美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局服務(wù)綜述

王宇譜，呂志平，宋煥祥，陳正生

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;2.92493部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000）

一、引 言

信息化測(cè)繪體系建設(shè)是當(dāng)前測(cè)繪事業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，而信息化測(cè)繪的本質(zhì)是服務(wù)［1］。我國(guó)目前已實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)測(cè)繪到數(shù)字化測(cè)繪的轉(zhuǎn)變，但主要體現(xiàn)在生產(chǎn)技術(shù)層面，在測(cè)繪服務(wù)的功能機(jī)制和體制上尚有待進(jìn)一步進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變［2］。

大地測(cè)量作為整個(gè)測(cè)繪領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其信息化水平會(huì)在很大程度上影響著整個(gè)測(cè)繪行業(yè)的信息化水平。美國(guó)以高度發(fā)達(dá)的信息產(chǎn)業(yè)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其在大地測(cè)量領(lǐng)域的信息化程度處于領(lǐng)先地位，直接體現(xiàn)在能夠?yàn)橛脩籼峁┤娴臏y(cè)量產(chǎn)品和完善的測(cè)量服務(wù)。本文對(duì)美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局(National Geodetic Survey，NGS)為公眾所提供的信息化測(cè)量產(chǎn)品和服務(wù)及其相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并討論了我國(guó)信息化測(cè)繪體系建設(shè)中應(yīng)該注意的方面。

二、NGS總體概況

NGS作為美國(guó)測(cè)量工作的管理和服務(wù)機(jī)構(gòu)，對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展起著重要的作用。NGS的任務(wù)是定義、維護(hù)和提供利用國(guó)家空間參考系統(tǒng)(NSRS)，以滿足美國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境方面的需要。NGS的權(quán)威空間數(shù)據(jù)、模型和工具為美全國(guó)范圍內(nèi)的定位工作提供參考框架，其基本測(cè)繪要素對(duì)知情決策的制定和大范圍內(nèi)測(cè)量、制圖、洪水風(fēng)險(xiǎn)測(cè)定、交通及土地利用和生態(tài)系統(tǒng)管理起到了重要的作用。對(duì)于公眾而言，NGS的重要性最直接的體現(xiàn)是其公開(kāi)的官方網(wǎng)站及其所提供的測(cè)量產(chǎn)品和服務(wù)。

NGS擁有自己的數(shù)據(jù)分析處理中心，同時(shí)以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為依托，通過(guò)多種途徑獲取各類(lèi)數(shù)據(jù)構(gòu)建了大型數(shù)據(jù)庫(kù)，為用戶提供開(kāi)放的訪問(wèn)服務(wù)方式。在NGS網(wǎng)站中，用戶可以獲取各類(lèi)測(cè)量數(shù)據(jù)，主要包括測(cè)量控制點(diǎn)信息、CORS站信息、實(shí)時(shí)GPS監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、海岸線和風(fēng)暴氣象的航攝影像數(shù)據(jù)、天線相位改正信息、重力數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)等。同時(shí)，NGS為用戶提供各類(lèi)測(cè)量軟件，有可以在線實(shí)時(shí)處理的，也有供單機(jī)下載的，如大地測(cè)量工具箱、在線定位用戶服務(wù)系統(tǒng)(OPUS)、在線平差、垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換軟件等。不僅如此，NGS網(wǎng)站還提供相應(yīng)數(shù)據(jù)處理的算法和代碼，介紹一些常規(guī)測(cè)量方法及所使用的相關(guān)儀器，以及NGS的最新動(dòng)態(tài)和近期所完成的新工作項(xiàng)目。NGS網(wǎng)站中還介紹一些大地測(cè)量的有關(guān)概念及其相關(guān)原理等，如介紹基準(zhǔn)、大地測(cè)量、GPS和遙感等相關(guān)知識(shí)，這些內(nèi)容可以指導(dǎo)非測(cè)量專(zhuān)業(yè)的用戶設(shè)計(jì)和實(shí)施其所需的測(cè)量任務(wù)。

