浅谈区域测绘基准网站的建设
奚长元1，王建辉2，金元德3
（1．苏州工业园区测绘中心，苏州 215021；2.苏州市测绘院有限责任公司，江苏215021；3.苏州市地
产交易中心，苏州 215021）
【摘要】本文从区域建设、区域经济的发展及地理信息的广泛应用对区域测绘基准网站的要求出发，通过对我国城市测绘基准的现状和已具备的条件进行分析，得出了域测绘基准网站建设不仅是必要的，同时也是可能的结论，并探讨了建立域测绘基准网站的具体方法。
一、前言
华东师范大学长江流域发展研究院教授沈玉芳在“长江三角洲一体化发展态势、问题和方向”一文中认为，推进长三角区域一体化发展的核心和唯一途径，是全面推动和积极开展市场化条件下政府间合作联动。即在区域社会经济发展国际化、市场化、信息化、法制化条件下，加强政府间合作，联动营造一个没有政府或少有政府参与的区域统一市场，以利于资源和信息的自由、合理、充分、顺畅地流动和配置；联动创造资源和信息充分、合理、顺畅流动的技术物质基础和平台；联动制定市场运作的统一法规、标准、相关制度和运行方式；联动探索和制定政府间合作的新机制和新模式，实行区域调控模式转换；联动培育区域产业群落，提高区域综合竞争力；联动实现区域城市、环境和社会发展的协调。与此同时，作好区域统一市场、基础设施、信息共享平台、产业集群、城市体系、生态环境保护和重大项目建设等重点领域的联动。测绘作为基础设施建设、城市管理及协调、空间地理数据共享和重大项目建设的基础工作，必须建立一个在时域上连续的，在空间域上整体的，能充分利用历史、当前和未来的地理信息并能监测城市三维形变的大小和过程的，统一可靠的区域测绘基准网站，以适应区域一体化发展态势。
二、我国城市测绘基准的现状
目前，我国城市测绘基准，就总体而言，主要有如下二种形式的测绘基准：1.以国家的等级控制为基础，依据逐级控制分级建立的原则将国家原点的坐标逐渐地传递到需要确定位置地标志上。2.用坐标转换的方法在GPS观测的同时，联测一定数量的原有国家等级控制作为基准点，进行全约束平差以确定GPS卫星网与地面网之间的转换参数，实现两网之间的坐标转换。这二种城市测绘基准的实质都是国家大地坐标系基准，众所周知，国家大地坐标网，是过去用测角量边的传统方法建立起来的，由于当时客观条件的限制，并且大地坐标系是以50年代布设的一等锁为时间历元的，至今该基准在西部的点位漂移已达米级，东部达分米级（国家地震局，1989）。因此，这样的城市测绘基准，一方面已很难满足城市规划、城市建设等有关部门和城市地理信息应用对城市测绘基准的要求；另一方面，这样的城市测绘基准在各个城市之间空间域上整体性得不到保证，各个城市测绘基准之间也很难建立相互转换关系。
三、建立区域测绘基准网站的条件已基本具备
1.80年代以来，我国空间大地测量飞速发展，
空间大地测量在我国大地测量技术中的主导
地位已使我国的区域性大地测量直接或间接
地纳入到全球大地测量的范畴，并使参考基
准从二加一维发展到三维成为可能。
2.我国高精度GPS国家大地控制网已建立完
成，我国高精度GPS国家大地控制网已建立
完成，通过联合平差或坐标转换可获得与
ITRF等一致的高精度全国天文大地网点的
地心坐标。
3.应用GPS卫星定位技术测定城市随时间的三
维形变，通过近几年的研究和实践，已成为
现
实并得到日益广泛的应用。
4.随着电信和移动公司的数据业务的不断扩展
与完善，建立以公共信息网络为基础的GPS
数据传输和定位导航数据发播已成为现实。5.连续运行GPS基准网已开始研究和建立
因此，随着城市测绘基准的应用从单一的向
多元的、静态的向动态的、普通的向高精度的、
二维加一维向三维的方向发展。建立和维护一个
可以满足不同行业、不同用户对精密定位的数字的、整体的、动态的乃至实时的城市测绘基准已
成为必须。同时，三维基准网的建成也为其它行
业的工作进入信息时代打下了坚实的基础。因此
目前对城市测绘基准进行扩展和研究，并在此基
础上建立基于GPS连续运行参考站的区域测绘基
准站网条件已基本具备，并且已成为实现区域内
城市空间基础数据的实时采集、城市导航和数据
服务的主流方向。
四、区域测绘基准网站的建设
1.GPS连续运行参考站系统概述
GPS连续运行参考站系统由基准站子系统、控制中心子系统、数据通信子系统、数据发播子系统、用户应用子系统五个部分组成，各基准站与控制中心之间通过数据通信子系统连接成一体，形成专用网络。实现GPS连续运行系统对社会和用户的服务，系统将集成卫星定位技术、计算机网络技术、无线数据通信技术、数字中继技术、远程监控技术等当代先进技术，实现高精度静态定位到高精度动态实时定位的技术飞跃。系统将针对不同用户的需求，逐步建立起从静态、动态到高动态，从事后、准实时到实时，从毫米级、厘米级到分米级精度的定位、导航服务体系，满足各行各业对获得空间位置信息的需求。
2．区域内城市测绘基准的建立
a)控制中心子系统
每个装配接收机，天线，不间断电源设备，调制解调器或网络设备的参考站都要和数据控制中心连接，而控制中心运行GPSNet软件的计算机则是整个GPS连续运行参考站系统的神经中枢,它负责连接网络中所有的GPS接收机，进行数据处理、分析、差分及RTK修正数据计算，进行数据分发数据管理，系统可靠性、安全性管理等。主要执行以下几个任务：
保持控制中心与参考站以及控制中心与流动站之间数据通信的畅通
导入原始数据和进行质量检查
存储RINEX和压缩RINEX数据
改正天线相位中心（IGS模式）
系统误差的模型化及估算
产生数据，为流动站接收机创建虚拟基站位置
产生流动站所在位置上的RTK改正数据流
发送RTK改正数据到野外的流动站
此外，GPSNet还包括一个Internet Web服务器备选件，可以非常方便地管理和发布所有已存档的RINEX观测值，导航信息，气象信息和年历文件。
b)基准站子系统
基准站子系统包括主要进行卫星定位数据跟踪、采集及传输，进行系统可靠性监测。基准站子系统一般包括3个或3个以上的参考站，各参考站位置的设置，要根据城市面积和地形的不同，经过缜密充分的论证，既要考虑参考站周围环境
