第一章 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換概述

第一節(jié) 概述

空間測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高精度地心坐標(biāo)必須考慮板塊運(yùn)動(dòng)影響,，同時(shí)也增加了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性,。實(shí)踐中會(huì)遇到各種各樣的具體情況，不是一個(gè)軟件就能解決問題的,，必須深入理解,，才能做到舉一反三。同時(shí),，了解和掌握一些大地基準(zhǔn)知識(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中可以做到心中有數(shù),。

本書側(cè)重于知識(shí)體系構(gòu)建,，盡量避免糾纏于公式，采用總結(jié),、歸納,、分類、比較的方式,，力圖能使不同專業(yè)背景的讀者理解原理,、理順邏輯、解決困惑,、掌握應(yīng)用,。

一、背景

“2000國家大地坐標(biāo)系”,，英譯為“China Geodetic Coordinate System 2000”,，縮寫為CGCS2000。在不致誤解的場(chǎng)合，又稱“2000中國大地坐標(biāo)系”,。

經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn),，我國于2008年7月1日起啟用2000國家大地坐標(biāo)系。根據(jù)《國家測(cè)繪局啟用2000國家大地坐標(biāo)系公告》（2008年第2號(hào)）和《關(guān)于印發(fā)啟用2000國家坐標(biāo)系實(shí)施方案的通知》（國測(cè)國字〔2008〕24號(hào)）,，從2008年起我國用8~10年時(shí)間完成向2000國家大地坐標(biāo)系的過渡和轉(zhuǎn)換,。

按照《國土資源部國家測(cè)繪地理信息局關(guān)于加快使用2000國家大地坐標(biāo)系的通知》（國土資發(fā)〔2017〕30號(hào)）要求，原國土資源部（現(xiàn)自然資源部）確定,，2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國土資源空間數(shù)據(jù)向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,，2018年7月1日后，自然資源系統(tǒng)將全面使用2000國家大地坐標(biāo)系,。涉及空間坐標(biāo)的報(bào)部審查和備案項(xiàng)目,，全部采用2000國家大地坐標(biāo)系。2018年7月1日起不再接受非2000國家大地坐標(biāo)系上報(bào)的項(xiàng)目報(bào)件,。

自然資源部2018年發(fā)布的第55號(hào)公告《自然資源部關(guān)于停止提供1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系基礎(chǔ)測(cè)繪成果的公告》確定,，按照全面推行使用2000國家大地坐標(biāo)系的要求，決定自2019年1月1日起,，全面停止向社會(huì)提供1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系基礎(chǔ)測(cè)繪成果,。

二、免費(fèi)軟件

本書提供了作者開發(fā)的“CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件包”,。軟件基于Windows操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)C語言編程,，包括23類程序，按需組合能滿足常規(guī)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需求,。待本書正式出版后,，讀者可聯(lián)系測(cè)繪出版社客服信箱[email protected]免費(fèi)索取。

該軟件需要用戶向測(cè)繪地理信息主管部門申請(qǐng)重合點(diǎn),，或圖幅改正量來完成橢球間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作,。沒有這些數(shù)據(jù)支持，任何軟件都不可能做到“智能化”轉(zhuǎn)換,。

圖1-1 軟件演示

軟件精度為：

1）同橢球,，不同坐標(biāo)形式間轉(zhuǎn)換精度：

①BLH ? XYZ，BL ? xy,，精度為1mm,；

②XYZ ? BLH，xy ? BL,，精度為0.0001″,。

2）不同橢球間，同坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)換精度：

精度取決于重合點(diǎn)的個(gè)數(shù),、分布和精度,，用內(nèi)符合精度,、外符合精度來評(píng)價(jià)。參見第五章第三節(jié),。

3）大地高與正常高轉(zhuǎn)換精度：

①絕對(duì)高程算法精度為0.5m,；

②相對(duì)高程算法精度為0.1m。

4）速度計(jì)算精度為3mm/a,。

圖1-2 軟件包功能

三,、預(yù)備知識(shí)

（1）CGCS2000的要點(diǎn)

首先應(yīng)該對(duì)CGCS2000有個(gè)大致的了解。

CGCS2000——對(duì)準(zhǔn)ITRF97框架,，參考?xì)v元是2000.0,。

ITRF——全球分布的一千多個(gè)具有可靠坐標(biāo)和速度的臺(tái)站，通過下載其GPS（美國的全球定位系統(tǒng)）觀測(cè)數(shù)據(jù)可與測(cè)量點(diǎn)組成同步觀測(cè)網(wǎng),。

年積日——從當(dāng)年1月1日開始到當(dāng)前的累積日期,。例如，1月1日的年積日為1,，7月1日（平年）的年積日為182,，12月31日（平年）的年積日為365。

歷元——就是時(shí)刻,。整數(shù)部分為年份,，小數(shù)部分為年積日減去1，然后除以365（平年）或366（閏年）,。由于板塊運(yùn)動(dòng)的量級(jí)較小,，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，歷元精確到“天”,，也就是取3位小數(shù)即可,。

