基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密技術(shù)

秦　寬　高軍虎

(西安市勘察測繪院，陜西西安　710054)

The Intelligent Transformation and Control Technology of Real-time Coordinate and Elevation Based on the CORS Client

QIN Kuan　GAO Junhu

基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密技術(shù)

秦寬高軍虎

(西安市勘察測繪院，陜西西安710054)

The Intelligent Transformation and Control Technology of Real-time Coordinate and Elevation Based on the CORS Client

QIN KuanGAO Junhu

摘要為了改善外業(yè)測量成果轉(zhuǎn)換的低效率問題，加強城市坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)和地方水準面模型的保密性，研究網(wǎng)絡(luò)RTK實時坐標與高程轉(zhuǎn)換技術(shù)，解決坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)與高程轉(zhuǎn)換模型的加密控制，開發(fā)了基于CORS用戶端的實時三維成果智能轉(zhuǎn)換與控制軟件，提高了城市CORS網(wǎng)絡(luò)的工作效率。算例表明，實時坐標和高程轉(zhuǎn)換精度均在mm級。

關(guān)鍵詞坐標轉(zhuǎn)換高程轉(zhuǎn)換參數(shù)加密CORSRTK

相對于傳統(tǒng)測量手段，基于城市CORS的實時網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)具有快捷、高效等優(yōu)勢，因此，RTK技術(shù)得到了快速發(fā)展并在測量領(lǐng)域得到了廣泛應用。由于地方坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)以及區(qū)域似大地水準面成果是國家的重要地形資料，難以直接獲取，難以將WGS84坐標實時地轉(zhuǎn)化為地方坐標，無法最大限度地發(fā)揮城市CORS的優(yōu)勢。鑒于此，在分析實時三維坐標和高程轉(zhuǎn)換核心模型的基礎(chǔ)上，研究實時三維成果智能轉(zhuǎn)換加密控制技術(shù)，進而研制了基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密軟件，以提高城市CORS網(wǎng)絡(luò)的工作效率與安全性。

1實時坐標和高程轉(zhuǎn)換的核心模型

基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密技術(shù)的主要內(nèi)容包括CGCS2000坐標系成果、ITRF2005框架坐標系成果、WGS84坐標系成果、1954北京坐標系成果、1980西安坐標系成果與西安任意平面直角坐標系之間的相互轉(zhuǎn)換以及區(qū)域似大地水準面成果的高精度高程轉(zhuǎn)換。因此，研究了空間坐標系與大地坐標系的相關(guān)轉(zhuǎn)換模型、高斯平面坐標正反算模型、七參數(shù)和四參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型和高程轉(zhuǎn)換模型。

1.1　空間坐標系與大地坐標系的相關(guān)轉(zhuǎn)換

空間直角坐標與空間大地坐標是大地測量工作中最常用的兩種坐標系類型，對于某一確定的橢球，地面上任意一點的空間大地坐標到相應的空間直角坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下

(1)

式中，X、Y、Z為空間直角坐標；B、L、H為橢球面上的大地緯度、大地經(jīng)度和大地高；N為橢球卯酉圈曲率半徑，e為橢球偏心率。

反之，對于某一確定的橢球，地面上任意一點的空間直角坐標到相應的空間大地坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下

(2)

式中的后兩式存在交叉變量，在解算的過程中必須采用迭代的方法進行求解。

1.2　高斯平面坐標正反算

工程中，有時需要對大地坐標(B，L，H)進行投影，獲取其在區(qū)域上的平面坐標和高程(x，y，H)，或者利用平面坐標和高程(x，y，H)獲取其大地坐標，因此需實現(xiàn)高斯平面坐標正反算。采用經(jīng)典高斯正反算公式進行轉(zhuǎn)換，保證轉(zhuǎn)換精度小于0.1 mm。

1.3　七參數(shù)和四參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換

對于空間三維坐標轉(zhuǎn)換，采用目前最為成熟的布爾莎-沃爾夫轉(zhuǎn)換模型，該模型又稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換或7參數(shù)赫爾默特變換，在該模型中共采用7個參數(shù)，分別是3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)(也被稱為3個歐拉角)和1個尺度參數(shù)。設(shè)有兩個分別基于不同基準的空間直角坐標系OA-XAYAZA和OB-XBYBZB，采用布爾莎模型將OA-XAYAZA下的坐標轉(zhuǎn)換為OB-XBYBZB的坐標轉(zhuǎn)換公式為