对GPS接收机的影响，又要兼顾城市未来的发展。尽量做到布站均匀，相邻站间距离不应大于50-70公里。每个参考站包括的主要设备由：GPS 卫星接收机，电源保障设备（UPS），工控计算机。其中，参考站计算机运行GPSBase软件，进行本地数据的存储、
增强接收机控制以及附加传感器的数据采集。c)用户应用子系统
用户应用子系统的作用是按照不同的用户需求，进行不同精度的定位。一般包括专用GPS 接收机，专用的数据解码设备，以及相关的数据处理软件，分别适用于DGPS，WADGPS，RTK，PPS 等。
用户硬件系统：用户收到的信号是加密了的信号，通过用户ID码识别，加密释放。这可以通过特别或特许的用户定位导航信号接收机来实现。
用户的软件系统：用户子系统软件是根据不同的需要而设计的，例如：网络型RTK定位软件，事后和快速精密定位软件，RTK工程应用类软件，变形分析软件，自主式电子地图软件及监控型电子地图软件。
d)数据通信子系统
数据通信子系统负责基准站与控制中心之间的数据通信，将基准站GPS观测数据传输至控制中心，为GPSNet软件提供数据源。根据通信链路的不同（例如，模拟电话线，ISDN，DDN，无线扩频等），该系统可以配备不同的通信设备，一般包括有线或无线modem、DDN专线、无线扩频放大器、定向或全向天线。为保证数据传输的实时性及安全性，应提供互为备份的两套传输方案。e)数据发播子系统
负责把GPS/WADGPS, RTK改正数据等通过有线或无线网络发送给用户, 相关设备有网络通信计算机，FM编码机，UHF/VHF发射机，GSM移动电话等。发播方式有因特网、无线电、移动电话、FM载波等。
因特网：主要用于快速和事后精密定位、精密定时的用户的数据发送。
UHF/VHF电台：在市内用户密度高的地区。直接在基站上安装电台，发送RTK定位数据，实现局部地区的RTK定位。
GSM移动电话：是监控中心把定位及导航数据传输至用户的有效渠道之一。用户通过GSM移动电话获取定位数据，实现实时、准实时定位。
3．区域测绘基准网站的建设
区域测绘基准网站是在区域内城市测绘基准建设的基础上，全面推动和积极开展市场化条件下城市间测绘基准合作联动，建立各城市测绘基准控制中心子系统之间的联系，相互借用邻近的基准站子系统，在此基础上建立和完善一个全区域的GPS综合性观测网和观测数据实时传输系统——区域测绘基准网站。该系统中由若干点组成的城市高精度三维大地测量控制网的点位绝对精度达厘米级，相对精度优于1厘米，并与国际上重要地球参考坐标系如WGS84等建立精密的转换关系，建立高精度三维大地测量控制网与各城市平面控制网的相互关系；由该系统基准站组成的城市高精度的地壳形变和地面沉降监测网，这些基准站每年进行3至4次定期复测。监测网的水平方向监测精度优于3mm／年，垂直方向监测精度优于5mm／年；该系统建立的面向全社会服务的GPS连续运行参考站，能连续实时发播高精度的GPS跟踪数据，使各种用户能快速实时、准实时地确定空间地理位置。利用发播的伪距改正数据能达到米级的定位精度，利用发播的相位改正数据能达到厘米级的定位精度，同时提供高精度GPS跟踪站观测数据，以满足更高精度用户事后解算的需要；该系统逐步形成一个区域内新的大气层监测网和预报系统，实现一个近实时的GPS 可降水量估计和电离层变化的估计，建立一套完
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新世纪苏州市GPS首级城市扩展控制网的建立
王建辉陈义奚长元金元德
(苏州市测绘院有限责任公司同济大学园区测绘中心苏州市土地交易中心)
摘要：进入新世纪，如何应用GPS最新技术来改建和扩建原有的城市控制网是许多城市遇到的问题，改建和扩建的目标是什么？改建和扩建的用途是什么？通过苏州市GPS城市扩展网的研究，我们认为，新世纪的城市控制网的改建和扩建应该满足全社会对空间定位的需要；应该具有信息化时代的特征，即能提供整体的、数字的、动态实时的空间基准；除了提供传统的北京54坐标、西安80坐标、地方独立坐标外，还应该可以提供精确的WGS-84地心坐标，既满足原来的静态定位用户的需要，又可以满足其他动态定位用户的需要。体现新世纪科学技术的先进性、合理性与实用性。城市控制网的改建和扩建中的“扩展”的意义有两层：一是范围的扩展，二是功能的扩展。“改建”的含义最主要是基准的精度提高，这个基准可以作为城市各种空间定位工作的基准，且使用方便。
关键词：全球定位系统，控制网，基准，1984世界大地坐标系
1．研究概况
苏州市位于江苏省东南部，北临长江，西濒太湖，东邻上海市，南连杭嘉湖地区。苏州市现有五县一市，即苏州市中心区,昆山、常熟、吴江、太仓、张家港五个县级市，面积约8500平方公里，每个地方都建有自己的独立坐标系统。随着城市的扩展、经济的腾飞、高新技术的运用，以及苏州市的城乡一体化建设，原有的城市控制网已经远远适应不了城市信息化时代的需求。因此，建立一个适合信息时代需求的城市三维基准网是当务之急。三维基准网的建立必须适应城乡一体化建设的需要，必须适应经济、社会高速发展的需要，必须具备信息化时代的特征，即整体的、数字的、动态实时的，使之成为现代城市信息化管理网络的一个重要组成部分。
当前，城市空间信息基准网的应用正从单用途向多用途、静态型向动态型、普通精度向高精度、一维的或二维的向三维的方向发展。建立和维护城市空间地理信息基准网可以满足不同行业、不同用户对精密定位的整体的、数字的、动态实时的需求。同时，基准网的建成也为其它行业的工作进入信息化时代打下了坚实的基础。
而现有的城市控制网虽然也是用卫星定位技术建立的，但都是分区独立建立的，且都是为城乡建设服务的，并没有考虑满足信息化时代的特点，对苏州市城乡一体化建设的规划，跨地区的大型工程的建设，土地资源的整体利用、规划等，带来了诸多不便。建立一个统一的、高精度的、数字的、能满足各行业空间定位要求的城市空间地理信息基准网，既是实际工作的要求，也是未来发展的需要，因此，本课题的立项正是在这种背景下提出的。为实现上述目标，我们分二步走，第一步：建立WGS-84坐标系下的苏州市各县市统一的坐标系，建立北京54坐标系下的苏州市各县市统一的坐标系，建立国家80坐标系下的苏州市各县市统一的坐标系，建立苏州市中心区，昆山、常熟、吴江、太仓、张家港五个县级市的独立坐标系与WGS-84坐标系的转换关系，建立苏州市北京54坐标系、国家80坐标系与WGS-84坐标系的转换关系，从而实现各地方独立坐标系、北京54坐标系、国家80坐标系与WGS-84坐标系之间的相互转换；也就是间接统一了苏州市各个地方的地方独立坐标系。第二步：建立新的统一的苏州
