鄭鳳嬌，李江衛(wèi)，白潔，李甜

(武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022)

1 概述

CORS系統(tǒng)建設完成后，都面臨著如何安全、高效、規(guī)范地對用戶進行有效組織管理的問題，這不僅影響CORS系統(tǒng)的推廣應用，更直接關系到地理信息服務市場的規(guī)范與數(shù)據(jù)安全。

目前，國內(nèi)已建的區(qū)域性CORS系統(tǒng)大多采用Trimble的虛擬參考站(Virtual Reference Station，VRS)或Leica的主輔站(The Master-Auxiliary，MAX)技術而構建，其核心軟件GPSNet或Spidernet可以實現(xiàn)部分用戶管理和查詢的功能。然而其操作繁瑣、功能不強，且數(shù)據(jù)接口保密，使得CORS系統(tǒng)管理不能滿足實際需要。許多已建CORS系統(tǒng)在管理工作中都存在以下主要問題:①管理員錄入、修改、查詢用戶信息均需直接操作底層數(shù)據(jù)庫，給系統(tǒng)軟件正常運行帶來安全隱患;②網(wǎng)絡RTK軟件采用Access構建底層數(shù)據(jù)庫，不能有效識別用戶(不能區(qū)分字母大小寫)，無法滿足網(wǎng)絡化應用需求;③功能不完善，不能實現(xiàn)計費統(tǒng)計、圖形數(shù)據(jù)加載、實時監(jiān)控等功能;④無法根據(jù)用戶和管理需求提供分級定位服務。

隨著區(qū)域CORS系統(tǒng)基準站規(guī)模、用戶數(shù)量、覆蓋范圍的不斷擴大，商業(yè)軟件存在的不足給系統(tǒng)的運營管理帶來極大不便，不僅管理效率低下，而且難以保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全和不間斷連續(xù)運行，直接影響了CORS系統(tǒng)的推廣應用。本文以武漢城市圈連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)(Wuhan Metropolis Continuously Operating Reference Station，WHMCORS)為基礎，研制開發(fā)了用戶管理系統(tǒng)和CORSPLUS軟件，實現(xiàn)了對注冊用戶的計時收費、實時監(jiān)控、Web服務以及分級服務管理等功能，進一步完善了系統(tǒng)功能，推動了CORS系統(tǒng)的應用。

2 WHMCORS簡介

WHMCORS系統(tǒng)設計基準站22個，覆蓋武漢城市圈約5.8萬km2。目前已建基準站10個，其中武漢市內(nèi)6個，鄂州市、仙桃市、潛江市、天門市各1個，平均站間距56.4 km，覆蓋面積約2.5萬km2。系統(tǒng)注冊用戶數(shù)144個，已廣泛應用于城市圈5市的城市規(guī)劃、國土管理、市政施工、水利建設等領域。圖1為WHMCORS基準站布設方案圖。

圖1 武漢城市圈CORS基準站布設方案

2.1 研發(fā)目標

WHMCORS用戶管理系統(tǒng)的研發(fā)目標主要包括三個方面:一是開發(fā)實時、可視化管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)在線用戶的實時監(jiān)控、歷史軌跡回放、區(qū)域授權和分級管理等功能，并統(tǒng)計用戶使用時間、流量以及資費狀況;二是應用ASP.NET技術開發(fā)基于WebGIS的應用服務網(wǎng)絡分發(fā)子系統(tǒng)，通過Internet實現(xiàn)用戶在線狀態(tài)、使用資費以及基準站靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)下載服務;三是研發(fā)CORSPLUS軟件模塊，實現(xiàn)坐標轉換參數(shù)保密、似大地水準面精化模型實時應用，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和提高用戶實時高程定位精度。

2.2 主要技術路線

在WHMCORS數(shù)據(jù)中心原有3臺數(shù)據(jù)服務器的基礎上，增加中間服務器，運行用戶管理系統(tǒng)和CORSPLUS軟件。原有的GPSNet1和GPSNet2為WHMCORS的雙機熱備份，運行GPSNet軟件，實現(xiàn)CORS系統(tǒng)初始化、區(qū)域誤差建模和用戶差分改正信息的生成，保障系統(tǒng)為用戶提供不間斷實時定位服務;GPStream服務器實現(xiàn)各地基準站數(shù)據(jù)的實時采集、觀測數(shù)據(jù)分發(fā)，并將CORSPLUS模塊處理的差分數(shù)據(jù)按相應的用戶NtripSource通過GPRS發(fā)送至用戶。

