地方啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的技術(shù)方法與研究
——以溫州為例

黃小明

(溫州市勘察測(cè)繪研究院，浙江 溫州　325027)

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地方啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的技術(shù)方法與研究
——以溫州為例

黃小明*

(溫州市勘察測(cè)繪研究院，浙江 溫州325027)

摘要：建立基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的城市2000坐標(biāo)系，是目前國(guó)內(nèi)城市測(cè)繪的熱點(diǎn)項(xiàng)目。本文以溫州2000坐標(biāo)系建立為實(shí)例，詳細(xì)介紹了城市2000獨(dú)立坐標(biāo)系的建立方法、流程以及一系列的城市基礎(chǔ)控制網(wǎng)的建設(shè)，為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的推廣奠定了基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；溫州2000坐標(biāo)系；轉(zhuǎn)換模型；轉(zhuǎn)換參數(shù)

1引言

由于各種原因，溫州地區(qū)各縣(市)在測(cè)繪生產(chǎn)中采用的坐標(biāo)系并不相同，存在多套坐標(biāo)系統(tǒng)，且均為不同于國(guó)家坐標(biāo)系的參心坐標(biāo)系，測(cè)繪成果無(wú)法融合，成果精度不高，不能滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，亟待統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)。另外，隨著溫州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱WZCORS系統(tǒng))的建立，使傳統(tǒng)大地測(cè)量工作發(fā)生了質(zhì)的變化，促使大地坐標(biāo)系由參心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化。國(guó)家測(cè)繪地理信息局要求自2008年7月1日起，全面啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱CGCS 2000)，在8年～10年內(nèi)完成原有坐標(biāo)系成果向CGCS 2000的相關(guān)轉(zhuǎn)換工作[1]。筆者結(jié)合溫州2000坐標(biāo)系建設(shè)及相關(guān)轉(zhuǎn)換工作的技術(shù)實(shí)踐，介紹城市2000獨(dú)立坐標(biāo)系的建立方法、流程以及一系列的城市基礎(chǔ)控制網(wǎng)的建設(shè)，為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的推廣奠定了基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

22000國(guó)家大地坐標(biāo)系的定義

CGCS 2000的原點(diǎn)為整個(gè)地球的質(zhì)量中心；CGCS 2000的Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球參考極的方向；X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元2000.0)的交點(diǎn)；Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系[2]。CGCS 2000采用的地球橢球參數(shù)為：長(zhǎng)半軸a=6 378 137m；扁率f=1/298.257222101；自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292l15×10-5rads-1；地心引力常數(shù)GM=3.986004418×1014m3s-2。

3溫州2000坐標(biāo)系的建設(shè)

3.1地方2000獨(dú)立坐標(biāo)系建立的原則與方法

CGCS 2000坐標(biāo)系的啟用，為城市建立新的高精度相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系提供了契機(jī)與平臺(tái)，建設(shè)基于CGCS 2000的2000城市獨(dú)立坐標(biāo)系，不但可以解決上述問(wèn)題，而且具有許多優(yōu)越性[3]。地方2000獨(dú)立坐標(biāo)系建立時(shí)，采用的橢球參數(shù)應(yīng)與CGCS 2000保持一致，其選擇的中央子午線和投影面應(yīng)符合城市測(cè)量規(guī)范的要求，即投影長(zhǎng)度變形值不大于 2.5 cm/km。在建立方法上，與常用獨(dú)立坐標(biāo)系方法基本相同，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)設(shè)立一條中央子午線的獨(dú)立坐標(biāo)系。當(dāng)區(qū)域平均高程較低，高程起伏不大，東西最大跨度不超過(guò) 100 km時(shí)，可在中心處設(shè)置中央子午線，投影面設(shè)置在CGCS 2000橢球面上；當(dāng)區(qū)域平均高程較高時(shí)，可在中心處設(shè)置中央子午線并抬高投影面方法建立獨(dú)立坐標(biāo)系。

(2)設(shè)立多條中央子午線的獨(dú)立坐標(biāo)系。當(dāng)區(qū)域東西最大跨度超過(guò) 100 km，設(shè)置一條中央子午線不能滿足長(zhǎng)度變形要求時(shí)，可將整個(gè)區(qū)域劃分成多個(gè)投影帶，通過(guò)分帶合理設(shè)置多條中央子午線來(lái)滿足整個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度變形的要求。但不同投影帶邊緣處會(huì)出現(xiàn)坐標(biāo)不統(tǒng)一，因此不同投影帶間還應(yīng)設(shè)置重疊帶，并分別計(jì)算兩套坐標(biāo)，以解決接邊問(wèn)題。

