珠海市全市域數字高程基準在線三維服務系統的構建

高春輝

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

當前，現代測繪基準體系建設是利用現代測繪新技術和空間定位技術，通過新建、改建和利用的方式建立地基穩定、分布合理、利于長期保存的基礎設施，形成高精度、三維、動態以及幾何基準與物理基準一體的現代測繪基準體系[1-3]。其內容主要包括：①建立全球衛星導航系統(global navigation satellite system， GNSS)連續運行基準站網(continuous operating reference stations，CORS)；②確定高精度似大地水準面模型；③構建測繪基準管理服務系統。數字高程基準在線三維服務系統是測繪基準管理服務系統重要的一部分，是現代測繪基準體系建設的重要內容。其可以通過似大地水準面模型將GNSS技術獲得的大地高轉換為正常高[4-7]，結合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。

構建覆蓋珠海全市域(包括陸地區域和海洋區域)的“數字珠海”地理空間基礎框架并提供測繪基準數據服務已成為珠海市重要基礎測繪任務。珠海北斗連續運行衛星導航與位置服務系統(簡稱ZHBDCORS) 擁有11個連續運行的永久性GNSS北斗基準站。該系統采用了由武漢大學開發的GNSS 參考站網數據處理軟件PowerNetwork，通過網絡向用戶提供基礎性、公益性定位與導航等基礎地理空間信息服務。

雖然用戶通過GNSS接收機連入ZHBDCORS系統進行測量，能夠快速獲得高精度的CGCS2000坐標，再通過坐標參數轉換和似大地水準面模型就能得到實際工程建設中所需的地方坐標及正常高，但坐標轉換參數和似大地水準面模型屬于國家保密資料。在坐標轉換參數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。若要將北斗服務推向更廣大的市場，對測量用戶的監控、計費以及遠程交互等管理和服務功能必須實現，這些功能的缺失已經成為將現代測繪基準服務推向更廣大市場的一大障礙。作為一個通用的基礎平臺，面向各種用戶需求的服務還需要不斷補充和完善。

1 系統設計

1.1 總體功能設計

利用ASP.NET技術[8]，采用3層B/S結構，開發數字高程基準在線三維服務系統。整個系統分為表示層、邏輯層和數據層。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。在網絡系統中，以往單機版的客戶端應用程序變為了常用的瀏覽器軟件，在任何操作系統任何平臺下都可以使用。用戶輸入請求操作的參數后，經由其他層的處理后反饋結果，系統將反饋的結果顯示在用戶操作界面上。

(2) 數據層：數據層是用來對數據進行操作的，如對數據的定義、維護、訪問以及更新。數據層需滿足系統的應用服務對數據的請求，負責解析業務邏輯的數據請求并執行相關的操作。

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

采用3層結構模式的目的就是為了使系統各層協調工作，提高系統的穩定性、延展性和執行效率，并且便于維護和升級擴展。系統功能設計如圖1所示。

圖1 總體功能設計

1.2 系統結構設計

本系統在PowerNetwork服務器與接收機用戶/Web用戶之間加入一臺服務器，用戶直接與本服務器進行連接享受各種服務。其網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 CORS網絡拓撲結構

1.3 系統模塊劃分及功能描述

系統從程序實現上主要分為4大主要模塊：數據服務、用戶管理、系統管理、配置管理。

數據服務功能模塊的程序實現主要由VRS解碼與編碼、參數加密、TCP/IP通信、坐標轉換、數據文件交換等組件組成。VRS解碼與編碼組件實現將從TNC服務器截獲的VRS信息進行解碼、編碼；參數加密組件實現坐標轉換參數的保密；TCP/IP通信組件實現流動站用戶撥號登錄本系統進行實時坐標測量；坐標轉換組件實現WGS-84坐標、地方坐標等坐標系統的互相轉換。

用戶管理功能模塊的程序實現主要由用戶注冊、權限管理、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Web用戶的注冊功能；權限管理實現Web用戶的權限分配；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控；報表輸出組件實現用戶信息的查詢報表輸出功能；軌跡顯示組件實現對用戶實時位置的顯示功能，并對用戶作業區域是否合法進行監控。

圖3 用戶管理模塊

系統管理功能模塊的程序實現主要由地圖服務、Google Maps API(Baidu Map API)、數據庫操作、日志服務、實時郵件、查詢等組件組成，如圖4所示。地圖服務組件采用Google Maps API組件，實現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；數據庫操作及查詢組件完成對數據庫中信息的讀寫、統計查詢，實現用戶交費記錄查詢、系統查詢統計功能；日志服務組件完成對管理員操作等信息的記錄功能。

圖4 系統管理模塊

配置管理功能模塊的程序實現主要由配置服務、數據庫操作等組件組成。配置服務與數據庫操作組件實現系統平臺配置功能。

2 系統實現

本文以珠海市全市域數字高程基準在線三維服務系統的設計和實現為例來說明。

2.1 網絡系統構架

網絡系統的實現主要利用ASP.NET和AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技術[9]，系統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，中間部分為操作區域，每個功能模塊對應著一個鏈接，在點擊功能模塊的鏈接后將會在操作區域彈出相應的操作標簽頁面。根據系統框架的特性，只需在新的頁面實現相應模塊的功能即可，再通過框架頁面中的菜單鏈接各個功能模塊頁面。