市独立坐标系，该坐标系将兼顾五县一市的地理位置，选择新的中央子午线和投影面高程，使整个苏州市的投影变形达到最小，同时，建立五县一市现有的地方独立坐标系和苏州市新的独立坐标系的转换参数，这样既保证了原有的测绘资料的连续性，不影响现有的各项工作，又可以通过转换关系，获得新坐标系下的各种成果；对于新的大型工程，也可以直接在新的坐标系下进行设计、施工、运营维护。随着时间的推移和新坐标系下的资料的积累和丰富，在适当的时候，启用新的苏州市独立坐标系统。以上是我们对未来城市发展所作的超前的基础性工作。
2．研究内容
2．1现有国家标准
根据国家GPS测量规范（GB/T 18314-2001），B级网和C级网的技术指标如下：
级别固定误差a(mm) 比例误差系数b 闭合环边数平均距离(km)
B ≤8 ≤1 ≤6 70
C ≤10 ≤5 ≤6 10～15
列公式计算：
2
2)
(bs
a+
=
σ（1）
式中σ为基线向量的标准差（mm）
a为仪器的固定误差（mm）
b为仪器的比例误差（1×10-6）
s为GPS基线长度（km）
测量得到的基线，它的精度应该满足上式。
苏州市GPS首级城市扩展控制网的平均长度为35公里，介于B级网和C级网之间，按（1）计算得：
)
(
70
)
70
*1(
82
2mm
B
=
+
=
σ
)
(
76
)
15
*
5(
102
2mm
C
=
+
=
σ
因此，苏州市GPS首级城市扩展控制网的平均边长误差应满足上述指标。B级网和C级网的测量技术要求如下:
项目 B C 卫星截止高度角(°) 15 15 同时观测有效卫星数≥4 ≥4 有效观测卫星总数≥9 ≥6 观测时段数≥4 ≥2
时间长度(min) ≥240 ≥60
采样间隔(s) 30 10～30 任一卫星有效观测时间(min) ≥15 ≥15
2．2实际工作情况
本次观测共组织了17台Trimble GPS接收机，3台Jawad GPS接收机，与同济大学GPS基准站（Trimble GPS接收机）、佘山IGS站和上海GPS 综合服务网江苏东山站（JSDS）同步观测，所有这些GPS接收机都是双频接收机。观测从2003年11月14日18时至2003年11月16日18时，共48小时。在观测中，张家港有一个站因受外界
干扰，无法锁住卫星，只好放弃。佘山IGS站因天线检测，没有开机。后于2003年11月29日8时至2003年11月30日20时，重新联测同济大学GPS基准站、佘山IGS站、江苏东山站（JSDS）和唯亭中学（SZ02），共36小时。因此，最终苏州市GPS首级城市扩展控制网由19个GPS控制点，江苏东山站（JSDS）、佘山IGS站和同济大学GPS基准站组成；另外，在数据处理中发现，第一天有一个站缺数据，实际共测64条独立边，其中4条为重复边。本次观测的时间远远大于规范中B级网和C级网的时间要求，其它指标也好于规范中对B级网和C级网的要求。实际观测情况如下：
日期有效观测站数独立边数
2003年11月14日20 19
2003年11月15日21 20
2003年11月16日20 19
2003年11月29日 4 3
2003年11月30日 4 3
各时段选取得独立基线如下：
序号11月14日11月15日11月16日11月29日11月30日
1 TC03--TJBT WJ02--TJBT WJ01--SZ00 SHAO--TJBT SHAO--TJBT
2 CS02--TC01 SZ05--SZ00 KS02--KS01 SZ02--SHAO SZ02--SHAO
3 TC03--TC02 TJBT--ZJG2 TC01--TC02 SHAO--JSDS SHAO--JSDS
4 TC03--CS03 TJBT--WJ03 CS03--CS02
5 CS03--ZJG2 TJBT--KS03 CS03--TC02
6 CS03--CS01 TC03--ZJG2 CS03--SZ02
7 SZ02--KS02 ZJG2--SZ05 KS01--KS03
8 TC01--KS03 SZ04--SZ00 CS01--ZJG2
9 KS01--SZ02 ZJG2--SZ03 CS01--SZ01
10 KS03--KS02 CS02--TC02 SZ02--SZ01
11 CS01--SZ03 CS02--SZ02 SZ01--SZ03
12 SZ01--WJ01 KS01--TC01 TC03--TC01
13 SZ05--WJ03 SZ02--KS03 WJ01--KS02
14 WJ01--WJ02 SZ01--KS02 WJ03--WJ02
15 KS02--WJ02 WJ01--SZ05 SZ00--SZ01
16 ZJG2--SZ04 KS02--TJBT WJ03--WJ01
17 ZJG2--WJ03 SZ02--CS01 SZ04--SZ05
18 TC01--TJBT CS02--KS01 SZ04--SZ03
19 JSDS--SZ05 CS02--CS03 JSDS WJ01
20 JSDS-- WJ03
所有独立基线构成的网图如下：
所有观测严格按计划时间表进行；在观测前、中、后，仪器高共量取4次，每次量3个方向取平均；所有野外记录都在现场完成，内容主要有点号、观测日期、天气、作业员、开关机时间、测段号、天线高等，所有观测记录都装订成册上交。外业观测原始数据拷贝在磁盘上供计算、检查用。本次测量都在ＧＰＳ点上进行，未作偏心观测。
由于本次观测有足够多的多余观测，因此，网图基本上是以三边形为主，整个网的强度为：
65625.064
42
===
n r P （2） 其中r 为多余观测数，n 为独立观测数。 2．3数据处理
由独立基线组成的异步环闭合差如下：
No. 路 径 Wx(m)
Wy(m)
Wz(m)
Ws(m) S(km) 1/(Ws/S)