系統(tǒng)整體結構采用瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式，客戶端和中間服務器之間通過Internet(外網(wǎng))采用http網(wǎng)絡協(xié)議進行通信，中間服務器與GPStream之間通過局域網(wǎng)采用TCP/Socket進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)分為三層體系結構，即用戶界面層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。系統(tǒng)體系架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)體系架構圖

用戶界面層:采用ASP.NET構造應用處理程序，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的Web分發(fā)服務，由ASP.NET的Web窗體和代碼隱藏文件組成。Web窗體采用HTML(Hyper Text Markup Language，HTML)文件開發(fā)，供用戶操作;而代碼隱藏文件實現(xiàn)用戶各種服務請求的響應和處理，完成Web服務器與用戶瀏覽器端的數(shù)據(jù)交互功能。當客戶端瀏覽器發(fā)出服務請求時，Web服務器用HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)協(xié)議將請求轉至業(yè)務邏輯層，再將業(yè)務邏輯層的處理結果傳給客戶端，客戶端接收并顯示于其瀏覽器。

業(yè)務邏輯層:以Windows 2000 Server+IIS5.0作為業(yè)務邏輯層平臺，采用ASP.NET構造數(shù)據(jù)應用處理程序。主要實現(xiàn)用戶驗證、區(qū)域授權、轉換參數(shù)加密以及基于區(qū)域似大地水準面格網(wǎng)模型的實時高程處理等功能。業(yè)務邏輯層處理用戶界面層的HTTP請求，并與GPSNet數(shù)據(jù)庫進行動態(tài)連接和交互，即接受用戶請求，并轉發(fā)至GPSNet，最后將GPSNet生成信息反饋至用戶界面層。

數(shù)據(jù)訪問層:主要處理業(yè)務邏輯層與GPSNet軟件之間的數(shù)據(jù)交互。

3 關鍵技術

WHMCORS用戶管理系統(tǒng)和CORSPLUS軟件研發(fā)過程中綜合運用了WebGIS、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信等技術，其中的關鍵技術包括基于Ajax的地圖發(fā)布、用戶分區(qū)管理、似大地水準面格網(wǎng)模型的實時應用等。

3.1 基于Ajax的地圖發(fā)布

Ajax全稱為“Asynchronous JavaScript and XML”(異步JavaScript和XML)，是一種創(chuàng)建交互式應用的網(wǎng)頁開發(fā)技術。Ajax技術之中，最核心的是XMLHttpRequest。XMLHttp Request為運行于瀏覽器中的JavaScript腳本提供了一種頁面與服務器通信的手段。JavaScript可以在不刷新頁面的情況下從服務器獲取或提交數(shù)據(jù)，從而為用戶提供更好的交互體驗。

傳統(tǒng)的WebGIS對于客戶端提交的請求，多數(shù)采用實時計算模式。如ArcIMS地圖發(fā)布平臺下，客戶端首先提交地圖請求，并通過ArcXML向服務器傳遞請求;服務器端接收客戶提交的各項參數(shù)，實時計算生成客戶請求的圖形，最后再通過ArcXML反饋給客戶端。為克服該模式存在的響應速度慢、服務器負載大等缺點，當前一般采用地圖預生成技術來實現(xiàn)地圖Web發(fā)布。

地圖預生成將指定范圍的地圖按照設計尺寸(如300×240等)和格式(如JPEG，PNG等)切成若干行及列的矩形圖片，切圖所獲得的地圖切片稱為瓦片(Tile)。利用瓦片地圖技術將整塊地圖根據(jù)需要進行縱向分級和橫向分幅，不同等級地圖之間采用四叉樹數(shù)據(jù)結構，即第level級上的1張瓦片到第level+1級將裂變成4張瓦片。地圖瓦片采用包含地圖等級、行列數(shù)的方式自動命名與保存，如“zoomx_row_column”，其中x表示地圖等級，row和column分別表示當前瓦片所處的行數(shù)和列數(shù)，而瓦片位置和地理坐標之間則通過公式進行正反算獲得。切好的地圖瓦片預先存儲于服務器以方便訪問調用。圖4為預生成的武漢市某區(qū)域地圖瓦片。

