我国现行坐标系统及其转换

作者:长孙建坤我国现行坐标系统及其转换西安科技大学科技论文专业名称：测绘工程2020年1月1日目录1.我国测量坐标系统概述........................................................................................................32.各种坐标系的几种表达形式................................................................................................33.我国现阶段并存的几种坐标系统简介................................................................................33.5.地方独立坐标系...................................................................................................54.坐标系的转换.....................................................................................................................54.1.坐标系转换必要性的分析.........................................................................................54.2.坐标系转换严密性的分析.........................................................................................64.3.不同椭球之间大地坐标的差异性.............................................................................64.4.坐标系转换的方法.....................................................................................................61.我国测量坐标系统概述我国测量坐标系统在大地测量学中，坐标系分为两大类：地心坐标系和参心坐标系。地心坐标系是坐标系原点与地球质心重合的坐标系；参心坐标系是坐标系原点位于参考椭球体中心，但不与地球质心重合的坐标系。我国使用的1954北京坐标系，1980西安坐标系都属于参心坐标系。GPS中使用的世界大地坐标系WGS－84属于地心坐标系，我国最近开始启用的中国大地坐标系2000（即CGCS2000），也属于地心坐标系。2.各种坐标系的几种表达形式1.空间大地坐标系，即大地经纬度（B，L，H）形式2.空间直角坐标系，即三维空间坐标（X，Y，Z）形式3.投影平面直角坐标系。即二维平面坐标（x，y，h）形式3.我国现阶段并存的几种坐标系统简介现就上述几种坐标系进行简单介绍，供大家参阅，并提供各坐标系的基本参数，以便大家在使用过程中自定义坐标系。3.1.1984世界大地坐标系WGS-84坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系，是一种协议地球坐标系。WGS-84坐标系的定义是：原点是地球的质心，空间直角坐标系的Z轴指向BIH（1984.0）定义的地我国测量坐标系地心坐标系参心坐标系Beijing54Xi’An80WGS84CGC2000极（CTP）方向，即国际协议原点CIO，它由IAU和IUGG共同推荐。X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z，X轴构成右手坐标系。WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会测量常数推荐值，采用的两个常用基本几何参数：长半轴a=6378137m；扁率f=1:298.257223563。3.2.1954北京坐标系1954北京坐标系是将我国大地控制网与前苏联1942年普尔科沃大地坐标系相联结后建立的我国过渡性大地坐标系。属于参心大地坐标系，采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体。其长半轴a=6378245，扁率f=1/298.3。1954年北京坐标系虽然是苏联1942年坐标系的延伸,但也还不能说它们完全相同。3.3.1980西安坐标系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。属参心大地坐标系。1980年西安坐标系Xi'anGeodeticCoordinateSystem1980采用1975国际椭球,以JYD1968.0系统为椭球定向基准,大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇,采用多点定位所建立的大地坐标系.其椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值,它们为:其长半轴a=6378140m;扁率f=1/298.257。3.4.高斯平面直角坐标系和UTM一般的地图均为平面图,其对应的也是平面坐标.因此,需要将椭球面上各点的大地坐标,按照一定的数学规律投影到平面上成为平面直角坐标.目前世界各国采用最广泛的高斯-克吕格投影和墨卡托投影(UTM)均是正形投影（等角投影），即该投影在小区域范围内使平面图形与椭球面上的图形保持相似。为了限制长度变形,，根据国际测量协会规定,将全球按一定经差分成若干带。我国采用6度带或3度带，6度带是自零度子午线起每隔经度。高斯平面直角坐标系一般以中央经线（L0）投影为纵轴X,赤道投影为横轴Y，两轴交点即为各带的坐标原点。为了避免横坐标出现负值，在投影中规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴。为了区别某一坐标系统属于哪一带，通常在横轴坐标前加上带号，如(4231898m,21655933m)，其中21即为带号。城建坐标多采用三度带的高斯-克吕格投影。同一坐标系下的大地坐标（即经纬度坐标B,L）与其对应的高斯平面直角坐标（x，y）有严格的转换关系。现行的测绘的教科书的一般都有。3.5.地方独立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。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。而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。4.坐标系的转换4.1.坐标系转换必要性的分析涉及到不同坐标系，就会有坐标转的问题。我国现阶段并存的坐标系统有Beijing54、国家80、国家2000和WGS-84坐标系四种。随着科学技术的不断进步，对测量的精度提出了更高的要求，为了满足国防建设和国民经济建设的需要，我国先后建立了Beijing54、国家80、国家2000。WGS-84坐标系是美国GPS卫星导航系统采用的一种地心坐标系统。不同阶段、手段的测量成果往往采用不同的坐标系统，为了实现对同一个区域或者相同目的而测得的成果的共享，就必须进行坐标系的转换。4.2.坐标系转换严密性的分析关于坐标转换，首先要搞清楚转换的严密性问题，即在同一个椭球里的坐标转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换这时不严密的。例如，由1954北京坐标系的大地坐标转换到1954北京坐标系的高斯平面直角坐标是在同一参考椭球体范畴内的坐标转换，其转换过程是严密的。由1954北京坐标系的大地坐标转换到WGS-84的大地坐标，就属于不同椭球体间的转换。其转换过程是不严密的。4.3.不同椭球之间大地坐标的差异性为什么认为在同一个椭球里的坐标转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换这时不严密的？这就涉及到了不同椭球之间大地坐标的差异性问题了。先从简单说起，假设地球是正球形的，地球表面上的一点可以用经纬度来表示，这时的经纬度是唯一的。那什么情况下是不唯一的呢，就是地球不是正圆的时候。实际也是如此，地球本来就不是圆的，而是一个椭圆。关于这个椭圆并不是唯一的，比如克拉索夫斯基椭球，1975国际椭球等等。椭球的不同主要由两个参数来体现，一个是长半轴、一个是扁率。之所以会有不同的椭球体出现，是因为地球太大了，地球不是一个正椭球体，一个椭球体不可能都满足地球每个角落的精度要求，在一些边缘地带误差会很大，在赤道附近有适合赤道使用的椭球体，在极圈附近有适合极圈的椭球地，一切都是为了符合当地的精度需要。为此各个国家建立了符合自己国家的参考椭球。基于以上原因，这时经纬度就不是唯一的了，这个应该很好理解，当使用克拉索夫斯基椭球体时是一对经纬度，当使用另外一个椭球体时又是另外一对经纬度。4.4.坐标系转换的方法不同椭球体间的坐标转换在局部地区的采用的常用办法是相似变换法，即利用部分分布相对合理高等级公共点求出相应的转换参数。一般而言，比较严密的是用七参数的相似变换法，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在一个地区需要3个以上的已知点，如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km(经验值)，这可以用三参数，即X平移，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，所以三参数只是七参数的一种特例。如果不考虑高程的影响，对于不同椭球体下的高斯平面直角坐标可采用四参数的相似变换法，即四参数（x平移，y平移，尺度变化m，旋转角度α）。如果用户要求的精度低于20米，在一定范围（2'*2'）内，就直接可以用二参数法（ΔB，ΔL）或（Δx，Δy）修正。但在实际操作中，这也取决于选取的公共点是否合理，并保证其足够的精度。