摘要：研究利用現(xiàn)代大地測量的高新技術(shù)手段，在城市原有的坐標(biāo)資料和水準(zhǔn)、重力資料的基礎(chǔ)上，建立集平面、高程、重力場信息于一體的綜合性高精度城市三維基礎(chǔ)控制網(wǎng)，結(jié)合城市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）和高精度似大地水準(zhǔn)面提高城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的水平。指出了建立連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)和高精度似大地水準(zhǔn)面的途徑及有關(guān)問題。
　　關(guān)鍵詞：似大地水準(zhǔn)面，GPS，CORS，大地水準(zhǔn)面精化，RTK
　　
　　現(xiàn)代社會發(fā)展的重要標(biāo)志之一是城市化水平的高低，21世紀(jì)是世界城市化高度發(fā)展的世紀(jì)，據(jù)聯(lián)合國人居中心預(yù)測，2010年全球城市化水平將達(dá)到55%，2025年達(dá)到65%。城市化的進(jìn)程使得城市范圍擴(kuò)大，功能復(fù)雜，服務(wù)趨于多樣化，數(shù)字城市建設(shè)是為滿足城市日益增長的各種管理服務(wù)需要的信息化平臺。
　　數(shù)字城市的首要任務(wù)是全面提高城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的水平，有效地、動態(tài)地提供適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展需要的多尺度空間數(shù)據(jù)和有關(guān)社會、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境等地理屬性方面的動態(tài)信息，建立地理空間數(shù)據(jù)分布式存儲管理與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的信息共享機(jī)制，提供基于三維可視化的從空間信息查詢、智能分析到輔助決策的信息服務(wù)功能，以滿足城市建設(shè)、管理與服務(wù)的各種需要。[1]
　　在數(shù)字城市的基礎(chǔ)設(shè)施中，除網(wǎng)絡(luò)、傳輸協(xié)議和軟件外，還有表達(dá)空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施。作為城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅要求為建立數(shù)字城市而獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征，而且對信息采集的實(shí)時性和準(zhǔn)確性有較高的要求。利用GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)定位技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)和結(jié)合GPS（GlobalPositionSystem）技術(shù)建立的似大地水準(zhǔn)面，在滿足城市信息化建設(shè)的各種需求方面至關(guān)重要。它們不僅是動態(tài)、連續(xù)的空間數(shù)據(jù)參考框架，同時也是快速、高精度獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的基礎(chǔ)設(shè)施之一，因此成為提高城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要手段。
　　1．城市CORS組成
　　1.1城市CORS簡介
　　城市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuousoperationalreferencesystem，CORS）是在一定的區(qū)域內(nèi)以一定的間隔建設(shè)若干永久性連續(xù)運(yùn)行的GPS衛(wèi)星定位跟蹤站，通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，如因特網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)或無線電廣播網(wǎng)、蜂窩數(shù)據(jù)分組交換網(wǎng)（CDPD）等，向各類需要測量定位、導(dǎo)航、定時或其它延伸性研究開發(fā)需求的用戶提供跟蹤站站址坐標(biāo)和衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)，以滿足各類不同行業(yè)、不同用戶對精密定位、快速和實(shí)時定位、導(dǎo)航、授時、守時、時間同步的要求。[2]
　　CORS一般要求具備實(shí)時和事后精密定位服務(wù)兩大功能。靜態(tài)服務(wù)可通過數(shù)據(jù)交換或在線計算的方法實(shí)現(xiàn)，比較困難的是實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)。在過去，實(shí)時動態(tài)定位主要依靠常規(guī)RTK（realtimekinematic）技術(shù)，作用范圍小，可靠性差。近年來，多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已成為實(shí)時動態(tài)定位的主要發(fā)展方向。依靠網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，CORS可在城市區(qū)域內(nèi)向大量用戶同時提供高精度、高可靠性、實(shí)時的定位信息。
　　1.2組成結(jié)構(gòu)
　　城市CORS一般由衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站、系統(tǒng)控制中心、用戶數(shù)據(jù)中心、用戶應(yīng)用、數(shù)據(jù)通信5個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)由數(shù)字通信子系統(tǒng)互聯(lián)，形成一個分布于整個城市的局域網(wǎng)（城域網(wǎng)）。[3]城市的CORS結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1城市CORS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　1.2.1衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站