三、NGS大地測(cè)量產(chǎn)品和服務(wù)項(xiàng)目

作為NGS的核心內(nèi)容，它所提供的服務(wù)項(xiàng)目及測(cè)量產(chǎn)品是美國(guó)信息化測(cè)繪的基礎(chǔ)設(shè)施部分。本文選取NGS產(chǎn)品和服務(wù)項(xiàng)目中最具有代表性和參考價(jià)值的主要項(xiàng)目予以詳細(xì)論述，旨在為我國(guó)信息化測(cè)繪建設(shè)提供參考依據(jù)，具體包括以下內(nèi)容。

1.CORS服務(wù)(CORS)

該CORS計(jì)劃的首要目標(biāo)是定義和維護(hù)國(guó)家空間參考系(NSRS)，支持美國(guó)本土及部分國(guó)家的三維定位、空間氣象監(jiān)測(cè)和地球物理應(yīng)用。同時(shí)，還包括通過(guò)CORS網(wǎng)提供免費(fèi)使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù);確定在NSRS系統(tǒng)下CORS監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)速度;通過(guò)同時(shí)處理用戶自己的GNSS數(shù)據(jù)和來(lái)自CORS網(wǎng)的數(shù)據(jù)使用戶得到在NSRS坐標(biāo)系下的厘米級(jí)坐標(biāo);計(jì)算GPS衛(wèi)星軌道信息支持?jǐn)?shù)據(jù)后處理應(yīng)用;通過(guò)在線定位用戶服務(wù)系統(tǒng)(OPUS)為后處理的GNSS數(shù)據(jù)提供Web服務(wù);校準(zhǔn)GPS天線相位中心值及制定使用動(dòng)態(tài)大地測(cè)量控制網(wǎng)的指導(dǎo)方針。

2.高程現(xiàn)代化項(xiàng)目(height modernization)

NGS承擔(dān)著一個(gè)將傳統(tǒng)測(cè)量水準(zhǔn)的方法同重力、現(xiàn)代遙感信息及GNSS技術(shù)相結(jié)合的旨在建立準(zhǔn)確、可靠的數(shù)字高程模型的高程現(xiàn)代化項(xiàng)目。該項(xiàng)目可以使GPS獲取更高精度的高程，也使得高精度高程的獲取更加省時(shí)省力，并且在該項(xiàng)目完成以后，通過(guò)CORS網(wǎng)獲取的高程誤差將被控制在1 cm以?xún)?nèi)。

由于精確、可靠及現(xiàn)勢(shì)性好的數(shù)字高程系統(tǒng)對(duì)許多生產(chǎn)活動(dòng)起著關(guān)鍵性的作用，因此高程現(xiàn)代化的實(shí)施具有以下重要意義:減少不必要的洪水危害預(yù)報(bào)費(fèi)以節(jié)省資金;在能見(jiàn)度低的條件下幫助飛機(jī)安全著陸而避免事故;通過(guò)改善監(jiān)控地面和地表水的變化及地殼構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)的能力來(lái)保護(hù)環(huán)境。

3.垂直基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換工具(VDatum)

VDatum是NGS聯(lián)合美國(guó)海岸測(cè)量署(OCS)與實(shí)用海洋產(chǎn)品和服務(wù)中心(COOPS)共同開(kāi)發(fā)的用于不同垂直基準(zhǔn)下的地理空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工具。這種轉(zhuǎn)換允許用戶將在不同參考系下獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為共同參考系下的數(shù)據(jù)，能夠融合多種地理空間數(shù)據(jù)，特別是對(duì)沿海岸線的地區(qū)。

VDatum支持29個(gè)垂直基準(zhǔn)(數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換，一般分為3類(lèi):大地高(由空基系統(tǒng)實(shí)現(xiàn))、正高(相對(duì)于平均海平面)、深度(以潮汐起始面為基礎(chǔ))。VDatum可以把激光雷達(dá)和其他遙感高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)?、連貫的數(shù)據(jù)，可以解決潮差的變化問(wèn)題，能讓用戶把比較容易獲得的垂直數(shù)據(jù)(如GPS獲得的數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)化為任何其他相應(yīng)的陸地或水文數(shù)據(jù)。

4.GPS衛(wèi)星軌道信息服務(wù)(GPS satellite orbits)

NGS作為IGS的幾個(gè)數(shù)據(jù)分析中心(AC)之一，使用美國(guó)CORS網(wǎng)和IGS全球觀測(cè)站獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提供GPS衛(wèi)星軌道信息、觀測(cè)站位置信息及進(jìn)行地球定向。

