基于CORS用户端的三维成果智能转换与管理软件设计与开发

刘忠，张周平，秦宽

(西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054)

1 引言

近年来，随着我国陆态网络以及各省市城市CORS网的不断建设，大量的GNSS连续跟踪站在源源不断地进行数据采集。基于这种城市CORS实现的实时网络RTK技术目前已经成为测绘行业乃至其他如地质、交通、规划等行业的主要测量手段之一。然而，用户虽然能够通过网络RTK技术实时获取坐标成果，但由于直接获得的是WGS－84坐标，在缺少地方坐标转换参数和水准面模型的情况下，难以直接获取地方坐标及高程成果，因此也就很难实时开展相关测量工作。而地方坐标转换参数以及区域似大地水准面成果由于政治和经济等因素，在商业化应用推广中尚存在许多现实问题，诸如国家坐标与地方坐标的转换问题，转换参数与水准面模型的保密问题，用户权限的许可问题，用户行为的控制与约束问题等等，目前坐标转换参数大多处于保密状态。因此，常规做法往往是用户先进行部分数据采集，然后发送给地方主管部门，进行相关解算后将地方坐标发送给用户，用户再根据地方坐标成果开展相关测量工作。这使得外业测量工作效率难以实质性提高，无法最大限度地发挥城市CORS的优势，这些问题都制约着各个省级或城市CORS系统的应用和发展，也制约着经济效益的提高和测绘科技的进步。鉴于此，本文以西安GNSS连续运行综合服务系统为例，研制开发了基于CORS用户端的实时三维成果智能转换与控制软件，将保密的数据和参数通过加密手段移植到软件中，并将软件直接加载在外业测量观测手簿上，真正使得外业测量工作实现实时、高效，提高了城市CORS的应用领域和使用效率，同时也维护地方坐标参数和似大地水准面模型的保密性。

2 系统设计

2.1 技术路线思想

目前，对CORS用户的管理大多由系统本身的数据中心来完成，对用户的权限许可等管理功能通过数据中心来实现，但如果用户要实时得到国家系或地方平面坐标系以及实时高程成果，同时又想实现参数的保密，坐标的转换和大地高的改化工作通常会产生三种方案:第一种是基于网络的远程坐标转换［1］，即流动站把WGS－84坐标信息通过无线网络发回控制中心，控制中心处理后把转换后的平面坐标成果和改化后的高程发送给流动站，流动站不涉及任何参数，所有参数都由控制中心管理。第二种是基于服务器端的坐标转换［2］，该模式基于 Trimble VRS技术，在已有的 CORS系统中增加了一个中间服务器，将VRS信息改化为虚拟基准站，用户端采用伪七参数进行转换。第三种是基于用户端的坐标转换，该方法是将含有加密参数的转换软件加载到手簿，从而实现坐标转换和高程改化。这三种方案各有优缺点，方案一的优点是软件开发简单，兼容性强，对流动站要求低，参数保密效果好，但多了一次数据传输工序，数据中心需要增加一台电脑来控制配合流动站，需要一定成本，同时外业必须有可用的网络信号支持，因此工作时效低。方案二优点是转换方便，保密性好，流动站不做任何改动。缺点是成本高，兼容性差，软件开发困难，参数设置麻烦，且要根据用户坐标系的需求来变更参数，实用性差。方案三需要针对不同厂家和不同型号的流动站去开发转换软件，开发环境和语言比较复杂，但服务效率高、灵活性强、保密性好、实用性强、转换精度高、成本也相对较低。

目前市场上的RTK手簿主要由Window CE和Mobile操作系统组成，考虑到服务效率以及参数保密性和实用性，本文采取第三种方案作为用户职能控制的技术路线，并把用户权限许可、用户行为控制与约束、软件和参数加密等功能也集成在流动站，这样用户在获得授权许可的软件加载后，即可获得相应的转换服务。

2.2 系统功能设计

基于流动站的用户智能管理软件主要实现以下功能:

①用户端的坐标实时获取功能:用户可在流动站获得授权许可范围内的任意坐标系下坐标，转换参数加密不可见;

②用户端的高程转换功能:将似大地水准面格网数据加载到软件中，实现授权许可范围内高程成果的实时获取，且格网数据加密不可见;

③用户类型与权限许可:可通过客户端软件控制不同用户的使用功能;

④使用时间控制功能:可控制用户的使用时间，超出授权期限，软件过期;

⑤使用范围控制功能;可控制用户的使用范围，超出授权范围，转换功能失效;

⑥使用内容控制功能:用户可在管理中心获取不同坐标转换和高程转换的授权，超出授权许可功能，转换功能不可用。

2.3 数据处理方法

坐标成果转换的数据处理环节主要包括:空间三维坐标成果之间的转换、空间坐标系与平面坐标系之间的转换、用户点高程异常插值计算等。

对于空间三维坐标成果之间的转换，本文主要针对XACORS所使用的WGS－84与CGCS2000坐标系之间转换。这里，采用布尔沙模型，又称为七参数转换法［3－5］，具体数学模型如式(1)所示。

对于空间坐标系与平面坐标系之间的转换，主要针对XACORS所使用的WGS－84与1980西安坐标系、1954年北京坐标系、西安地方系之间的转换。本文先将WGS－84坐标采用经典高斯正算得到投影后的平面坐标成果，然后在两平面坐标系之间建立四参数模型，保证转换精度高于0.1mm。

对于用户点的高程异常插值计算，本文利用区域似大地水准面格网模型和双线性内插方法［6］计算流动站的高程异常，从而计算出该点的正常高。具体的双线性插值计算公式如下所示:

