北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析

2015-02-19邢小雨李国忠

测绘通报 2015年3期

关键词：测绘地理信息标准体系框架

李　霖，邢小雨，李国忠

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072)

Analysis of Standardization in Application of BeiDou Satellite Navigation System

in Surveying and Mapping Geographic Information Service

LI Lin，XING Xiaoyu，LI Guozhong

北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析

李霖，邢小雨，李国忠

(武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430072)

Analysis of Standardization in Application of BeiDou Satellite Navigation System

in Surveying and Mapping Geographic Information Service

LI Lin，XING Xiaoyu，LI Guozhong

摘要：结合测绘行业的实际需求，从覆盖范围、数据精度、坐标系统、通信功能、安全可靠性等方面对北斗卫星导航系统技术特点进行了分析；然后从泛在精确定位、智能信息服务、应急服务等几个方面归纳了基于北斗卫星导航系统的测绘地理信息标准体系框架，并在此框架的标准规范目录中，明确区分了内容扩展、修改和新制定几类需求，为基于北斗卫星导航系统的测绘地理信息服务标准化工作提供参考。

关键词：北斗卫星导航系统；测绘地理信息；标准；标准体系；框架

一、引言

具有我国自主产权的北斗卫星导航系统对我国定位、测绘地理信息和其他领域的技术发展具有重要战略性意义。将北斗卫星导航系统(BeiDou Satellite Navigation System，BDS)应用到测绘地理信息服务中，不仅带来的是测量方式方法的改变和测量数据精度、质量的提高，保障测绘数据的现势性和准确性，从而提升行业水平，而且也能积极推进基础地理信息资源开发和社会化服务工作，为测绘成果的转化与增值提供了实现的途径，拓宽了测绘服务的领域，进而推动现代测绘向信息化测绘服务体系发展[1]。而测绘工作所需要的高精度数据等技术指标又能促进BDS的空间信号的质量提升和定位导航能力的提高，基于BDS的测绘地理信息技术标准体系的确立必将规范和引导BDS在测绘行业的应用[2]、提高BDS的国际竞争力。为此，本文结合北斗卫星导航系统的技术特点和测绘行业的需求，归纳出基于BDS的测绘地理信息标准化技术体系框架，并根据标准内容的变化情况，标示出哪些标准需要修改，哪些需要扩展，哪些需要新制定。

二、BDS技术特点

1. 覆盖范围

现阶段，区域的BDS覆盖范围是东经55°—180°，北纬5°—55°的包括我国本土全部的亚太地区[3]，能够为亚太地区提供全天候、全天时、高精度的导航定位、授时、通信服务，这完全满足我国测绘地理信息对空间范围的要求。预计到2020年将建成覆盖全球的BDS，届时，空间部分将由35颗卫星组成，卫星数量的增加和空间布局的更加合理将使北斗用户可以具有比GPS用户更小的允许遮挡角。

从覆盖范围方面分析，无论是大地测量还是城市测量、高山地区测量，抑或是在海洋测绘、国界线测绘领域，BDS都可以满足我国测绘工作对空间范围的需要，而在高楼林立的城市测量中，BDS具有比GPS更大的优势和测量范围。

2. 数据精度

BDS可以提供开放服务和授权服务。开放服务的定位精度为：水平10 m，垂直10 m；测速精度为0.2 m/s；授时精度为20 ns[4]。而授权服务除了将在可靠性、安全性、数据精度方面得到显著提高外，还可提供短报文通信服务。预计到2020年，覆盖全球的BDS将建成，到时无论是空间信号质量还是导航服务能力都将会有进一步的提升。

从数据精度方面分析，对于现阶段区域覆盖的BDS可以采用RTK技术、CORS、北斗/GPS双模定位方式、伪卫星技术、地基增强技术等相关技术，实现静态精密单点定位精度达到厘米级、基线相对定位达到毫米级、RTK定位精度达到5～10 cm[5]、网络RTK三维定位精度≤5 cm，而未来全球覆盖的BDS的各项指标必将有更进一步的提升，因此，在土地测量、工程测量、变形监测等对数据精度要求较高的测绘行业中BDS具有优于GPS的能力。

