高春輝

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

當(dāng)前，現(xiàn)代測繪基準體系建設(shè)是利用現(xiàn)代測繪新技術(shù)和空間定位技術(shù)，通過新建、改建和利用的方式建立地基穩(wěn)定、分布合理、利于長期保存的基礎(chǔ)設(shè)施，形成高精度、三維、動態(tài)以及幾何基準與物理基準一體的現(xiàn)代測繪基準體系[1-3]。其內(nèi)容主要包括：①建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)連續(xù)運行基準站網(wǎng)(continuous operating reference stations，CORS)；②確定高精度似大地水準面模型；③構(gòu)建測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)字高程基準在線三維服務(wù)系統(tǒng)是測繪基準管理服務(wù)系統(tǒng)重要的一部分，是現(xiàn)代測繪基準體系建設(shè)的重要內(nèi)容。其可以通過似大地水準面模型將GNSS技術(shù)獲得的大地高轉(zhuǎn)換為正常高[4-7]，結(jié)合CORS確定的平面位置，從而向用戶提供真正意義上的三維定位服務(wù)。

構(gòu)建覆蓋珠海全市域(包括陸地區(qū)域和海洋區(qū)域)的“數(shù)字珠?！钡乩砜臻g基礎(chǔ)框架并提供測繪基準數(shù)據(jù)服務(wù)已成為珠海市重要基礎(chǔ)測繪任務(wù)。珠海北斗連續(xù)運行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)(簡稱ZHBDCORS) 擁有11個連續(xù)運行的永久性GNSS北斗基準站。該系統(tǒng)采用了由武漢大學(xué)開發(fā)的GNSS 參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件PowerNetwork，通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供基礎(chǔ)性、公益性定位與導(dǎo)航等基礎(chǔ)地理空間信息服務(wù)。

雖然用戶通過GNSS接收機連入ZHBDCORS系統(tǒng)進行測量，能夠快速獲得高精度的CGCS2000坐標，再通過坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換和似大地水準面模型就能得到實際工程建設(shè)中所需的地方坐標及正常高，但坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)和似大地水準面模型屬于國家保密資料。在坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)及似大地水準面保密的情況下，用戶尚不能實時獲取地方坐標成果及正常高。若要將北斗服務(wù)推向更廣大的市場，對測量用戶的監(jiān)控、計費以及遠程交互等管理和服務(wù)功能必須實現(xiàn)，這些功能的缺失已經(jīng)成為將現(xiàn)代測繪基準服務(wù)推向更廣大市場的一大障礙。作為一個通用的基礎(chǔ)平臺，面向各種用戶需求的服務(wù)還需要不斷補充和完善。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體功能設(shè)計

利用ASP.NET技術(shù)[8]，采用3層B/S結(jié)構(gòu)，開發(fā)數(shù)字高程基準在線三維服務(wù)系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為表示層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。各部分功能作用如下：

(1) 表示層：表示層可以理解為用戶的操作界面。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，以往單機版的客戶端應(yīng)用程序變?yōu)榱顺Ｓ玫臑g覽器軟件，在任何操作系統(tǒng)任何平臺下都可以使用。用戶輸入請求操作的參數(shù)后，經(jīng)由其他層的處理后反饋結(jié)果，系統(tǒng)將反饋的結(jié)果顯示在用戶操作界面上。

(2) 數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是用來對數(shù)據(jù)進行操作的，如對數(shù)據(jù)的定義、維護、訪問以及更新。數(shù)據(jù)層需滿足系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)對數(shù)據(jù)的請求，負責(zé)解析業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)請求并執(zhí)行相關(guān)的操作。

(3) 邏輯層：該層位于表示層和數(shù)據(jù)層之間，主要工作有兩類，一類是被動地對各類數(shù)據(jù)請求進行相應(yīng)的處理，如負責(zé)向數(shù)據(jù)層發(fā)送數(shù)據(jù)請求或從數(shù)據(jù)層獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后再進行統(tǒng)計、查詢等操作；另一類是主動地監(jiān)控系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)和工作情況，包括基準站的完好性狀態(tài)、用戶實時位置等。最終生成系統(tǒng)管理日志并儲存至數(shù)據(jù)庫中。

采用3層結(jié)構(gòu)模式的目的就是為了使系統(tǒng)各層協(xié)調(diào)工作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、延展性和執(zhí)行效率，并且便于維護和升級擴展。系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體功能設(shè)計

