大学和个人组成的国际行业联合会。
由OpenGIS规格定义的开放接口和协议,支持可互操作的解决方案,网络、无线和定位服务和主流IT。
让复杂的空间信息和服务在各种应用可以被授权技术开发人员使用。
开放地理联合会协议包括网络地图服务WMS和网络功能服务WFS。
地理信息系统由OGC产品划分为两大类型,基于遵循OGC规格的完整准确的软件。
地理信息系统技术标准促进GIS工具进行交流。
兼容的产品是符合OpenGIS规范的软件产品。
当一个产品经过测试,并通过OGC测试项目证明是兼容的,这个产品就在这个地点上自动注册为“兼容”。
现实软件产品,即实现OpenGIS规格但还没有通过兼容测试的软件产品。
合规测试不可作用于所有的规格。
开发者可以注册他们的产品为实施草案或经核准的规范,而OGC有权审查和确认每个条目。
2.WEB地图
近些年,地图应用爆炸性的蔓延于网站,如谷歌地图和Bing地图。
这些网站使公众获取了大量的地理数据。
他们中的一部分,像谷歌地图和OpenLayers,公布了API使得用户能够创建自定义的应用。
这些工具包一般提供街道地图,天线/卫星图像、地理编码、搜索和路由的功能。
其他出版网络上的地理信息的应用包括Cadcorp的GeognoSIS,ESRI的ArcIMS服务器,谷歌地球,谷歌融合表和开源的替代品MapServer,Mapnik和GeoServer。
3.全球气候变化预测
地图通常被用于探索地球和开发利用其资源。
地理信息系统技术,作为一个扩展的地图科学,提高了工作效率和传统地图的分析能力。
当科学界识别影响气候变化的人为活动的环境后果时,地理信息系统技术正在成为一个理解环境随时间变化的影响基本的工具。
地理信息系统技术使各种来源的资料能够与现有地图和来自地球观测卫星的最新信息随着气候变化模型的输出结合。
这可以在复杂的自然系统帮助了解气候变化带来的影响。
其中一个经典的例子就是对北极冰层融化的研究。
一个地理信息系统的结合卫星图像的地图形式的输出让研究人员以从所未有的方式查看他们的研究对象。
这些照片对于传输气候变化效果给非科学工作者也是非常重要的。
六、GPS简介
GPS(GlobalPositioningSystem)即全球定位系统,是美国研制的卫星导航定位系统,今采用wgs84坐标系统。
因地球在天球空间中的位置是不稳定的,故协议用wgs84某一刻的北极点指向位置。
GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。
GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。
20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。
主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
在机械领域GPS则有另外一种含义:
产品几何技术规范(GeometricalProductSpecifications)-简称GPS。
另外一种解释为G/s(GBpers)
七、工作原理
1.定位原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR,):
当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。
C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。
对CA码测得的伪距称为CA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。
严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。
相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。
如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。
2.定位精度
28颗卫星(其中4颗备用)早已升空,分布在6条交点互隔60度的轨道面上,距离地面约20000千米。
已经实现单机导航精度约为10米,综合定位的话,精度可达厘米级和毫米级。
但民用领域开放的精度约为10米。
8、组成部分
1.空间部分
GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星;3颗备用卫星),它位于距地表20200km的上空,运行周期为12h。
卫星均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),轨道倾角为55°。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能在卫星中预存导航信息,GPS的卫星因为大气摩擦等问题,随着时间的推移,导航精度会逐渐降低。
2.地面控制系统
地面控制系统由监测站(MonitorStation)、主控制站(MasterMonitorStation)、地面天线(GroundAntenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado.Springfield)。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。
3.用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。
各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。
其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。
九、GPS特点
(1)全球全天候定位
GPS卫星的数目较多,且分布均匀,保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星,确保实现全球全天候连续的导航定位服务(除打雷闪电不宜观测外)。
(2)定位精度高
应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10-6m,100-500km可达10-7m,1000km可达10-9m。
在300-1500m工程精密定位中,1小时以上观测时解其平面位置误差小于1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较,其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
实时单点定位(用于导航):
P码1~2m;C/A码5~10m。
静态相对定位:
50km之内误差为几mm+(1~2ppm*D);50km以上可达0.1~0.01ppm。
实时伪距差分(RTD):
精度达分米级。
实时相位差分(RTK):
精度达1~2cm。
(3)观测时间短
随着GPS系统的不断完善,软件的不断更新,20km以内相对静态定位,仅需15-20分钟;快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15KM以内时,流动站观测时间只需1-2分钟;采取实时动态定位模式时,每站观测仅需几秒钟。
因而使用GPS技术建立控制网,可以大大提高作业效率。
(4)测站间无需通视
GPS测量只要求测站上空开阔,不要求测站之间互相通视,因而不再需要建造觇标。
这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的30%~50%),同时也使选点工作变得非常灵活,也可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。
(5)仪器操作简便
随着GPS接收机的不断改进,GPS测量的自动化程度越来越高,有的已趋于“傻瓜化”。
在观测中测量员只需安置仪器,连接电缆线,量取天线高,监视仪器的工作状态,而其它观测工作,如卫星的捕获,跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。
结束测量时,仅需关闭电源,收好接收机,便完成了野外数据采集任务。
如果在一个测站上需作长时间的连续观测,还可以通过数据通讯方式,将所采集的数据传送到数据处理中心,实现全自动化的数据采集与处理。
另外,接收机体积也越来越小,相应的重量也越来越轻,极大地减轻了测量工作者的劳动强度。
