來源：《海洋測繪》

作者：廖永生,、陳瑞波,、王龍波

　　我國曾經(jīng)采用過1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系作為國家大地坐標(biāo)系, 但是隨著科技的進(jìn)步,特別是GPS技術(shù)和新的大地測量技術(shù)的發(fā)展, 原有兩種坐標(biāo)系都不是基于以地球質(zhì)量中心為原點的坐標(biāo)系統(tǒng), 不能適應(yīng)新時期國民經(jīng)濟和科學(xué)發(fā)展的需要。因此, 需要建立以地球質(zhì)量中心為原點的新型坐標(biāo)系統(tǒng), 即地心坐標(biāo)系統(tǒng), 以滿足我國建設(shè)地理空間信息框架以及各個行業(yè)的需求,。

　　經(jīng)過我國科學(xué)家多年的努力, 建立了國家地心大地坐標(biāo)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國家大地坐標(biāo)系, 并將我國全面啟用新坐標(biāo)系的過渡期定為8~ 10年,。原有基礎(chǔ)地理信息4D 數(shù)據(jù), 采用的坐標(biāo)框架包括1954北京坐標(biāo)系,、1980西安坐標(biāo)系, 同時各個地方還采用地方坐標(biāo)系作為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的坐標(biāo)框架。要實現(xiàn)各種成果坐標(biāo)框架統(tǒng)一到CGCS2000坐標(biāo)框架下, 需要將原有成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 即將原有成果坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到CGCS2000,。

　　地心坐標(biāo)系是以地球質(zhì)心為原點建立的空間直角坐標(biāo)系, 或以球心與地球質(zhì)心重合的地球橢球面為基準(zhǔn)面所建立的大地坐標(biāo)系。以地球質(zhì)心(總橢球的幾何中心)為原點的大地坐標(biāo)系, 通常分為地心空間直角坐標(biāo)系(以x,、y,、z 為其坐標(biāo)元素)和地心大地坐標(biāo)系(以B,、L,、H 為其坐標(biāo)元素)。其中地心坐標(biāo)系是在大地體內(nèi)建立的O-X YZ 坐標(biāo)系,。原點O 設(shè)在大地體的質(zhì)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(zhuǎn)軸重合, 向北為正; Y 軸與XZ 平面垂直構(gòu)成右手系,。

　　CGCS2000國家大地坐標(biāo)系, 是一種采用地球質(zhì)量中心作為原點的地心坐標(biāo)系, 2000 國家大地坐標(biāo)系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心。該坐標(biāo)系定義除原點外, 還包括3個坐標(biāo)軸指向,、尺度以及地球橢球的4 個基本常數(shù)定義,?；緟?shù)如下。

　　在該橢球中, Z 軸指向歷元2000??.0的參考極方向, X 軸指向歷元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(gòu)成右手正交坐標(biāo)系的垂直軸,。

　　在該橢球中, Z 軸指向歷元2000??0的參考極方向, X 軸指向歷元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(gòu)成右手正交坐標(biāo)系的垂直軸,。

　　1954北京坐標(biāo)系, 是我國第一代大地坐標(biāo)系,采用蘇聯(lián)克拉索夫斯基橢球體, 實質(zhì)上是由原蘇聯(lián)普爾科沃為原點的1942年坐標(biāo)系的延伸,。其原點位于俄羅斯境內(nèi)的普爾科沃,。基本參數(shù)如下,。

　　由于1954北京坐標(biāo)系不是采用質(zhì)心坐標(biāo), 因此,沒有嚴(yán)格的地心引力常數(shù)和自轉(zhuǎn)角速度等物理參數(shù),。

　　1980西安坐標(biāo)系又稱1980國家大地坐標(biāo)系, 是我國第二代大地坐標(biāo)系, 1980國家大地坐標(biāo)系采用地球橢球基本參數(shù)為1975國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第十六屆大會推薦的數(shù)據(jù)?；緟?shù)如下,。

　　從CGCS2000與1954北京坐標(biāo)系,、1980西安坐標(biāo)系的定義和相關(guān)參數(shù)對比可以看出, 原有坐標(biāo)系存在一些問題,。主要包括: 與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)相比存在誤差, 特別是1954北京坐標(biāo)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坐標(biāo)系采用地球質(zhì)心作為橢球中心; 采用結(jié)合水準(zhǔn)高程作為基準(zhǔn), 在表達(dá)式上, 以平面直角坐標(biāo)表達(dá)為主, 而CGCS2000坐標(biāo)系不再結(jié)合水準(zhǔn)高程制定基準(zhǔn), 可以橢球面作為　　起算面, 空間坐標(biāo)采用三維坐標(biāo)系表達(dá),。

