坐标转换原理

中海达技术培训坐标转换原理及应用目录•坐标系统分类•地球参心坐标系的几种表达形式•参考椭球及常用椭球•高程系统•投影及常见投影•几种常用坐标转换的流程•坐标转换软件坐标系统分类•一类是空固坐标系统–与地球自转无关，用于描述卫星的位置和状态极其方便•一类是地固坐标系统–对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据比较方便地球参心坐标系的表现形式•大地坐标(B,L,H)•空间直角坐标(X,Y,Z)两种表现形式的转换是严密的O000,LBPxzyXYZLBPKQ参考椭球•在经典大地测量学中，为了便于观测成果的处理和坐标传算，选择一个椭球面来作为计算的参考面。两个重要参数：a-椭球长半径f-椭球扁率常见的几种椭球坐标系统参考椭球a(m)f北京54Krassovsky194063782451/298.3国家1980IAG7863781401/298.257WGS84(GPS)WGS198463781371/298.257223PZ90(GLONASS)PZ-9063781361/298.257839CGCS2000ITRS200063781371/298.2572高程系统投影概念地图投影是将地球面上的经纬网描述到平面上的数学方法，使用地图投影，可以将地球表面完整的表示在平面上，但是是通过对投影范围内某一区域的均匀拉伸和对另外一区域内的均匀缩小实现的。投影正算投影反算BLH---------〉平面上xyh平面上xyh----------〉BLH常见投影（一）按变形性质分类–等角投影–角度变形不大的投影–等距离投影–面积变形不大的投影–等面积投影角度变形增大的趋向面积变形增大趋向常见投影（二）平面投影圆锥投影圆柱投影常见投影（三）•TM投影-横轴莫卡托投影(等角横切圆柱投影)高斯投影高斯投影三度带3*N高斯投影六度带6*N-3自定义高斯投影自定义UTM–通用横轴莫卡托投影•墨卡托投影（等角正切圆柱投影）投影参数带号N，中央子午线Lo,投影面高程,X加常数,Y加常数K比例系数高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影（一）•是一种“等角横切圆柱投影”。德国数学家、物理学家、天文学家高斯（CarlFriedrichＧauss，1777一1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（JohannesKruger，1857～1928）于1912年对投影公式加以补充，故名高斯-克吕格投影。•设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线，按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯一克吕格投影平面。高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影（二）•高斯一克吕格投影后，除中央经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于中央经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。由于其投影精度高，变形小，而且计算简便（各投影带坐标一致，只要算出一个带的数据，其他各带都能应用），因此在大比例尺地形图中应用，可以满足军事上各种需要，并能在图上进行精确的量测计算。UTM投影•全称为“通用横轴墨卡托投影”，是一种“等角横轴割圆柱投影”，椭圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条相割的经线上没有变形，而中央经线上长度比0.9996。•UTM投影是为了全球战争需要创建的，美国于1948年完成这种通用投影系统的计算。与高斯-克吕格投影相似，该投影角度没有变形，中央经线为直线，且为投影的对称轴，中央经线的比例因子取0.9996是为了保证离中央经线左右约330km处有两条不失真的标准经线。•UTM投影分带方法与高斯-克吕格投影相似，是自西经180°起每隔经差6度自西向东分带，将地球划分为60个投影带。高斯-克吕格投影与UTM投影异同（一）•高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影与UTM投影（UniversalTransverseMercator，通用横轴墨卡托投影）都是横轴墨卡托投影的变种。•从投影几何方式看，高斯-克吕格投影是“等角横切圆柱投影”，投影后中央经线保持长度不变，即比例系数为1；UTM投影是“等角横轴割圆柱投影”，圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比0.9996。•从计算结果看，两者主要差别在比例因子上，高斯-克吕格投影中央经线上的比例系数为1，UTM投影为0.9996，高斯-克吕格投影与UTM投影可近似采用X[UTM]=0.9996*X[高斯]，Y[UTM]=0.9996*Y[高斯]，进行坐标转换（注意：如坐标纵轴西移了500000米，转换时必须将Y值减去500000乘上比例因子后再加500000）。高斯-克吕格投影与UTM投影异同（二）•从分带方式看，两者的分带起点不同，高斯-克吕格投影自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为3°；UTM投影自西经180°起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为-177°，因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带。•此外，两投影的东伪偏移都是500公里，高斯-克吕格投影北伪偏移为零，UTM北半球投影北伪偏移为零，南半球则为10000公里。墨卡托(Mercator)投影（一）•是一种等角正切圆柱投影”，荷兰地图学家墨卡托（GerhardusMercator1512－1594）在1569年拟定,假设地球被围在一中空的圆柱里，其标准纬线与圆柱相切接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅选定标准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。•墨卡托投影没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等，它的经纬线都是平行直线，且相交成直角，经线间隔相等，纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显，但标准纬线无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大，但因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。墨卡托(Mercator)投影（二）•在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点，墨卡托投影地图常用作航海图和航空图，如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行，方向不变可以一直到达目的地，因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件，给航海者带来很大方便。平面坐标转换•平面坐标转换–多应用于北京54，国家80与当地自定义坐标系之间的转换–四个参数–X0平移–Y0平移–θ坐标轴旋转–K尺度高程拟合方法•参数拟合法a.常数拟合（少于3个已知点）b.平面拟合(大于等于3个且分布较均匀的已知点）c.曲面拟合(大于等于6个且分布较均匀的已知点）•网格拟合法EGM96模型似大地水准面精化成果椭球转换•不同椭球(坐标系)的转换–多应用于WGS84坐标与北京54，国家80，当地坐标之间的转换七个参数–X0平移Y0平移Z0平移–Xw旋转Yw旋转Zw旋转–K尺度计算方法：–3个以上公共坐标(BLH或者XYZ)不同(椭球)坐标系的转换流程空间直角坐标(X,Y,Z)空间直角坐标(X,Y,Z)大地坐标(B,L,H)平面直角坐标(x,y,h)当地平面坐标(x,y)大地坐标(B,L,H)平面直角坐标(x,y,h)当地平面坐标(x,y)投影反算投影正算平面转换平面转换椭球转换不同(椭球)坐标系的转换流程几种椭球转换模型的特点：•1.三参数法：七参数方法的简化，只取X平移，Y平移，Z平移。只能适用于坐标轴旋转很小的两椭球间。大多运用于使用信标，SBAS差分等精度要求不高的工程。•2.布尔莎七参数法：标准的七参数方法，使用X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度。作用范围较大和距离较远，通常用于RTK模式或者RTD模式的WGS84到北京54和国家80的转换，已知点要三个或三个以上。•3.一步法参数形式和标准七参数一样，X，Y，Z平移，X，Y，Z旋转，K尺度。可以一步完成WGS84到当地地方坐标系统的转换工作。也是要三个或三个以上已知点。•4.四参数使用x,y平移，a旋转，k尺度，也是RTK常用的一种作业模式，只转换平面坐标，需两个或两个以上平面已知点。若需高程，则还要提供水准点高程进行高程拟合。注意：各参数单位的不同，尤其是k值的不同。坐标转换软件•坐标转化软件CoordGM,使用帮助里有较多的事例，可以用于学习总结•坐标转换在公司所有的产品上都有不同形式的应用，重点在于掌握和理解原理以及多用、多操作，碰到坐标转换的问题，可以先自己思考遇到的是属于哪一种转换，在作具体的方法应用。•参考书目《大地测量学》《GPS卫星测量原理与应用》《地图投影学》《GLONASS.ICD》