有关城市测绘的若干问题探讨

摘要: 本文就测绘基准的建立和维护、城市CORS系统与大地水准面精化、数据共建共享及三图“一体化” 等问题进行了论述。

关键词:城市测绘; CORS;数据共享;知识产权

经过半个多世纪的发展,我国的城市测绘形成了完整的技术体系,积累了大量测绘资料和数据,为我国测绘事业的发展作出了巨大贡献。当前,城市测绘面临良好的发展机遇和巨大的挑战,许多城市都在制订测绘发展战略。下面就相关热点问题进行探讨。

1统一城市测绘基准的建立和维护

测绘基准建立和维护是一切测绘工作的基础,是城市测绘重要的设施,是基础地理框架的基础和重要组成部分。城市网应该成为国家网的组成部分,但城市网要求根据平面控制点坐标反算的边长与实量边长尽可能相符,其差值必须限定在一定数值内,才能满1∶500比例尺测图和市政工程施工放样的需要。因此,城市坐标系统的建立有其特定的要求。由于历史和体制的原因,我国城市多种坐标系统并存现象较为普遍,给城市测绘、测绘成果的管理和应用造成了不利影响,使重复投资和重复测绘现象愈演愈烈,严重影响了政府投资效益,同时也加深了测绘成果共建共享的“数字鸿沟 ”。下面就结合某市测绘基准使用情况进行分析。

根据对某市及其所辖县的调研,其采用的坐标系统和高程系统的情况见表1 。

某市测绘基准使用情况(表1)

从表中可以看出,该市6个主要测绘单位(或测绘管理部门)采用的坐标系统、中央经线、高程系统大多数各不同。4个单位采用1954 年北京坐标系,但各有2个单位分别采用120°和120°20′的中央经线。有2个单位采用80西安坐标系,中央经线为120°。3个单位采用 1956年黄海高程系,3个单位采用85国家高程基准。从坐标系统完全一致性分类,分别由2个单位构成3组:采用54北京坐标系统(120 020′)的市国土局和JY国土局, 采用54北京坐标系统 (1200)的JY城建局和市规划局,以及采用80西安坐标系统完全一致的2个单位JY城建局和YX城建局,所采用的高程系统各不相同。

坐标系统与高程系统的不一致,给基础地理数据共享造成明显的障碍。因此,作为测绘行业的政府主管部门应该加大力度,从政策、管理和投资等方面采取强有力的措施解决测绘基准统一的问题。

如何建立统一城市测绘基准是城市测绘发展战略的基本问题。在卫星导航定位技术普遍应用的今天,城市测绘基准已经显示出越来越多的局限性。城市测绘基准都是在经典大地坐标系统基础上建立的,经典大地坐标系统是采用一个与物理地球体最为接近的旋转椭球面作为参考基准面,并通过椭球的定位与定向,使这一基准面与当地的大地水准面最为接近。经典的大地坐标系统认为所有的基准站的坐标都是固定不变的。然而,事实上地球是处于不断的运动和变化之中的,静态的坐标参照系统随着时间的推移,其变形误差越来越大。经典大地坐标系统由于测量仪器和手段的制约,精度一般只有 10－6量级左右,对于现代高精度测量已经不能起到“控制”和“基准”的作用。而目前我国使用的 80西安坐标系属参心坐标系,存在着椭球参数精度和指向等问题。在全球经济化和“数字中国”的建设中,单纯采用局部、二维、低精度、静态的大地坐标系统作为测绘基准所带来的不协调与矛盾会越来越多。

当前城市测绘应该考虑充分利用包括卫星定位技术等现代大地测量手段,建立维持和统一使用现代大地测量平面基准和高程基准 ,彻底改变城市多坐标系统和多高程系统并行以及坐标系统相对落后的局面实现城市空间参考基准的更新统一,是城市实现测绘成果共享和信息化的基础和前提,我国即将采用以地球质心为原点的2000国家大地坐标系和相应的大地测量常数作为全国统一的大地基准。建立与国家基准一致的、统一的、高精度、动态、地心、现代化的、与国际接轨的大地坐标系统 ,是城市测绘基准发展的必然,也是现代城市测绘的要求。

统一坐标系统和高程系统,涉及对原有控制成果的重新平差转换和利用,需要进行基础地理数据的转换加工,这部分工作量很大。尤其是平面坐标系统的CAD数据,不仅需要进行坐标转换,还需要进行重新分幅,由此所产生的工作量是巨大的,需要成百上千万的投入才能实现。从技术角度来说,坐标系统的转换根据不同情况可采用换带、拟合与配准等方法实现。

2 城市CORS系统与大地水准面精化

CORS(Continual Operational Reference System)是空间大地基准框架的基础,具有动态维护大地基准框架,保持与国家框架一致的作用。国内外均十分重视CORS系统建设。美国的 CORS由美国大地测量局(NGS)负责,由美国相关机构共同施测。其目标是:更方便地利用该系统达到厘米级水平定位和导航,促进用户使用 GPS,发展 GIS和 RS,检测地壳变形 ,研究大气中水汽分布,监测电离层中自由电子浓度和分布。英、法、德、日等国家均建立了点位密度较大的 CORS系统。我国的深圳、北京、上海、天津、武汉、昆明等城市纷纷建立CORS系统。CORS系统结合大地水准面精化,将为城市测绘、交通、气象、环境和管理等提供高精度实时动态空间定位服务,其社会效益和经济效益将十分明显。

