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1、引言 我國曾經采用過1954北京坐标系和1980西安坐标系作為國家大地坐标系,但是随着科技的進步,特别是GPS技術和新的大地測量技術的發展,原有兩種坐标系都不是基于以地球質量中心為原點的坐标系統,不能适應新時期國民經濟和科學發展的需要。因此,需要建立以地球質量中心為原點的新型坐标系統,即地心坐标系統,以滿足我國建設地理空間信息框架以及各個行業的需求。

了解更多工程測量、儀器知識，關注”CORS測繪服務商“VX公衆号 經過我國科學家多年的努力,建立了國家地心大地坐标系,即CGCS2000。2008 年6月,國家測繪局宣布,自2008年7月1日起,中國正式啟用2000國家大地坐标系,并将我國全面啟用新坐标系的過渡期定為8~10年。原有基礎地理信息4D 數據，采用的坐标框架包括1954北京坐标系、1980西安坐标系,同時各個地方還采用地方坐标系作為基礎地理信息數據的坐标框架。要實現各種成果坐标框架統一到CGCS2000坐标框架下,需要将原有成果進行坐标轉換,即将原有成果坐标系轉換到CGCS2000。

2、CGCS2000坐标系定義方法

地心坐标系是以地球質心為原點建立的空間直角坐标系,或以球心與地球質心重合的地球橢球面為基準面所建立的大地坐标系。以地球質心(總橢球的幾何中心)為原點的大地坐标系,通常分為地心空間直角坐标系(以x、y、z 為其坐标元素)和地心大地坐标系(以B、L、H 為其坐标元素)。其中地心坐标系是在大地體内建立的O-X YZ 坐标系。原點O 設在大地體的質量中心,用相互垂直的X、Y、Z 三個軸來表示,X 軸與首子午面與赤道面的交線重合,向東為正; Z 軸與地球旋轉軸重合,向北為正；Y 軸與XZ平面垂直構成右手系。 CGCS2000國家大地坐标系,是一種采用地球質量中心作為原點的地心坐标系, 2000 國家大地坐标系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心。該坐标系定義除原點外,還包括3個坐标軸指向、尺度以及地球橢球的4個基本常數定義。基本參數如下。

在該橢球中, Z 軸指向曆元2000.0的參考極方向,X 軸指向曆元2000.0的格林尼治參考子午線與赤道面的交點, Y 軸是與X、Z 軸構成右手正交坐标系的垂直軸。

在該橢球中, Z 軸指向曆元20000的參考極方向,X 軸指向曆元20000的格林尼治參考子午線與赤道面的交點, Y 軸是與X、Z 軸構成右手正交坐标系的垂直軸。3、1954北京坐标系、1980西安坐标系的定義 1954北京坐标系,是我國第一代大地坐标系,采用蘇聯克拉索夫斯基橢球體,實質上是由原蘇聯普爾科沃為原點的1942年坐标系的延伸。其原點位于俄羅斯境内的普爾科沃。基本參數如下。

由于1954北京坐标系不是采用質心坐标,因此,沒有嚴格的地心引力常數和自轉角速度等物理參數。

1980西安坐标系又稱1980國家大地坐标系,是我國第二代大地坐标系,1980國家大地坐标系采用地球橢球基本參數為1975國際大地測量與地球物理聯合會第十六屆大會推薦的數據。基本參數如下。

從CGCS2000與1954北京坐标系、1980西安坐标系的定義和相關參數對比可以看出,原有坐标系存在一些問題。主要包括:與現代精确的橢球參數相比存在誤差,特别是1954北京坐标系的橢球與CGCS2000橢球長軸差約109m;采用的原點均類似地球的幾何中心,而CGCS2000坐标系采用地球質心作為橢球中心;采用結合水準高程作為基準,在表達式上,以平面直角坐标表達為主,而CGCS2000坐标系不再結合水準高程制定基準,可以橢球面作為有起算面,空間坐标采用三維坐标系表達。 可以看出,原有橢球坐标系原點和參數與CGCS2000定義完全不同,由于原心和橢球參數定義不同,在地球上,除了某單條線(橢球坐标數學模型重合線)之外,所有的點在不同定義的坐标系内,其經緯度值是不同的,不能直接采用平面坐标轉經緯度的方法進行坐标轉換。而必須采用不同橢球面的參數拟合實現坐标轉換。 我國很多單位使用的地方坐标系,都是在國家原有坐标系坐标基礎上進行部分改正定義獲得,橢球參數與1954北京坐标系和1980西安坐标系相同。