　　衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站是CORS的數(shù)據(jù)源，用于實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，主要包括不間斷電源、GPS接收機(jī)、計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、網(wǎng)絡(luò)、防電涌等設(shè)備。
　　1.2.2系統(tǒng)控制中心
　　系統(tǒng)控制中心是CORS的核心單元，由中心網(wǎng)絡(luò)和軟件系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)接收各跟蹤站傳輸回來的數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流、分發(fā)、存貯、分析，按照國際通用的標(biāo)準(zhǔn)格式或自定義專用格式向不同的用戶發(fā)送供不同需求的數(shù)據(jù)，提供多種信息服務(wù)和監(jiān)控服務(wù)。
　　其中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和評價，進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合、數(shù)據(jù)分流和數(shù)據(jù)存儲，利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)（如VRS技術(shù)、FKP技術(shù)、CBI技術(shù)）形成差分修正數(shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、故障分析與故障警視。信息服務(wù)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供事后精密處理的數(shù)據(jù)服務(wù)，坐標(biāo)系、高程系轉(zhuǎn)換服務(wù)，工程測量的軟件服務(wù)和計算服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)用于監(jiān)控并管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過硬軟件隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，保障信息安全；管理網(wǎng)站，通過Internet向用戶提供http、ftp等訪問服務(wù)。用戶管理系統(tǒng)用于用戶登記、注冊、撤消、查詢、權(quán)限等管理，提供訪問授權(quán)和用戶使用記錄。
　　1.2.3數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)
　　CORS各部分的連接是通過數(shù)字通信子系統(tǒng)完成的。可采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)（DDN）、因特網(wǎng)（INTERNET）、VSAT或INMARSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)、微波無線擴(kuò)頻通信局域網(wǎng)等等，通信帶寬一般要求不低于64kb/s，對通信網(wǎng)絡(luò)的保密性和可靠性也有較高的要求。
　　1.2.4用戶數(shù)據(jù)中心
　　CORS對外的數(shù)據(jù)服務(wù)通過用戶數(shù)據(jù)中心多種數(shù)據(jù)傳輸手段向用戶發(fā)送、發(fā)播定位、導(dǎo)航、定時等多種數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)中心可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)單元和動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)單元兩部分。通過網(wǎng)站http和ftp等方式向用戶提供數(shù)據(jù)交換及在線計算，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)功能；動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)功能多依靠無線通信方式（如GSM、CDMA、GPRS、RDS等）實(shí)現(xiàn)。
　　1.2.5用戶應(yīng)用子系統(tǒng)
　　用戶應(yīng)用子系統(tǒng)涉及龐大的用戶群落，按照應(yīng)用領(lǐng)域，則可分為測繪與工程用戶（cm級、dm級）、車輛導(dǎo)航與定位用戶（m級）、高精度用戶（事后處理）等幾類，不同用戶使用不同精度的差分信息，靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)可達(dá)到毫米級定位精度，實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)則可獲得厘米級或分米級定位精度。CORS用戶應(yīng)用子系統(tǒng)應(yīng)充分考慮GPS接收機(jī)的兼容性。
　　1.3發(fā)展城市CORS的思考
　　目前，為滿足城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)信息化的需要，一大批城市（如深圳、東莞、廣州、武漢、鄭州等）已建或籌建這樣的連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的CORS將對我國城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用。但另一方面，也存在一系列新的值得探討的問題：一是不同城市建設(shè)的系統(tǒng)行業(yè)特性明顯，目標(biāo)的單一化帶來系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)性能的單一化，極不利于系統(tǒng)的技術(shù)集成和潛力的發(fā)揮；二是部分城市建設(shè)的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，尚未建立統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制，數(shù)據(jù)資源共享的問題不能解決，阻礙了系統(tǒng)功能的最大利用；三是建設(shè)運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化也是一個急需統(tǒng)一認(rèn)識和解決的問題，將來的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)既滿足行業(yè)需求，又可以升級為滿足區(qū)域和國家需求，同時符合與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌和兼容。
