淺談2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法

曹東方

（蘭考縣國土資源局，河南 蘭考 475300）

1 2000國家大地坐標(biāo)系概述

2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）是以包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心為原點(diǎn)建立的三維地心大地坐標(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Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球參考極的方向，與地球旋轉(zhuǎn)軸重合,向北為正；X軸與首子午面和赤道面的交線重合,向東為正；Y軸與XZ平面垂直，與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系[1]。

CGCS2000的坐標(biāo)框架由三個(gè)層次框架點(diǎn)組成。第一層次：國家級(jí)連續(xù)運(yùn)行參考站，28個(gè)點(diǎn)，CGCS2000基本骨架，精度mm級(jí)。第二層次：2000國家GPS大地控制網(wǎng)，2500多個(gè)點(diǎn)，精度cm級(jí)。第三層次：國家高精度大地控制網(wǎng)（全國天文大地網(wǎng)），約5萬個(gè)點(diǎn)，精度dm級(jí)。

CGCS2000有以下特征：（1）采用的橢球參數(shù)及物理參數(shù)與國際上公認(rèn)的數(shù)據(jù)一致，能與國際接軌。（2）具有更高的精度。（3）有利于對空間物體的位置描述和表達(dá)，因?yàn)樗且粋€(gè)三維、動(dòng)態(tài)的大地測量基準(zhǔn)。（4）CGCS2000是一個(gè)地心坐標(biāo)系。

2 地方獨(dú)立坐標(biāo)系的建立

在城市測量和工程測量中，如果控制網(wǎng)直接建立在國家坐標(biāo)系中，有時(shí)地面長度的投影變形會(huì)很大，難以滿足實(shí)際需要。為此，有必要建立一個(gè)本地獨(dú)立坐標(biāo)系，減少投影變形和高程歸一化引起的主要誤差。在傳統(tǒng)測量中，這個(gè)局部獨(dú)立坐標(biāo)系通常只是高斯平面坐標(biāo)系，也可以說是不同于國家坐標(biāo)系的參考中心坐標(biāo)系。使用本地獨(dú)立坐標(biāo)系可以將精度控制在合理范圍，不會(huì)因?yàn)榫冗_(dá)不到要求而影響項(xiàng)目建設(shè)。

3 存量數(shù)據(jù)向CGCS2000轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法

3.1 轉(zhuǎn)換的工作步驟

①確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)內(nèi)容、比例尺、類型、格式 ；②進(jìn)行區(qū)域內(nèi)不同比例尺的轉(zhuǎn)換參數(shù)、改正量計(jì)算；③利用轉(zhuǎn)換參數(shù)或改正量開發(fā)轉(zhuǎn)換工具；④按照類型整理數(shù)據(jù)；⑤坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；⑥進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度與質(zhì)量檢查。

3.2 轉(zhuǎn)換的主要方法

3.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

根據(jù)不同比例尺和轉(zhuǎn)換區(qū)域選擇轉(zhuǎn)換模型，基本轉(zhuǎn)換模型包括布爾沙模型、三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型及多項(xiàng)式擬合模型等，選取兩個(gè)坐標(biāo)系下重合點(diǎn)（可選用CGCS2000國家大地控制網(wǎng)點(diǎn)、國家大地測量控制點(diǎn)）計(jì)算模型轉(zhuǎn)換參數(shù)，根據(jù)模型殘差進(jìn)行精度評估和檢核[2]。

3.2.2 改正量計(jì)算

根據(jù)不同的比例尺，按照不同的分區(qū)，計(jì)算各分區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并利用確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型分別計(jì)算一定比例尺下格網(wǎng)點(diǎn)兩種坐標(biāo)系下對應(yīng)點(diǎn)的差。

3.2.3 坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換

根據(jù)確定的轉(zhuǎn)換模型和解算出的轉(zhuǎn)換參數(shù)，計(jì)算該點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的值。或根據(jù)該點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域四個(gè)角點(diǎn)的改正量，通過插值法計(jì)算該點(diǎn)的改正量，相加后得出轉(zhuǎn)換后的值。

3.2.4 圖形數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

讀出圖形要素的點(diǎn)位坐標(biāo)，按照坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換方法一一轉(zhuǎn)換完成后，再寫回原圖形要素。或者采用符合要求的已知點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.3 各種比例尺數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

以河南為例，需轉(zhuǎn)換的存量國土資源空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地調(diào)查成果、土地資源管理成果、礦產(chǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)等，涵蓋遙感影像、土地利用現(xiàn)狀、耕地后備資源、土地利用總體規(guī)劃、礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃、土地整治規(guī)劃、農(nóng)用地分等、基本農(nóng)田，土地資源批、供、用、補(bǔ)，礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)，基礎(chǔ)地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等。數(shù)據(jù)的類型有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等，組織形式有管理單元和空間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分為省級(jí)、省轄市級(jí)、市本級(jí)、縣（市、區(qū)）級(jí)等。

3.3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原則

（1）部、省、市、縣四級(jí)備份相同的數(shù)據(jù)：對于國土資源部實(shí)施轉(zhuǎn)換的涉及河南省的數(shù)據(jù)，由省國土資源廳統(tǒng)一申領(lǐng)、分發(fā)、存儲(chǔ)和使用；對于省國土資源廳實(shí)施轉(zhuǎn)換的涉及地市的數(shù)據(jù)，由省轄市、省直管縣（市）國土資源主管部門統(tǒng)一申領(lǐng)、分發(fā)、存儲(chǔ)和使用。上一級(jí)轉(zhuǎn)換的相同的數(shù)據(jù)，本級(jí)不重復(fù)轉(zhuǎn)換。