1 CS01-SZ01-SZ03-CS01 0.0024 -0.006
2 -0.0012 0.0068 53.1 7862000 2 CS01-CS03-SZ02-CS01 -0.009 0.0117 0.0035 0.0152 58.6 3865000
3 CS02-TC02-TC01-CS02 0.0007 -0.0028 -0.0032 0.0043 33.1 7689000
4 CS02-TC01-KS01-CS02 -0.0032 0.0066 0.0036 0.0082 37.3 4561000
5 CS03-TC03-TC02-CS03 0.0013 0.0007 0.0027 0.0031 44.4 14433000
6 JSDS-SZ05-WJ03-JSDS 0.002 -0.0045 -0.0075 0.009 41.
7 4644000 7 KS01-KS02-SZ02-KS01 0.0016 -0.0045 -0.0012 0.0049 37.9 7688000
8 KS01-SZ02-CS02-TC01-KS01 0.0031
0.001 0.0003 0.0033 45.0 13760000
9 KS01-TC01-KS03-KS01 0 -0.0016 0.0006 0.0017 26.9 15732000 10 KS02-KS03-TJBT-KS02 0.0015 -0.0104 -0.0029 0.0109 75.9 6963000 11 KS02-WJ01-SZ01-KS02 -0.0039 0.0128 0.0091 0.0162 41.3 2551000 12 KS02-SZ01-SZ02-KS02 -0.0034 0.0047 -0.0001 0.0058 39.9 6880000 13 KS03-TC01-KS01-KS02-KS03 0.0035 -0.0087 -0.0039 0.0102 40.4 3973000 14 KS03-TJBT-SHAO-SZ02-KS03
0.0005 0.0149 0.0128 0.0196 78.4 3989000
15 KS03-SZ02-KS01-KS03 -0.0039 -0.0009 -0.002 0.0045 33.5 7481000
16 SZ02-CS03-CS02-SZ02 0.0075 -0.0121 -0.0014 0.0143 53.8 3763000
17 SZ02-KS02-SZ01-CS01-SZ02 0.0033 -0.0005 -0.0022 0.004 65.1 16280000
18 SZ03-ZJG2-CS01-SZ03 -0.001 0.0033 -0.0086 0.0093 69.8 7531000
19 SZ04-ZJG2-SZ05-SZ04 -0.0042 0.0031 0.0137 0.0147 128.1 8734000
20 SZ04-SZ03-SZ01-SZ00-SZ04 -0.0136 0.0167 0.0078 0.0229 33.8 1477000
21 SZ05-SZ04-SZ00-SZ05 -0.0027 0.0028 0.0032 0.005 41.3 8207000
22 SZ05-SZ00-WJ01-SZ05 0.0162 -0.0233 -0.012 0.0308 48.9 1587000
23 SZ05-WJ01-JSDS-SZ05 -0.0084 0.0103 0.0043 0.014 45.5 3254000
24 TC01-KS01-KS02-TJBT-TC01 0.0101 -0.0012 -0.0037 0.0108 78.3 7236000
25 TC02-TC03-CS03-CS02-TC02 0.0039 -0.0016 0.0012 0.0044 42.7 9748000
26 TC03-TC01-TC02-TC03 -0.0011 0.0001 -0.0031 0.0033 26.7 8101000
27 TC03-CS03-ZJG2-TC03 -0.001 0.0136 0.0112 0.0176 74.5 4220000
28 TC03-ZJG2-TJBT-TC03 0.0045 0.0015 0.0036 0.006 128.7 21611000
29 TJBT-SHAO-JSDS-WJ03-TJBT 0.0024 0.0227 0.013 0.0263 132.8 5055000
30 TJBT-WJ03-WJ02-TJBT -0.0013 -0.0028 -0.001 0.0032 133.6 41182000
31 TJBT-WJ02-KS02-TJBT 0.0013 -0.0022 0.0013 0.0029 104.5 36459000
32 TJBT-TC01-TC03-CS03-ZJG2 0.0056 0.0148 0.0168 0.0231 122.2 5293000
33 WJ01-WJ03-JSDS-WJ01 0.0067 -0.0066 -0.0044 0.0104 40.9 3938000
34 WJ01-WJ02-KS02-SZ01-WJ01 0.0042 -0.0072 -0.0061 0.0103 46.8 4530000
35 WJ03-WJ01-WJ02-WJ03 -0.0028 0.008 0.0048 0.0097 40.9 4203000
36 ZJG2-SZ03-SZ04-ZJG2 -0.0015 0.0029 0.0098 0.0103 97.9 9475000
37 ZJG2-CS03-CS01-ZJG2 0.0024 -0.0065 -0.0013 0.007 45.0 6376000
异步环闭合差的统计结果如下：
绝对闭合差(m) 相对闭合差1/
平均0.0102 8715378
最小0.0017 15732000
最大0.0308 1587000
所有闭合环的闭合差都满足规范的要求。重复边的闭合差应满足：
σ2
d（3）
2
≤
s
4条重复边的较差如下：
边名 Wx(m) Wy(m) Wz(m) Ws(m) S(km) 1/(Ws/S) CS02－CS03 -0.0096 -0.0085 0.0009 0.0129 14.941 1162000 SHAO －JSDS -0.002 0.0051
-0.002
0.0059 35.085 5980000 SZ02－JSDS 0.0014 -0.0013 0.0004 0.002 48.976 25091000 SHAO －JSDS 0.0060
-0.0011 -1E-04
0.0061
73.112
11983000
4条重复边的较差也远远小于规范的要求。 2.3.1 WGS-84坐标系下的平差计算
以上海佘山IGS 站为起算点，中央子午线的经度是120°，X 坐标加常数是0(km)，Y 坐标加常数500(km)，投影面为参考椭球面，参考椭球
为WGS-84椭球，以基线向量内含的WGS-84方向为方向，进行无约束平差，求得苏州市GPS 首级城市扩展控制网在WGS-84坐标系下得精确坐标。平差后的点位精度统计如下:
Mx(m) My(m) Mz(m) 平均 0.0056 0.0089 0.0063 最小 0.0047 0.0075 0.0053 最大
0.0061
0.01
0.0072
这反映了GPS 本身测量的内符合精度。无约束平差后，基线分量的改正数绝对值应满足：
σσσ3,3,3≤≤≤???Z Y X V V V （4）
无约束平差后的基线分量的最大改正数为：
Vx （max ） Vy （max ） Vz （max ） 0.0193
-0.0326
-0.0174
远远小于限差。
2.3.2 北京54坐标系下的平差计算
以七子山(SZ00)和唯亭中学(SZ02)为起算点，缥缈峰为检查点。投影面为参考椭球面，参
考椭球为北京54椭球，约束平差后，可求得苏州市GPS 首级城市扩展控制网在北京54坐标系下得精确坐标。平差后的点位精度统计如下:
Mx(cm) My(cm) Mp(cm) 平均 0.24 0.28 0.37 最小 0.16 0.20 0.21 最大
0.43
0.55
0.7
平差后缥缈峰(SZ05)的坐标与原来的坐标较差为:
点名 ΔX(m) ΔY(m) 缥缈峰
0.005
-0.009
平差后边长和方向的精度统计如下:
边长(m) 边长绝对误差(cm)
边长相对误差 方向误差(″)
平均 35172.4473 0.28 15862969 0.017 最小
14080.3558
0.04
33650000
0.037
最大 103352.279 0.94 10930000 0.006
约束平差后的基线分量的最大改正数为：
Vx （max ） Vy （max ） Vz （max ） 0.0193
-0.0326
-0.0174
2.3.3 苏州独立坐标系下的平差计算
以七子山(SZ00)和唯亭中学(SZ02)为起算点，缥缈峰为检查点。投影面为参考椭球面，参
考椭球为1954椭球，约束平差后，可求得苏州市GPS 首级城市扩展控制网在独立坐标系下的精确坐标。平差后的点位精度统计如下:
Mx(cm) My(cm) Mp(cm) 平均 0.27 0.31 0.41 最小 0.21 0.20 0.32 最大
0.43
0.55
0.70
平差后缥缈峰(SZ05)的坐标与原来的坐标较差为:
点名 ΔX(m) ΔY(m) 缥缈峰
0.006
0.014
平差后边长和方向的精度如下:
边长(m) 边长绝对误差(cm)
边长相对误差 方向误差(″)
平均 30482 0.28 15890156 0.017 最小 35087 0.04 7900000 0.004 最大
25450
0.06
41180000
0.025
约束平差后的基线分量的最大改正数为：
Vx （max ） Vy （max ） Vz （max ） 0.0193
-0.0326
-0.0174
从以上统计结果可以看出，苏州市GPS 首级城市扩展控制网的测量达到了相当高的精度，可以作为各种高精度测量的基准。
2.3.4 北京54坐标系、国家80坐标系、苏州独立坐标系与WGS-84坐标系的转换
为了应用RTK 技术和虚拟参考站技术进行
实时高精度测量,需要用到WGS-84坐标系与地方坐标系的转换关系；不同地方坐标系下测得的成果，有时也需要相互利用，必然要求进行坐标转换。所有这些坐标转换问题，它的核心问题就是两个三维空间的坐标转换，常用的模型是Bursa 模型，即：
????
