内蒙古2000国家大地坐标框架建立.doc

内蒙古自治区2000国家大地坐标框架的建立及实时服务摘要：启用2000大地坐标系的必要性；内蒙古2000国家大地坐标框架建立；关键词：2000框架；CGCS2000;实时服务；参数加密；格网改正；1序言大地测量的主要任务是测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供相关的地区空间信息。为了表示、描绘和分析各种测量成果，必须建立统一的大地坐标系。随着大地测量学的不断发展，大地坐标系的建立和维护也随着测量工具和技术方法的不断，取得了突破性进展。人类在地球上的一切活动都处在一定的时间和空间里，要对人类活动的地理位置进行定量描述，就需要一个统一的地面参参考。大地坐标系统作为描述地球事务空间位置的参考系统，可将各种无关联的空间信息统一起来，用于重构和研究空间信息的几何和物理关系，是建立地理信息系统、数字地球、数字城市的基础平台，直接服务于国家经济建设、国防建设和人类各种社会活动。和世界其他各国一样，我国大地坐标系统的建立也经历了从局部参心坐标系统到全球地心坐标系统的漫长过程。我国于20世纪50年代和80年代分别建立了1954年北京坐标系、1980西安坐标系和1954年北京坐标系（整体平差转换值）。但受当时技术条件的制约，这些大地坐标系统基本依赖于传统技术手段实现。这些坐标系历经数十年，在我国国民经济、社会发展和科学研究中发挥了重要作用。但由于采用这些坐标系得到的成果精度偏低，维持困难，已经严重制约了这些成果在国民经济和国防建设中的广泛应用。20世纪90年代以来，以全球导航卫星系统（GNSS）为主的现代空间定位技术迅猛发展，地面位置测量技术发生了根本性变革，迫切需要一种高精度、地心、动态、统一的大地坐标系作为位置测量的参照系。国际大地测量协会所属国际GNSS服务中心（IGS）适时向全球提供了全球地心坐标参考框架ITRF，并在建立国际地球参考框架和区域性地球参考框架方面做了许多卓有成效的推动工作。为适应全球地心坐标系统的发展趋势，使我国航天、海洋、地震、气象、水利、建设、规划、地质调查、国土资源管理等领域的科学研究有一个以全球参考基准为背景的、全国统一的、协调一致的、原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系统，来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题，我国在2008年7月1日正式启用了地心坐标系统2000国家大地坐标系（CGCS2000）。内蒙古自治区于2012年5月1日起，我区1:1万基础测绘坐标系统，全部启用2000国家大地坐标系（CGCS2000）。同时，根据国家测绘地理信息局的要求，建立、使用和转换2000国家大地坐标系成果要求，内蒙古已完成2000国家大地坐标系自治区级控制点的解算工作，并提供使用。目前，内蒙古测绘档案科技资料馆2000国家大地坐标成果主要有国家级B级点84个，自治区级B级点964个；各等级三角点18373个；1： 5万、1： 1万（有14925幅）DLG、DEM、DOM成果数据。2012年5月以后，在新布设的C级、D级控制网中，高等级GPS控制网将只计算2000国家大地坐标系成果。如需要1980西安坐标系和1954年北京坐标系可通过自治区坐标转换软件求取。2.内蒙古2000国家大地坐标系的建立：首先通过整合内蒙古GPS控制网完成内蒙古2000国家大地坐标框架的建立；其次利用NMGCORS系统实现2000国家大地坐标的实时服务，完成了内蒙古2000国家大地坐标框架的建立及相应的转换参数的确定；研制出自治区坐标转换软件，实现各坐标系统之间的相互转换；将坐标基准成果、NMGCORS及似大地水准面精化成果有机融合，研发了省级2000国家大地坐标系成果/1980西安坐标成果/国家85高程实时服务系统，解决了网络RTK定位传输过程中及应用端的成果保密问题。2.1主要技术成果：1、以2000国家大地控制网内蒙古内的GPS网点为起算基准，将NMGCORS系统与自治区级A、B、C级网整体平差，建立了自治区统一的、高精度的2000国家大地坐标框架；2、精确确定了内蒙古的1980西安坐标系成果与2000国家大地坐标系成果转换关系；3、通过建立转换参数及三维改正数格网的方法，将坐标基准成果、NMGCORS及似大地水准面精化成果有机融合，实现了三维坐标信息的实时获取。4、研发了内蒙古2000国家大地坐标系成果/1980西安坐标成果/国家85高程实时服务系统，并利用伪参数、参数分解等技术解决了网络RTK定位传输过程中及应用端的成果保密问题。基于NMGCORS的实时坐标服务可广泛应用于内蒙古各类测绘工程和卫星导航定位服务，也可直接改造应用到自治区各市级CORS系统及推广应用到我国类似的省市级CORS系统项目中。目前，该实时服务已广泛应用到我区的各类测绘工程中，如内蒙古第二次全国土地调查成果更新项目、11万基础测绘等项目。当前，NMGCORS实时定位服务注册用户已达200余个，项目解决了用户端设备实时获取平面/高程的通用性问题，节约了设备改造费用，以每台设备改造费用5000元计，隐含节约的设备改造费用超50万元；项目实现了全区统一的、高精度的2000国家大地坐标及其他应用坐标的实时获取，每个盟市2000国家大地坐标系实施及计算各类转换参数以10万元计，本项目的实施为内蒙古12盟市可节约费用逾120万元。