　　可以看出, 原有橢球坐標(biāo)系原點和參數(shù)與CGCS2000定義完全不同, 由于原心和橢球參數(shù)定義不同, 在地球上, 除了某單條線(橢球坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型重合線)之外, 所有的點在不同定義的坐標(biāo)系內(nèi),其經(jīng)緯度值是不同的, 不能直接采用平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)經(jīng)緯度的方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。而必須采用不同橢球面的參數(shù)擬合實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,。

　　我國很多單位使用的地方坐標(biāo)系, 都是在國家原有坐標(biāo)系坐標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改正定義獲得, 橢球參數(shù)與1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系相同,。

　　?? 不同的坐標(biāo)系統(tǒng)之間, 由于橢球參數(shù)不同, 兩個橢球之間沒有一種統(tǒng)一的方法實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。但是, 在兩個橢球所指的同一區(qū)域內(nèi), 由于橢球面彎曲度較小, 該區(qū)域同名點在不同的橢球系上存在一定的曲面數(shù)學(xué)關(guān)系, 因此可以通過區(qū)域轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,。一般常用的轉(zhuǎn)換方法是四參數(shù)轉(zhuǎn)換法和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。

　　但是, 由于CGCS2000是最新的坐標(biāo)系統(tǒng), 我國各級測繪管理部門和基礎(chǔ)測繪資料管理部門都沒有本地區(qū)CGCS2000的相關(guān)控制點數(shù)據(jù), 因此, 無法直接計算從其他坐標(biāo)系到CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù),。需要將原有高等級大地控制點進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差計算, 所有結(jié)果轉(zhuǎn)換完成將需要較長時間, 而在未有CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)控制點前, 需要采用其他方法將地理信息成果從地方坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)。

　　根據(jù)中國測繪科學(xué)研究院程鵬飛等人以及西安測繪研究所魏子卿的研究結(jié)果, 地球上同一點在CGCS2000橢球和WGS 84橢球下, 經(jīng)度值相同, 緯度的最大差值約為,相當(dāng)于0??.11mm,。一般情況下, 地面同一點在不同坐標(biāo)系里的坐標(biāo)是不同的,。這里主要是指橢球參數(shù)的不同而引起的同一點經(jīng)緯度的差異, 給定點位在某一框架和某一歷元下的空間直角坐標(biāo), 投影到CGCS2000 橢球和WGS 84橢球上所得的緯度的最大差異相當(dāng)于0.??11mm。因此, 除了地球動力研究的板塊運動監(jiān)測點和高等級控制點( A,、B,、C 級控制點)之外的各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù), 從其他坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng), 其轉(zhuǎn)換參數(shù)可以采用其他坐標(biāo)系統(tǒng)到WGS 84坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù),。

　　??全國及省級范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型; 省級以下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可選擇三維四參數(shù)模型或平面四參數(shù)模型,。對于相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000國家大地坐標(biāo)系的聯(lián)系可采用平面四參數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換法, 也稱綜合轉(zhuǎn)換, 所謂綜合法即就是在相似變換(布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換)的基礎(chǔ)上, 再對空間直角坐標(biāo)殘差進(jìn)行多項式擬合, 系統(tǒng)誤差通過多項式系數(shù)得到消弱, 使統(tǒng)一后的坐標(biāo)系框架點坐標(biāo)具有較好的一致性, 從而提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。

　　流程圖如圖1所示,。

　　根據(jù)最小二乘法, 可以從B,、L,、H 轉(zhuǎn)換到X,、Y,、Z空間三維直角坐標(biāo), 聯(lián)合控制點計算出布爾莎七參數(shù)。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換步驟:

　　( 1)在轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)找到4個以上擁有WGS 84/CGCS2000坐標(biāo)和地方坐標(biāo)的控制點;

　　( 2)利用布爾莎七參數(shù)法求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù);

　　( 3)評估轉(zhuǎn)換參數(shù)精度, 精度達(dá)到要求, 則可以作為轉(zhuǎn)換參數(shù), 否則需要重新找到控制點計算轉(zhuǎn)換七參數(shù);

　　( 4)用布爾莎模型將原有坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi);

　　( 5)根據(jù)成果需要進(jìn)行X、Y,、Z 到B、L,、H 的換算。

　　 通過地方坐標(biāo)系和WGS 84的控制點計算獲得的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換布爾莎七參數(shù), 實現(xiàn)從地方坐標(biāo)系到CGCS2000坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,。采用該方法, 可以實現(xiàn)原有地方坐標(biāo)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的批量轉(zhuǎn)換,逐漸實現(xiàn)從原有坐標(biāo)到CGCS2000坐標(biāo)系的統(tǒng)一,。