?
?????++??????????=??????????111321000222)()()()1(i i i z y x i i i Z Y X R R R Z Y X Z Y X εεεδμ （5） 其中),,(111i i i Z Y X 为坐标系1下的坐标，),,(2
2
2
i i i Z Y X 为坐标系2下的坐标，
),,(000Z Y X 为平移参数，δμ尺度参数，),,(z y x εεε为旋转参数，则
??????????????
??????+??????????+??????????=??????????-??????????z y x i i i
i i i i i i i
i i
Y Z Y u Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X εεεδ 1
i 11i 11 1i 1110001112220X -X - 0 Z - 0 （6） 或写成误差方程如下：
??????
?
???
?
??????????????????
???---=??????????-??????????+??????????z y x i i i i i i i i i i i i i i i Z Y X Z Y X X Y Z X Z Y Y Z X Z Y X Z Y X V V V εεεδμ0001
1
1
111111111
22201
00100001 （7）
当有3个以上公共点时，就可以按最小二乘法解算7参数。具体可以参看有关文件。 2．4新苏州独立坐标系的建立
新苏州独立坐标系的建立标志着整个苏州五县一市的各自独立的坐标系统被统一的、高精度的基准网所替代，新苏州独立坐标系的建立将满足以下基本条件：
（1）新苏州独立坐标系将由若干高精度的基准点组成和维持。
（2）新苏州独立坐标系将满足各种高精度的静态和动态定位的应用。
（3）新苏州独立坐标系将最大限度的保证投影变形
控制在适当的范围内。
（4）新苏州独立坐标系将为原有的资料延续利用提供方便。
众所周知，高斯投影的长度变形是：
2
2
21m
R y m += （9） 其中y 是离中央子午线的距离，R m 为平均地球曲率半径，对于离开中央子午线不同的距离，变形量如下
y （km ）
10
20 25 30 35 40 45 50 相对精度 1.2*10
-6
4.9*10
-6
7.7*10
-6
1.1*10
-5
1.5*10
-5
2.0*10
-5
2.5*10
-5
3.1*10
-5
苏州市东西向的范围是120°20′～121°20′,城市测量规范中规定:坐标系的选择应满足投影长度变形值不大于2.5cm/km ，也就是边缘离中央子午线的距离不应大于45公里。参考椭球为北京1954参考椭球或国家80椭球。
新坐标系虽然克服了各个地方坐标系不统一的缺陷，但对实际工作会产生一定的负面影响，为了更好的利用原有测绘成果，有必要建立新坐标系与原有各地方独立坐标系的转换关系。一方面可以将老成果转换到新的坐标系统中去；另一方面，对
新立的项目，要求在新的坐标系统下规划、设计、施工。各地可根据自己的实际情况，逐步开展此项工作。
建立新苏州独立坐标系与各地独立坐标系的关系，实质上就是新、旧坐标在不同椭球下的坐标变换问题，变换时要顾及中央子午线、投影面高程、X 坐标加常数、Y 坐标加常数、参考椭球、高程异常等。 3．结论
苏州市GPS 首级城市扩展控制网的建立，统一
了苏州五县一市的独立坐标系统，为苏州市的整体规划、大型市政工程的建设提供了良好的平台。苏州市GPS首级城市扩展控制网的建立，兼顾了已有测绘资料的利用，较好的解决了现有成果的使用与未来发展的矛盾；苏州市GPS首级城市扩展控制网的建立，为未来高精度、动态实时定位打下了扎实的基础，建议在现有的扩展控制网的基础上，建立苏州市连续运行参考站，拓展空间定位的应用领域，满足其它行业对空间定位的需要；本次建立的扩展控制网不仅仅是规模上的扩展，主要是功能上的扩展，适应了未来信息社会对空间定位的要求；本次建立的苏州市GPS首级城市扩展控制网可以作为各种高精度测量的基准。
Research on the first order GPS extend control network in SuZhou New millennium
Wang Jianhui, Chen.Yi XiCHangyuan.Jin Yuande, Key words:GPS,control network,datum,WGS-84
﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎﹎
（上接第 47 页）
方式更加符合人们的思维方式，打破了常规的流水号查找习惯，提高了资料的查询效率。这种空间化管理方式极大地优化了文件资料的组合结构，使得资料查询方式向多元化发展，为多种数据资料管理提供了崭新的管理方式，为各部门多阶段审批建设项目开拓了快速的资料共享渠道。
Administrating urban planning data in the direction of airspace
Gaosuxin
Suzhou Urban Planning Bureau Abstract:According to the need of urban planning administration , it is a introduction of processing different data in the direction of geography airspace position and taking advantage of CAD and Database System . It is significant that we explore some new ways to develop the visual information system and share on the network . Keys:Geography coordinate Extended data Like search Compositive Object
数字苏州及其实现策略
袁铭袁中金
(苏州科技学院资源与城市科学系)
摘要文章分析了苏州市在城市建设、管理、政府决策方面亟待改进的一些现象，论述了实施数字苏州工程的六方面意义和四项优势条件，并从组织、宣传、实施、发展、测评、应用等方面提出了实施数字苏州的基本策略。
关键字数字苏州信息应用策略库――项目数据文件”。
苏州作为一个较大城市，正在逐步走向现代化、国际化。为实现苏州市可持续发展的战略目标，数字苏州建设是一项十分重要和紧迫的任务。
数字苏州是指将空间信息采集技术、信息管理与处理技术、计算机网络技术等融合进入苏州城市生活的各个方面。数字苏州系统具有三维的、多重分辨率的空间信息特点。它能在计算机上真实和精确地显示苏州市，再现苏州市有关资源与环境的分布状态，为苏州市的信息管理及面向政府部门的决策和社会公众的信息服务提供一个能够高速走向现代化和国际化的有效途径。数字苏州是苏州城市信息化的高级阶段。
