牟應(yīng)錄，周 星，張世同

(1.甘肅省測(cè)繪地理信息局，甘肅 蘭州730099;2.甘肅省測(cè)繪工程院，甘肅蘭州730050;3.北京天拓斯特科技有限公司，北京100084)

一、引 言

依照甘肅省人民政府提出的“十二五”測(cè)繪地理信息科技發(fā)展目標(biāo)，甘肅省測(cè)繪地理信息局將建立現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)體系作為“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)目標(biāo)。甘肅省亟待建立以CORS為基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系，以滿足“一張網(wǎng)、一個(gè)庫、一個(gè)平臺(tái)”的現(xiàn)代化測(cè)繪需求。

此次GSCORS建設(shè)項(xiàng)目要求從更高的層次、更廣的視野來謀劃全省測(cè)繪地理信息事業(yè)的發(fā)展，要用新的思路、新的舉措來實(shí)踐發(fā)展目標(biāo)。按照“構(gòu)建數(shù)字中國(guó)、監(jiān)測(cè)地理國(guó)情、發(fā)展壯大產(chǎn)業(yè)、建設(shè)測(cè)繪強(qiáng)國(guó)”的總體戰(zhàn)略，加強(qiáng)基礎(chǔ)測(cè)繪、強(qiáng)化統(tǒng)一監(jiān)管、推進(jìn)成果應(yīng)用、服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，通過項(xiàng)目實(shí)施，全面推動(dòng)甘肅省的測(cè)繪地理信息工作再上新臺(tái)階。

GSCORS建設(shè)要在國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)框架上，按照統(tǒng)一規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，在全省范圍內(nèi)統(tǒng)籌建設(shè)由120個(gè)基準(zhǔn)站點(diǎn)組成的衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)，用以構(gòu)建高精度、具有動(dòng)態(tài)更新能力的三維空間基準(zhǔn)。

GSCORS建成后，可以通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)布衛(wèi)星定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，幫助用戶隨時(shí)隨地精確測(cè)定大地坐標(biāo)，可為“數(shù)字甘肅”提供統(tǒng)一、連續(xù)、可靠、高精度的空間地理信息基礎(chǔ)框架。

結(jié)合目前甘肅省的建設(shè)需要，全面建成的GSCORS可應(yīng)用于以下幾方面:

1)加快國(guó)土資源調(diào)查與管理、基礎(chǔ)測(cè)繪工作步伐。由于甘肅省整體經(jīng)濟(jì)落后，國(guó)土面積大，1∶10 000的基礎(chǔ)測(cè)繪尚未能全省覆蓋，GSCORS的建立將推進(jìn)基礎(chǔ)測(cè)繪的進(jìn)程。

2)簡(jiǎn)化農(nóng)村集體土地確權(quán)登記發(fā)證、農(nóng)村土地承包經(jīng)營(yíng)權(quán)確權(quán)登記等工作。由于該工作點(diǎn)多面廣、工作量大，若采用傳統(tǒng)的地籍測(cè)量調(diào)查方法，其原始、低效的缺點(diǎn)將嚴(yán)重影響工作效率。GSCORS的建立不僅能為該工作提供長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠的定位基準(zhǔn)服務(wù)，而且能提高變更調(diào)查與遙感監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效率。

3)推動(dòng)找礦突破戰(zhàn)略工作。甘肅省目前確定了重點(diǎn)探礦區(qū)“三帶一盆”(北山、祁連山、西秦嶺成礦帶和隴東盆地)，使用該系統(tǒng)，解決了之前由于測(cè)繪基準(zhǔn)體系相對(duì)不完善所導(dǎo)致的問題，方便了重點(diǎn)探礦區(qū)的基礎(chǔ)測(cè)繪工作。