　　2．城市似大地水準(zhǔn)面的建立
　　似大地水準(zhǔn)面是獲取地理空間信息的高程基準(zhǔn)面。GPS技術(shù)結(jié)合高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面模型，可以取代傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量方法測定正高或正常高，真正實(shí)現(xiàn)GPS技術(shù)在幾何和物理意義上的三維定位功能，使得平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)分離的傳統(tǒng)大地測量模式成為了歷史，將為構(gòu)建數(shù)字城市提供高效的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是建立城市空間數(shù)據(jù)高程基準(zhǔn)的主要手段。
　　2.1技術(shù)方案與途徑
　　市級大地水準(zhǔn)面的精度和分辨率要求很高，因此對數(shù)據(jù)資料（如GPS水準(zhǔn)、重力及數(shù)字地形模型等數(shù)據(jù)）的分辨率、分布、密布和精度等提出了嚴(yán)格的要求。為此，建立城市似大地水準(zhǔn)面主要采用以下方式和途徑[4]：
　　2.1.1結(jié)合已完成的1：1萬DTM數(shù)據(jù)庫及本地區(qū)現(xiàn)勢性很好的數(shù)字地形圖，建立用于精化區(qū)域大地水準(zhǔn)面的高分辨率高精度DTM。
　　2.1.2收集已有的高精度的GPS控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)、重力資料（陸地重力數(shù)據(jù)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)等）。
　　2.1.3建立C、D級區(qū)域GPS水準(zhǔn)網(wǎng)，并與國家A、B級GPS網(wǎng)點(diǎn)和一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測。獲得高精度GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
　　2.1.4在國家重力基本網(wǎng)的基礎(chǔ)上建立區(qū)域性重力基本網(wǎng)，實(shí)施陸地加密重力測量，獲取高精度的陸地重力數(shù)據(jù)。
　　2.2城市似大地水準(zhǔn)面計算
　　目前市級似大地水準(zhǔn)面的精化基于移去-恢復(fù)原理主要采用FFT技術(shù)（1D/2DFFT），輔以多項式擬合法或其他擬合法。在實(shí)際計算中通常采用分步計算方法，即首先應(yīng)用移去-恢復(fù)原理和1DFFT技術(shù)計算重力似大地水準(zhǔn)面，然后以高精度的GPS水準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為控制，采用多項式擬合法或其他擬合法將重力似大地水準(zhǔn)面擬合到由GPS水準(zhǔn)確定的幾何大地水準(zhǔn)面上，旨在消除這兩類大地水準(zhǔn)面之間的系統(tǒng)偏差。一般來說，消除系統(tǒng)誤差后的重力大地水準(zhǔn)面與GPS水準(zhǔn)之間仍存在殘差，這些殘差包含了部分有用信息，再利用Shepard曲線擬合法、加權(quán)平均法及最小二乘配置等對這些剩余殘差進(jìn)行格網(wǎng)擬合，并將擬合結(jié)果與消除系統(tǒng)誤差之后的重力大地水準(zhǔn)面疊加，得到大地水準(zhǔn)面的最終數(shù)值結(jié)果。[5]計算流程如圖2所示。
　　
　　圖2城市似大地水準(zhǔn)面的計算流程圖
　　2.3精化城市似大地水準(zhǔn)面的有關(guān)問題
　　2.3.1我國一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)已有20余年沒有復(fù)測，由于地殼運(yùn)動、城市建設(shè)、地下水和礦產(chǎn)資源開采等原因，某些地區(qū)地面出現(xiàn)沉降，現(xiàn)有一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)性較差，不適合作為城市似大地水準(zhǔn)面精化的高程控制。
　　2.3.2對同類數(shù)據(jù)而言，實(shí)測數(shù)據(jù)與已有的數(shù)據(jù)是不同時期觀測的，觀測精度和所依據(jù)的基準(zhǔn)不同，給實(shí)際計算和處理帶來一定困難；對于不同類數(shù)據(jù)，如GPS橢球高與精密水準(zhǔn)測量的時間跨度較大，由于地面沉降等原因，則由此求得的大地水準(zhǔn)面高或高程異常存在系統(tǒng)偏差，在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)引起重視。
　　2.3.3城市似大地水準(zhǔn)面精化對加密重力測量、GPS水準(zhǔn)布測、地殼密度異常和DEM的要求還認(rèn)識不夠，目前還沒有比較完善的規(guī)范可遵循。
　　3．結(jié)束語
　　利用現(xiàn)代大地測量的高新技術(shù)手段，在城市原有的坐標(biāo)資料和水準(zhǔn)、重力資料的基礎(chǔ)上，建立集平面、高程、重力場信息于一體的綜合性高精度城市三維基礎(chǔ)控制網(wǎng)，結(jié)合城市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS），是數(shù)字城市空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分。隨著其應(yīng)用的普及，作為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，似大地水準(zhǔn)面的精化和連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)將為城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測、交通、綠化等各項經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提供廣泛的基礎(chǔ)服務(wù)。現(xiàn)已逐漸成為數(shù)字城市和信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。
　　
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