1 实施数字苏州工程的意义
一个城市信息化水平的高低是衡量这个城市经济社会发展水平的重要标志，反映出一个城市现代化的程度。
随着城市现代化的发展，传统的城市建设、管理、工作方式以及政府决策方式已越来越不适应城市迅速发展的需要。目前苏州市这方面的表现主要在：
1）数据、资料更新慢，管理方式比较落后，查询、检索困难；利用率低，难以为建设部门和政府部门提供可靠数据和有效决策支持。
2）基础数据建设滞后、满足不了应用需要，由于缺乏统一管理，各单位重复数据建设，造成不必要的浪费。
3）各部门开发封闭进行，数据标准不统一、部门之间信息共享的需求虽很强烈，但信息资源共享性差，无章可循，造成信息交换困难，无法发挥信息集成的作用。
数字苏州的实施可以提高领导的决策科学化、城市的现代化和服务的社会化水平，可以大大促进苏州市经济、社会、环境和科技的协调发展，使人民的生活水平进一步提高。并培育形成苏州市经济新的增长点，产生更大的社会经济效益。主要表现在以下几个方面：
1）可以深化苏州的现代化建设，进一步优化产业结构，提高经济效益，促进苏州市经济和社会的持续发展。
2）有助于提高政府办公效率和管理水平。在诸如国土资源、城市规划、环境保护、公共安全等政府部门实现办公自动化和决策科学化。
3）推动远程医疗、远程教育事业的发展。
4）营造更好的投资环境，并帮助企业开拓国内外市场。
5）为社会公众提供日常生活和工作需要的公共信息，并促进电子商务的发展。
6）苏州的经济，小城镇占了半壁江山，数字苏州可以为周围小城镇的现代化打下基础。
建成后的数字苏州应能提供苏州市任一位置、任一区域的自然环境、资源情况和工农业生产等多方面综合信息，为政府部门提供查询检索、
统计分析、动态监测、专题规划、综合规划、决策支持，同时也可以将海量的空间数据及多种研究成果及时转化为市场应用，为苏州市国民经济和社会公用信息化服务。
2苏州是进行数字城市建设的理想示范区
今天的苏州，既是经济大市，又是全国创建文明城市工作先进市、文化模范市、国家卫生城市、环境保护模范城市、优秀旅游城市、社会治安综合治理工作优秀地区。近期，中央12家新闻媒体对此展开了集中宣传。上海市社科院对中国最具代表性的城市首次进行比较研究，评出中国十大城市综合实力竞争力排序，苏州位列第六，被列为最适合投资的地区。
进行数字苏州建设，苏州有如下优势：
2.1 经济基础厚
2000年，苏州全市完成国内生产总值1541亿元人民币，位列全国大中城市第七位；合同利用外资355.6亿美元，全国第二；财政收入158亿元人民币，全国第八。城镇居民人均可支配收入9274元人民币，全国第九。目前苏州的农业、工业、第三产业的比例为6：56.4：37.6[1]。
苏州市2000年开放型经济实现了历史性突破，进出口总额和累计实际利用外资双超200亿美元，在全国各大中城市中分别名列第二(次于上海)和第四(次于上海、深圳和广州)。
台湾电子同业公会把苏州列为祖国大陆投资环境最佳城市。2001年四月的一期美国《新闻周刊》又把苏州列为全球9大新兴科技城之一[2]。苏州又是中国按联合国标准建设“健康城市”的唯一试点城市。
这些为打造数字苏州奠定了物质基础。
2.2人才素质高
1992年，苏州在全国率先普及九年制义务教育；1999年，普及高中段教育；2000年，全市18至22岁青年中，接受高等教育的比例超过28％，达到了中等发达国家的水平。
苏州拥有进入国家211工程的苏州大学和以
城市建设、规划、管理、环境等工科为主的苏州
科技学院等11所高校（普通高校6所，成人高校
5所）。
苏州还向全国乃至全世界的人才敞开了大门。现在苏州有两个留学生创业园和3个科技创
业中心，与全国各大科研院所和重点高校合作建
立了100多个产学研联合体，每年吸引6000名研
究生以上的专业技术人才来苏州谋求发展。目前，150家留学生企业的前景看好[3]。
苏州的文化底蕴丰厚，仅苏州籍的两院院士
就达83位，为全国之最。这些为打造数字苏州提
供了人力资源和人才储备。
2.3通信设施好
苏州以光纤通信为主的宽带数字通信基础设
施比较完善，全区铺设光纤总量达到108万芯公里，如果加上公司、部门自设的光纤数则达到125
万芯公里以上，宽带城域网已经覆盖所有乡、村，
其数量及广度为全国地级市第一。全市大学之间
宽带城域网已全面开通，许多中、小学，中专也
已开通或正在建设。一些居民小区特别是新区及
园区的新建小区已实现了与因特网联网。大量的
政府机构，外资、合资企业早已联上了因特网。
据统计，全区已接入因特网的用户达到71万。苏
州市还是全国第一个电话市。目前全市的手机用
户达130多万，与广州市相当。
这些是信息资源传递和共享的基础。
2.4 应用系统多
已建成一定数量的空间基础信息并开发出一
些应用系统。如已有古城区、园区、新区的大部
分数字化地形图，一些政府机关和企事业单位已
经开发建设了一批信息系统，如园区测绘中心、
自来水公司、公安局、供电局等等。一些智能小
区已经建成，数字化工程试点—数字观前已经启动。
无论是城区、工业园区还是苏州新区，大部分政
府、企业、金融、教育部门都对数字苏州有迫切的需求，希望这一目标早日实现。
3数字苏州工程的实现策略
目前，建造数字城市的技术已经基本成熟[4]，而苏州市也已经具备了启动数字苏州工程的
基本条件。数字苏州建设应该是一个战略目标，
数字苏州工程是逐步实施的，有一个发展的过程，
从这个意义上讲，数字苏州早启动比晚启动好，
早规划比晚规划好，关键是要抓住主要环节，搞
好调查研究，吸取经验教训，作好整体规划。
目前国内一些已建成的数字化系统在城市建
设和管理中发挥了重要作用，但仍然存在一些问题：
—由于对系统总体设计考虑欠周，走过一些
弯路，浪费了人力和财力；
—一些城市和企事业单位对数字化工程、地
理信息系统等概念理解片面，盲目追求，有一哄
而起、各行其道的倾向。
—注重软件和硬件设备，忽视基础数据的采集、整理及其综合应用。
—没有统一的数据规范和标准，信息及系统
的集成度和移植性差。
—对硬件工程实行监理制度，对同样耗费大
量人力物力的软件工程则忽视了监理，难以保证
数据和系统的质量。
—系统建成，但少人使用，投入大而经济效
益不明显。
数字苏州是一个复杂的系统工程，需要花费
大量的人力物力，涉及大量跨学科技术，应该按
照系统工程的方法，吸取国内外已有的数字化系
统建设的经验，制订尽量完整周详的总体设计和
系统集成方案。
针对以上问题，建议采用如下策略：
3.1 政府领导统一管理
数字苏州的实施直接关系到苏州的现代化和
可持续发展。鉴于数字苏州工程的系统性、复杂性，涉及面广，数据种类繁多，人力、物力、财力投入量大的特点，应由市主要领导挂帅，组成数字苏州工程领导小组，制订数字苏州的发展纲要，数据标准规范，协调部门、单位、地区之间的事物，解决各自为政，互相封锁，单位及地方保护等问题。