4)滿足防災(zāi)減災(zāi)的需要。依靠GSCORS成功地構(gòu)建了一個(gè)長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了極端天氣的快速預(yù)報(bào)，為預(yù)防緊急降雨造成的地質(zhì)災(zāi)害提供了決策數(shù)據(jù)依據(jù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)構(gòu)造斷裂帶活動(dòng)，以及大型工程和地表構(gòu)造的變形。

5)滿足其他領(lǐng)域應(yīng)用需求。城市管理:實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)期的定位導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字城市地理空間框架的重要支撐;氣象應(yīng)用:為氣象服務(wù)提供各種氣象參數(shù)，用于氣象預(yù)報(bào)、全省環(huán)境監(jiān)測(cè);交通運(yùn)輸管理:基于位置的導(dǎo)航服務(wù)、車輛定位及管理;以及地震、水利、農(nóng)林等。

GSCORS項(xiàng)目大大改變了甘肅省測(cè)繪地理信息工作的服務(wù)模式，也大幅提升了測(cè)繪地理信息的服務(wù)保障能力。

二、關(guān)鍵技術(shù)

為保障項(xiàng)目的順利實(shí)施，GSCORS采用了Trimble的NetR9基準(zhǔn)站接收機(jī)、扼流圈天線、平臺(tái)管理軟件Pivot及一系列先進(jìn)技術(shù)。

1.軟件的電離層建模及長(zhǎng)基線解算技術(shù)

甘肅省面積廣闊、形狀狹長(zhǎng)且不規(guī)則，東西長(zhǎng)1659 km，南北寬530 km，最窄處僅25 km，為基準(zhǔn)站的布設(shè)帶來了很大的困難。盡管進(jìn)行了多次的網(wǎng)形優(yōu)化，在最后的方案中仍然有26.96%的基線超過70 km(如圖1所示)，最大邊長(zhǎng)甚至達(dá)到180 km，如此多的長(zhǎng)基線邊對(duì)中心軟件的整網(wǎng)解算、電離層建模及長(zhǎng)基線解算能力都提出了非常高的要求。

圖1 基準(zhǔn)站相鄰基線長(zhǎng)度分布統(tǒng)計(jì)

Trimble Pivot采用了Trimble最新研發(fā)的電離層模型，該模型不僅能夠根據(jù)地域、邊長(zhǎng)、電離層活躍情況等自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，而且考慮了多項(xiàng)高階項(xiàng)改正，包括DCB(差分碼偏差)改正，使得建模更加精確。此外，Trimble公司還在全球建立了110個(gè)跟蹤站用于每天解算DCB文件，專門提供給Pivot的用戶使用，從而很好地解決了在長(zhǎng)邊區(qū)域電離層誤差很難精確建模，以及在距離基站較遠(yuǎn)的區(qū)域流動(dòng)站可能無法初始化或精度較差的難題。

從后面的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果也可以看出，即使在長(zhǎng)基線眾多的區(qū)域，系統(tǒng)仍然可以得到優(yōu)于2 cm的網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度。

2.軟件的對(duì)流層建模技術(shù)

甘肅海拔大多在1000 m以上，高低最大落差超過4000 m，境內(nèi)地勢(shì)起伏、山嶺連綿、江河奔流，地形相當(dāng)復(fù)雜。

在所有120個(gè)基準(zhǔn)站中，海拔最高的瑪曲站為3562 m，海拔最低的涇川站為997 m，高低落差超過2500 m。如此大的落差，隨之而來的就是溫度、氣壓、濕度等氣象參數(shù)的急劇變化，尤其在甘肅復(fù)雜的地形下，某些局部區(qū)域的對(duì)流層變化有時(shí)非常劇烈，這就對(duì)軟件的對(duì)流層建模能力提出了挑戰(zhàn)。