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)在PowerNetwork服務(wù)器與接收機用戶/Web用戶之間加入一臺服務(wù)器，用戶直接與本服務(wù)器進行連接享受各種服務(wù)。其網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 CORS網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)模塊劃分及功能描述

系統(tǒng)從程序?qū)崿F(xiàn)上主要分為4大主要模塊：數(shù)據(jù)服務(wù)、用戶管理、系統(tǒng)管理、配置管理。

數(shù)據(jù)服務(wù)功能模塊的程序?qū)崿F(xiàn)主要由VRS解碼與編碼、參數(shù)加密、TCP/IP通信、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)文件交換等組件組成。VRS解碼與編碼組件實現(xiàn)將從TNC服務(wù)器截獲的VRS信息進行解碼、編碼；參數(shù)加密組件實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密；TCP/IP通信組件實現(xiàn)流動站用戶撥號登錄本系統(tǒng)進行實時坐標測量；坐標轉(zhuǎn)換組件實現(xiàn)WGS-84坐標、地方坐標等坐標系統(tǒng)的互相轉(zhuǎn)換。

用戶管理功能模塊的程序?qū)崿F(xiàn)主要由用戶注冊、權(quán)限管理、計費管理、報表輸出、軌跡顯示等組件組成，如圖3所示。用戶注冊組件實現(xiàn)Web用戶的注冊功能；權(quán)限管理實現(xiàn)Web用戶的權(quán)限分配；計費管理組件完成對用戶費用的管理，并對用戶的單位賬戶進行監(jiān)控；報表輸出組件實現(xiàn)用戶信息的查詢報表輸出功能；軌跡顯示組件實現(xiàn)對用戶實時位置的顯示功能，并對用戶作業(yè)區(qū)域是否合法進行監(jiān)控。

圖3 用戶管理模塊

系統(tǒng)管理功能模塊的程序?qū)崿F(xiàn)主要由地圖服務(wù)、Google Maps API(Baidu Map API)、數(shù)據(jù)庫操作、日志服務(wù)、實時郵件、查詢等組件組成，如圖4所示。地圖服務(wù)組件采用Google Maps API組件，實現(xiàn)用戶位置在地圖底圖上實時位置的顯示，并具有放大、縮小、漫游及測距等功能；數(shù)據(jù)庫操作及查詢組件完成對數(shù)據(jù)庫中信息的讀寫、統(tǒng)計查詢，實現(xiàn)用戶交費記錄查詢、系統(tǒng)查詢統(tǒng)計功能；日志服務(wù)組件完成對管理員操作等信息的記錄功能。

圖4 系統(tǒng)管理模塊

配置管理功能模塊的程序?qū)崿F(xiàn)主要由配置服務(wù)、數(shù)據(jù)庫操作等組件組成。配置服務(wù)與數(shù)據(jù)庫操作組件實現(xiàn)系統(tǒng)平臺配置功能。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文以珠海市全市域數(shù)字高程基準在線三維服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)為例來說明。

2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實現(xiàn)主要利用ASP.NET和AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技術(shù)[9]，系統(tǒng)框架搭建后效果如圖5所示。圖5中左邊部分為各個功能模塊菜單，中間部分為操作區(qū)域，每個功能模塊對應(yīng)著一個鏈接，在點擊功能模塊的鏈接后將會在操作區(qū)域彈出相應(yīng)的操作標簽頁面。根據(jù)系統(tǒng)框架的特性，只需在新的頁面實現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能即可，再通過框架頁面中的菜單鏈接各個功能模塊頁面。

圖5 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)系統(tǒng)框架示意圖

2.2 VRS信息處理

RTCM SC-104[10]，是美國海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會(Radio Technical Committee for Marine Services，RTCM)第104專業(yè)委員會研發(fā)的。該標準是專門為全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)的差分定位服務(wù)設(shè)計的，能將標準的差分信息播發(fā)到差分改正的流動站接收機上。在逐步完善的基礎(chǔ)上，RTCM出臺了全新的RTCM V3.0[11]。用于網(wǎng)絡(luò)RTK的RTCM電文多為RTCM V2.3中的電文18和電文19，以及RTCM V3.0中的電文1004、電文1005和電文1007。在GPSNet中，RTCM V2.x和V3.0都可以用于RTK的模式，但如果是DGPS,也就是RTD模式，只能使用V2.x。在RTCM V2.x版本中，電文都是由30 bits的字組成，每種電文都有兩個字組成的通用信息，稱之為電文頭。在電文頭后面，字數(shù)隨電文類型和衛(wèi)星數(shù)不同而各有不同。RTCM V3.0定義了一個全新的有別于以前版本的數(shù)據(jù)，由固定的電文同步信息、電文長度定義、變長的電文信息和24 bits的循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。珠海系統(tǒng)處理的信息格式為RTCM V3.0。