(3)設(shè)置中央子午線和分帶時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素有：在條件允許的情況下，要盡量與國(guó)家坐標(biāo)系的中央子午線保持一致；新設(shè)置的中央子午線應(yīng)與原獨(dú)立坐標(biāo)系盡量保持一致；充分考慮長(zhǎng)度變形的特點(diǎn)，保證主要經(jīng)濟(jì)區(qū)域長(zhǎng)度變形滿足限差要求，將長(zhǎng)度變形較大區(qū)域設(shè)置在山區(qū)等可利用率較低的區(qū)域；重疊帶應(yīng)盡量設(shè)置在長(zhǎng)度變形較大和使用較少的區(qū)域。

3.2溫州2000坐標(biāo)系的確立

溫州市現(xiàn)轄4區(qū)7縣(市)，陸域面積約1.2萬(wàn)km2，東西跨度最大達(dá) 150 km(大都市區(qū)域跨度約 90 km)，地勢(shì)東低西高，高差變化懸殊，西北部主要為永樂(lè)山區(qū)，東部沿海地勢(shì)平坦，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。按照2.1所述的地方2000獨(dú)立坐標(biāo)系建立的原則與方法，對(duì)不同中央子午線和投影面進(jìn)行了長(zhǎng)度變形比較分析。基于以下幾方面考慮，相對(duì)來(lái)看，選擇中央子午線為120°40′(中心位置處120°25′)，且投影面為參考橢球面最為合適。

(2)在溫州市的大框架下，統(tǒng)籌兼顧西部山區(qū)文成和泰順兩縣經(jīng)濟(jì)建設(shè)的要求，使其主要城鎮(zhèn)的長(zhǎng)度變形滿足限差要求。

(3)為有利于今后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換且精度損失較小，盡量保持新舊坐標(biāo)系中央子午線(原溫州城市坐標(biāo)系中央子午線120°40′)的延續(xù)性。

3.3溫州2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)成果的建立

通過(guò)市級(jí)GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)計(jì)算、GPS聯(lián)測(cè)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等技術(shù)手段和方式建立溫州2000坐標(biāo)系控制網(wǎng)成果，主要工作內(nèi)容和步驟如下：

(1)溫州2000坐標(biāo)系市級(jí)GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)是在WZCORS系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，通過(guò)與省框架網(wǎng)統(tǒng)一聯(lián)測(cè)(按C級(jí)精度在全市范圍內(nèi)聯(lián)測(cè)控制點(diǎn)62個(gè)，其中CORS基準(zhǔn)站10個(gè)，市級(jí)二等網(wǎng)點(diǎn)35個(gè)，省C級(jí)點(diǎn)和縣(市)高等級(jí)控制點(diǎn)17個(gè))，計(jì)算得到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果，經(jīng)高斯投影變換后得到溫州2000坐標(biāo)系成果，可用以求解1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和溫州城市坐標(biāo)系與溫州2000坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換的重合點(diǎn)和檢核點(diǎn)。

(2)GNSS聯(lián)測(cè)主要對(duì)溫州市市轄下的各縣的主要高精度控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，用于縣級(jí)獨(dú)立坐標(biāo)系與溫州2000坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換的重合點(diǎn)和檢核點(diǎn)，各縣均勻聯(lián)測(cè)不少于12個(gè)控制點(diǎn)。

(3)通過(guò)控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將原有獨(dú)立坐標(biāo)系下控制點(diǎn)成果全部轉(zhuǎn)換算成溫州2000坐標(biāo)系成果。

(4)由于溫州2000坐標(biāo)系采用的橢球參數(shù)與CGCS 2000保持一致，屬地心坐標(biāo)系，因此溫州2000坐標(biāo)系成果向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果轉(zhuǎn)換通過(guò)換帶方式即可實(shí)現(xiàn)，而不需要通過(guò)模型轉(zhuǎn)換，兩者之間換算也無(wú)精度損失。