但通過使用Trimble Pivot，這些問題都得到了很好的解決。在高海拔落差區(qū)域建網(wǎng)方面，Trimble積累了豐富的技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，如瑞士國(guó)家CORS、四川省CORS，其中瑞士網(wǎng)最高最低站落差甚至超過甘肅省。Trimble最新研發(fā)的對(duì)流程模型具有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的特點(diǎn)，即軟件能夠自動(dòng)根據(jù)地域、海拔、大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)，即使在對(duì)流層發(fā)生劇烈變化時(shí)，仍然能獲得精確的對(duì)流層建模。

3.高精度的基準(zhǔn)站位移監(jiān)控技術(shù)

甘肅省位于強(qiáng)烈隆起的青藏高原東北部及其地殼厚度變異帶上，橫跨中國(guó)大陸東部地臺(tái)與西部地槽區(qū)的交接帶，境內(nèi)地形和地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。經(jīng)年累月，這些地質(zhì)活動(dòng)必然引起基準(zhǔn)站的緩慢位移，尤其甘肅還是我國(guó)地震活躍地區(qū)之一，一些地震也會(huì)導(dǎo)致周邊的突然劇烈位移。

為保障甘肅三維空間基準(zhǔn)的精度及可靠性，這些基準(zhǔn)站位移必須及時(shí)修正。根據(jù)一些專家建議，半年或1年應(yīng)重新解算一次基準(zhǔn)站坐標(biāo)，但一般很難做到。倘若某個(gè)基準(zhǔn)站突然發(fā)生了較大位移，即使通過半年或1年解算一次的方式，也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

GSCORS使用Pivot的高精度位移監(jiān)控技術(shù)很好地解決了這一難題。該技術(shù)不僅解算精度高，可以達(dá)到毫米級(jí)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)處理，從而可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)有位移的站點(diǎn)，并進(jìn)行糾正，避免空間基準(zhǔn)的扭曲及外業(yè)RTK精度受到影響。

4.虛擬化平臺(tái)技術(shù)

使用單一物理服務(wù)器模式進(jìn)行系統(tǒng)部署，具有硬件、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本高，系統(tǒng)可用性低、系統(tǒng)維護(hù)、升級(jí)或擴(kuò)容時(shí)需要暫停系統(tǒng)，存在可管理性缺乏、兼容性差等問題。為了更好地解決傳統(tǒng)單一物理服務(wù)器部署應(yīng)用方式所造成的弊端，GSCORS建設(shè)項(xiàng)目使用VMware虛擬架構(gòu)軟件的服務(wù)器虛擬架構(gòu)整合解決方案。

在GSCORS中，配置了1個(gè)IBM刀片服務(wù)器機(jī)箱，在機(jī)箱內(nèi)配置了8臺(tái)IBM刀片服務(wù)器、2臺(tái)SUN交換機(jī)、1臺(tái)IBM磁盤陣列，每臺(tái)服務(wù)器上都安裝配置了VMware—vSphere企業(yè)版虛擬化平臺(tái)軟件，用于在單個(gè)物理服務(wù)器實(shí)體上生成多個(gè)虛擬服務(wù)器。每一個(gè)虛擬服務(wù)器，從功能、性能和操作方式上等同于傳統(tǒng)的單臺(tái)物理服務(wù)器。同時(shí)系統(tǒng)采用SAN集中存儲(chǔ)方式，可以將每個(gè)虛擬機(jī)的文件系統(tǒng)創(chuàng)建在共享的SAN集中存儲(chǔ)陣列上，VMware VMFS虛擬機(jī)文件系統(tǒng)，是一種高性能的群集文件系統(tǒng)，允許多個(gè)ESX Server同時(shí)訪問同一虛擬機(jī)存儲(chǔ)，從而消除了單點(diǎn)故障。

GSCORS系統(tǒng)中布設(shè)7臺(tái)虛擬服務(wù)器和1臺(tái)獨(dú)立的物理服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)Trimble Pivot各功能模塊在不同的虛擬機(jī)中的冗余備份，獨(dú)立的服務(wù)器位于DMZ區(qū)中，用作對(duì)外服務(wù)的服務(wù)器，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 GSCORS中Pivot軟件虛擬化服務(wù)架構(gòu)

