数字城市空间数据基础设施的探讨

　　摘要：研究利用现代大地测量的高新技术手段，在城市原有的坐标资料和水准、重力资料的基础上，建立集平面、高程、重力场信息于一体的综合性高精度城市三维基础控制网，结合城市连续运行卫星定位服务系统（CORS）和高精度似大地水准面提高城市空间数据基础设施建设的水平。指出了建立连续运行卫星定位服务系统和高精度似大地水准面的途径及有关问题。
　　关键词：似大地水准面，GPS，CORS，大地水准面精化，RTK
　　
　　现代社会发展的重要标志之一是城市化水平的高低，21世纪是世界城市化高度发展的世纪，据联合国人居中心预测，2010年全球城市化水平将达到55%，2025年达到65%。城市化的进程使得城市范围扩大，功能复杂，服务趋于多样化，数字城市建设是为满足城市日益增长的各种管理服务需要的信息化平台。
　　数字城市的首要任务是全面提高城市空间数据基础设施建设的水平，有效地、动态地提供适应可持续发展需要的多尺度空间数据和有关社会、经济、资源和环境等地理属性方面的动态信息，建立地理空间数据分布式存储管理与网络服务的信息共享机制，提供基于三维可视化的从空间信息查询、智能分析到辅助决策的信息服务功能，以满足城市建设、管理与服务的各种需要。[1]
　　在数字城市的基础设施中，除网络、传输协议和软件外，还有表达空间数据的基础设施。作为城市空间数据的基础设施，不仅要求为建立数字城市而获取空间数据和地理特征，而且对信息采集的实时性和准确性有较高的要求。利用GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)定位技术建立的连续运行卫星定位服务系统和结合GPS（GlobalPositionSystem）技术建立的似大地水准面，在满足城市信息化建设的各种需求方面至关重要。它们不仅是动态、连续的空间数据参考框架，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的基础设施之一，因此成为提高城市空间数据基础设施的重要手段。
　　1．城市CORS组成
　　1.1城市CORS简介
　　城市连续运行卫星定位服务系统（Continuousoperationalreferencesystem，CORS）是在一定的区域内以一定的间隔建设若干永久性连续运行的GPS卫星定位跟踪站，通过数据通信网络，如因特网、卫星通信网或无线电广播网、蜂窝数据分组交换网（CDPD）等，向各类需要测量定位、导航、定时或其它延伸性研究开发需求的用户提供跟踪站站址坐标和卫星跟踪数据，以满足各类不同行业、不同用户对精密定位、快速和实时定位、导航、授时、守时、时间同步的要求。[2]
　　CORS一般要求具备实时和事后精密定位服务两大功能。静态服务可通过数据交换或在线计算的方法实现，比较困难的是实时动态定位技术。在过去，实时动态定位主要依靠常规RTK（realtimekinematic）技术，作用范围小，可靠性差。近年来，多基站网络RTK技术已成为实时动态定位的主要发展方向。依靠网络RTK技术，CORS可在城市区域内向大量用户同时提供高精度、高可靠性、实时的定位信息。
　　1.2组成结构
　　城市CORS一般由卫星跟踪基准站、系统控制中心、用户数据中心、用户应用、数据通信5个子系统组成，各子系统由数字通信子系统互联，形成一个分布于整个城市的局域网（城域网）。[3]城市的CORS结构如图1所示。图1城市CORS系统结构
　　1.2.1卫星跟踪基准站
　　卫星跟踪基准站是CORS的数据源，用于实现对卫星信号捕获、跟踪、记录和传输，主要包括不间断电源、GPS接收机、计算机、数据处理软件、网络、防电涌等设备。
　　1.2.2系统控制中心
　　系统控制中心是CORS的核心单元，由中心网络和软件系统组成，负责接收各跟踪站传输回来的数据，通过计算机局域网进行数据分流、分发、存贮、分析，按照国际通用的标准格式或自定义专用格式向不同的用户发送供不同需求的数据，提供多种信息服务和监控服务。
　　其中数据处理系统对数据质量分析和评价，进行数据综合、数据分流和数据存储，利用网络RTK技术（如VRS技术、FKP技术、CBI技术）形成差分修正数据。系统监控系统用于监测设备运行状态，进行远程管理、故障分析与故障警视。信息服务系统通过网络向用户提供事后精密处理的数据服务，坐标系、高程系转换服务，工程测量的软件服务和计算服务。网络管理系统用于监控并管理系统网络，通过硬软件隔离技术实现网络安全防护，保障信息安全；管理网站，通过Internet向用户提供http、ftp等访问服务。用户管理系统用于用户登记、注册、撤消、查询、权限等管理，提供访问授权和用户使用记录。
　　1.2.3数据通信子系统
　　CORS各部分的连接是通过数字通信子系统完成的。可采用数字数据网（DDN）、因特网（INTERNET）、VSAT或INMARSAT卫星通信网、微波无线扩频通信局域网等等，通信带宽一般要求不低于64kb/s，对通信网络的保密性和可靠性也有较高的要求。
　　1.2.4用户数据中心
　　CORS对外的数据服务通过用户数据中心多种数据传输手段向用户发送、发播定位、导航、定时等多种数据，开展数据服务。用户数据中心可分为静态数据服务单元和动态数据服务单元两部分。通过网站http和ftp等方式向用户提供数据交换及在线计算，可实现静态数据服务功能；动态数据服务功能多依靠无线通信方式（如GSM、CDMA、GPRS、RDS等）实现。