4成果轉(zhuǎn)換基本流程與方法

4.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

由于坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主要原則為高精度轉(zhuǎn)換，而對(duì)精度檢核主要體現(xiàn)在控制點(diǎn)數(shù)據(jù)上，因此坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換主要采用點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。首先根據(jù)轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小、精度要求及技術(shù)條件選擇最優(yōu)化的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，對(duì)相關(guān)區(qū)域附近及范圍內(nèi)選取足夠數(shù)量的重合控制點(diǎn)計(jì)算模型轉(zhuǎn)換參數(shù)；并與未參與轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)進(jìn)行檢核，然后根據(jù)模型殘差和外部控制點(diǎn)檢核誤差進(jìn)行精度評(píng)估；實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)多次進(jìn)行計(jì)算，綜合取舍各重合控制點(diǎn)，使最優(yōu)化至合格后再采用所計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)完成全部控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換工作，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換。4.2轉(zhuǎn)換模型確定與轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型很多，有三維七參數(shù)、二維七參數(shù)、三維四參數(shù)、平面四參數(shù)和多項(xiàng)式回歸等模型。根據(jù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局頒布的《現(xiàn)有測(cè)繪成果轉(zhuǎn)換到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系技術(shù)指南》之要求，省級(jí)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(duì)于相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000國(guó)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(xiàng)式回歸模型[2]。溫州2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型采用平面四參數(shù)模型，該模型包含四個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，即兩個(gè)平移參數(shù)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度參數(shù)，具體模型如下式所示[3]。

(1)

[△x△y]T、α、m分別為源坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系的平移、旋轉(zhuǎn)、尺度參數(shù)。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)源坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系中央子午線不一致時(shí)，應(yīng)先統(tǒng)一轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的中央子午線，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換的精度。

4.3精度評(píng)估與檢核

4.4基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換

溫州市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果主要為1∶500～1∶2000 DGL數(shù)據(jù)(DEM、DOM、DRG數(shù)據(jù)主要由省測(cè)繪地理信息局生產(chǎn)維護(hù))，轉(zhuǎn)換的對(duì)象為空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，即為基于數(shù)據(jù)庫(kù)的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。采用“點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)”的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按照對(duì)應(yīng)區(qū)域坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換模型和轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，能確保精度不受影響且維持拓?fù)潢P(guān)系不變。其轉(zhuǎn)換流程如圖1所示：

5結(jié)語(yǔ)

地方獨(dú)立坐標(biāo)系測(cè)繪成果向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，首先要認(rèn)真分析獨(dú)立坐標(biāo)系的規(guī)范性，了解轉(zhuǎn)換區(qū)域測(cè)繪成果的基本概況，包括重合點(diǎn)分布、數(shù)量和精度情況，確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線和轉(zhuǎn)換模型，再在轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)選擇足夠數(shù)量的重合點(diǎn)和檢核點(diǎn)，求解最佳轉(zhuǎn)換參數(shù)，并通過(guò)重合點(diǎn)轉(zhuǎn)換殘差和外部檢核點(diǎn)誤差進(jìn)行精度評(píng)估，最后合格后方可推廣使用。

溫州2000坐標(biāo)系的建立，能夠?qū)崿F(xiàn)溫州地區(qū)各縣(市)平面控制網(wǎng)的整合，有利于原有測(cè)繪成果與CGCS 2000進(jìn)行無(wú)縫銜接，向客戶提供無(wú)損精度測(cè)繪成果。由于溫州2000坐標(biāo)系采用的橢球參數(shù)與CGCS 2000相一致，屬地心坐標(biāo)系，因此向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果轉(zhuǎn)換通過(guò)換帶方式即可實(shí)現(xiàn)。

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Research Techniques and Methods of Local Opening of 2000 National Geodetic Coordinate System——in wenzhou for example

Huang Xiaoming

(Wenzhou Exploration & Survey Institute，Wenzhou 325027，China)

Key words：2000 national geodetic coordinate system；Wenzhou 2000 coordinate system；the transformation model；transformation parameters

Abstract：Based on the 2000 national geodetic coordinate system of the city 2000 coordinate system，is the current domestic urban mapping hot spot project. This paper to Wenzhou 2000 coordinate system established as an example，introduces in detail the city 2000 independent coordinate system to the established method，process and control network in a series of urban infrastructure construction，laid the foundation for the promotion of the 2000 national geodetic coordinate system，has certain practical value.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-112-03

中圖分類號(hào)：P226.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

*收稿日期：2016—03—15

作者簡(jiǎn)介：黃小明(1971—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量與工程測(cè)量。

項(xiàng)目支持：溫州市基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目資助(WZJCCH201207)