3.2 加强宣传转变观念
建设、管理、使用数字苏州的是来源广泛的苏州人民，只有政府、大量企业、各行各业，普通市民都了解数字苏州，使用数字苏州，数字苏州才能产生巨大的社会经济效益。客观地讲，数字苏州能否实现, 全市各级领导干部和广大公务员有没有信息化意识是关键，他们的积极参与和密切配合至关重要。如果数字苏州建成后少人使用，也产生不了社会效益，因此要大力宣传数字苏州对苏州市可持续发展的重要性，宣传数字地球、数字城市的概念，充分理解信息共享是信息社会的基本要求，摈弃传统的“我的数据我用”的做法，逐步走向在统一标准和规范下的统一管理。从思想上为数字苏州工程的实施做好准备，主动积极地配合工程的实施。通过宣传, 使大家认识到信息化带来的不仅是技术手段的革命, 而且是生活方式、管理方式、思想观念的革命。3.3 循序渐进基础先行
数字苏州是一项大型系统工程，开发周期长，经费投资大，技术含量高、见效慢，组织工作十分复杂。要使市政府在短期内投入大量资金和技术力量是不现实的，可以采用“基础先行，应用各方，分项完善、渐成整体”的总体发展战略。数字苏州的基础设施包括宽带网络建设和基础空间数据，比较而言，苏州的基础空间数据建设落后于宽带网络建设。人类日常生活所接触和利用的信息，80% 与基础地理空间数据有关。基础空间数据主要包括苏州多种比例尺的数字地图和影像数据，这些数据可为其他系统提供统一的空间定位基础。建立基础空间数据库的同时还应建
立数据更新机制，以保证数据的现势性和权威性。
基础空间数据库是数字苏州中最重要的数据库，应以市政府支撑建立，垄断发行权，不准重复建设。市政府应首先在此投入，建立基础信息系统，以便其他应用系统在统一基础上建设。
为了实现全国范围的数据共享，基础数据的标准和规范由中央政府统一制定。而属地方的数据其标准和规范由地方政府制订，由于数据应具有可靠性和权威性，数据规范的制定应作为一种政府行为。
对于各应用部门而言，应及早将本单位的各类公文、账务、人事、物资数量、图纸、资料等等数字化，为建立自己的应用系统做好准备。
这些都要求各级领导具有信息化意识。
在有限财力的情况下，按统一规划可以先启动一些相对简单，经济效益明显的数字化系统，以取得经验，为建设数字苏州提供项目试点和应用示范。
3.4企业机制自我发展
只靠政府行为难以保证数字苏州的快速发展，可以考虑引入企业行为，即由公司来运作数字苏州涉及到的一些大型工程。例如数字北京由北京市信息化办公室组织协调，具体运作由首都信息发展公司承担。
要尽量创造一个有效的机制和环境，让实施数字苏州工程的企事业单位尽快从中受益，以保证数字苏州建设的持续进行。广东东莞市建立的土地交易信息系统将土地的无形市场变为有形市场，通过网上和计算机竞价，使土地的实际成交价比政府预先估计的底价高的多，每年可增值几亿元。竞价增值的收益为政府带来了直接的经济效益，如果将部分用于数字城市的再发展，就形成了自我发展机制。
此外，也可申报国家经费资助（如建设部的数字城市示范工程项目）或引进外资。
3.5软件评测工程监理
数字苏州工程具有投资巨大、系统功能复杂、入库数据量大面广、涉及部门和人员众多等特点，应当借鉴工程建设实行监理制的经验，进行数字工程监理，建立和健全一套适时评估和软件评测机制，以保证数字化工程的质量。
3.6产学研用密切结合
在工程实施过程中（产），要借鉴其他城市的有益经验（学），搞好专题研究（研），并及时将成果推广应用（用）。应充分发挥各级政府和产、学、研各方面的积极性，利用大专院校和科研院所的技术力量和研究成果，采取已有成果推广与攻关研究相结合、政府支持与市场运作相结合、点面相结合等多种方式推动苏州市数字化工程的顺利开展。
参考文献
1 李灿，张建勇，三个代表的成功实践苏州日报2001.6.5（1）
2 文洪，高卫兵迈向工业化迈向国际化迈向现代化苏州日报2001.6.26（1）
3 朱庆，孙献涛走近苏州看文明光明日报2001.6.6
4龚建雅数字城市的基本概念及实现策略数字中国3S世界2001.3 （8）
Digit Suzhou and His Building
Strategies
Yuan Ming Yuan Zhong-jin Abstract:The paper analyzed some p henomenon’s, which needs to be improved, in the construction, management, and government decision of Su Zhou. It discussed 6 significances and 4 advantage conditions in building digit Suzhou project and put forward basic strategies in digit Suzhou project from organizing，propagandizing，actualizing，developing, testing，appalling.
Keywords:digit Suzhou, information, appalling, strategy
地下管线的三维可视化研究
严勇
(苏州科技学院)
摘要:管线是城市的重要基础设施，三维管线建模与可视化是构建三维“数字城市”，实现城市现代化管理中不可或缺的重要组成部分。本文首先介绍管线管理的现状，然后提出管线数据的层次模型和组织方式，研究地下管线的三维模型建立，提出分段渐次推算的模型计算方法，并简要介绍对管线的交互操作与遇到的问题及解决方案。最后介绍基于Visual C++和OpengGL技术所开发的系统与一些实验结果。
关键词:地下管线；可视化；三维管线模型
1、前言
目前，国内多数管网信息系统是结合国外大型基础地理信息系统软件（如MAPINFO、ARC/INFO 等）与可视化开发语言（VB、VC、Delphi等）进行集成式二次开发。武汉吉奥和中地公司以自主开发的GIS软件为平台，运用二次开发控件进行了管线信息系统的开发。这些系统除满足GIS基本功能外，还具有管线管理的专业功能，如断面分析、爆管分析等，但大多数系统是2D或2.5D 的。管线在地下的分布纵横交错，二维图形无法表现管线之间的空间关系。有些管线上下起伏，与地面垂直的一段管线在平面图上只能以一个点与相应注记来表示，视觉效果不直观。因此，在国内外竞相研制三维数码城市、三维数字小区的氛围下，研究三维管线成为必然趋势。