城市CORS系统一般由10个左右基准站,1个数据处理中心构成,覆盖全市域和周边部分地区。采用GSM+GPRS(3G)两种实时通信技术,满足不同用户需求。

近几年来,我国一些城市开展了大地水准面的精化工作,建立高精度的区域性似大地水准面,最有效的方法是在建立区域的高精度GPS(如 GPS B、C级)控制网并获得较密集的GPS/水准点成果的基础上,综合利用重力资料、地形资料、重力场模型与 GPS/水准成果,采用物理大地测量理论与方法,应用移去恢复法等方法计算重力似大地水准面,然后用 GPS/水准控制和校准重力似大地水准面的系统性偏差,将重力似大地水准面拟合于 GPS/水准得到的实测似大地水准面,从而得到精密的区域性似大地水准面。

显然,城市CORS与大地水准面精化对传统控制测量的规划设计造成了显著的影响。相对低等级的控制测量可以大大削减,例如城市三、四等平面与高程控制测量的布设范围规模将完全不同于传统控制测量。但高精度的控制测量依然需要加以足够的投入。例如,城市首级控制测量或框架网建设,城市二等水准测量及其复测等。城市高精度首级控制测量不仅CORS和大地水准面精化的基础,也是城市工程建设不可或缺的重要控制基础。此外,对于城市而言,应该考虑设置遍布市域的基岩标志,以便永久使用和保存城市控制,也有利于城市变形监测等。

3 促进体制创新并创造良好的测绘成果共建共享的环境

当前,基础地理数据的保密与数据共享应用的矛盾日益突出。我国关于基础地理数据保密的规定是基于当时的技术水平等情况制定的。在高分辨率卫星遥感影像和 GPS技术广泛应用的今天,技术壁垒基本荡然无存,现行的保密规定凸现了诸多不适应的问题。笔者曾进行过 Google Earth的精度计算与对比,在其公开的影像上图解点的坐标实际误差在横向大约为11～12 m,纵向大约为1～2 m。其精度已经相当或优于 2万5千分之一比例尺地形图的精度。随着卫星遥感影像分辨率不断提高、伽利略卫星导航定位系统和美国新一代 GPS系统建设和投入使用,公开的有关基础地理信息将更加透明和精细。所以 ,现行基础地理数据许多保密规定已经没有意义,反而成为数据共享的桎梏。在这个问题上,我国包括多个院士在内的有识之士曾多次呼吁,尽快修改现行的保密规定,以适应现代测绘技术发展和应用的需要。

基础地理数据共建共享成为制约地理信息产业发展的难题,鲜见有效的解决方法。解决这一问题首先应从体制创新着手,这方面的论述较多。但多年来体制问题似乎没有改进,也没有为数据共建共享开辟一条行之有效的途径。一味等待体制创新,不如促进体制创新,为体制创新创造必要的条件。也就是说 ,今天的城市测绘应该不仅从体制、法制和政策层面上探讨共建共享问题,还应积极从技术层面上探索基础地理数据共享的方法。共建共享本身包括两个相互关联的方面,即如何共建和如何共享。只有共建,才能共享。共建是共享的前提,共享是共建的最终目的。只有解决好共建才能真正实现共享。必须指出的是,这里是在广义的基础上讨论共建和共享。共建涉及知识产权、投资、收益等问题,包括建立合理的价值补偿机制,制定合理的测绘成果服务价格体系,实行无偿使用和有偿使用相结合,体现测绘的基础性、公益性和市场性特征。在技术层面上,由于数字产品易于拷贝与传播的特性,需要综合运用自适应嵌入水印和数字指纹等理论和技术实现对数字产品的版权标记,从而解决好测绘知识产权保护的几个关键技术问题,创造良好的测绘成果共建共享的环境。

4三图“一体化”

在城市测绘中,往往基础地形图、地籍图和房产图等以相同的比例尺、相同的数字产品和基本相同的技术要求各自测绘覆盖相同的区域。由于重复采集大量数据,造成资金严重浪费,也给用户获取数据带来不必要的麻烦。如果三图统一测绘,则可根据其异同,分层,分库置于同一 GIS中统一管理。三图“一体化”实际上也是一种数据共享的方式,使基础测绘成本大幅度降低。在我国 ,地形、房产、地籍三图在数据采集过程中,虽然由于各自服务的目的不同,在要素的选择上侧重点有所不同,但它们之间包含着许多的共同要素。不管多么复杂的地物,地貌,都可以通过施测组成它的特征点的平面位置及高程,并依一定的比例尺按规定的符号将其反映在地形图上。

三图之间在地理要素内容上存在许多共同的要素,这为三图“一体化”提供了理论和实际操作的依据 ,三图在测绘及成图过程中所依据的基础理论,原则和方法相同,三图都是依据测量学的基础理论和技术方法,遵循着“先整体后局部,先控制后细部 ,从高精度到低精度”的测图基本原则,采用相同的投影方式和统一的坐标系统,其图幅分幅方法及编号也相同 ,精度上的要求也基本一致。今天的城市测绘走向了数字化,为“三图并出”提供了崭新的平台,不同地图或同一类地图的不同层叠加等为三图“一体化”提供了技术上的支持,特别是近年来数字测图制图技术的飞速发展并趋于成熟,更为三图统一测绘提供了手段,并为其后的分库奠定了基础。

三图之间既存在着许多相同之处,同时也存在着差别。由于不同地图及不同图层可以相互叠加,因此可以将三图中相同的地理要素(如测量控制点、行政界线、房屋建筑、水系、交通道路和注记等)置于同一数据库作为基础数据库,而将三图中不同的部分分别置于3个不同的数据库,在每一数据库中再根据不同地物要素将其置于不同的层中。

5结束语

希望本文能够抛砖引玉,引发对城市测绘发展战略的探讨,从而促进城市测绘事业健康快速发展,在数字城市建设中发挥更大的作用。

注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看