圖5 網絡管理服務系統框架示意圖

2.2 VRS信息處理

RTCM SC-104[10]，是美國海運事業無線電技術委員會(Radio Technical Committee for Marine Services，RTCM)第104專業委員會研發的。該標準是專門為全球導航衛星定位系統的差分定位服務設計的，能將標準的差分信息播發到差分改正的流動站接收機上。在逐步完善的基礎上，RTCM出臺了全新的RTCM V3.0[11]。用于網絡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，字數隨電文類型和衛星數不同而各有不同。RTCM V3.0定義了一個全新的有別于以前版本的數據，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的循環冗余校驗碼(CRC)。珠海系統處理的信息格式為RTCM V3.0。

2.3 坐標及高程轉換

本平臺能夠根據用戶提供的CSCG2000坐標成果，提取相應的轉換參數計算得到該點對應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系，它們的轉換需要先過渡到CGCS2000坐標系下再進行轉換。利用區域似大地水準面格網模型和雙線性內插的方法計算出待轉點位置上的高程異常并計算出正常高。

2.4 坐標轉換參數加密技術

為了保密，該系統采用高級加密標準實現坐標轉換參數加密[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，通過七參數轉化使其變換到空間直角坐標系統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解算結果后，只要按照坐標轉換的逆變換，就能得到流動站在WGS-84下的坐標。

2.5 數據庫的建立

根據功能需求，利用SQL Server建立了服務系統數據庫。數據庫主要內容包括： 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、測量許可區域、基準站原始數據、基準站狀態、基準站基本信息、用戶操作記錄、計費方式、用戶測量記錄、違規測量記錄、用戶(BS)基本信息、關系BS和RTK、用戶(RTK)基本信息、測量用戶實時狀態、行業表、測量用戶實時位置緩沖表等內容。

3 功能測試

3.1 系統管理功能

系統具體功能包括系統管理、用戶管理、系統日志、數據處理(事后)和數據下載5大模塊?；诎踩臄祿l布模式，實現了實時用戶監管、基站完好性監測、天地圖作業監控、系統自動備份與恢復等高效的綜合管理服務。系統主菜單如圖6所示。

圖6 系統主菜單

系統管理模塊包括密碼與信息修改、基站信息管理、服務源列表管理、計費管理、作業區域管理和用戶作業監控(采用互聯網地圖和天地圖)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 服務測試

3.2.1 用戶監控

在線作業用戶監控功能數據更新率為10 s，可實時監測作業用戶賬號、服務源、固定情況和衛星數量。經測試，監控數據準確，并可同步更新存儲作業記錄和作業軌跡。實時用戶監控截圖如圖8所示。

3.2.2 并發測試

穩定支持大量用戶同時在線是網絡環境下實時服務性能的重要指標之一。本系統通過測試軟件模擬支持1000個同時在線的用戶，系統響應及時，接入穩定，用戶監控更新正常，系統運行順暢。

圖8 用戶實時監控截圖

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個國內外主流用戶端網絡RTK共10個最新或成熟型號設備接入系統進行用戶端兼容性測試。測試設備均支持BDS、GPS和GLONASS三大衛星導航定位系統信號，其中部分設備不支持BDS的B3頻段，網絡制式均兼容2G、3G。經測試，用戶端設備均能穩定接入系統服務，表明系統實時服務兼容性良好。

3.2.4 可用性外業測試

利用用戶端有效獲取初始化的時間(從設備接入服務源開始計時)對服務的可用性進行評估。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大品牌設備進行實測記錄，不同型號設備分別在每個點位上冷啟動記錄3次初始化時間，共計360個樣本數據。測試時段為9：00～19：00。初始化時間統計見表1。

表1 初始化時間統計 s

由表1可知，用戶端接入系統可迅速獲得固定解。對于偶發最大初始化時間較長的情況，經現場核查，為個別型號用戶端通信模塊穩定性欠佳所致。

4 結 語

本文探討了區域性數字高程基準在線三維服務系統的建立方法，研究并實現了珠海市全市域數字高程基準在線三維服務系統，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框架后的應用問題。系統以“數據獲取實時化、數據處理自動化、信息服務網絡化、信息應用社會化”為建設目標，通過網絡對外發布，實時有效地向各方用戶提供優質的測繪基準服務。系統可有效監管測量用戶，提升現代測繪基準的服務質量、提高GNSS測量用戶的作業效率，系統的可靠性也得到了加強，能夠保障各個地區精密定位工作的順利進行，也為搶險救災、土地管理、礦山、水利、電力、交通、規劃、建設、市政管理和全市測繪地理信息行業應用，提供了一個便捷、準確、統一的服務平臺。

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