浅谈我国的大地坐标系统

浅谈我国大地坐标系统靳璐岩，山西省科学技术情报研究所，13485345740,张琳雁，德州市水利局，18763955088摘要：本文首先介绍我国目前使用的各种坐标系统：1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系、WGS-84坐标系以及地方独立坐标系；对CGCS2000与WGS-84坐标系进行了比较；然后详细阐述了WGS-84坐标到1954北京坐标，再到地方独立坐标的转换过程。最后得出结论。关键字：坐标系；坐标转化20世纪50年代和80年代，我国分别建立了国家大地坐标系统，称为“1954北京坐标系”和“1980西安坐标系”，并以此为基础，进行各项测绘工作，测制了各种比例尺地形图，形成了种类较多的测绘成果，为国民经济和社会发展提供了基础的测绘保障。随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。经国务院批准自2008年7月1日启用我国的地心坐标系—2000国家大地坐标系，即CGCS2000。20世纪80年代，GPS卫星定位在我国在测量中得到应用，WGS-84世界大地坐标系开始在测量中应用。1我国目前使用的坐标系统1.11954北京坐标系解放初期，我国测绘技术水平相当落后，新中国建设又急切需要一个稳定的大地坐标系。北京54坐标系正是在这样的环境下产生，它可以看成是前苏联1942坐标系在我国的延伸。54北京坐标系首先是从我国东北地区联测传入我国，随后扩展、加密而遍及全国。其坐标原点不在我国境域内，参考椭球选择与定位也是不最优于我国疆域。1954北京坐标系的特点：1.参心大地坐标系。坐标系的原点在所选参考椭球的中心，它只是局部与某区域地球表面相似。2.大地原点在原苏联的普尔科沃。北京54是利用前苏联的坐标框架，所以它的大地原点在前苏联境内。3.高程基准采用1956黄海高程基准。4.采用多点定位法进行椭球定位。选择椭球后如何将椭球定位到实际的地球上就称为椭球定位。为了使定位准确，一般选择多点定位。有时候可以选择单点定位。5.克拉索夫斯基椭球的几何参数：长轴：a=6378245m扁率：f=1:298.3第一偏心率：e2=0.0066934216229661.21980国家大地坐标系1978年，我国决定建立新的国家大地坐标系统,并且在新的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差,这个坐标系统定名为1980年西安坐标系。1980西安坐标系的特点：1.参心大地坐标系。2.大地原点在陕西省泾阳县永乐镇石际寺村。3.高程基准采用1985国家高程基准；4.多点定位方式进行定位，椭球短轴平行于地球质心指向JYDl968.0极原点的方向，大地子午面平行于格林尼治平均天文台子午面。5.采用1975年国际大地测量学与地球物理联合学会第十六届推荐的椭球参数；具体参数如下：长轴：a=6378140m扁率：f=1:298.257第一偏心率：e2=0.00694384999591.3CGCS2000中国大地坐标系随着GPS等新空间定位技术的发展，构建国家大地坐标系的方法发生了巨大的变化，新的地心坐标必须建立。2000国家大地坐标系就是在这样的环境下产生。CGCS2000是由国家GPSA、B级网，全国GPS一二级网以及全国地壳GPS监测网联合平差而得。2000中国大地坐标系（简写为CGCS2000），其定义与国际地球参考系统（ITRS）协议的定义一致。CGCS2000的特点如下：1.坐标系原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质量中心。2.长度单位为米（m），是在广义相对论框架下的定义。3.Z轴从地心指向国际时间局（BIH）确定的协议地球极点BIH1984.0。CGCS2000的参考历元为2000.0。4.X轴从地心指向格林尼治平均子午面与协议地球极（CTP）赤道的交点。5.Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系。6.时间演变基准是使用满足全球地壳无整体旋转（NNR）条件的板块运动模型，来描述地球各块体随时间的变化。7.CGCS2000采用GRS80椭球，其几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的z轴一致。参考椭球面在几何上代表地球表面的数学形状，在物理上代表一个等位椭球(水准椭球)，其椭球面是地球正常重力位的等位面。参考椭球的4个常数分别为：长半轴：a=6378137.0m；扁率：f=1／298.257222101地心引力常数：GM=3986004.418×108m3s-2地球自转角速度：ω=7292115.0×10-11rads-1需要指出，这里a和f采用的是GRS80值，GM、ω采用的是IERS推荐值。2000国家大地坐标系国务院已经批准于2008年7月1日起使用。目前CGCS2000的维持主要依靠连续运行GPS参考站，它们是GPS2000的骨架，其坐标精度为毫米级，速度精度为±1mm/a。CGCS2000框架由2000国家GPS大地控制网点构成，共有约2600个3维大地控制点，其点位精度约为±3cm。1.4WGS-84坐标系WGS-84的定义：WGS-84坐标系属于地心坐标系，原点在地球质心，Z轴指向BIH（国际时间局）1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP（协议地球极）赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值。建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。具体参数如下：长半轴：a=6378137m扁率：f=1:298.257223563第一偏心率：e2=0.006694379990131.5地方独立坐标系地方坐标系——局部地区建立平面控制网时，根据需要投影到任意选定面上和(或)采用地方子午线为中央子午线的一种直角坐标系。