珠海市全市域數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建

高春輝

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015)

當(dāng)前，現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)是利用現(xiàn)代測(cè)繪新技術(shù)和空間定位技術(shù)，通過(guò)新建、改建和利用的方式建立地基穩(wěn)定、分布合理、利于長(zhǎng)期保存的基礎(chǔ)設(shè)施，形成高精度、三維、動(dòng)態(tài)以及幾何基準(zhǔn)與物理基準(zhǔn)一體的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)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(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)(continuous operating reference stations，CORS)；②確定高精度似大地水準(zhǔn)面模型；③構(gòu)建測(cè)繪基準(zhǔn)管理服務(wù)系統(tǒng)。數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)是測(cè)繪基準(zhǔn)管理服務(wù)系統(tǒng)重要的一部分，是現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)的重要內(nèi)容。其可以通過(guò)似大地水準(zhǔn)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(cè)繪基準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)已成為珠海市重要基礎(chǔ)測(cè)繪任務(wù)。珠海北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ZHBDCORS) 擁有11個(gè)連續(xù)運(yùn)行的永久性GNSS北斗基準(zhǔn)站。該系統(tǒng)采用了由武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的GNSS 參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件PowerNetwork，通過(guò)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(guò)GNSS接收機(jī)連入ZHBDCORS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，能夠快速獲得高精度的CGCS2000坐標(biāo)，再通過(guò)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換和似大地水準(zhǔn)面模型就能得到實(shí)際工程建設(shè)中所需的地方坐標(biāo)及正常高，但坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和似大地水準(zhǔn)面模型屬于國(guó)家保密資料。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及似大地水準(zhǔn)面保密的情況下，用戶尚不能實(shí)時(shí)獲取地方坐標(biāo)成果及正常高。若要將北斗服務(wù)推向更廣大的市場(chǎng)，對(duì)測(cè)量用戶的監(jiān)控、計(jì)費(fèi)以及遠(yuǎn)程交互等管理和服務(wù)功能必須實(shí)現(xiàn)，這些功能的缺失已經(jīng)成為將現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)推向更廣大市場(chǎng)的一大障礙。作為一個(gè)通用的基礎(chǔ)平臺(tái)，面向各種用戶需求的服務(wù)還需要不斷補(bǔ)充和完善。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體功能設(shè)計(jì)

利用ASP.NET技術(shù)[8]，采用3層B/S結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)。整個(gè)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(jī)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(tái)下都可以使用。用戶輸入請(qǐng)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(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的，如對(duì)數(shù)據(jù)的定義、維護(hù)、訪問(wèn)以及更新。數(shù)據(jù)層需滿足系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，負(fù)責(zé)解析業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)請(qǐng)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(dòng)地對(duì)各類數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理，如負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)層發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求或從數(shù)據(jù)層獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢等操作；另一類是主動(dòng)地監(jiān)控系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)和工作情況，包括基準(zhǔn)站的完好性狀態(tài)、用戶實(shí)時(shí)位置等。最終生成系統(tǒng)管理日志并儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)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(hù)和升級(jí)擴(kuò)展。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體功能設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在PowerNetwork服務(wù)器與接收機(jī)用戶/Web用戶之間加入一臺(tái)服務(wù)器，用戶直接與本服務(wù)器進(jìn)行連接享受各種服務(wù)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 CORS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(biāo)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(shí)現(xiàn)將從TNC服務(wù)器截獲的VRS信息進(jìn)行解碼、編碼；參數(shù)加密組件實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密；TCP/IP通信組件實(shí)現(xiàn)流動(dòng)站用戶撥號(hào)登錄本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)坐標(biāo)測(cè)量；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換組件實(shí)現(xiàn)WGS-84坐標(biāo)、地方坐標(biāo)等坐標(biāo)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(cè)、權(quán)限管理、計(jì)費(fèi)管理、報(bào)表輸出、軌跡顯示等組件組成，如圖3所示。用戶注冊(cè)組件實(shí)現(xiàn)Web用戶的注冊(cè)功能；權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)Web用戶的權(quán)限分配；計(jì)費(fèi)管理組件完成對(duì)用戶費(fèi)用的管理，并對(duì)用戶的單位賬戶進(jìn)行監(jiān)控；報(bào)表輸出組件實(shí)現(xiàn)用戶信息的查詢報(bào)表輸出功能；軌跡顯示組件實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶實(shí)時(shí)位置的顯示功能，并對(duì)用戶作業(yè)區(qū)域是否合法進(jìn)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(kù)操作、日志服務(wù)、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)用戶位置在地圖底圖上實(shí)時(shí)位置的顯示，并具有放大、縮小、漫游及測(cè)距等功能；數(shù)據(jù)庫(kù)操作及查詢組件完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中信息的讀寫(xiě)、統(tǒng)計(jì)查詢，實(shí)現(xiàn)用戶交費(fèi)記錄查詢、系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)功能；日志服務(wù)組件完成對(duì)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(kù)操作等組件組成。配置服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)操作組件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)配置功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文以珠海市全市域數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為例來(lái)說(shuō)明。