2.2主要研究成果有： 2.2.1研究了CORS实时坐标转换加密方法CORS系统直接提供的坐标结果通常为ITRF框架下的坐标体系，而用户需要的则是应用坐标系成果，因此CORS框架坐标与应用坐标系成果的转换就逐渐成为了影响CORS应用服务实时性的一个瓶颈。当前主要有以下两种技术实施方案。一是陈俊勇等（2005）研制了GPS测图软硬件一体化系统。通过硬件加密，固化似大地水准面数据，实现该系统的软硬件的一体化集成。为了保护大地水准面数据的安全和保密性，特别设计了用于PDA与GPS连接的智能插卡，该插卡内含CPU及EPROM，一端与GPS接收机相连，另一端与PDA相连。二是杨光等（2008）建立了基于CORS平台的三维坐标转换系统。基于无线网络和CORS平台，以C/S体系架构，开发了包括服务器端(GZGeoServer)和客户端(GZGeoClient)这两大支撑软件，以远程在线模式实现了包括坐标及高程在内的转换计算，实现了异地、多用户、实时的三维坐标的快速和精确确定。在现采用的实施方案中，需要将（改正数）格网固化在用户端手簿或“以远程在线模式实现了包括坐标及高程在内的转换计算”，存在用户端被破解或转换关系被盗用（如采用软件模拟不同区域的坐标实现转换，进而计算出转换参数）的隐患。自治区研究的CORS坐标实时转换加密方法保密性强、参数严格控制及转换流程不涉密。（1）保密性强。本项目采用了先概略转换然后改正数格网进行纠正的方式，改正数格网为基于概略转换参数（可一定值域范围内随机生成）后的格网；而且采用了改正数转移矩阵，使格网改正由用户端转移到了控制中心端来执行。因此，相比直接的似大地水准面精化模型及其格网加密放在用户端的方案更具有保密性。（2）参数严格控制。由于采用了严密七参数分解，即将概略的转换七参数采用严密的公式推导后实现了参数分解，即对于任何一个用户，控制中心和用户端各管理一套七参数，二者先后转换后才能得到应用坐标系成果，缺任何一套参数将只能得到差异大的伪成果。在现有技术中一套精确的转换参数，所有用户都是通用的，参数的传播将是不可控的；而且转换参数自身是需要保密的，因此不论是在控制终端还是在用户端使用都存在数据安全问题。相比较，内蒙古采用了参数分解，且总参数自身就是概略转换参数，达到了严格的安全性要求；参数分解可实现每个用户一套随机参数，两套参数成为了相互检核确认的“密钥”，方便了用户管理及参数的控制。（3）转换流程不涉密。形成了分步处理的改正方法，形成了先控制中心端格网改正及参数一改正，用户端参数二转换得到应用坐标成果及高程。而通常采用的两种转换技术，一种是全部在控制中心转换，即用户端得到CORS框架坐标成果后通过相关转换插件提交到控制中心，控制中心根据精确的转换关系及拟合模型转换到应用坐标系成果回传给用户；另一种是直接将转换参数输入到用户端手簿，进行坐标转换，相关模型则以硬件狗的形式接入到用户端手簿。对比现有技术，在各个转换过程中未涉及任何保密数据，是完全安全的。2.22研究解决了CORS实时坐标转换用户端的硬件通用性问题在现有的实施方案中，需要将（改正数）格网固化在用户端手簿或插入智能插卡，或在用户端安装客户端软件，两种方案均导致用户端的硬件通用性不高，如仪器品牌不同、甚至同品牌不同型号都需要重新开发不同的智能插卡或用户端软件等。内蒙古采用了先概略转换然后改正数格网进行纠正的方式，提出了改正数格网转移矩阵，使复杂的格网改正转移到了控制中心集中处理，使用户端只需采用通用的、基于布尔莎模型的临时七参数，不用添加任何插件及程序，具有设备的通用性，避免了用户端设备改造麻烦，更节约了用户端设备改造成本。223.建立了内蒙古2000国家大地坐标框架以2000国家大地控制网自治区内的GPS网点为起算基准，将GDCORS系统与自治区A、B、C级网整体平差，建立了内蒙古统一的、高精度的2000国家大地坐标框架；并精确确定了内蒙古和自治区区域的1980西安坐标系成果与2000国家大地坐标系成果转换关系。该部分工作的完成，建立了由GDCORS基准站与2000国家GPS大地控制网点组成的内蒙古2000国家大地坐标系框架网；通过约束平差的方法获取了GPS-A、B级网的2000国家大地坐标系成果，共1048个；通过转换计算了GPS-D级网的2000国家大地坐标系成果，共18373个；计算了1980西安坐标系成果到2000国家大地坐标系成果的转换参数一套，可满足1：1万及以下比例尺图件转换。224.制订了GDCORS坐标实时服务模式在采用新的坐标转换加密处理后，形成了非保密的CORS实时坐标转换流程，制订并形成了GDCORS坐标实时服务模式。一是解决了实时坐标服务系统中服务端、数据发播过程、用户端的坐标成果保密难题。设计的新的转换体系，如概略转换参数建立、参数分解等，实现了实时坐标服务系统全过程无相关的保密信息。二是安全的用户管理。参数分解方法的使用，一套概略参数理论上可分解为无穷多套参数，用户端和控制中心分别掌握分解出来的两套参数，（用户端无参数获取的结果无意义），实现了对用户的分参数安全管理。三是参数更新机制、用户监控机制。概略转换参数及分解参数，为完全的随机临时参数，可按一定周期更换并通知