(3)

式中，包括三個平移參數(shù)(ΔX、ΔY、ΔZ)、三個歐拉角旋轉(zhuǎn)參數(shù)(εx、εy、εz)、一個尺度比參數(shù)m。

對于平面二維轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換模型類似7參數(shù)，但轉(zhuǎn)換參數(shù)僅包括2個平移參數(shù)，1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)(也被稱為歐拉角)和1個尺度參數(shù)。設(shè)有兩個分別基于不同基準的二維平面坐標系OA-XAYA和OB-XBYB，則利用4參數(shù)將OA-XAYA下的坐標轉(zhuǎn)換為OB-XBYB的坐標轉(zhuǎn)換公式為

(4)

式中，包括二個平移參數(shù)(ΔX,ΔY)、一個旋轉(zhuǎn)參數(shù)θ，一個尺度比參數(shù)m。

1.4　基于高程轉(zhuǎn)換模型的大地高和水準高轉(zhuǎn)換

直接RTK測量得到的是WGS84下的大地高高程，這是在橢球系下的高程值，而常規(guī)工程測量中用到的是水準面高程(正常高)，二者相差一個高程異常，實際工作中需要對大地高進行轉(zhuǎn)換，大地高與正常高的轉(zhuǎn)換公式如下

(5)

以區(qū)域似大地水準面格網(wǎng)成果為基礎(chǔ)，通過研究高程轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)單個點或批量點的高程異常擬合最優(yōu)值，進而實現(xiàn)大地高和正常高間的實時轉(zhuǎn)換，

2實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制技術(shù)

為了保障地方坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)以及區(qū)域似大地水準面成果的安全性，在數(shù)據(jù)保密及用戶權(quán)限限制方面實現(xiàn)五個層次的加密技術(shù)：(1)軟件安裝使用權(quán)限保密；(2)原始數(shù)據(jù)保密；(3)使用時間限制；(4)使用測區(qū)范圍限制；(5)使用需求限制。通過以上加密技術(shù)，加強城市坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)和地方水準面模型的保密性，實現(xiàn)對CORS用戶端實時三維成果智能轉(zhuǎn)換的技術(shù)控制。

五個層次的加密技術(shù)采用以下手段實現(xiàn)：通過加載加密安裝文件進行安裝，且不可復制使用，實現(xiàn)軟件安裝使用權(quán)限保密；通過在生成的安裝文件中不含帶任何原始數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)保密；在生成安裝程序時，設(shè)計使用時間和次數(shù)，實現(xiàn)使用時間限制；通過管理員進行測區(qū)范圍限制，實現(xiàn)使用測區(qū)范圍限制；通過管理員設(shè)置用戶需求權(quán)限，實現(xiàn)使用需求限制。

3實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制技術(shù)的實現(xiàn)流程與軟件開發(fā)

基于對CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制技術(shù)的研究，實現(xiàn)了實時三維成果智能轉(zhuǎn)換的核心算法，并將保密的數(shù)據(jù)和參數(shù)通過加密手段加載在外業(yè)測量觀測手簿上，進而對地方坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)以及區(qū)域似大地水準面成果進行加密控制，最終以軟件的形式實現(xiàn)。

根據(jù)實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制技術(shù)的軟件流程，本軟件開發(fā)了天寶、南方、拓普康等RKT數(shù)據(jù)文件讀取模塊，空間坐標7參數(shù)和平面坐標4參數(shù)計算模塊，坐標系內(nèi)的投影變換模塊，管理員授權(quán)密碼計算模塊，管理員坐標轉(zhuǎn)換模塊，RKT坐標轉(zhuǎn)換模塊等。通過軟件工程方法對各個模塊進行集成，開發(fā)了基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制軟件(如圖1)。

圖1　實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制技術(shù)的軟件實現(xiàn)流程

4算例分析

為了檢測基于CORS用戶端的實時坐標和高程轉(zhuǎn)換與加密控制軟件的三維坐標轉(zhuǎn)換、二維坐標轉(zhuǎn)換以及高程轉(zhuǎn)換精度，采用大量的RTK實測數(shù)據(jù)，進行WGS84至CGCS2000、 XIAN80坐標、北京54坐標、西安地方獨立坐標系坐標成果轉(zhuǎn)換測試。