2.3 坐標及高程轉(zhuǎn)換

本平臺能夠根據(jù)用戶提供的CSCG2000坐標成果，提取相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算得到該點對應(yīng)的獨立坐標系成果和1980西安坐標系成果，同時計算出該點的正常高，以便進行似大地水準面成果的確定。

獨立坐標系與1980西安坐標系沒有直接關(guān)系，它們的轉(zhuǎn)換需要先過渡到CGCS2000坐標系下再進行轉(zhuǎn)換。利用區(qū)域似大地水準面格網(wǎng)模型和雙線性內(nèi)插的方法計算出待轉(zhuǎn)點位置上的高程異常并計算出正常高。

2.4 坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)加密技術(shù)

為了保密，該系統(tǒng)采用高級加密標準實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)加密[12]。虛擬基準站的原始坐標是WGS-84坐標系下的空間直角坐標Ⅰ，通過七參數(shù)轉(zhuǎn)化使其變換到空間直角坐標系統(tǒng)Ⅱ。在WGS-84坐標系中，對虛擬基準站的坐標只進行較小(<50 m)的平移，則基準站到流動站的基線向量可認為不變。因此，流動站在得到RTK解算結(jié)果后，只要按照坐標轉(zhuǎn)換的逆變換，就能得到流動站在WGS-84下的坐標。

2.5 數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)功能需求，利用SQL Server建立了服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容包括： User_Role(用戶角色)、完好性記錄、功能項、日志、單位基本信息、單位交款記錄、坐標參考系統(tǒng)、測量許可區(qū)域、基準站原始數(shù)據(jù)、基準站狀態(tài)、基準站基本信息、用戶操作記錄、計費方式、用戶測量記錄、違規(guī)測量記錄、用戶(BS)基本信息、關(guān)系BS和RTK、用戶(RTK)基本信息、測量用戶實時狀態(tài)、行業(yè)表、測量用戶實時位置緩沖表等內(nèi)容。

3 功能測試

3.1 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)具體功能包括系統(tǒng)管理、用戶管理、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)處理(事后)和數(shù)據(jù)下載5大模塊?；诎踩臄?shù)據(jù)發(fā)布模式，實現(xiàn)了實時用戶監(jiān)管、基站完好性監(jiān)測、天地圖作業(yè)監(jiān)控、系統(tǒng)自動備份與恢復(fù)等高效的綜合管理服務(wù)。系統(tǒng)主菜單如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主菜單

系統(tǒng)管理模塊包括密碼與信息修改、基站信息管理、服務(wù)源列表管理、計費管理、作業(yè)區(qū)域管理和用戶作業(yè)監(jiān)控(采用互聯(lián)網(wǎng)地圖和天地圖)等功能。用戶管理模塊功能菜單如圖7所示。

圖7 用戶管理模塊菜單

3.2 服務(wù)測試

3.2.1 用戶監(jiān)控

在線作業(yè)用戶監(jiān)控功能數(shù)據(jù)更新率為10 s，可實時監(jiān)測作業(yè)用戶賬號、服務(wù)源、固定情況和衛(wèi)星數(shù)量。經(jīng)測試，監(jiān)控數(shù)據(jù)準確，并可同步更新存儲作業(yè)記錄和作業(yè)軌跡。實時用戶監(jiān)控截圖如圖8所示。

3.2.2 并發(fā)測試

穩(wěn)定支持大量用戶同時在線是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實時服務(wù)性能的重要指標之一。本系統(tǒng)通過測試軟件模擬支持1000個同時在線的用戶，系統(tǒng)響應(yīng)及時，接入穩(wěn)定，用戶監(jiān)控更新正常，系統(tǒng)運行順暢。

