大地坐标系的建立

石家庄铁道大学四方学院毕业设计1第1章绪论1.1选题的背景和意义在当今的社会发展和经济发展中，所得到的数据第一要满足较大比例地形图在测图过程中的需要，第二还要满足一般工程在建筑和设计中的需要。在工程施工放样的过程中要求控制网中两点所求的实际的长度和由坐标返算所得的长度的数量值是要相等的，如果是在采用国家坐标系所得到的结果在大多数情况下是不能满足上述要求的，原因是国家坐标系每个投影带都是按6°或者3°的间隔划分的，国家坐标系的参考椭球面是它的高程归化面，可是在实际的测量中，在平时的工程建筑所在的地区一般情况下是不会恰好落在投影带上或者相近位置的，它的位置与参考椭球面也存在着一些距离，这些因素将会导致长度和实际测得的长度不一致。在《工程测量规范》(GBSOO26-93)中规定：平面控制网的坐标系统，应满足测区内高程归化改正和高斯投影变形改正之代数和(也就是即投影长度变形值)不大于2.5cm/km，也就意味着高程规划改正和高斯投影变形改正之代数和的相对误差要小于或者等于1/40000。当我们的实际测量时，工程所在地区的国家坐标系如果不能符合这一条件时，我们就要建立地方独立坐标系用来减少误差，从而将它们的误差控制在很小的范围内，最后使得到的结果在实际的操作时不需作任何换算。1.2国内外研究现状1.2.1国外的研究现状地心坐标系的采用已经成为世界测绘发展的大趋势。北美、欧洲、澳大利亚等发达国家和地区相继建成了地心坐标系。美国早在1986年就做完了关于北美大地坐标系的NAD83的建立，对北美洲的三个国家等地区的20多万个点进行了测量，并且获得了其地心坐标。1984年建立了WGS-84；1996年作了进一步改进，标以WGS-84(G873)，历元为1997.0；WGS-84(G873)与ITRF2000的符合程度在5cm。EUREF的维持基于欧洲60多个永久观测站的站坐标时间序列，而SIRGAS的维持基于分布南美大陆以及周边两个岛屿上的若干个IGS站的速度场以及板块运动模型(这主要针对没有重复观测的框架点而言)，它的发展方向是基于南美大陆上的GPS永久观测站的速度场。石家庄铁道大学四方学院毕业设计2在亚洲，关于国家大地坐标系的建设也有很大的进步了。日本在2000年开始启用新的大地基准JGD2000；蒙古建立了的系统与WGS-84几乎一致的坐标系，它的大地坐标框架称为MONREF97；韩国于1998年推出了新型的地心坐标系统KGD2000；新西兰建立了NZGD2000.0；马来西亚也建立了NGRF2000。1.2.2国内的研究现状改革开放以来，我国的测量技术获得了十足的发展，我国的测量技术有了焕然一新的面貌。现在的社会空间大地测量已经取代了传统的测量技术。在空间大地测量的技术推动下，我国的大地坐标系获得了十足的进展。正是因为空间技术的发展促使了地心坐标系的发展，同时又为我国地心坐标系的建立提供了十分有利的技术支持。上世纪90年代后，我国的测绘部门紧跟世界发展的潮流，在我国除台湾省之外的范围内布设了一级网和二级网，为我国初期的地心坐标系建立起了基础的参考框架，框架点的地心精度约为0.1m。在我国的测绘工作者不懈的努力下，我国又对GPS的一级网与地面网进行了第一次的平差，此时地心坐标系的精度差不多为1.0m。在近几年中，在我国的浙江、江苏和福建精化了大地水准面，另外，在我国的华北、华中和华东等大部分地区进行了精化。经过中国测绘工作者多年的研究，经国务院批准，从2008年开始，我国开始正式的使用2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系的全面的推广，将促进我国国民生产的飞速发展，有利于促进我国大地坐标系先进的发展，能够提高平时的作业效率，为我国的发展提供发展。1.3研究内容本文从坐标系的定义，分类入手，详细的阐述了地方独立坐标系的建立以及特点。说明了现在我国使用的国家坐标系的建立过程，优缺点。通过实例，具体的表现地方独立坐标系向2000国家大地坐标系的转换过程以及转换方法，并且能够尽可能的保证其精度。在研究过程中，论文提出了一些具体的方法，让地方独立坐标系向2000国家大地坐标系的转换。在文中引入2000独立坐标系的概念，目的是保证转换后的精度。建立起来的2000独立坐标系与2000国家大地坐标系可以通过公示互相转换，不会存在误差或者精度受损石家庄铁道大学四方学院毕业设计3第2章坐标系相关基础及理论2.1坐标系的定义与种类为了说明质点的位置、运动的快慢、方向等，必须选取其坐标系。在参照系中，为确定空间一点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据，这就叫做“坐标”。在某一问题中规定坐标的方法，就是该问题所用的坐标系。根据原点位置的差异，大致可以分为三种坐标系，分别是参心坐标系、地心坐标系和站心坐标系。在百度文库中，给了这三种坐标系如下的定义：2.1.1参心坐标系参心坐标系是以参考椭球的几何中心为基准的大地坐标系。通常分为：参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。在测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常须选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点(大地原点)，利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。参心大地坐标的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。2.1.2地心坐标系以地球质心(总椭球的几何中心)为原点的大地坐标系。通常分为地心空间直角坐标系和地心大地坐标系。地心坐标系是在大地体内建立的O-XYZ坐标系。