WGS84至CGCS2000坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果中檢測點個數(shù)為76，每個點給定“真值”在XYZ方向上的殘差如圖2所示。統(tǒng)計后的三維點位精度值(RMS)為0.6 mm，滿足工程精度要求。

圖2　WGS84至CGCS2000坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果

WGS84至XIAN80坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果中檢測點個數(shù)為76，每個點與給定“真值”在xy方向上的殘差如圖3所示。統(tǒng)計后的二維點位精度值(RMS)為5.2 mm，滿足工程精度要求。

圖3　WGS84至XIAN80坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果

WGS84至北京54坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果中檢測點個數(shù)為76，每個點與給定“真值”在xy方向上的殘差如圖4所示。統(tǒng)計后的二維點位精度值(RMS)為3.3 mm，滿足工程精度要求。

圖4　WGS84至北京54坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果

WGS84至西安地方獨立坐標系坐標成果轉(zhuǎn)換的檢測結(jié)果中檢測點個數(shù)為76，統(tǒng)計后的二維點位精度值(RMS)為4.6 mm，滿足工程精度要求。

為了進一步保障了軟件的可靠性，將本軟件的轉(zhuǎn)換結(jié)果與其他軟件的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行對比，如圖5、圖6所示。

圖5　大地高至水準高的高程轉(zhuǎn)換成果檢測結(jié)果

大地高至水準高的高程轉(zhuǎn)換成果檢測結(jié)果中檢測點個數(shù)為69，本軟件與武測軟件的互差精度優(yōu)于1.0 mm，滿足工程精度要求。

圖6　高程轉(zhuǎn)換結(jié)果與武測軟件結(jié)果互差

5結(jié)論

通過研究網(wǎng)絡(luò)RTK實時坐標與高程轉(zhuǎn)換技術(shù)，并兼顧坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)與高程轉(zhuǎn)換模型的保密性原則，提出和建立基于城市CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK實時坐標和高程獲取的一系列方法和步驟，并最終開發(fā)了與之對應的坐標成果與高程成果轉(zhuǎn)換軟件，提高加強了西安市乃至全國網(wǎng)絡(luò)RTK外業(yè)坐標與高程成果轉(zhuǎn)換工作的自動化和規(guī)范程度，為改善并解決外業(yè)測量成果轉(zhuǎn)換的低效率問題，加強城市坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)和地方水準面模型的保密性提供了實現(xiàn)手段，對進一步發(fā)揮和提高城市CORS網(wǎng)絡(luò)的應用領(lǐng)域和工作效率具有一定的實際意義。

參考文獻

[1]楊元喜，徐天河.不同坐標系綜合變換法[J].武漢大學學報：信息科學版，2001(6)

[2]王解先，王軍，陸彩萍.WGS-84與北京54坐標的轉(zhuǎn)換問題[J].大地測量與地球動力學，2003(8)

[3]王解先.七參數(shù)轉(zhuǎn)換中參數(shù)之間的相關(guān)性[J].大地測量與地球動力學,2007(4)

[4]曾文憲，陶本藻.三維坐標轉(zhuǎn)換的非線性模型[J].武漢測繪科技大學學報,2013(10)

[5]徐紹銓，李振洪，吳云孫.GPS高程擬合系統(tǒng)的研究[J].武漢測繪科技大學學報,1999(12)

[6]姚吉利.3維坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)直接計算的嚴密公式[J].測繪通報,2006(5)

[7]姚吉利，韓保民，楊元喜.羅德里格矩陣在三維坐標轉(zhuǎn)換嚴密解算中的應用[J].武漢大學學報：信息科學版,2006(12)

[8]曾懷恩，黃聲享.三維坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)求解的一種直接搜索法[J].武漢大學學報：信息科學版,2008(11)

[9]姚宜斌.平面坐標系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換的一種簡便算法[J].測繪信息與工程，2001(3)

[10]麥照秋，陳玉瑩，歐小善.格網(wǎng)法在CORS系統(tǒng)坐標轉(zhuǎn)換中的應用研究[J].測繪通報，2013(11)

中圖分類號：P226+.1； P226+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)04-0024-03

作者簡介：第一秦寬(1968—)，男，高級工程師。

收稿日期：2015-04-09