尽管MAPINFO和ARC/INFO提供了简单物体的三维显示，但对现实世界的复杂三维关系不能详细描述与分析，更没有提供面向三维管线的建模工具。中地公司的管线信息系统具有管线的真三维图形显示漫游和局部简单查询，缺乏对三维管线的拓扑分析。VRMap是北京灵图公司自主开发的三维GIS软件系列产品，它对三维管线管理也作了一定的研究。迄今国内还没有文章详尽阐述三维管线建模与相关空间分析。国外学者Bürger[3]与ERMES[1] 以近景摄影测量（close-range photogrammetry）技术与结构实体法CSG（Constructive Solid Geometry）可以重建3D管线模型。他们的研究对于显示化学工厂等地上错综复杂的管线很有效，但是，难以重建地下管线，且没有涉及大范围的管线管理。高速发展的现代化城市，其地下管线数据数量庞大、种类繁多，建立合理而有效的三维管线数据库是管线系统运行稳定和高效的保障。
管线有地上的、半地上的结构，但大多位于地下，目前,地下管线多数以圆形管线为主。因此，本文主要介绍地下圆形管线的数据组织与三维可视化。文章将从以下几个方面进行阐述。首先，介绍管线数据模型和组织方式；其次介绍如何建立三维管线模型，提出模型的分段渐次推算方法；然后简要介绍对管线的编辑、查询、分析操作，其中遇到的问题及解决方案。最后介绍基于Visual C++和OpengGL技术所开发的系统与一些实验结果。
2、管线数据组织
2.1 数据模型
目前，商用地理信息系统的数据模型主要采用拓扑关系模型和空间实体模型。拓扑关系模型主要采用POLYVRT结构，记录的是链（弧段）信息，
不同的对象可以共用相同的结点，节省存储空间，但是结构比较复杂，数据的编辑和维护比较困难。而空间实体模型虽然会造成公共结点的重复存储，但是其结构化的实体模型使得对某个对象的更改不会影响到其它对象的定义，从而大大增强了空间数据的可维护性。针对管线数据的特殊性，结合上述两种模型的优点，作者提出一种管线数据层次模型(见图1)及相应的索引方式，既节省了存储空间，又便于数据的编辑和维护。
……
给水管网层
所有管线数据
排水管网层管线数据集合
管线段数
据集合
附属设施
数据集合
管点数据集合
燃气管网层
图1 管线数据层次模型
Fig.1 The Layer Model of pipeline data
图1中,将城市地下管线分为以下七大类：给水、排水、燃气、热力、工业、电力和电信管线[5]。各大类还可以细分，如给水管线包括工业给水、生活给水和消防给水管线；排水管线包括污水和雨水管线。管线的几何基本数据可归纳为管线端点、结合点、变径点与附属设施特征点，此后统称为管点数据。管线形状多为树枝状、环状或辐射状，每一条管线可以根据交叉点和变径点分解成若干条管线段，交叉点处模拟现实情况，以三通、四通、阀门或变径接头等附属设施相连接，管线段是由相应管点数据的连接，组成一条不间断的管线段。因此，每一条管线可以抽象为由管线段和附属设施组成。
2.2 数据结构
管线按其数据类型划分为不同管网层，如给水管网层、排水管网层、燃气管网层等，这种方法符合实际情况，便于按各类管线的管理部门进行资料收集、建库和分层管理，每一类管线的数据存储类型略有区别，但数据结构基本相同。管网层内的管线可以细分，存储时以不同类型码和颜色表示。基于管线数据层次模型，管线数据结构近似为树形结构，如图1，叶结点有所合并，有利于节省存储空间。树中所有结点的数据以表或文件的形式存储，同一结点的空间数据和属性数据分开存储。每种管线的管点平面坐标、埋深、颜色、半径等为空间数据，它是管线建模与三维显示的基本信息。管材、受控阀门、建埋时间、所属街道等为属性数据，存储在关系数据库的若干属性表中，为查询、检索等操作提供详尽的数据库信息。两种数据通过一个公共标识符连接起来。若是大范围的管线数据，图层可以划分为若干图幅进行存储与索引。属性数据用现在流行的关系数据库SQL-Server来管理，主要的空间数据文件结构如下所示。
管网层空间数据文件结构：
管网层标识符包含的管线数目包含的管线标识符管线空间数据文件结构：
管线标识符细分类
型码
颜色
包含的管
线段数目
包含的管线
段标识符
包含的附属
设施数目
包含的附属
设施标识符
管线段空间数据文件结构：
管线段标识符包含的管点数目包含的管点标识符序列（依次序存储）管径
附属设施空间数据文件结构：
附属设施标识符附属设施类型码包含的管点标识符颜色
管点空间数据文件结构：
管点标识符特征点类型码x y 地面高管顶高管底高
对这些数据文件的索引是多级索引，索引结构同数据结构一致，是树形结构，限于篇幅，此处以介绍索引某条管线为例。从该条管线的空间数据文件中获取包含的管线段标识符和附属设施标识符，由这些标识符分别索引管线段空间数据文件和附属设施空间数据文件，得到每条管线段和附属设施包含的管点标识符，由这些管点标识符索引管点空间数据文件，就可获得该条管线的基本空间数据。这些基本数据是管线三维建模的起算数据。
3、三维管线建模
在获得管线基本数据的基础上，通过对管点空间数据文件进行处理，由地面高、管顶高、管底高可以求得每个管点的绝对高程z，加上平面坐标（x、y），构成管线中心线的节点坐标。该坐标和管径为管线的起算数据。
3.1 三维管线模型构造
3.1.1 管线的表面微分处理
在管线平面图中，管线对象一般以管线中心线来表示,一段管线在图上显示为一条直线；而在管线三维透视图中，一段管线可以用圆柱面表示，圆柱面的轴心即为管线中心线，圆柱面的截面半径为管线在截面处的半径。为了构造管线三维图形，我们采用将管线表面分段构造成众多四边形的办法来实现，如图2所示。实验表明，管线表面等分地越细，模拟管线在直观上就越接近真实管线，但模型的计算量增大，电脑显示速度会降低；反之，模拟管线比较粗糙，电脑显示速度较快。当管线表面等分为八个四边形，显示真实性与显示速度能取得较好的平衡。
图2 管线表面微分示意图
Fig.2
The map of partition of pipe ’s surface
3.1.2 管线衔接处圆滑处理
在管线平面图中,一般以二维折线表示一条管线段。在三维透视图中，圆柱面的首尾衔接构成虚拟管线段。为使虚拟管线形象逼真，又不影响系统运行速度，故将管线衔接处圆滑过渡，其实现方式
为：将管线中心线的拐角以圆弧替代，弧线弧度等于相邻线段的夹角弧度，圆弧所在圆的半径等于管径。将圆滑处理后的管线中心线分段处理，如图3所示。拐角圆弧的细分程度由圆弧弧度大小决定。图3中的数字表示管线中心线的分段节点编号。
5 6 7 8 4 9 3 10 2
O 1 O 2
O 3
11 1 12
13 14 15
Fig.3
The map of smoothness handling of pipeline
将每段管线以圆柱面模拟，拐弯处为斜圆柱面，其计算方法在3.2节中详细介绍。将所有圆柱面首
尾相接，在三维场景中设置光照，则虚拟管线在视觉上与真实管线非常接近。如图4所示。
图4 管线段虚拟显示
Fig.4 Simulation display of pipeline section
3.1.3 管线段的连接
管线段的连接处一般为管线分叉或管径变化部位，在现实情况中，由三通、阀门、变径接头等附属设施相连接。因此在系统中，作者把它们抽象建
模，实现虚拟附属设施，作为立体符号存储在数据库中，显示时根据管线的空间走向，调整附属设施角度，使它们与管线紧密结合。如图5所示。