2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)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(gè)功能模塊菜單，中間部分為操作區(qū)域，每個(gè)功能模塊對(duì)應(yīng)著一個(gè)鏈接，在點(diǎn)擊功能模塊的鏈接后將會(huì)在操作區(qū)域彈出相應(yīng)的操作標(biāo)簽頁(yè)面。根據(jù)系統(tǒng)框架的特性，只需在新的頁(yè)面實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能即可，再通過(guò)框架頁(yè)面中的菜單鏈接各個(gè)功能模塊頁(yè)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(guó)海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Committee for Marine Services，RTCM)第104專業(yè)委員會(huì)研發(fā)的。該標(biāo)準(zhǔn)是專門(mén)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(jì)的，能將標(biāo)準(zhǔn)的差分信息播發(fā)到差分改正的流動(dòng)站接收機(jī)上。在逐步完善的基礎(chǔ)上，RTCM出臺(tái)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(gè)字組成的通用信息，稱之為電文頭。在電文頭后面，字?jǐn)?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(gè)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(zhǎng)度定義、變長(zhǎng)的電文信息和24 bits的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。珠海系統(tǒng)處理的信息格式為RTCM V3.0。

2.3 坐標(biāo)及高程轉(zhuǎn)換

本平臺(tái)能夠根據(jù)用戶提供的CSCG2000坐標(biāo)成果，提取相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算得到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立坐標(biāo)系成果和1980西安坐標(biāo)系成果，同時(shí)計(jì)算出該點(diǎn)的正常高，以便進(jìn)行似大地水準(zhǔn)面成果的確定。

獨(dú)立坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系沒(méi)有直接關(guān)系，它們的轉(zhuǎn)換需要先過(guò)渡到CGCS2000坐標(biāo)系下再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。利用區(qū)域似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)模型和雙線性內(nèi)插的方法計(jì)算出待轉(zhuǎn)點(diǎn)位置上的高程異常并計(jì)算出正常高。

2.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)加密技術(shù)

為了保密，該系統(tǒng)采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)加密[12]。虛擬基準(zhǔn)站的原始坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)Ⅰ，通過(guò)七參數(shù)轉(zhuǎn)化使其變換到空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)Ⅱ。在WGS-84坐標(biāo)系中，對(duì)虛擬基準(zhǔn)站的坐標(biāo)只進(jìn)行較小(<50 m)的平移，則基準(zhǔn)站到流動(dòng)站的基線向量可認(rèn)為不變。因此，流動(dòng)站在得到RTK解算結(jié)果后，只要按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的逆變換，就能得到流動(dòng)站在WGS-84下的坐標(biāo)。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容包括： User_Role(用戶角色)、完好性記錄、功能項(xiàng)、日志、單位基本信息、單位交款記錄、坐標(biāo)參考系統(tǒng)、測(cè)量許可區(qū)域、基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站狀態(tài)、基準(zhǔn)站基本信息、用戶操作記錄、計(jì)費(fèi)方式、用戶測(cè)量記錄、違規(guī)測(cè)量記錄、用戶(BS)基本信息、關(guān)系BS和RTK、用戶(RTK)基本信息、測(cè)量用戶實(shí)時(shí)狀態(tài)、行業(yè)表、測(cè)量用戶實(shí)時(shí)位置緩沖表等內(nèi)容。