圖8 用戶實時監(jiān)控截圖

3.2.3 用戶端兼容性測試

選取了天寶、徠卡、南方、華測和中海達5個國內(nèi)外主流用戶端網(wǎng)絡(luò)RTK共10個最新或成熟型號設(shè)備接入系統(tǒng)進行用戶端兼容性測試。測試設(shè)備均支持BDS、GPS和GLONASS三大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)信號，其中部分設(shè)備不支持BDS的B3頻段，網(wǎng)絡(luò)制式均兼容2G、3G。經(jīng)測試，用戶端設(shè)備均能穩(wěn)定接入系統(tǒng)服務(wù)，表明系統(tǒng)實時服務(wù)兼容性良好。

3.2.4 可用性外業(yè)測試

利用用戶端有效獲取初始化的時間(從設(shè)備接入服務(wù)源開始計時)對服務(wù)的可用性進行評估。在珠海市全域選取了12個均勻分布的開闊測試點，利用上述5大品牌設(shè)備進行實測記錄，不同型號設(shè)備分別在每個點位上冷啟動記錄3次初始化時間，共計360個樣本數(shù)據(jù)。測試時段為9：00～19：00。初始化時間統(tǒng)計見表1。

表1 初始化時間統(tǒng)計 s

由表1可知，用戶端接入系統(tǒng)可迅速獲得固定解。對于偶發(fā)最大初始化時間較長的情況，經(jīng)現(xiàn)場核查，為個別型號用戶端通信模塊穩(wěn)定性欠佳所致。

4 結(jié) 語

本文探討了區(qū)域性數(shù)字高程基準在線三維服務(wù)系統(tǒng)的建立方法，研究并實現(xiàn)了珠海市全市域數(shù)字高程基準在線三維服務(wù)系統(tǒng)，解決了在建立以ZHBDCORS和似大地水準面為核心的地理空間基礎(chǔ)框架后的應(yīng)用問題。系統(tǒng)以“數(shù)據(jù)獲取實時化、數(shù)據(jù)處理自動化、信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用社會化”為建設(shè)目標，通過網(wǎng)絡(luò)對外發(fā)布，實時有效地向各方用戶提供優(yōu)質(zhì)的測繪基準服務(wù)。系統(tǒng)可有效監(jiān)管測量用戶，提升現(xiàn)代測繪基準的服務(wù)質(zhì)量、提高GNSS測量用戶的作業(yè)效率，系統(tǒng)的可靠性也得到了加強，能夠保障各個地區(qū)精密定位工作的順利進行，也為搶險救災(zāi)、土地管理、礦山、水利、電力、交通、規(guī)劃、建設(shè)、市政管理和全市測繪地理信息行業(yè)應(yīng)用，提供了一個便捷、準確、統(tǒng)一的服務(wù)平臺。

參考文獻：

[1] 陳俊勇.我國建立現(xiàn)代大地基準的思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2002，27(5)：441-444.

[2] 陳俊勇，黨亞民.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的進展及建設(shè)CORS的思考[J].地理空間信息，2009，7(3)：1-4.

[3] 劉經(jīng)南，劉暉，鄒蓉，等.建立全國CORS更新國家地心動態(tài)參考框架的幾點思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2009,34(11):1261-1265.

[4] 楊婕，占惠.衛(wèi)星重力探測技術(shù)的發(fā)展[J].國際地震動態(tài)，2008(5)：23-27.

[5] WANG Y M.Comments on Proper Use of the Terrain Correction for the Computation of Height Anomalies [J].Manuscripta Geodetica，1993(18):53-57.

[6] 李建成，寧津生.局部大地水準面精化的理論和方法[M]． 北京：測繪出版社，1999.

[7] 李建成.我國現(xiàn)代高程測定關(guān)鍵技術(shù)若干問題的研究及進展[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2007，32 (11)：980-987.

[8] AHMED M，GARRETT C，F(xiàn)AIRCLOTH J，et al.Chapter 4-Configuring ASP.NET[J].Asp Net Web Developers Guide，2002:173-225.

[9] BRUNO E J.Ajax：Asynchronous JavaScript and XML[J].Doctor Dobbs Journal，2006，31(2):32-35.

[10] KALAFUS R M.New RTCM SC-104 Standard for Differential GNSS[J].Navigation，1996，43(4):363-374.

[11] 郭洪濤，任超.差分GPS數(shù)據(jù)通訊格式RTCM 3.0及應(yīng)用發(fā)展[J].全球定位系統(tǒng)，2010，35(3):63-65.

[12] 許超鈐，姚宜斌，張豹,等.現(xiàn)代測繪基準綜合管理服務(wù)系統(tǒng)的研究與構(gòu)建[J].測繪地理信息，2014，39(6):62-65.