基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密技术

秦　宽　高军虎

(西安市勘察测绘院，陕西西安　710054)

The Intelligent Transformation and Control Technology of Real-time Coordinate and Elevation Based on the CORS Client

QIN Kuan　GAO Junhu

基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密技术

秦宽高军虎

(西安市勘察测绘院，陕西西安710054)

The Intelligent Transformation and Control Technology of Real-time Coordinate and Elevation Based on the CORS Client

QIN KuanGAO Junhu

摘要为了改善外业测量成果转换的低效率问题，加强城市坐标系统转换参数和地方水准面模型的保密性，研究网络RTK实时坐标与高程转换技术，解决坐标转换参数与高程转换模型的加密控制，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，提高了城市CORS网络的工作效率。算例表明，实时坐标和高程转换精度均在mm级。

关键词坐标转换高程转换参数加密CORSRTK

相对于传统测量手段，基于城市CORS的实时网络RTK技术具有快捷、高效等优势，因此，RTK技术得到了快速发展并在测量领域得到了广泛应用。由于地方坐标转换参数以及区域似大地水准面成果是国家的重要地形资料，难以直接获取，难以将WGS84坐标实时地转化为地方坐标，无法最大限度地发挥城市CORS的优势。鉴于此，在分析实时三维坐标和高程转换核心模型的基础上，研究实时三维成果智能转换加密控制技术，进而研制了基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密软件，以提高城市CORS网络的工作效率与安全性。

1实时坐标和高程转换的核心模型

基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密技术的主要内容包括CGCS2000坐标系成果、ITRF2005框架坐标系成果、WGS84坐标系成果、1954北京坐标系成果、1980西安坐标系成果与西安任意平面直角坐标系之间的相互转换以及区域似大地水准面成果的高精度高程转换。因此，研究了空间坐标系与大地坐标系的相关转换模型、高斯平面坐标正反算模型、七参数和四参数坐标转换模型和高程转换模型。

1.1　空间坐标系与大地坐标系的相关转换

空间直角坐标与空间大地坐标是大地测量工作中最常用的两种坐标系类型，对于某一确定的椭球，地面上任意一点的空间大地坐标到相应的空间直角坐标的转换关系如下

(1)

式中，X、Y、Z为空间直角坐标；B、L、H为椭球面上的大地纬度、大地经度和大地高；N为椭球卯酉圈曲率半径，e为椭球偏心率。

反之，对于某一确定的椭球，地面上任意一点的空间直角坐标到相应的空间大地坐标的转换关系如下

(2)

式中的后两式存在交叉变量，在解算的过程中必须采用迭代的方法进行求解。

1.2　高斯平面坐标正反算

工程中，有时需要对大地坐标(B，L，H)进行投影，获取其在区域上的平面坐标和高程(x，y，H)，或者利用平面坐标和高程(x，y，H)获取其大地坐标，因此需实现高斯平面坐标正反算。采用经典高斯正反算公式进行转换，保证转换精度小于0.1 mm。

1.3　七参数和四参数坐标转换

对于空间三维坐标转换，采用目前最为成熟的布尔莎-沃尔夫转换模型，该模型又称为七参数转换或7参数赫尔默特变换，在该模型中共采用7个参数，分别是3个平移参数、3个旋转参数(也被称为3个欧拉角)和1个尺度参数。设有两个分别基于不同基准的空间直角坐标系OA-XAYAZA和OB-XBYBZB，采用布尔莎模型将OA-XAYAZA下的坐标转换为OB-XBYBZB的坐标转换公式为

(3)

式中，包括三个平移参数(ΔX、ΔY、ΔZ)、三个欧拉角旋转参数(εx、εy、εz)、一个尺度比参数m。

对于平面二维转换，转换模型类似7参数，但转换参数仅包括2个平移参数，1个旋转参数(也被称为欧拉角)和1个尺度参数。设有两个分别基于不同基准的二维平面坐标系OA-XAYA和OB-XBYB，则利用4参数将OA-XAYA下的坐标转换为OB-XBYB的坐标转换公式为

(4)

式中，包括二个平移参数(ΔX,ΔY)、一个旋转参数θ，一个尺度比参数m。

1.4　基于高程转换模型的大地高和水准高转换

直接RTK测量得到的是WGS84下的大地高高程，这是在椭球系下的高程值，而常规工程测量中用到的是水准面高程(正常高)，二者相差一个高程异常，实际工作中需要对大地高进行转换，大地高与正常高的转换公式如下