圖4 預生成的武漢市某區(qū)域地圖瓦片

當客戶端通過XMLHttpRequest發(fā)出請求時，用戶管理系統(tǒng)不需要實時運算生成地圖，而是根據(jù)客戶地理坐標計算確定需要的地圖瓦片，直接從服務器調用相應的瓦片，再通過XMLHttpRequest反饋給客戶，最后客戶端將反饋的地圖瓦片自動無縫拼接并顯示于瀏覽器。

基于Ajax和地圖瓦片技術，WHMCORS用戶管理系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了實時在線流動站用戶的監(jiān)控，而且可向用戶提供歷史作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間等信息查詢，便于管理者更方便、直觀地了解外業(yè)實時作業(yè)狀況。圖5為WHMCORS流動站用戶實時監(jiān)控界面。

圖5 流動站用戶實時監(jiān)控界面

3.2 用戶分區(qū)管理

由于現(xiàn)階段的WHMCORS系統(tǒng)已覆蓋武漢及周邊四市，各地的平面坐標系統(tǒng)并不一致，相應的WGS-84至地方坐標系的轉換參數(shù)也不相同。另外，為保證數(shù)據(jù)安全和維護用戶利益，WHMCORS用戶管理系統(tǒng)在參數(shù)保密的基礎上，根據(jù)用戶權限，設置了分區(qū)管理功能。即按照射線法原理(如圖6)，對用戶作業(yè)區(qū)域進行實時控制，用戶只能在授權區(qū)域內(nèi)作業(yè)，超出授權區(qū)域則不提供實時定位服務。用戶作業(yè)區(qū)域的制定參考了行政區(qū)劃，并設置一定緩沖區(qū)，以保證各區(qū)域結合部定位成果的一致性。

圖6 射線法分區(qū)管理原理

區(qū)域權限信息作為一種用戶屬性，隨用戶其他信息一并存放于底層數(shù)據(jù)庫中，圖7為分區(qū)管理用戶權限數(shù)據(jù)庫。用戶登錄WHMCORS后，用戶管理系統(tǒng)按以下步驟實現(xiàn)對用戶的分區(qū)管理:①接收并解析用戶發(fā)送的NMEA GPGGA信息，并將用戶實時位置轉換成平面坐標，按射線法原理判斷用戶當前所在的作業(yè)區(qū)域;②根據(jù)解析的用戶名，從數(shù)據(jù)庫讀取用戶作業(yè)區(qū)域授權信息;③讀取區(qū)域識別掩碼，將用戶當前所在區(qū)域識別掩碼與授權區(qū)域識別掩碼進行異或運算，若結果為0，則用戶在授權區(qū)域內(nèi)作業(yè)，可正常接收到WHMCORS發(fā)送的差分改正信息;若結果為非0，則用戶實際作業(yè)區(qū)域超出授權區(qū)域，用戶管理系統(tǒng)自動中止向用戶發(fā)送差分改正信息。

圖7 分區(qū)管理用戶權限數(shù)據(jù)庫

3.3 基于VRS系統(tǒng)的精密正常高實時測量

目前國內(nèi)的CORS系統(tǒng)一般通過預先設置的轉換參數(shù)實現(xiàn)平面坐標的實時獲取，由于參數(shù)轉換的高程精度較低，因此正常高通常采用似大地水準面事后計算得到，即分別實現(xiàn)地方平面坐標和正常高成果的計算。這種作業(yè)模式影響了作業(yè)效率，限制了CORS系統(tǒng)的實時應用。