3. 坐标系统

根据《中华人民共和国测绘法》的规定，我国自2008年7月1日起启用CGCS2000。对于以前采用1954北京坐标系或1980西安坐标系的测绘成果，国家测绘地理信息局也启动了向2000国家大地坐标系的转换工作。由于GPS采用的坐标系统是WGS-84坐标系统，因此使用GPS获得的测绘数据在使用之前首先要转换到CGCS2000中，这些转换不仅会耗费大量的人力和物力，而且还会降低测绘数据的精度和质量。BDS采用的是CGCS2000坐标系统[6]，使用北斗系统获得的测绘数据可不进行坐标的转换而直接使用。

从坐标系统方面分析，使用BDS更适合我国测绘工作的实际需要。

4. 通信功能

测绘信息应急保障是测绘地理信息技术应用的重要课题，其核心是数据的准确性和现势性。为了保证测绘数据的准确性和现势性，在使用GPS进行测绘工作时，外业人员和内业人员的沟通必须借助移动通信网络。这样不仅增加了成本而且移动通信网络的服务也不能得到保证，如在山地、森林等移动网络无法覆盖的地区就不能进行通信。BDS具有双向通信功能[7]，一次可传送多达120个汉字的信息，可提供群组呼通信及广播、数据存储备份、实时查询下载、数据多点分发等服务。

从通信方面分析，使用BDS可以在完成移动目标的定位导航功能的同时，还可实时指挥测量人员的调度而不需要其他通信系统的支持，通讯信号质量好、覆盖范围广、系统集成管理程度高。这样，不仅可以取得高精度的三维定位数据，还可以方便实现内外业人员的沟通交流，实时分配测绘任务，从而保证了数据的准确性和现势性。

5. 安全可靠性

BDS的安全可靠性体现在两个方面：一是我国具有完全的自主知识产权，不仅避免在技术上受制于人，而且也保障了测绘成果和国家信息安全；二是系统本身安全稳定性高。我国BDS的目标是定位精度高、覆盖范围广、服务频度高、授时精度高、通信能力强、具备抗毁能力的卫星导航系统，通过安装在全国数十万“两客一危”车辆上、渔船上的北斗系统的优异表现[8]，证明了BDS是一个稳定、安全的导航系统。

从安全可靠性方面分析，将BDS应用在测绘地理信息行业在保障我国测绘成果安全、避免国家安全信息泄露方面具有无可替代的优势。

三、基于BDS的测绘地理信息服务对各类标准的需求

首先提出了适合测绘技术发展和实际需求的标准体系分类方法，然后从泛在精确定位、智能信息服务、应急服务等方面对标准的需求进行了总结。

1. 基于BDS的测绘地理信息服务标准分类

BDS的导航、定位、通信、授时功能都可以以不同的形式为其提供服务，结合在测绘行业基于卫星导航技术的现有行业标准，构建的标准体系框架一级分类分为测绘地理信息基准建设类、测绘数据采集加工处理技术类、导航定位与位置服务类、测绘地理信息应急技术类、测绘成果管理类共5大类。二级分类结合北斗卫星导航系统的技术特点、测绘行业的具体要求、现有标准分类情况来进行。从而使所构建的标准体系框架层次清晰、简洁；各层次、各类别间的界线明确，尽量做到不遗漏标准，标准间不重叠、少交叉，适合测绘工作的实际需要。

2. 基于BDS的测绘地理信息服务对各类标准的需求

在分析了现有标准规范的基础上，结合北斗系统的时空坐标、通信功能等特点，对现有的标准没有涉及北斗新功能的内容进行扩充，对与其他卫星系统参数不同的内容进行修改，对北斗的新应用或能够大幅度改善和提高北斗产业化的应用领域需要制定新的标准。

(1) 测绘地理信息基准建设类标准

测绘地理信息基准建设类标准主要包括术语、时空坐标、CORS(连续运行参考站网)等。具体标准组成如图1所示，其中，没有任何标注的属于需要新制定；加“*”的条目为已立项研制或已颁布的标准；加“#”的需要对内容进行修改；加“&”的需要对内容进行扩充。