原点O设在大地体的质量中心，用相互垂直的X，Y，Z三个轴来表示，X轴与首子午面与赤道面的交线重合，向东为正。Z轴与地球旋转轴重合，向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成右手系。2.1.3站心坐标系用于需了解以观察者为中心的其他物体运动规律，如接收机可见GPS卫星的视角、方位角及距离等，需要用到站心坐标系。站心坐标系分为站心直角坐标系和站心极坐标系。站心直角坐标系是以站心为坐标系原点O，Z轴与椭球法线重合，向上为正，y与椭球短半轴重合(北向)，x轴与地球椭球的长半轴重合(东向)所构成的直角石家庄铁道大学四方学院毕业设计4坐标系。站心极坐标系是以站心为坐标极点O，以水平面(即xoy平面)为基准面，以东向轴(即x轴)为极轴，ρ为卫星到站点的距离，az为星视方向角，el为星视仰角。如果从维数上划分的话，坐标系可分为二维坐标系、三维坐标系、多维坐标系等。如果从其表现形式上划分的话，坐标系可以分为空间直角坐标系、空间大地坐标系、极坐标系和曲面坐标等。2.2我国常用国家大地坐标系在我国建国之后，中国在上世纪50年代建立1954年北京坐标系，在上世纪80年代建立了1980西安坐标系，并且测制了各种比例的比例尺地形图，在我国国民经济的发展和社会的发展中发挥了重要作用，由于当时的技术条件的不允许，中国的大地坐标系很大情况下是依赖于传统技术手段实现的。54坐标系使用的是克拉索夫斯基椭球体，克拉索夫斯基椭球体在计算和定位的过程中，没有采用中国实际的数据，因此该坐标系不能满足高精度定位以及中国实际发展的需要。在上世纪70年代，中国大地测量工作者经过不懈的努力，终于如期的完成了全国一等和二等天文大地网布测。终于在上个世纪80年代，通过我国测绘者的努力下建立起了1980西安坐标系，该坐标系的建立对我国的发展起到了推动作用。随着社会的进步，经济的发展等因素，对国家大地坐标系又有了新的要求，迫切需要采用以地球质量中心位大地坐标系的原点的坐标系统作为国家大地坐标系。所以，从2008年开始，我国正式把2000国家大地坐标系作为国家大地坐标系。2.2.11954年北京坐标系由于技术条件的问题，我国建国初期没有采用自己的大地坐标系，而是利用克拉索夫斯基椭球建立的坐标系作为参考坐标系。它是以前苏联的地界作为大地原点，便利用我国东北边境呼玛、吉拉林、东宁三个点与前苏联大地网联测后的坐标作为我国天文大地网起算数据，然后通过天文大地网坐标计算，推算出北京一点的坐标，故命名为北京坐标系。建国以来，用这个坐标系进行了大量测绘工作，在我国经济建设和国防建设中了挥了重要作用。但是这个坐标系也存在以下问题：1、椭球基准轴定向不明确；2、点位精度不高。2.2.21980西安坐标系随着社会的发展，我们逐渐发现1954年北京坐标系在国民经济建设中存在着很石家庄铁道大学四方学院毕业设计5多的问题，并且对于精度有了更高的要求，所以70年代末期，对原来的大地网进行了重新平差。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。1980西安坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系。2.2.3WGS-84坐标系WGS-84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统(ITRS)，是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。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。2.2.42000国家大地坐标系2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面(历元2000.0)的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。采用广义相对论意义下的尺度。石家庄铁道大学四方学院毕业设计6第3章我国地方独立坐标系的特点在我国，很多地方独立坐标系的建立不是单纯为了建立而建立的，它的出现往往是因为城市或者区域的建设的需要，并且它在大多数情况下是以国家坐标系为基础的。地方独立坐标系的中央子午线一般都是由区域性的地理位置中心确定的，同时考虑到长度变形影响，部分独立坐标系抬高了坐标投影面。一般情况下，可以有三种方法建立地方独立坐标系：第一种：选择任意中央经线，它的投影面是国家坐标系上的托球面，按高斯投影方法得出平面直角坐标建立的地方独立坐标系。第二种：选择任意中央经线，它的投影面是抵偿高程面，按高斯投影方法得出平面直角坐标建立的地方独立坐标系。第三种：采用坐标加常数或中心点坐标平移和旋转。一般地方独立坐标系的建立为以上三种类型或组合。总之，地方独立坐标系的建立的方法是各不相同的，即使是在同一个点位上的点都会因为建立方法的不同而存在着较大的差异。下面通过具体的理论，结合其方式，分析各独立坐标系。3.1任意投影带独立坐标系这种类型通常采用高斯投影计算方法，独立坐标系建立时中央子午线设置与国家平面坐标不同时，可采用高斯投影计算方法，将独立坐标变换到相应椭球的国家平面坐标。3.1.1高斯投影的概念高斯投影是“高斯-克吕格投影”的简称，是地球椭球面是平面间正形投影的一种。德国数学家、物理学家、天文学家高斯在十九世纪二十年代拟定，后来德国大地测量学家克吕格在1912年对投影公式加以补充，故名。该投影按照投影带中央子午线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯-克吕格公式。投影后，除中央子午线和赤道为直线外，其他子午线均为对称于中央子午线的曲线。设想用一个椭圆柱横切于椭球面上投影带的中央子午线，按上述投影条件，将中央子午线两侧一定经差范围内的椭球面正形投影