目前系統(tǒng)部署的虛擬機(jī)創(chuàng)建不多，隨著后期的應(yīng)用擴(kuò)展，需要在該系統(tǒng)中布設(shè)更多的擴(kuò)展應(yīng)用，從而需要更多的虛擬機(jī)，如GAMIT解算服務(wù)、TBC解算服務(wù)器，以及Pivot的其他擴(kuò)展應(yīng)用(如氣象應(yīng)用)，該系統(tǒng)將成為一個(gè)綜合型的應(yīng)用系統(tǒng)。

5.智能數(shù)據(jù)備份技術(shù)

為確保GSCORS核心數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，系統(tǒng)采用備份系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)如下功能:

1)實(shí)現(xiàn)對(duì)GSCORS應(yīng)用數(shù)據(jù)、文件及虛擬機(jī)系統(tǒng)的全面保護(hù)。

2)對(duì)所有數(shù)據(jù)資料建立備份，實(shí)現(xiàn)集中多版本管理。

3)當(dāng)系統(tǒng)中的某一虛擬機(jī)發(fā)生故障崩潰后能恢復(fù)至正常狀態(tài)。

4)有效防范由于操作人員誤操作、硬件損壞、病毒感染、計(jì)算機(jī)被盜等情況帶來的數(shù)據(jù)損失，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時(shí)能迅速恢復(fù)資料，不影響正常工作，提升工作效率。

為實(shí)現(xiàn)以上需求，GSCORS采用CofioAIMstor備份軟件，該軟件安裝在一臺(tái)IBM服務(wù)器上，備份數(shù)據(jù)采用DFT存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)空間應(yīng)用RAID5技術(shù)作數(shù)據(jù)冗余，可用數(shù)據(jù)備份空間大概23 TB。

通過備份系統(tǒng)的搭建，可對(duì)系統(tǒng)中的多臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)管理，可采用多種方式(數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)遷移等)、多種策略(完全備份、CDP、快照、定時(shí)備份、實(shí)時(shí)備份)的組合進(jìn)行策略定制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的備份管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)所有數(shù)據(jù)的定期備份，保證數(shù)據(jù)在員工誤操作、硬件損壞、病毒感染等情況下不丟失且能夠快速恢復(fù);對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行裸虛擬機(jī)備份和恢復(fù)，保證各個(gè)服務(wù)器在故障或宕機(jī)情況下，業(yè)務(wù)在不間斷情況下得到接管，保證系統(tǒng)的持續(xù)工作。

三、測(cè)試及應(yīng)用

Trimble的技術(shù)和產(chǎn)品特性滿足了項(xiàng)目施工要求，在構(gòu)建GSCORS中發(fā)揮了不可或缺的作用，也保證了系統(tǒng)建設(shè)工作保質(zhì)保量的完成。一次性安裝調(diào)試工作共由5個(gè)作業(yè)小組承擔(dān)，全部站點(diǎn)安裝調(diào)試工作于一個(gè)月內(nèi)如期完成。目前已通過系統(tǒng)測(cè)試和各階段的項(xiàng)目驗(yàn)收，全省RTK定位測(cè)試了150個(gè)點(diǎn)，平面精度1～2 cm，大地高精度2～3 cm。驗(yàn)收結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1、圖3、圖4所示。

表1 驗(yàn)收結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 cm

圖3 平面精度與最近基準(zhǔn)站的距離關(guān)系圖

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)整網(wǎng)精度高，且具有一致性，定位精度與基準(zhǔn)站距離沒有顯著關(guān)系。

圖4 大地高精度與最近基準(zhǔn)站的距離關(guān)系圖

四、應(yīng)用開發(fā)