新制定基于BDS的测量基本术语：规定北斗系统在测绘行业应用的通用性基本概念(北斗系统、测量、数据精度、服务领域等内容)的定义、使用范围等内容。

修改卫星导航定位时空坐标参照系：需要考虑BDS的时间系统、空间坐标与GPS的异同，以及不同坐标之间转换、数据处理过程等问题。

新制定北斗卫星导航系统连续运行参考站网(CORS)建设规范：用于规定BDS的实时通信功能，可以为CORS及其他联网监测系统进行升级和技术改造，为全国范围内不同领域、不同级别的CORS建设提供规范，致力于建设统一的CORS，为国际上其他国家使用BDS进行CORS建设提供参照经验。

新制定《北斗卫星导航系统平面控制测量规范》《北斗卫星导航系统高程控制测量规范》《北斗卫星导航系统重力控制测量规范》，提供基于北斗系统建设控制网的先例，为国际上其他国家使用BDS进行控制网建设提供参照。

图1　测绘地理信息基准建设类标准组成图

(2) 数据采集、加工处理技术类标准

在测绘行业中，高精度的测绘数据是测绘行业的生命之源。参考现有基于卫星导航技术的测绘行业标准，结合测绘行业的发展产生新的需求，可以将数据采集、加工处理技术类标准分为以下几个方面：通用数据采集、终端设备、面向地理国情监测服务的数据标准等。综合分析BDS的覆盖范围、数据精度、坐标系统、通信功能、安全可靠性等技术特点，在测绘生产过程需要综合考虑这些与GPS不同的特征，设计出适合BDS技术指标和参数的数据采集、加工和处理标准。而在数据采集过程中，数据采集终端也需要与BDS的技术要求和参数一致，因此，在制定数据终端的相关技术要求和规定的时候要考虑BDS技术特点。在数据服务方面，随着现代测绘向信息服务测绘方向的转变，测绘数据的服务领域将进一步扩大，为此，需要探讨和分析基于BDS的技术检测手段和方法，在明确满足地理国情监测所需要的数据及服务的技术标准的同时给其他领域的数据及服务标准留有技术空间。具体标准组成如图2所示。

图2　数据采集、加工处理技术类标准组成

新制定基于BDS的测量规范：从数据精度和质量角度出发，重点考虑在不同等级下测量方法、精度指标、数据内容、技术要求、数据处理流程、通信功能对数据采集过程中数据质量的影响等内容。