3 功能測(cè)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。基于安全的數(shù)據(jù)發(fā)布模式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)用戶監(jiān)管、基站完好性監(jiān)測(cè)、天地圖作業(yè)監(jiān)控、系統(tǒng)自動(dòng)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(jì)費(fèi)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)用戶賬號(hào)、服務(wù)源、固定情況和衛(wèi)星數(shù)量。經(jīng)測(cè)試，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，并可同步更新存儲(chǔ)作業(yè)記錄和作業(yè)軌跡。實(shí)時(shí)用戶監(jiān)控截圖如圖8所示。

3.2.2 并發(fā)測(cè)試

穩(wěn)定支持大量用戶同時(shí)在線是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)時(shí)服務(wù)性能的重要指標(biāo)之一。本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試軟件模擬支持1000個(gè)同時(shí)在線的用戶，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，接入穩(wěn)定，用戶監(jiān)控更新正常，系統(tǒng)運(yùn)行順暢。

圖8 用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控截圖

3.2.3 用戶端兼容性測(cè)試

選取了天寶、徠卡、南方、華測(cè)和中海達(dá)5個(gè)國(guó)內(nèi)外主流用戶端網(wǎng)絡(luò)RTK共10個(gè)最新或成熟型號(hào)設(shè)備接入系統(tǒng)進(jìn)行用戶端兼容性測(cè)試。測(cè)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(hào)，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(cè)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(shí)時(shí)服務(wù)兼容性良好。

3.2.4 可用性外業(yè)測(cè)試

利用用戶端有效獲取初始化的時(shí)間(從設(shè)備接入服務(wù)源開(kāi)始計(jì)時(shí))對(duì)服務(wù)的可用性進(jìn)行評(píng)估。在珠海市全域選取了12個(gè)均勻分布的開(kāi)闊測(cè)試點(diǎn)，利用上述5大品牌設(shè)備進(jìn)行實(shí)測(cè)記錄，不同型號(hào)設(shè)備分別在每個(gè)點(diǎn)位上冷啟動(dòng)記錄3次初始化時(shí)間，共計(jì)360個(gè)樣本數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)段為9：00～19：00。初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì) s

由表1可知，用戶端接入系統(tǒng)可迅速獲得固定解。對(duì)于偶發(fā)最大初始化時(shí)間較長(zhǎng)的情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核查，為個(gè)別型號(hào)用戶端通信模塊穩(wěn)定性欠佳所致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文探討了區(qū)域性數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)的建立方法，研究并實(shí)現(xiàn)了珠海市全市域數(shù)字高程基準(zhǔn)在線三維服務(wù)系統(tǒng)，解決了在建立以ZHBDCORS和似大地水準(zhǔn)面為核心的地理空間基礎(chǔ)框架后的應(yīng)用問(wèn)題。系統(tǒng)以“數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化、信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用社會(huì)化”為建設(shè)目標(biāo)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)外發(fā)布，實(shí)時(shí)有效地向各方用戶提供優(yōu)質(zhì)的測(cè)繪基準(zhǔn)服務(wù)。系統(tǒng)可有效監(jiān)管測(cè)量用戶，提升現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的服務(wù)質(zhì)量、提高GNSS測(cè)量用戶的作業(yè)效率，系統(tǒng)的可靠性也得到了加強(qiáng)，能夠保障各個(gè)地區(qū)精密定位工作的順利進(jìn)行，也為搶險(xiǎn)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(cè)繪地理信息行業(yè)應(yīng)用，提供了一個(gè)便捷、準(zhǔn)確、統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)。

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