為了更好地應(yīng)用GSCORS、更好地管理和服務(wù)系統(tǒng)用戶，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)了GSCORS管理服務(wù)平臺(tái)(如圖5所示)，該平臺(tái)具有如下功能:

1)將天地圖電子地圖數(shù)據(jù)，境界矢量數(shù)據(jù)，流動(dòng)站、基準(zhǔn)站位置等數(shù)據(jù)分圖層疊加顯示，直觀展示系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況。

2)實(shí)時(shí)監(jiān)控基準(zhǔn)站的運(yùn)行狀態(tài)，分市(州)統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)站故障數(shù)量，在地圖中區(qū)別顯示故障基準(zhǔn)站。同時(shí)統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)站所有的故障信息，以圖表的方式顯示故障分布，方便分析系統(tǒng)故障的主要原因，為改進(jìn)硬件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。

3)實(shí)時(shí)監(jiān)控流動(dòng)站位置和定位狀態(tài)、在線用戶數(shù)量，同時(shí)可以分地區(qū)、分行業(yè)展示實(shí)時(shí)在線用戶分布情況，并對(duì)流動(dòng)站的定位狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4)可以對(duì)流動(dòng)站用戶的歷史軌跡進(jìn)行回放，支持流動(dòng)站作業(yè)區(qū)域限制。

5)流動(dòng)站用戶分行業(yè)、分單位進(jìn)行錄入和顯示，便于流動(dòng)站用戶的規(guī)范化、精細(xì)化管理。

6)每天定時(shí)分析系統(tǒng)存儲(chǔ)的RINEX數(shù)據(jù)的完好性、多路徑效應(yīng)等信息，并以圖形化方式展示，便于分析基準(zhǔn)站周邊環(huán)境狀態(tài)。

五、結(jié)束語

圖5 GSCORS管理服務(wù)平臺(tái)界面

該項(xiàng)目在甘肅省建立了一個(gè)與國(guó)家空間坐標(biāo)基準(zhǔn)框架相統(tǒng)一、無縫、三維、動(dòng)態(tài)的區(qū)域基準(zhǔn)框架，先進(jìn)的技術(shù)方案解決了狹長(zhǎng)區(qū)域布網(wǎng)及高差大對(duì)高精度實(shí)時(shí)定位的影響;項(xiàng)目實(shí)施過程真正實(shí)現(xiàn)了科學(xué)管理、科學(xué)建設(shè)。同時(shí)，結(jié)合似大地水準(zhǔn)面模型等研究成果，建立了高精度導(dǎo)航定位服務(wù)平臺(tái)，通過多種現(xiàn)代通信手段在全省范圍內(nèi)提供多種精度、多種模式的導(dǎo)航定位服務(wù)，還實(shí)現(xiàn)了事后精密定位服務(wù)功能。該系統(tǒng)不僅可以向用戶提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)定位服務(wù)，還可以為氣象等部門提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，拓展GNSS氣象學(xué)應(yīng)用研究。從技術(shù)方面而言，保證了與內(nèi)蒙古、新疆、青海、四川、寧夏、陜西等系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，為西北大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)打下了基礎(chǔ)。

從國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)來看，Trimble幫助甘肅省構(gòu)建了現(xiàn)代化測(cè)繪基準(zhǔn)體系，很好地滿足了“整合資源、共建共享、全面布網(wǎng)、技術(shù)先進(jìn)、科學(xué)管理”的要求，即:首先，整合了中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系基礎(chǔ)設(shè)施、部分市州系統(tǒng)的現(xiàn)有資源;其次，聯(lián)合省國(guó)土、氣象、地震等多個(gè)部門，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，通過合作建設(shè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享;最后，除了全省統(tǒng)一布網(wǎng)，各市、縣和州還可根據(jù)自身需求加密站點(diǎn)，從而建成一個(gè)權(quán)威的、統(tǒng)一面向社會(huì)的空間定位信息綜合服務(wù)平臺(tái)。