新制定基于BDS的RTK测量规范：从数据精度和质量角度出发，考虑使用不同的差分方式下精度指标和技术要求等内容。

新制定BDS测量型接收机、RTK接收机检定规程：用于规定检定目的、检定项目、检定方法、技术要求等内容。

新制定BDS测量设备接口、交换协议：用于规定不同测量设备之间接口、数据交换、交换协议、通信方式等内容。

扩展海洋导航卫星测量规范：扩充内容涉及应急测绘、数据现势性等的规定。

新制定BDS海岸线测量规范：用于规定北斗系统的海岸线识别定位技术、陆地海岸线、海岛礁岸线的识别定位、以上各种海岸线的绘制等内容。

新制定BDS海岛礁线测量规范：用于规定北斗系统的海岛礁识别定位技术、地物识别与分类、地形图测量、绘制等内容。

新制定基于BDS的海图测绘规范：用于规定术语、不同比例尺下海图测绘、海洋航线、航标、海岸带地形图、海洋经济专属区等的电子地图绘制等内容。

新制定BDS地籍测量规范：用于规定术语、适用范围、面积数据精度、图式等内容。

修改国界线测绘、省级行政区域界线测绘、县乡行政区域界线测绘规范：修改其中的数据精度、应急测绘等方面的内容。

新制定基于BDS的工程测量规范：规定术语、适用范围、不同等级、不同应用领域下数据精度、现势性等内容，满足一般的工程测量需求。

新制定BDS的精密工程测量规范：在上一个规范的基础上，增加精密等级的数据精度规定。

新制定BDS变形监测测量规范：用于规定变形监测的使用范围、数据精度、数据时效性、监测方法等内容。

(3) 导航定位与位置服务类标准

当今世界已经进入信息时代与网络社会，物联网、智慧地球成为全社会关注的热点，世界上的一切事件均可被赋予准确的时空戳印，位置信息服务成为当代社会发展的一个重要方向[9]。导航定位和位置服务同样是测绘地理信息技术广泛应用于社会的热点技术，具有广泛的市场前景，而由于BDS独有的实时通信能力，必将对这一应用领域产生重大的影响。为了能及时跟进社会的需求、引领导航定位及位置的技术潮流和促进这一不断壮大的市场的健康有序发展，全方位地打破时间和空间的局限，提供随时随地、按需供给的泛在智能信息服务，需要分析社会需求与BDS技术能力的关系、不同的社会应用对空间定位精度和时效性的要求、点对点位置信息服务的技术要求、实时路径导航过程中位置信息的融合与更新技术特征、全息位置信息的迭加原理、普适位置服务的信息集成技术、探讨实时交通信息与定位信息统一编码的技术特点，从而满足导航定位和位置服务的个性化、智能化、全方位的社会需求。具体标准组成如图3所示。

图3　导航定位与位置服务类标准组成

新制定BDS位置服务数据规范：规定在导航与位置服务中一般用户在数据精度、时效性等方面的内容。

新制定BDS高精度定位数据规范：规定特殊用户对高精度数据需要的指标，包括三维数据精度、授时精度、速度、姿态、运动趋势等方面的内容。

新制定BDS导航定位服务系统规范：用于规定导航定位服务系统所具有的功能(接收和发送)、界面组成、响应速度、通信功能集成等方面内容。

新制定BDS全息位置地图数据规范：用于规定数据形式(全景相片、地图、3维街景、导航数据、室内外3D数据、多媒体数据、爬取数据等)、数据内容(具有的坐标、属性、字段信息、描述信息等)、数据格式(不同数据形式下的数据格式)、数据分类编码、数据的空间关系等内容。

新制定BDS全息位置地图迭加规范：用于规定在地图迭加过程中时态属性提取、空间参考转换、多尺度表达内容定义、地理网格编码、相对位置自然语言描述、全息位置信息的迭加原理等内容。

新制定BDS智能信息服务语义规范：用于规定用户端发送位置服务请求时的语义规范、导航与位置服务系统进行语义转换的规范与方法等内容。

新制定BDS位置服务的授时规范：用于规定在导航与位置服务中不同用户的北斗系统的授时精度，对系统的时间延迟度等内容。

新制定BDS导航定位与授时融合规范：用于规定不同的类型用户对数据时效性的需求、实时路径导航过程中位置信息的更新技术与时间融合方法、保持位置信息与时间信息的一致性。

新制定BDS室内外协同导航定位规范：根据室内外导航定位的特点及对数据粒度的需求的差异，规定数据精度、时效性及位置时间一致性等内容。

(4) 测绘地理信息应急技术类标准

测绘信息应急保障是测绘地理信息技术应用的重要课题，其核心是数据的准确性和现势性，BDS具有的通信功能可以为测绘信息应急保障提供可靠和有效的基础技术支持。为此，可以从以下3个方面考虑：在应急数据的获取方面，需要分析面向应急应用的测绘数据的粒度和时效特征，研究数据精度与地理位置的空间关系和通信能力与应急需求的时效性，探索事件与数据及应急服务的统一编码体系，确定应急服务所需的数据及服务技术标准和规范；在应急信息的提供方面，应避免应急应用过程中的数据融合和集成的时间延迟，明确测绘信息技术在应急应用的能力和水准，从而减少应急关键决策中因技术服务的模糊性而产生的误判和失误；在应急服务的保障方面，需要考虑面向应急应用的特点，分析应急系统的体系结构，制定相关标准保证系统的正常运行、应急信息的安全可靠。具体标准组成如图4所示。

图4　测绘地理信息应急技术类标准组成

新制定面向测绘应急应用的BDS语义标准：用于规定基于BDS的测绘应急应用技术中涉及的术语、信息分类、元数据，以及图示符号、数据交换方式、数据交换格式等基本要素，规范应急系统全局的语义及表达方式，消除语义方面的信息共享障碍。