研發(fā)的CORSPLUS模塊實現(xiàn)了基于VRS系統(tǒng)的精密正常高實時測量解決方案，其處理流程可概況為以下四步:①數(shù)據(jù)中心將VRS系統(tǒng)發(fā)送給用戶的差分改正信息(RTCM2.x、RTCM3.0、CMR 等格式)解碼，對RTCM2.x電文#3、RTCM3.0電文#1005、CMR 電文Type1進行解碼并提取VRS點坐標;②利用區(qū)域似大地水準面格網(wǎng)模型和Shepard方法計算VRS點的高程異常和精化正常高h，同時采用布爾莎七參數(shù)模型計算轉換高程h'。根據(jù)精化高程和轉換高程即可得到用戶大地高補償△H;③對VRS點大地高加入大地高補償△H，其他電文不作改變，按原有格式編碼，發(fā)送至NtripClaster，并通過GPRS/CDMA發(fā)送至流動站用戶;④流動站用戶在接收到改正信息后，實現(xiàn)模糊度的動態(tài)解算，得到大地高改正的定位成果，最后采用與數(shù)據(jù)中心相同的七參數(shù)轉換，獲取基于地方平面坐標系統(tǒng)的實時平面定位成果和精化高程成果。

正確提取VRS點WGS-84大地坐標，并利用2.5＇×2.5＇格網(wǎng)似大地水準面，采用Shepard內(nèi)插法確定VRS點的正常高是實現(xiàn)精密正常高實時測量的關鍵。Shepard內(nèi)插法是以計算點為中心，取擬合半徑R以內(nèi)已知函數(shù)值的權中數(shù)，格網(wǎng)點高程異常的權按距計算點的不同范圍采用不同的權函數(shù)確定，使靠近中心點的權增大，遠離中心的權迅速減少。在Shepard局部內(nèi)插模型中，選R=2.5'，并規(guī)定:

內(nèi)插函數(shù)模型為:

則似大地水準面內(nèi)插的VRS點正常高為:

式中，Hj為通過差分數(shù)據(jù)解碼后提取的VRS點WGS-84橢球大地高。

為評價施加似大地水準面格網(wǎng)改正后WHMCORS系統(tǒng)的實時正常高測量精度，在武漢市內(nèi)分6個區(qū)域，選取聯(lián)測了二等水準的C級點25點進行測試，測試儀器為 Trimble R6、Leica 1250、Topcon Hiper，差分數(shù)據(jù)格式分別為CMR、RTCM3.0、RTCM2.3。對測試數(shù)據(jù)分別進行大地水準面后處理和參數(shù)轉換，并與已知成果進行比較。三種情況下的正常高與已知成果差值如表1所示。

三種方式正常高與已知成果的比較 表1

表1說明:施加VRS大地高補償后的實時正常高與大地水準面事后精化正常高相當，其差值小于1 cm;相比參數(shù)轉換正常高，基于VRS系統(tǒng)的實時正常高外符合精度從±5.92 cm提高至±3.09 cm，實時正常高精度得到明顯改善。

6個區(qū)域的實時正常高與已知成果的比較統(tǒng)計如圖8。不同的區(qū)域RTK定位實時正常高外符合精度略有差異，江夏區(qū)精度最優(yōu)，主城區(qū)精度最低，主要是由于主城區(qū)部分測試點位有遮擋或車輛往來的干擾(如C126、C136、C078等)。所有測試區(qū)域平面外符合性精度均優(yōu)于2 cm、高程精度均優(yōu)于5 cm。可見基于VRS系統(tǒng)的實時正常高測量在武漢市內(nèi)精度均勻，不同區(qū)域實時精度無顯著性差異。

圖8 不同測試區(qū)域正常高外符合精度比較

另外，不同時長的實時正常高測試精度表明:5 s、30 s、60 s、120 s的定位結果中，120 s定位得到的實時正常高最可靠，在95%的置信度下，精度在4 cm以內(nèi)。

4 結語

用戶管理系統(tǒng)和CORSPLUS軟件模塊的研制與開發(fā)，實現(xiàn)了對WHMCORS用戶的實時、可視化管理，為用戶提供了快速、高效的Web服務及精密正常高實時定位，保障了系統(tǒng)的連續(xù)正常運行和數(shù)據(jù)安全，對推動WHMCORS系統(tǒng)在武漢城市圈的廣泛應用發(fā)揮了積極促進作用。

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