(6)可提供全球统一的三维地心坐标
GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。
GPS水准可满足四等水准测量的精度,另外,GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的,因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。
(7)应用广泛
十、实际运用
1.道路工程中的应用
GPS在道路工程中的应用,主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。
随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,以知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。
中国已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密。
实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。
GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。
由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效。
GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益。
2.巡更应用
GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。
GPS运用到电子巡更里的优势是如果一个比较长比较远的巡检线路,不需要安装巡检点,直接从卫星上取得坐标信号,主要适用于长距离巡更巡检如电信、森林防火、石化油气管道勘查等。
澳普门禁的左光智介绍:
“但是GPS容易受环境的影响,比如因为阴天的森林天上有云、电离层都会对卫星信号产生影响甚至有可能定位不到。
”加上GPS耗电量大,成本高;最大的局限性是GPS不能在封闭的空间内比如大楼里面使用,而巡更产品大部分是用于室内的。
3.汽车导航和交通管理中的应用
(1)车辆跟踪。
利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。
利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。
(2)提供出行路线规划和导航。
提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工
线路设计。
自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。
人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库。
线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法。
(3)信息查询。
为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置。
同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。
(4)话务指挥。
指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度。
指挥中心也可随时与被跟踪目标通话,实行管理。
(5)紧急援助。
通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。
监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。
4.其它应用
GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务。
此外,据国外资料显示,还可利用GPS获得气象数据,为某些实验和工程应用。
时间服务以GPS的时间为基准,为领域内的设备提供时间服务,是时间服务器基准时间重要来源。
实验总结
1.地理信息系统(GIS)是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。
在严格的意义上,这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。
例如,根据在数据库中的位置对数据进行识别。
实习者通常也认为整个GIS系统包括操作人员以及输入系统的数据。
地理信息系统(GIS)技术能够应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划、绘图和路线规划。
例如,一个地理信息系统(GIS)能使应急计划者在自然灾害的情况下较易地计算出应急反应时间,或利用GIS系统来发现那些需要保护不受污染的湿地。
许多学科受益于地理信息系统技术。
活跃的地理信息系统市场导致了GIS组件的硬件和软件的低成本和持续改进。
这些发展反过来导致这项技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用,应用包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。
地理信息系统也分化出定位服务(LBS)。
LBS使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置(最近的餐厅,加油站,消防栓),移动设备(朋友,孩子,一辆警车)或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。
随着GPS功能与日益强大的移动电子(手机、pad、笔记本电脑)整合,这些服务继续发展。
2.与GPS产业发达的国家相比,我国的GPS产业尚处于起步阶段,与之配套的大环境还没有形成,企业发展相对较难。
虽然中国企业自主研制的GPS核心技术产品已经达到国际水平,甚至直接卖给国外的公司,但由于没有适合产业发展的大环境,产业链没有形成,许多相关配套产品都没有企业提供。
特别是能够研发核心技术的企业太少,只有东方联星、西安华讯、北京星科联通等少数几家,势单力孤。
在政策环境方面,虽然国家已经认识到发展GPS的重要性,但支持力度远远不够。
“主要还是国家卫星导航的人才太少,制定发展卫星导航产业的框架战略不清晰,导致国家对未来卫星导航产业的认识不足,投入谨慎,对企业的支持力度不够。
”业内人士表示。
此外,高校中没有教授GPS知识的人,更谈不上培养下一代GPS人才。
据国外专家预测,到2030年,世界GPS市场将进入到平缓发展阶段,市场趋于平稳,应用范围虽十分广泛,但随着产业规模的扩大,单位利润会逐渐降低。
由于事关中国卫星导航产业的发展,多年来一直致力于此的业内人士对以上情况看在眼里急在心里,其中就包括东方联星科技公司总经理张峻林。
他说:
“卫星导航在国内外都是不成熟的,但是如果再等5年,国外技术完全成熟的时候,我们的机会就更少了,就像现在去做PC操作系统,谈何容易?
”东方联星虽然在某些领域已经走在了世界GPS事业的前列,但是缺乏大的环境支持,难免曲高和寡。
国家已经认识到发展GPS的重要性,特别是对某些国有企业动辄支持几千万甚至上亿元。
但这些国有企业并没有自己的核心技术,而是斥巨资购买国外的技术产品。
如果这些企业能转而利用国内企业的核心技术,让他们分一杯羹,不仅可以保证国内企业的生存,还能打开GPS发展的大环境,推动我国卫星导航事业的发展。
全球卫星定位系统GPS是开发的最具有开创意义的高新技术之一,其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。
在发达国家,GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。
GPS技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步,随着我国经济的发展,高等级公路的快速修建和GPS技术的应用研究的逐步深入,其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入,并发挥更大的作用。
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