（2）轉(zhuǎn)換前后成果的格式、比例尺或分辨率、內(nèi)部的拓?fù)潢P(guān)系、屬性結(jié)構(gòu)和屬性值保持不變，要素不丟漏。

（3）分幅數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后重新生成方里格網(wǎng)，修改圖廓點(diǎn)及方里格網(wǎng)標(biāo)注坐標(biāo)，不進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容的重新分幅裁切和整飾處理。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后應(yīng)同步開展質(zhì)量檢查，并按照不同的比例尺類別統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換精度。

3.3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的要求

（1）1∶5萬及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶5萬比例尺圖幅改正量，點(diǎn)位坐標(biāo)按雙線性內(nèi)插方法逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換。1∶1萬以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶1萬比例尺圖幅改正量，點(diǎn)位坐標(biāo)按雙線性內(nèi)插方法逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換。1∶5000及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國高精度高分辨率格網(wǎng)（3″×3″）改正量，點(diǎn)位坐標(biāo)按雙線性內(nèi)插方法逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換[3]。

（2）1∶5000及以大比例尺數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換前應(yīng)選取數(shù)據(jù)對應(yīng)的起算控制點(diǎn)進(jìn)行分析、開展普查和聯(lián)測，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至河南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)2000國家大地坐標(biāo)系框架下。利用起算控制點(diǎn)分析或聯(lián)測平差結(jié)果，按照點(diǎn)位坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，開展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）1954北京坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟為：計(jì)算1954北京坐標(biāo)系向1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換改正數(shù)；計(jì)算1980西安坐標(biāo)系向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換改正數(shù)；將兩改正數(shù)疊加形成1954北京坐標(biāo)系向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換改正數(shù)。

（4）采用系列比例尺圖幅改正量或格網(wǎng)改正量完成轉(zhuǎn)換成果，將河南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站點(diǎn)、分析轉(zhuǎn)換或聯(lián)測平差后的數(shù)據(jù)起算控制點(diǎn)作為檢核點(diǎn)進(jìn)行精度評估與檢核；采用點(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法完成轉(zhuǎn)換成果，利用參數(shù)計(jì)算時(shí)多余的控制點(diǎn)進(jìn)行精度評估與檢核。轉(zhuǎn)換區(qū)域應(yīng)選定至少6個(gè)均勻分布的重合點(diǎn)對精度進(jìn)行檢核。

4 轉(zhuǎn)換方法

第一種方法是利用公共點(diǎn)求解兩套坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)建立與2000國家大地坐標(biāo)系相聯(lián)系的相對獨(dú)立的平面坐標(biāo)系時(shí)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型應(yīng)適用于地方控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)換和城市數(shù)字地圖的轉(zhuǎn)換，通常采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，當(dāng)有許多重合點(diǎn)時(shí)，采用多元回歸模型。當(dāng)相對獨(dú)立的平面坐標(biāo)系和數(shù)字地圖的控制點(diǎn)都是三維地心坐標(biāo)時(shí)，采用BLASA七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的誤差應(yīng)小于0.05米[4]。重合點(diǎn)應(yīng)選擇本地控制網(wǎng)的起點(diǎn)和高精度控制點(diǎn)以及周邊國家的高精度控制點(diǎn)，大中型城市至少選擇5個(gè)重合點(diǎn)，重合點(diǎn)應(yīng)均勻分布。

第二種是通過與具有2000國家大地坐標(biāo)系的高等級(jí)點(diǎn)聯(lián)測實(shí)現(xiàn)對低等級(jí)GPS網(wǎng)進(jìn)行約束平差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)GPS控制網(wǎng)周圍有足夠的2000國家大地坐標(biāo)系控制點(diǎn)時(shí)，以高水平控制點(diǎn)為約束條件，將低水平GPS網(wǎng)與高水平點(diǎn)連接或使用原始聯(lián)合測量數(shù)據(jù)，在WGS-84橢球下進(jìn)行三維約束調(diào)整，結(jié)果屬于2000國家大地坐標(biāo)系。如果聯(lián)測GPS網(wǎng)絡(luò)和周圍具有2000國家大地坐標(biāo)系的高等級(jí)點(diǎn)，數(shù)據(jù)會(huì)被移交并保存為原始觀測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

上述方法可實(shí)現(xiàn)從系列標(biāo)度庫存數(shù)據(jù)的原始坐標(biāo)系到CGCS2000的轉(zhuǎn)換，空間信息成果坐標(biāo)系和大地基準(zhǔn)統(tǒng)一，推動(dòng)空間規(guī)劃體系建設(shè)與監(jiān)督實(shí)施、自然資源開發(fā)利用與保護(hù)監(jiān)管，促進(jìn)CGCS2000在城建、規(guī)劃、房產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域的推廣，推進(jìn)部門間的信息共享，為一帶一路、新型城鎮(zhèn)化與信息化建設(shè)、鄉(xiāng)村振興等重大戰(zhàn)略實(shí)施提供保障。