2.4 加密技术

加密技术是有效管理和控制用户软件的关键，本文同时开发由监管单位管理人员操作的管理员软件和让普通用户使用的用户软件。管理员软件主要的功能是采用特殊的加密算法生成加密文件，通过加密文件来管理用户软件的使用权限、使用时间和使用次数等。用户端的用户软件必须和加密文件动态地交互信息才能正常工作，从而达到对用户软件的使用权限、使用时间和使用次数进行控制，也实现了用户软件不可复制使用等限制功能。

3 软件开发与应用

3.1 开发环境

基于目前市场上比较主流的几款流动站:天宝5700、天宝 R8、南方 S82、拓普康 GR －3、徕卡 GS15等，对其配套的手簿进行实时三维成果转换软件开发，管理员模块采用VC6.0编程平台进行软件开发，用户模块分别采用EVC4.0和VS2008进行不同操作系统的手簿软件开发。其中，EVC4.0主要针对WinCE4.0以下操作系统手簿开发，VS2008用于WinCE4.0以上手簿和Windows Mobile操作系统的软件开发，程序语言分别采用标准C和C++语言。

本项目中，天宝 5700系统为 WinCE4.0，采用EVC4.0开发用户软件;天宝 R8系统为 Windows Mobile，采用VS2008开发用户软件;南方S82系统为WinCE5.0，采用 EVC4.0开发用户软件;拓普康 GR －3系统为 WinCE4.2，采用 EVC4.0开发用户软件;徕卡GS15系统为 Windows CE6.0，采用 VS2008开发用户软件。

3.2 系统软件模块

本文的坐标成果软件主要由两大模块组成:管理员加密授权软件和用户坐标转换软件。两个模块的具体工作流程交互关系如图1所示。

图1 系统工作流程图

其中，管理员模块(如图2所示)由内业管理员来管理和控制，管理员根据不同的用户需求进行用户所需的功能设置，包括坐标系选择、坐标参数设置、使用时间设置、使用次数设置、使用范围设置、平面或高程获取设置，最终生成一个加密控制文件。

图2 管理员加密授权软件

流动站用户应用软件(如图3所示)是在RTK智能手簿上安装的模块，软件必须配合管理员模块生成的控制文件才能够使用，流动站用户可将网络RTK实时采集的WGS－84坐标通过该软件转换为所需的坐标类型。

图3 用户应用软件

3.3 系统测试

软件开发完成后，本文利用XACORS的实测数据对整个系统的功能进行了相应测试，测试内容包括软件的加密功能、参数的保密功能、不同坐标系下坐标转换功能、坐标系选择与限制功能、使用时间次数及范围限制功能、软件的兼容性测试、转换精度测试等。其中，利用76个待测点在用户软件上进行了三维坐标成果转换、二维坐标成果转换、高程转换三个环节的精度测试，每个点与给定的实际坐标成果“真值”进行比较，分析得到的残差RMS指标值，统计精度结果如表1所示。

表1 不同转换类型的精度测试结果

由表1也可以看出，本文开发的用户软件在坐标成果转换中的精度是能够满足mm级转换要求，可以满足常规工程应用的需求。

4 软件系统的主要特色与优势

(1)软件设计性能特点:

①软件界面简化、操作简单实用;

②各个模块可以独立操作，也可以联合操作，使用权限和使用范围可以受控;

③数据保密，成果加密。

(2)保密设计特点:

①软件安装使用权限保密;

②原始数据保密;

③使用时间限制;

④使用测区范围限制;

⑤使用需求限制。

(3)软件的主要优势:

①在手簿上即可得到用户需求的坐标和高程，不需要下载数据或进行后处理，不需要增加中间服务器或终端设备，简单实用，成本低;

②模块独立性强，不同需求用户的使用权限、使用范围、使用时间可以有效控制;

③软件模块界面上不出现任何原始数据或模型，数据参数保密性好;

④软件具备加密功能，必须通过验证才可安装使用，可以保护版权，且可以升级。

5 结语

经测试，本文开发的软件内部各个模块既可以独立操作，也可联合操作，用户的使用权限、使用范围、使用时间、使用转换参数可以受控。用户可实现不同坐标系下的坐标成果和高程，且转换精度高、参数和数据保密性好。软件操作简单、实用，且具备良好的加密功能，必须通过验证才可安装使用，且拷贝不可用。该软件已成功应用于西安市城市规划测量、地形测图、高程测量等多个领域，并能兼容天宝、拓普康、徕卡、南方等多种型号的RTK手簿，实现了面向用户端的智能控制与服务管理，解决了CORS系统在商业应用阶段的参数保密等相关问题，推动了CORS系统的应用领域，提高了外业工作效率，为XACORS在西安市的广泛应用发挥了积极推动作用。

［1］赵新秀，王解先.CORS用户管理系统的研究与开发［J］，工程勘察，2010(9).

［2］张黎，蒲德祥，夏定辉等.CORS系统实时地方坐标测量的保密模式研究［J］，城市勘测，2010(4).

［3］郑凤娇，李江卫，白洁等.区域CORS用户管理系统研制与开发，城市勘测，2011(6):81－85.

［4］姜卫平，马强，刘鸿飞.CORS系统中坐标移动转换方法及应用［J］，武汉大学学报·信息科学版，2008(8):775－778.

［5］杨光.基于CORS平台的三维坐标在线转换系统［J］，测绘通报，2008(11):10－13.

［6］邓兴升，郭云开，花向红.似大地水准面格网双二次多项式插值方法［J］，测绘学报，2009(1).