4、坐标轉換的基本方法

不同的坐标系統之間,由于橢球參數不同,兩個橢球之間沒有一種統一的方法實現坐标轉換。但是，在兩個橢球所指的同一區域内,由于橢球面彎曲度較小,該區域同名點在不同的橢球系上存在一定的曲面數學關系,因此可以通過區域轉換模型進行坐标轉換。一般常用的轉換方法是四參數轉換法和七參數轉換法。

但是,由于CGCS2000是最新的坐标系統,我國各級測繪管理部門和基礎測繪資料管理部門都沒有本地區CGCS2000的相關控制點數據,因此,無法直接計算從其他坐标系到CGCS2000坐标系的轉換參數。需要将原有高等級大地控制點進行基線解算和網平差計算,所有結果轉換完成将需要較長時間,而在未有CGCS2000坐标系統控制點前,需要采用其他方法将地理信息成果從地方坐标系統轉換到CGCS2000坐标系統。 根據中國測繪科學研究院程鵬飛等人以及西安測繪研究所魏子卿的研究結果,地球上同一點在CGCS2000橢球和WGS 84橢球下,經度值相同,緯度的最大差值約為 3.6× 10負6次方”,相當于0.11mm。一般情況下,地面同一點在不同坐标系裡的坐标是不同的。這裡主要是指橢球參數的不同而引起的同一點經緯度的差異,給定點位在某一框架和某一曆元下的空間直角坐标,投影到CGCS2000橢球和WGS 84橢球上所得的緯度的最大差異相當于0.11mm。因此，除了地球動力研究的闆塊運動監測點和高等級控制點( A、B、C 級控制點)之外的各類基礎地理信息數據,從其他坐标轉換到CGCS2000坐标系統,其轉換參數可以采用其他坐标系統到WGS 84坐标系統的轉換參數。5、從地方坐标系到CGCS2000坐标系的坐标轉換實現

全國及省級範圍的坐标轉換選擇二維七參數轉換模型;省級以下的坐标轉換可選擇三維四參數模型或平面四參數模型。對于相對獨立的平面坐标系統與2000國家大地坐标系的聯系可采用平面四參數模型或多項式回歸模型。但是最通用的方法是布爾莎七參數轉換法,也稱綜合轉換,所謂綜合法即就是在相似變換(布爾莎七參數轉換)的基礎上,再對空間直角坐标殘差進行多項式拟合,系統誤差通過多項式系數得到消弱,使統一後的坐标系框架點坐标具有較好的一緻性,從而提高坐标轉換精度。流程圖如圖1所示。

根據最小二乘法,可以從B、L、H 轉換到X、Y、Z空間三維直角坐标,聯合控制點計算出布爾莎七參數。坐标轉換步驟：(1)在轉換區域内找到4個以上擁有WGS84/CGCS2000坐标和地方坐标的控制點;( 2)利用布爾莎七參數法求出坐标轉換七參數;(3)評估轉換參數精度,精度達到要求,則可以作為轉換參數，否則需要重新找到控制點計算轉換七參數;( 4)用布爾莎模型将原有坐标系統數據轉換到CGCS2000坐标系統内;( 5)根據成果需要進行X、Y、Z 到B、L、H 的換算。結束語 通過地方坐标系和WGS 84的控制點計算獲得的坐标轉換布爾莎七參數，實現從地方坐标系到CGCS2000坐标系的坐标轉換。采用該方法，可以實現原有地方坐标基礎地理信息數據的批量轉換，逐漸實現從原有坐标到CGCS2000坐标系的統一。