NGS提供兩種軌道信息產(chǎn)品，即快速的和最終的軌道信息。快速軌道信息適合在每天協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)午夜之后的17小時(shí)內(nèi)使用，并且與IGS參考框架一致;最終軌道信息適合在12天以后使用，該軌道信息也同IGS參考框架保持一致，且能反映地球質(zhì)心的短暫運(yùn)動(dòng)。

5.政府大地測(cè)量咨詢(xún)項(xiàng)目(state advisor program)

NGS管理著政府部門(mén)的大地測(cè)量咨詢(xún)項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要是幫助聯(lián)邦、州及地方政府的單位、院校和私人部門(mén)從他們的測(cè)繪項(xiàng)目中獲取最佳測(cè)繪成果。

該項(xiàng)目由NGS和地方政府共同投資建設(shè)，NGS派出一名測(cè)繪顧問(wèn)住在當(dāng)?shù)貐⑴c指導(dǎo)、幫助和支持當(dāng)?shù)卣拇蟮販y(cè)量、制圖、遙感和地理信息系統(tǒng)等項(xiàng)目的實(shí)施，具體工作包括:滿足不同用戶的特定測(cè)繪需要;教育和培訓(xùn)公共及私人機(jī)構(gòu)所需測(cè)繪技能;幫助計(jì)劃協(xié)調(diào)和監(jiān)督實(shí)地測(cè)量;為測(cè)繪活動(dòng)提供優(yōu)質(zhì)保證;指導(dǎo)公共和私人機(jī)構(gòu)如何利用NSRS參考系;為需要咨詢(xún)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局(NOAA)的用戶提供最直接的聯(lián)系及將新技術(shù)推廣給當(dāng)?shù)赜脩簟?/p>

6.在線定位用戶服務(wù)系統(tǒng)(OPUS)

NGS使用一種叫做OPUS的Web服務(wù)系統(tǒng)為用戶提供一種簡(jiǎn)單獲取NSRS參考系下高精度坐標(biāo)值的方法。用戶只需向OPUS提交使用測(cè)量型GPS接收機(jī)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，即可通過(guò)郵件獲取NSRS下的坐標(biāo)信息。

OPUS的關(guān)鍵技術(shù)是通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)NGS星歷鐘差數(shù)據(jù)和模型計(jì)算得到精確位置。OPUS只需最少的用戶輸入，采用專(zhuān)門(mén)的軟件計(jì)算在CORS網(wǎng)下的坐標(biāo)值。該定位結(jié)果精確并和其他NSRS下的用戶坐標(biāo)是統(tǒng)一的。OPUS目前使用通過(guò)公布大量測(cè)量控制標(biāo)志的精確坐標(biāo)的方法，允許用戶選擇途徑訪問(wèn)NGS網(wǎng)站永久性的共享定位報(bào)告。

7.機(jī)場(chǎng)測(cè)量項(xiàng)目(airport surveys)

自20世紀(jì)20年代起，NGS就將航空攝影測(cè)量用于機(jī)場(chǎng)測(cè)量和美國(guó)海岸測(cè)量。這些航測(cè)數(shù)據(jù)為飛行器安全進(jìn)入本國(guó)機(jī)場(chǎng)提供關(guān)鍵的軌道及建筑物數(shù)據(jù)、導(dǎo)航幫助和機(jī)場(chǎng)特征信息。聯(lián)邦航空管理局(FAA)利用這些數(shù)據(jù)建立了飛行器進(jìn)出場(chǎng)程序，確定了最大起飛重量，更新了航空數(shù)據(jù)庫(kù)及其出版物，準(zhǔn)備了機(jī)場(chǎng)規(guī)劃和工程研究。

NGS通過(guò)制定測(cè)量規(guī)范指導(dǎo)書(shū)、模型和工具來(lái)輔助機(jī)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)施，同時(shí)NGS采取內(nèi)業(yè)分析航攝影像和實(shí)地調(diào)繪相結(jié)合的方法，保證了機(jī)場(chǎng)安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)滿足FAA規(guī)定的精度要求。另外，NGS還參與了機(jī)場(chǎng)測(cè)量新技術(shù)的精度評(píng)定研究，如支持航攝信息獲取的激光雷達(dá)和衛(wèi)星影像技術(shù)，這些都將更好地促進(jìn)NGS的機(jī)場(chǎng)測(cè)量服務(wù)。