在我国许多城市测量与工程测量中，若直接采用国家坐标系下的高斯平面直角坐标，则可能会由于远离中央子午线，或由于测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精度要求。另一方面，对于一些特殊的测量,如大桥施工测量，水利水坝测量，滑坡变形监测等，采用国家坐标系在实用中也会很不方便。因此，基于限制变形，以及方便实用，科学的目的，在许多城市和工程测量中,常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。建立地方独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心，轴向和扁率与国家参考椭球相同。地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球——地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。其椭球半径α1增大为:α1=α+Δα1；Δα1=Hm+ζ0式中:Hm为当地平均海拔高程,ζ0为该地区的平均高程异常。在地方投影面的确定中,选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线.以某个特定方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位,并选取当地平均高程面Hm为投影面。2CGCS2000与WGS84的比较2.1为什么要进行CGCS2000与WGS84的比较？鉴于目前已拥有大量GPS数据，可以预期未来GPS仍是主要的空间数据源之一。GPS使用WGS84坐标系。那么，CGCS2000和WGS84是否相容？在WGS84和CGCS2000之间是否需要进行坐标转换？要回答这些问题，我们就有必要对CGCS2000与WGS84进行一定的比较。2.2定义上的比较在定义上，CGCS2000与WGS84是一致的，即关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。两个坐标系使用的参考椭球也非常相近，具体地说，在4个椭球常数a、f、GM、ω中，唯有扁率f存在微小差异：fWGS84=1／298．257223563，fCGCS2000=1／298．257222l0l。其实，WGS84的初始版本，也是采用GRS80椭球，后来几经微小改进，才导致WGS84椭球的扁率相对GRS80椭球的扁率产生微小差异。当然，参考椭球的微小扁率差异df将导致同一点在两个坐标系内的大地坐标产生差异，也导致正常重力产生差异。大量的实验和研究表明：1.df不引起大地经度L的变化。2.df引起的大地纬度B变化范围为0（赤道和两极）到0.105mm（B=45°）。3.df引起的大地高的变化范围为0（赤道）到0.105mm（两极）。4.df引起的椭球面上正常重力的变化范围为0（两极）到0.016×10-8ms-2（赤道）。所以，在当前的测量精度水平下mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS84和CGCS2000坐标系内的坐标变化和重力变化是可以忽略的。鉴于在坐标系定义上的比较，我们可以认为，在坐标系的实现精度范围内，CGCS2000坐标和WGS84坐标是一致的。2.3坐标系实现上的比较与CGCS2000通过空间网点的坐标和速度实现类似，WGS84通过GPS监测站坐标实现，监测站坐标用来计算GPS的精密星历。为了提高精度和保持稳定性，1994、1996和2002年WGS84先后进行3次实现，即对GPS监测站的坐标进行了3次更新，以使框架对准ITRF（国际地球参考架）。WGS84的3次实现得到的框架，依次叫做WGS84(G730)、WGS84(G873)和WGS84(G1150)。最新框架WGS84(G1150)由17个GPS监测站在历元2001．0的坐标和速度来体现。鉴于在坐标系实现上的比较，我们可以认为，CGCS2000和WGS84(G1150)是相容的。3坐标转换测量工作中，常碰到各种坐标系坐标的相互转换问题，比如GPS上获取的WGS-84坐标到北京54或西安80坐标系的转换、大地坐标(B，L，H)与平面直角坐标(x，y，z)之间的相互转换等。GPS定位数据为WGS-84坐标系。WGS-84坐标系是美国国防部确定的大地坐标系，其目的是使测制的地图、海图、大地测量数据有共同的基准，属于地心坐标系。我国常用坐标系为参心坐标系，原点O为参考椭球的几何中心。也就是说WGS-84与我国常用坐标系不属同一类坐标系。不仅相应的空间直角坐标系各轴的方向不同。尺度变化也不一样。我们要利用GPS提供的数据服务于我国各行业，就必须进行坐标转换，即从WGS-84转至54北京坐标系、80国家坐标系或地方坐标系。在这里介绍WGS-84到54北京坐标系，再到地方独立坐标系之间的转换。WGS84坐标系和北京54坐标系属于不同的椭球基准，北京54坐标系和地方独立坐标系属于同一椭球的不同基准面。两个椭球间的坐标转换一般采用七参数法较为严密，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K，要求得七参数就，需要至少3个已知点。在一个椭球的不同坐标系中转换需要用到四参数(或六参数)转换。同时由于初始WGS-84坐标为空间直角坐标，转换结果为平面坐标和高程，其中还涉及空间直角坐标到空间大地坐标的转换、高斯投影坐标换算等。坐标转换流程图如下图所示：因此，要实现WGS84坐标到北京54坐标系的转换，需要经过以下步骤：3.1WGS-84空间直角坐标转换到北京54空间直角坐标1.利用已知同名控制点求解WGS-84到54北京坐标系转换所需要的七参数。2.计算七参数。根据如下公式：多个已知点求算七参数WGS-84空间直角坐标系七参数转换北京54空间直角坐标北京54经纬度坐标和高程高斯变换北京54平面坐标和高程多个已知点求算六参数仿射变换地方独立坐标dZdYdXKZYXRRRRRRZYXSSSXYXZYZTTT111式中（XS，YS，ZS）为WGS-84坐标系坐标，（XT，YT，ZT）为北京5