　　1.2.5用户应用子系统
　　用户应用子系统涉及庞大的用户群落，按照应用领域，则可分为测绘与工程用户（cm级、dm级）、车辆导航与定位用户（m级）、高精度用户（事后处理）等几类，不同用户使用不同精度的差分信息，静态数据服务可达到毫米级定位精度，实时数据服务则可获得厘米级或分米级定位精度。CORS用户应用子系统应充分考虑GPS接收机的兼容性。
　　1.3发展城市CORS的思考
　　目前，为满足城市经济建设信息化的需要，一大批城市（如深圳、东莞、广州、武汉、郑州等）已建或筹建这样的连续运行网络系统。这些根据不同标准建设的CORS将对我国城市建设和经济发展起到重要作用。但另一方面，也存在一系列新的值得探讨的问题：一是不同城市建设的系统行业特性明显，目标的单一化带来系统技术服务性能的单一化，极不利于系统的技术集成和潜力的发挥；二是部分城市建设的系统独立运行，尚未建立统一的协调机制，数据资源共享的问题不能解决，阻碍了系统功能的最大利用；三是建设运行的技术标准化也是一个急需统一认识和解决的问题，将来的技术标准应既满足行业需求，又可以升级为满足区域和国家需求，同时符合与国际标准接轨和兼容。
　　2．城市似大地水准面的建立
　　似大地水准面是获取地理空间信息的高程基准面。GPS技术结合高精度、高分辨率似大地水准面模型，可以取代传统的水准测量方法测定正高或正常高，真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能，使得平面控制网和高程控制网分离的传统大地测量模式成为了历史，将为构建数字城市提供高效的数据采集技术，是建立城市空间数据高程基准的主要手段。
　　2.1技术方案与途径
　　市级大地水准面的精度和分辨率要求很高，因此对数据资料（如GPS水准、重力及数字地形模型等数据）的分辨率、分布、密布和精度等提出了严格的要求。为此，建立城市似大地水准面主要采用以下方式和途径[4]：
　　2.1.1结合已完成的1：1万DTM数据库及本地区现势性很好的数字地形图，建立用于精化区域大地水准面的高分辨率高精度DTM。
　　2.1.2收集已有的高精度的GPS控制点数据、水准数据、重力资料（陆地重力数据、卫星测高数据等）。
　　2.1.3建立C、D级区域GPS水准网，并与国家A、B级GPS网点和一、二等水准点联测。获得高精度GPS水准数据。
　　2.1.4在国家重力基本网的基础上建立区域性重力基本网，实施陆地加密重力测量，获取高精度的陆地重力数据。
　　2.2城市似大地水准面计算
　　目前市级似大地水准面的精化基于移去-恢复原理主要采用FFT技术（1D/2DFFT），辅以多项式拟合法或其他拟合法。在实际计算中通常采用分步计算方法，即首先应用移去-恢复原理和1DFFT技术计算重力似大地水准面，然后以高精度的GPS水准数据作为控制，采用多项式拟合法或其他拟合法将重力似大地水准面拟合到由GPS水准确定的几何大地水准面上，旨在消除这两类大地水准面之间的系统偏差。一般来说，消除系统误差后的重力大地水准面与GPS水准之间仍存在残差，这些残差包含了部分有用信息，再利用Shepard曲线拟合法、加权平均法及最小二乘配置等对这些剩余残差进行格网拟合，并将拟合结果与消除系统误差之后的重力大地水准面叠加，得到大地水准面的最终数值结果。[5]计算流程如图2所示。
　　
　　图2城市似大地水准面的计算流程图
　　2.3精化城市似大地水准面的有关问题
　　2.3.1我国一、二等水准网已有20余年没有复测，由于地壳运动、城市建设、地下水和矿产资源开采等原因，某些地区地面出现沉降，现有一、二等水准网的现实性较差，不适合作为城市似大地水准面精化的高程控制。
　　2.3.2对同类数据而言，实测数据与已有的数据是不同时期观测的，观测精度和所依据的基准不同，给实际计算和处理带来一定困难；对于不同类数据，如GPS椭球高与精密水准测量的时间跨度较大，由于地面沉降等原因，则由此求得的大地水准面高或高程异常存在系统偏差，在数据处理中应引起重视。
　　2.3.3城市似大地水准面精化对加密重力测量、GPS水准布测、地壳密度异常和DEM的要求还认识不够，目前还没有比较完善的规范可遵循。
　　3．结束语
　　利用现代大地测量的高新技术手段，在城市原有的坐标资料和水准、重力资料的基础上，建立集平面、高程、重力场信息于一体的综合性高精度城市三维基础控制网，结合城市连续运行卫星定位服务系统（CORS），是数字城市空间基础设施的重要部分。随着其应用的普及，作为空间数据基础设施，似大地水准面的精化和连续运行卫星定位服务系统的建设将为城市规划、灾害监测、交通、绿化等各项经济建设，提供广泛的基础服务。现已逐渐成为数字城市和信息化建设的重要内容。
　　
　　参考文献
　　[1]王家耀.数字河南与河南数字测绘体系.3S测绘技术与数字地球,2002,1:6-11
　　[2]刘经南.连续运行参考框架网络—21世纪国家空间信息重要基础设施.大地测量学论文集，1999，1：18—23
　　[3]刘经南，刘晖.连续运行卫星定位服务系统—城市空间数据的基础设施.武汉大学学报，2003，28（3）
　　[4]陈俊勇，李建成，宁津生等.全国及部分省市地区高精度高分辨率似大地水准面的研究和实施.测绘通报，2005，5
　　[5]宁津生，罗志才，杨治吉，等.深圳市1Km高分辨率厘米级高精度大地水准面的确定.测绘学报，2003，32（2）：102—107