示例：

2000年1月1日? 2000.000歷元；

2018年7月1日 ? 2018.496歷元,；

2020年12月31日?2020.997歷元,。

注意：

①CGCS2000坐標(biāo)的歷元是2000.0，如果坐標(biāo)的歷元不是2000.0,，那就不是CGCS2000坐標(biāo)。不存在2015年的CGCS2000坐標(biāo),、今年的CGCS2000坐標(biāo)這些說法,。

②CGCS2000的參考?xì)v元是2000.0，是由計(jì)算CGCS2000框架點(diǎn)坐標(biāo)和速度的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段決定的,，與協(xié)議天球參考系使用的標(biāo)準(zhǔn)歷元J2000.0沒有相關(guān)關(guān)系,。

觀測(cè)歷元——GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，一般選觀測(cè)時(shí)段中間時(shí)刻,。

參考?xì)v元——點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,。點(diǎn)位隨板塊運(yùn)動(dòng),，一個(gè)坐標(biāo)必然是某時(shí)刻的坐標(biāo)。

衛(wèi)星星歷——每天更新,，其參考?xì)v元就是觀測(cè)歷元,。

地面控制點(diǎn)坐標(biāo)——很少更新，其參考?xì)v元早于觀測(cè)歷元,。

（2）歷元的概念

歷元是地心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中最基礎(chǔ),、最重要的概念。

1）歷元的來歷

“歷”指歷法,，“元”意為“首”,。顧名思義，歷元就是歷法之元,，是我國古代歷法推算的起算時(shí)刻,。

人類根據(jù)太陽、月球及地球運(yùn)轉(zhuǎn)的周期推算年,、月,、日的長(zhǎng)度以及它們之間的關(guān)系，進(jìn)而制訂時(shí)間順序的法則就叫歷法,。

我國現(xiàn)行的農(nóng)歷集陰,、陽兩歷的特點(diǎn)于一身，屬于陰陽合歷,。一方面以月相變化周期為“月”的長(zhǎng)度,，與陰歷原則相同；另一方面加入二十四節(jié)氣成分,，并參考太陽回歸年為“年”的長(zhǎng)度,，與陽歷原則相同。通過設(shè)置閏月來調(diào)整某一具體年份的長(zhǎng)度,，使得若干年間的一年平均長(zhǎng)度盡量接近一個(gè)回歸年的長(zhǎng)度,。

歷元的本質(zhì)是約定了某一天文、地理運(yùn)動(dòng)的起算時(shí)刻,。中國古人把“夜半”作為一日的開始,，“朔日”作為一月的開始，“冬至”作為一年的開始,。一般以“朔日”和“冬至”恰好在同一天的“夜半”為歷元,。若又逢“甲子日”則更為理想。

“朔日”指農(nóng)歷的每月初一,。此時(shí)月亮運(yùn)行到太陽和地球之間,，月亮的暗面對(duì)著地球；如果月亮的本影區(qū)恰好落在地球上的某地區(qū),，就可以在該地區(qū)觀察到日全食現(xiàn)象,。

“冬至”是二十四節(jié)氣之一,，時(shí)間在每年的公歷12月21—23日。冬至這天,，太陽幾乎直射南回歸線,，陽光對(duì)北半球最為傾斜。據(jù)記載,，東周王室頒行的歷書規(guī)定以包含冬至的月份為歲首,，也就是現(xiàn)行農(nóng)歷的十一月。

“甲子日”是中國干支歷法紀(jì)日的第一天,?！笆旄伞焙汀笆刂А卑垂潭ǖ捻樞蚧ハ嘟M合，組成了干支紀(jì)年,、紀(jì)日法,。干支紀(jì)日的起算日未知，但和西方的60進(jìn)位計(jì)時(shí)法不謀而合,。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33661—2017《農(nóng)歷的編算和頒行》：“干支紀(jì)日的循環(huán)參考時(shí)間：對(duì)應(yīng)于北京時(shí)間公歷1949年10月1日的農(nóng)歷日為甲子日,。”“干支紀(jì)年的循環(huán)參考時(shí)間：對(duì)應(yīng)于北京時(shí)間公歷1984年2月2日0時(shí)起到1985年2月19日24時(shí)截止的農(nóng)歷年為甲子年。”

2）歷元的現(xiàn)代含義

歷元,，在天文學(xué)中是一些天文變量的參考時(shí)刻,。例如，協(xié)議天球參考系使用的標(biāo)準(zhǔn)歷元是J2000.0,，也就是說,，約定協(xié)議天球參考系的Z軸指向?yàn)?000年1月1日12:00（地球時(shí)）這一瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸指向。

歷元除了指歷法的起算時(shí)刻和天文變量的參考時(shí)刻以外,，在很多場(chǎng)合就是時(shí)刻的意思,。

再例如，用RTK采集10個(gè)歷元的數(shù)據(jù),，意思是以確定的采樣率采集10次數(shù)據(jù),，或者說在以采樣率為時(shí)間間隔的連續(xù)10個(gè)時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。

在采樣率確定的前提下,，這里的“10個(gè)歷元”也有時(shí)段的含義,。這些習(xí)慣性的說法并不嚴(yán)謹(jǐn)，也容易引起概念混淆,。