8.突發(fā)事件應(yīng)急影像(emergency response imagery)

NGS提供和快速發(fā)布多種空間參考系下的遙感數(shù)據(jù)，用于支持本國(guó)安全和突發(fā)事件應(yīng)急的需要。NOAA使用高分辨率航空攝像系統(tǒng)、雷達(dá)和傳感器及高光譜儀獲取所需影像，通過(guò)這些影像恢復(fù)受強(qiáng)烈颶風(fēng)影響的海岸線。NOAA收集了超過(guò)8000張?jiān)馐茏顕?yán)重破壞地區(qū)的航空影像，這些影像放在NGS網(wǎng)站，以備公共或個(gè)人緊急情況所需。同時(shí)，這些影像數(shù)據(jù)也被用于同遙感技術(shù)融合而進(jìn)行海岸測(cè)繪。NOAA突發(fā)事件應(yīng)急主要為所需用戶提供工具、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，如幫助管理者在緊急情況下制定恢復(fù)步驟，通過(guò)對(duì)比前后影像差異評(píng)估破壞程度等。

9.海岸線測(cè)圖項(xiàng)目(shoreline mapping)

NGS的海岸線地理信息數(shù)據(jù)為管理沿海資源和精確界定國(guó)土界限提供關(guān)鍵的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為美國(guó)的船運(yùn)、制造、出口、保險(xiǎn)業(yè)及沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

精確、連續(xù)、現(xiàn)勢(shì)性好的國(guó)家海岸信息能夠提供導(dǎo)航和港口碼頭海圖的繪制、暴風(fēng)預(yù)警、海洋水災(zāi)預(yù)測(cè)、污染物運(yùn)動(dòng)軌跡建模、陸地和海下地理信息系統(tǒng)、環(huán)境分析和監(jiān)測(cè)。NGS通過(guò)立體攝影測(cè)量的方法，使用動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)控制協(xié)調(diào)潮汐的航空攝影來(lái)測(cè)繪海岸信息，該過(guò)程最終生成準(zhǔn)確無(wú)誤的、數(shù)字化的國(guó)家海岸數(shù)據(jù)庫(kù)和航空影像數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足各類(lèi)用戶的需求。同時(shí)，NGS正在探索使用像干涉測(cè)量合成孔徑雷達(dá)(IFSAR)、機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)、高光譜影像(Hyperspectral)等新的技術(shù)和理論方法來(lái)完善海岸地理信息。

10.淺水定位系統(tǒng)(SWaPS)

NGS目前正在發(fā)展和測(cè)試一種淺水定位系統(tǒng)(SWaPS)，該系統(tǒng)將初步用于珊瑚礁、海藻等的毀壞程度評(píng)估。建成后的SWaPS將提供可見(jiàn)水下特征地物的精度小于10 cm的水平方位坐標(biāo)，同時(shí)被記錄的水下特征地物影像將載入可供查看、存檔和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)周期變化的地理信息系統(tǒng)中。

SWaPS還將提供淺海海岸棲息地的相關(guān)測(cè)繪服務(wù)，主要包括:在不需要部署潛水員的條件下進(jìn)行大區(qū)域快速測(cè)量;在沒(méi)有建立永久性測(cè)量標(biāo)志或標(biāo)志受破壞的區(qū)域恢復(fù)特定位置及在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)人員的條件下對(duì)偏僻水域進(jìn)行相關(guān)測(cè)繪。

四、對(duì)我國(guó)信息化測(cè)繪建設(shè)的啟示

通過(guò)對(duì)美國(guó)NGS信息化大地測(cè)量建設(shè)和產(chǎn)品及服務(wù)的相關(guān)論述，總結(jié)得到建設(shè)我國(guó)信息化測(cè)繪體系應(yīng)該注意的幾個(gè)方面:

1)要結(jié)合信息技術(shù)整合現(xiàn)有的各類(lèi)基礎(chǔ)測(cè)繪資源，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)跨部門(mén)的大地測(cè)量資源共享。從對(duì)NGS的相關(guān)論述中可以知道，信息化大地測(cè)量主要是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)整合各測(cè)繪部門(mén)的數(shù)據(jù)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，可以利用目前在信息化服務(wù)領(lǐng)域引起廣泛重視的分布式技術(shù)，建立我國(guó)信息化大地測(cè)量服務(wù)體系。分布式大地測(cè)量是在已有大地測(cè)量生產(chǎn)和服務(wù)資源(測(cè)量計(jì)算軟件、硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)格中間件(如GT)將各種分散的資源組合成一個(gè)巨大的網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理與服務(wù)的一體化、自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化，具體的構(gòu)成框架如圖1所示。

圖1 分布式大地測(cè)量生產(chǎn)和服務(wù)體系的層次結(jié)構(gòu)圖

2)要統(tǒng)籌規(guī)劃和抓緊落實(shí)相關(guān)基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目的建設(shè)。通過(guò)對(duì)美國(guó)NGS提供的服務(wù)及測(cè)繪產(chǎn)品的分析，進(jìn)一步說(shuō)明了基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)在整個(gè)信息化測(cè)繪體系中的重要作用，同時(shí)也充分反映了世界同領(lǐng)域的發(fā)展方向。因此，在我國(guó)測(cè)繪服務(wù)體系建設(shè)過(guò)程中要進(jìn)一步加大力度狠抓各項(xiàng)基礎(chǔ)測(cè)繪工程的落實(shí)，建立和完善基礎(chǔ)地理空間信息更新及共享體制，避免重復(fù)測(cè)繪現(xiàn)象的發(fā)生。

3)要把整個(gè)測(cè)繪行業(yè)的服務(wù)現(xiàn)代化作為重點(diǎn)建設(shè)工程。在建設(shè)信息化測(cè)繪體系過(guò)程中，基礎(chǔ)測(cè)繪固然非常重要，但從當(dāng)前測(cè)繪的服務(wù)范圍上講，專(zhuān)業(yè)測(cè)繪和空間信息的增值應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，規(guī)模和效益巨大［3］，因此要以基礎(chǔ)測(cè)繪為起點(diǎn)，建設(shè)全面的現(xiàn)代化測(cè)繪服務(wù)體系。要充分認(rèn)識(shí)到測(cè)繪服務(wù)現(xiàn)代化對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)防建設(shè)的重要性，以滿足社會(huì)大眾的需求為出發(fā)點(diǎn)，研究制定現(xiàn)代化測(cè)繪服務(wù)的專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃，統(tǒng)籌部署和全方位指導(dǎo)測(cè)繪服務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)，推進(jìn)信息化測(cè)繪體系建設(shè)的穩(wěn)步前進(jìn)。

4)要高度重視現(xiàn)代化測(cè)繪服務(wù)的開(kāi)發(fā)利用。目前已步入了以向全社會(huì)提供空間信息服務(wù)為目標(biāo)的信息化測(cè)繪時(shí)代［4］，測(cè)繪服務(wù)作為全部測(cè)繪工作的最終成果，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的諸多方面具有重要作用。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)測(cè)繪服務(wù)在能源資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)和處理、城市規(guī)劃建設(shè)、基于位置服務(wù)等重要領(lǐng)域的充分應(yīng)用，借鑒國(guó)外先進(jìn)的測(cè)繪理念和相關(guān)的測(cè)繪制度，積極參與有關(guān)組織的重大科研項(xiàng)目，促使我國(guó)現(xiàn)代化測(cè)繪服務(wù)得到最廣泛的利用。

［1］ 李德仁，邵振峰.信息化測(cè)繪的本質(zhì)是服務(wù)［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(5):l-4.

［2］ 向澤君，徐占華，李霖.信息化測(cè)繪服務(wù)特征下單位生產(chǎn)組織體系規(guī)劃［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(5):72-74.

［3］ 王丹.從數(shù)字城市空間信息應(yīng)用看信息化測(cè)繪的服務(wù)特征［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(5):363-365.

［4］ 李德仁.多學(xué)科交叉中的大測(cè)繪科學(xué)［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2007，36(4):l-4.

［5］ 呂志平，喬書(shū)波.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:測(cè)繪出版社，2010.