新制定面向测绘应急应用的BDS通信分类与编码标准：用于规定在应急应用中要素编码、应急数据编码、通信内容的编码等相关内容。

新制定面向测绘应急应用的BDS终端标准：用于规定包括终端功能描述的规范，移动指挥终端规范，手持、车载终端规范及应急测绘对人机界面功能的要求。

新制定面向测绘应急应用的BDS信息服务标准：用于规定整个应急测绘信息服务系统服务流程、方式方法、对外信息接口，以及接口参数的格式和通信协议、交换指标的考核内容、指标体系等确保应急测绘服务体系的功能实现。

新制定面向测绘应急应用的BDS信息安全标准：用于规定系统信息安全规范、身份认证规范、系统访问控制等相关的确保信息安全的内容。

新制定面向测绘应急应用的BDS终端运维标准：用于规定具有应急应用功能终端设备的注册、维修、检定、保障运行及培训等相关内容。

(5) 卫星测绘管理类标准

为保障基于BDS的测绘地理信息技术的测绘工作的顺利实施，需要充分考虑测绘地理信息行业特征，并且分析现有的测绘地理信息标准体系中对测绘成果管理的相关标准和规范，制定出更加适合北斗卫星测绘工作实际需要的规范和标准体系。具体标准组成如图5所示。

图5　基于BDS的测绘管理类标准组成

新制定基于BDS的测绘项目管理规范：用于规定基于BDS的测绘技术设计、技术总编、质量管理、工程监理、设备安全、人员安全、成果安全等内容。

新制定基于BDS的测绘成果管理规范：用于规定数据库备份、数据库运行维护、成果编目、保管、存储、汇交、安全处理等方面的内容。

新制定基于BDS的测绘归档管理规范：用于规定数据档案管理、文档归档、成果归档、项目档案归档等方面的内容。

新制定基于BDS的测绘质量体系认定规范：用于规定质量体系认定、基于北斗的测绘人员资格认证、数据生产软件、标准数据测试等方面的内容。

四、基于BDS的测绘地理信息标准体系

以上对基于BDS的测绘地理信息技术标准的需求进行了分类归纳，并将各类标准归入了不同的层次。根据上述分析，可以初步构建出基于BDS的测绘地理信息技术标准体系框架，具体如图6所示。

图6　基于BDS的测绘地理信息技术标准体系框架

五、结束语

本文从信息化测绘技术的实际发展需求出发，参考了现有的《测绘标准体系框架》，结合BDS的特点和优势，从测绘工程物理流程、服务领域等多个视角对框架中的标准组成进行了分类[10]，归纳提出的“基于北斗卫星导航系统的测绘地理信息技术标准体系框架” 为测绘地理信息标准化体系更新提供了重要参考。

整个标准体系框架共分为5大类，17个小类，总计44项标准，各个大类标准之间相互关联，与现有的标准体系互为补充，各有侧重。框架中所提出的标准分类、范围及数量并非一成不变，随着测绘科学与技术的不断发展与广泛应用，以及BDS参数的优化、性能的提高，基于BDS的测绘地理信息技术标准体系的构成、数量等也将随之不断调整、补充和完善。

参考文献：

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[2]朱筱虹,李喜来,杨元喜. 从国际卫星导航系统发展谈加速中国北斗卫星导航系统建设[J].测绘通报,2011(8):1-4.

[3]中国卫星导航系统管理办公室. 系统介绍[EB/OL].(2011-12-06)[2013-12-10].http:∥www.beidou.gov.cn/xtjs.html.

[4]杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[5]施闯,赵齐乐,李敏,等. 北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学:地球科学， 2012(6):854-861.

[6]刘基余. 关于北斗卫星导航系统技术标准化的几点建议[J].导航定位学报,2013,1(1):101-107.

[7]姚一飞,王浩,赵东发,等. 北斗卫星导航定位系统综述[J].科技致富向导,2011(5):10.

[8]谭述森. 北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报,2008,29(2):391-396.

[9]周成虎,朱欣焰,王蒙,等. 全息位置地图研究[J]. 地理科学进展,2011(11):1331-1335.

[10]刘春霞,杨海峰,胡彩波. 浅析北斗卫星导航系统的标准化与产业化[C]∥第二届中国卫星导航学术年会电子文集.北京：[s.n.],2011.

引文格式：李霖，邢小雨，李国忠. 北斗导航系统应用于测绘地理信息服务的标准化技术体系分析[J].测绘通报，2015(3)：6-11.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0063