2000國家大地坐標系及其轉換方法

劉煥國

摘要：本文對2000國家大地坐標系的定義、實現及其與我國現行1954北京坐標系、1980西安坐標系的異同進行了介紹，分析了我國地方獨立坐標系的情況，根據建立方法將地方獨立坐標系概括為三種類型和組合，闡述了建立地方獨立坐標系與2000國家大地坐標系的三種轉換方法，對實現地方獨立坐標系與2000國家大地坐標系的有效銜接，有利于地理信息系統與GPS有效的結合，可以進一步提升城市的綜合服務能力，對推廣2000國家大地坐標系和在2000國家大地坐標系原則下獨立坐標系的繼續使用具有重要的意義。

關鍵詞：2000國家大地坐標系；地方獨立坐標系；坐標轉換

1. 2000國家大地坐標系的特點

1.1橢球定位方式不同

參心坐標系是為了研究局部球面形狀，在使地面測量數據歸算至橢球的各項改正數最小的原則下，選擇和局部區域的大地水準面最為吻合的橢球所建立的坐標系。由于參心坐標系未與地心發生聯系，不利于研究全球形狀和板塊運動等，也無法建立全球統一的大地坐標系。2000國家大地坐標系為地心坐標系，它所定義的橢球中心與地球質心重合，且橢球定位與全球大地水準面最為密和。

1.2實現技術不同

我國現行參心坐標系是采用傳統的大地測量手段，即測量標志點之間哦距離、方向，通過平差的方法得到各點相對于起始點的位置，由此確定各點在參心系下的坐標。2000國家大地坐標系框架是通過空間大地測量觀測技術、獲取各測站在ITRF框架下的地心坐標。

1.3維數不同

現行參心坐標系為二維坐標系，2000國家大地坐標系為三維坐標系。

1.4原點不同

現行參心坐標系原點與地球質量中心有較大偏差，2000國家大地坐標系原點位于地球質量中心。

1.5精度不同

參心坐標系由于當時客觀條件的限制，缺乏高精度的外部控制，長距離精度較低，在空間技術廣泛應用的今天，難以滿足用戶的需求。2000國家大地坐標系有利于采用現代空間技術對坐標系進行維護和快速更新，有利于測定高精度大地控制點三維坐標，提高測圖工作效率等。采用地心坐標系，可以更好地闡明地球上各種地理和物理現象特別是空間物體的運動。可以充分利用現代最新科技成果，為國家信息現代化服務，采用地心坐標系已經是國際測量界的總趨勢。

2.建立地方獨立坐標系與2000國家大地坐標系的轉換方法

2.1地方獨立坐標系的概況

2.1.1高斯投影于參考橢球面上任意帶平面直角坐標系，這種類型通常采用高斯投影計算方法，將地方坐標系的中央子午線設置在城市中心，投影面設置在參考橢球面上。

2.1.2高斯投影于抵償高程面的任意帶平面直角坐標系，這種類型通常采用橢球變換法或比例縮放法進行變換，將地方坐標系的中央子午線設置在城市中心，投影面設置在抵償高程面上。

2.1.3以中心點坐標平移和旋轉，地方坐標系的中央子午線與國家坐標系保持一致，投影面設置在參考橢球面上，對坐標進行平移和旋轉。

2.2轉換方法

隨著國家經濟建設的發展，地方獨立坐標系測繪成果轉換到國家坐標系的需求也隨之不斷增多，促使建立地方獨立坐標系與國家大地坐標系轉換關系變得十分必要，也是急需解決的問題。在此，收集整理了三種建立地方獨立坐標系與2000國家大地坐標系的坐標轉換方法。

2.2.1利用公共點求解兩套坐標系統間的轉換參數實現轉換

按照國家測繪局發布的“現有測繪成果轉換到2000國家大地坐標系技術指南”，建立相對獨立的平面坐標系與2000國家大地坐標系聯系時，坐標轉換模型要同時適用于地方控制點轉換和城市數字地圖的轉換。一般采用平面四參數轉換模型，重合點較多時可采用多元回歸模型。當相對獨立的平面坐標系統控制點和數字地圖均為三維地心坐標時，采用Bursa七參數轉換模型。坐標轉換中誤差應小于0.05米。并明確了重合點的選取原則：擇優選取地方控制網的起算點及高精度控制點、周圍國家高精度的控制點，大中城市至少選取5個重合點，重合點要分布均勻，包括城市區域，并在城市內部選定至少6個均勻分布的重合點對坐標轉換精度進行檢核。

2.2.2通過與具有2000國家大地坐標系的高等級點聯測實現對低等級GPS網進行約束平差的方法實現轉換

當一個GPS控制網周圍存在若干足夠數量的具有2000國家大地坐標系坐標的控制點時，我們可通過將低等級的GPS網與這些高等級點聯測或者利用原有聯測數據，以這些高等級的具有2000國家大地坐標的控制點作為約束條件，在WGS84橢球下進行3維約束平差，平差的結果將屬于2000國家大地坐標。一般情況下GPS網數據都是作為原始觀測資料上交并保存的，若該GPS網與周邊高等級具有2000國家大地坐標的點進行了聯測。以這些點2000國家大地坐標為約束條件的3維平差的結果就屬于2000國家大地坐標系。

2.2.3將具有ITRF框架坐標的點位通過框架轉換和歷元轉換，得到2000國家大地坐標

從2000國家大地坐標系的實現來看，點的2000國家大地坐標與點的ITRF97框架，2000.0歷元坐標是一致的，通過GAMIT相對定位方法或者精密單點定位（PPP）的方法都可以獲取點位的ITRF框架下的坐標，此時獲取的點位坐標的基準與結算使用的精密星歷的基準是一致的，這個基準包括其所在的框架和歷元，例如，目前精密星歷采用的是IGS2005框架，歷元為觀測當天的瞬時歷元，因此利用前面所述的方法計算的結果將是基于ITRF2005框架，觀測當天的歷元，此時只需要通過框架轉換和歷元轉換將ITRF2005框架觀測當天歷元坐標轉換到ITRF1997框架，2000.0歷元，可以認為轉換后的坐標就是屬于2000國家大地坐標系。

參考文獻：

[1]魏子卿.關于2000中國大地坐標系的建議[J].大地測量與地球動力學，2016，26（2）：1-5

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