(5)

以区域似大地水准面格网成果为基础，通过研究高程转换模型，实现单个点或批量点的高程异常拟合最优值，进而实现大地高和正常高间的实时转换，

2实时坐标和高程转换与加密控制技术

为了保障地方坐标转换参数以及区域似大地水准面成果的安全性，在数据保密及用户权限限制方面实现五个层次的加密技术：(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。通过以上加密技术，加强城市坐标系统转换参数和地方水准面模型的保密性，实现对CORS用户端实时三维成果智能转换的技术控制。

五个层次的加密技术采用以下手段实现：通过加载加密安装文件进行安装，且不可复制使用，实现软件安装使用权限保密；通过在生成的安装文件中不含带任何原始数据信息，实现原始数据保密；在生成安装程序时，设计使用时间和次数，实现使用时间限制；通过管理员进行测区范围限制，实现使用测区范围限制；通过管理员设置用户需求权限，实现使用需求限制。

3实时坐标和高程转换与加密控制技术的实现流程与软件开发

基于对CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密控制技术的研究，实现了实时三维成果智能转换的核心算法，并将保密的数据和参数通过加密手段加载在外业测量观测手簿上，进而对地方坐标转换参数以及区域似大地水准面成果进行加密控制，最终以软件的形式实现。

根据实时坐标和高程转换与加密控制技术的软件流程，本软件开发了天宝、南方、拓普康等RKT数据文件读取模块，空间坐标7参数和平面坐标4参数计算模块，坐标系内的投影变换模块，管理员授权密码计算模块，管理员坐标转换模块，RKT坐标转换模块等。通过软件工程方法对各个模块进行集成，开发了基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密控制软件(如图1)。

图1　实时坐标和高程转换与加密控制技术的软件实现流程

4算例分析

为了检测基于CORS用户端的实时坐标和高程转换与加密控制软件的三维坐标转换、二维坐标转换以及高程转换精度，采用大量的RTK实测数据，进行WGS84至CGCS2000、 XIAN80坐标、北京54坐标、西安地方独立坐标系坐标成果转换测试。

WGS84至CGCS2000坐标成果转换的检测结果中检测点个数为76，每个点给定“真值”在XYZ方向上的残差如图2所示。统计后的三维点位精度值(RMS)为0.6 mm，满足工程精度要求。

图2　WGS84至CGCS2000坐标成果转换的检测结果

WGS84至XIAN80坐标成果转换的检测结果中检测点个数为76，每个点与给定“真值”在xy方向上的残差如图3所示。统计后的二维点位精度值(RMS)为5.2 mm，满足工程精度要求。

图3　WGS84至XIAN80坐标成果转换的检测结果

WGS84至北京54坐标成果转换的检测结果中检测点个数为76，每个点与给定“真值”在xy方向上的残差如图4所示。统计后的二维点位精度值(RMS)为3.3 mm，满足工程精度要求。

图4　WGS84至北京54坐标成果转换的检测结果

WGS84至西安地方独立坐标系坐标成果转换的检测结果中检测点个数为76，统计后的二维点位精度值(RMS)为4.6 mm，满足工程精度要求。

为了进一步保障了软件的可靠性，将本软件的转换结果与其他软件的转换结果进行对比，如图5、图6所示。

图5　大地高至水准高的高程转换成果检测结果

大地高至水准高的高程转换成果检测结果中检测点个数为69，本软件与武测软件的互差精度优于1.0 mm，满足工程精度要求。

图6　高程转换结果与武测软件结果互差

5结论

通过研究网络RTK实时坐标与高程转换技术，并兼顾坐标转换参数与高程转换模型的保密性原则，提出和建立基于城市CORS的网络RTK实时坐标和高程获取的一系列方法和步骤，并最终开发了与之对应的坐标成果与高程成果转换软件，提高加强了西安市乃至全国网络RTK外业坐标与高程成果转换工作的自动化和规范程度，为改善并解决外业测量成果转换的低效率问题，加强城市坐标系统转换参数和地方水准面模型的保密性提供了实现手段，对进一步发挥和提高城市CORS网络的应用领域和工作效率具有一定的实际意义。

参考文献

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中图分类号：P226+.1； P226+.3

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)04-0024-03

作者简介：第一秦宽(1968—)，男，高级工程师。

收稿日期：2015-04-09