韶關市區2000國家大地坐標系轉換研究與應用

龔甫浪 李永生 賴華榮 佘俊潮 徐尚昭

摘 要：韶關市不同地區之間、同一地區不同時期的基礎測繪數據所采用的坐標體系互不相同，這一歷史遺留問題嚴重影響了韶關市國土資源的統一管理，制約了信息化工作的正常開展，同時也給社會各應用部門帶來諸多不便。韶關市特開展現有數據成果2000國家大地坐標系轉換工作，為統籌全市地理信息資源，實現省、市、縣、區節點的互聯互通、數據共享、數據服務發布提供數據支持。

關鍵詞：2000國家大地坐標系 坐標系統轉換 參數 數據服務發布

中圖分類號：P22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0001-06

Abstract：Between the different areas of Shaoguan City， the basic surveying and mapping data in different periods of the same area of the coordinate system are different， the historical problem has seriously affected the unified management of land resources in Shaoguan City， restricted information work， but also bring a lot of inconvenience to the application of Shaoguan City show special open society. The data conversion results for the 2000 national geodetic coordinate system， geographic information resources， co-ordinate the city's implementation of province， city， county， district node interconnection， data sharing， provide data support data service publishing

Key Words： 2000 national geodetic coordinate system； Coordinate system transformation； Parameter； Data service release

由于歷史原因，目前韶關市不同地區之間、同一地區不同時期的基礎測繪數據所采用的坐標體系互不相同，這一歷史遺留問題嚴重影響了韶關市國土資源的統一管理，制約了信息化工作的正常開展，同時也給社會各應用部門帶來諸多不便。韶關市特開展現有數據成果2000國家大地坐標系轉換工作，切實貫徹落實國務院關于加強2000國家大地坐標系推廣使用工作的要求，為統籌全市地理信息資源，實現省、市、縣、區節點的互聯互通、數據共享提供數據支持。

1 項目建設內容

根據國家、省、市相關標準規范，結合韶關市已有成果的實際情況，具體工作內容包括以下幾個方面。

（1）選擇市區20個GPS-C、GPS-D級控制點進行重合點觀測及計算。

（2）韶關市區1980西安坐標系至2000國家大地坐標系轉換模型建立。

（3）180km21∶500基礎地理信息數據坐標轉換。

（4）575km21∶2000影像數據坐標轉換。

（5）1∶500基礎地理信息數據及影像地圖數據保密處理。

（6）18-20級矢量地圖數據坐標轉換及處理，導入國家天地圖及數字城市系統。

（7）18-20級影像地圖數據坐標轉換及處理，導入國家天地圖及數字城市系統。

（8）地名地址數據坐標轉換及處理，導入國家天地圖及數字城市系統。

（9）地理實體數據坐標轉換及處理，導入國家天地圖及數字城市系統。

（10）對現有的40個GPS-D級控制點進行1980西安坐標系至2000國家大地坐標系坐標系轉換。

2 技術路線

在我市已有1980西安坐標系控制點數據成果的基礎上，采購覆蓋作業范圍的控制點2000國家大地坐標系坐標成果，并利用GPS靜態觀測技術求取剩余已有控制點的2000國家大地坐標系成果。均勻選取覆蓋作業范圍的控制點作為求取轉換參數的同名點，利用坐標轉換工具求出1980西安坐標系至2000國家大地坐標系的轉換參數，并對轉換參數進行檢核。

利用求取的轉換參數將市區其他已有控制點成果、基礎地理信息數據、1∶2000影像圖數據、地名地址數據及地理實體數據進行2000國家大地坐標系轉換，并將轉換完畢的所有數據重新進行處理、建庫及重新發布。技術流程如圖1所示。

3 轉換參數計算模型確定

根據國家測繪地理信息局下發的《2000國家大地坐標系推廣使用技術指南》，可用于進行坐標轉換的模型主要包括：不同空間直角大地坐標系間的變換模型、三維七參數坐標轉換模型、三維四參數轉換模型、二維四參數轉換模型、多項式擬合模型。經分析適合本項目使用的轉換模型為二維四參數轉換模型，其轉換模型如下。

轉換公式為：

式（1）中，，為原坐標系下平面直角坐標，m；，為2000國家大地坐標系下的平面直角坐標，m；，為為平移參數，m；為旋轉參數，rad；m為尺度參數，無量綱。

4 坐標轉換參數求取

4.1 1980西安坐標系

80坐標系是參心坐標系，大地原點在我國中部，具體地點是陜西省徑陽縣永樂鎮；橢球短軸Z軸平行于地球質心指向地極原點方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面；X軸在大地起始子午面內與Z軸垂直指向經度O方向；Y軸與Z、X軸成右手坐標系；

橢球參數采用IUGG1975年大會推薦的參數如下：

長半軸a=6378140±5（m）；

短半軸b=6356755.2882（m）；

扁率α=1/298.257；

第一偏心率平方=0.00669438499959；

第二偏心率平方=0.00673950181947。

多點定位：橢球定位時按我國范圍內高程異常值平方和最小為原則求解參數。

大地高程以1956年青島驗潮站求出的黃海平均水面為基準。

4.2 2000國家大地坐標系

2000國家大地坐標系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心；2000國家大地坐標系的Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0作為初始指向來推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產生殘余的全球旋轉；X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點；Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。2000國家大地坐標系的尺度為在引力相對論意義下的局部地球框架下的尺度。

2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數數值為：

長半軸=6378137m；

扁率=1/298.257222101；

地心引力常數GM=3.986004418×1014（m3/s2）；

自轉角速度=7.292l15×10-5（rad/s）。

5 參數求取

5.1 重合點選擇

重合點的獲取一方面是通過實測獲取，另一方面是通過收集獲取。重合點選取原則是：盡量選取足夠的高等級、高精度且分布均勻的點作為坐標轉換的重合點。采用二維轉換模式至少選取2個以上的重合點，采用三維轉換模式至少選取3個以上的重合點，重合點及檢查點的分布要覆蓋整個轉換區域且盡量分布均勻。考慮到韶關市的作業區范圍及已有控制點分布情況，選擇20個控制點作為重合點。

5.2 重合點分析

在求解轉換參數時，應對參與求解轉換參數的重合點進行認真分析、篩選、試算，剔除局部變形點（粗差點），采用不含粗差的，分布均勻的，能包圍轉換區域的一定密度的重合點計算坐標轉換參數。

5.3 計算轉換參數

（1）選擇計算四參數或七參數，可以選用最小二乘或抗差估計算法。

（2）選擇最小二乘或抗差估計計算四參數讀入源坐標和目標坐標，得到從西安80到CGCS2000的轉換四參數或七參數。

（3）四參數計算（使用全坐標，含帶號）。

6 數據成果坐標轉換

6.1 控制點坐標轉換流程

獲取轉換參數后，對測區其他控制點進行坐標轉換，其坐標轉換流程如圖2所示。

6.2 控制點坐標轉換實施步驟

（1）收集、整理轉換區域內重合點成果。

（2）分析、選取用于計算坐標轉換參數的重合點。

（3）確定坐標轉換參數計算方法與坐標轉換模型。

（4）兩坐標系下重合點坐標形式的轉換。若采用平面四參數轉換模型，則要將重合點的兩坐標系坐標換算同一投影帶的高斯平面坐標。

（5）據確定的轉換方法與轉換模型利用最小二乘法初步計算坐標轉換參數。

（6）分析重合點坐標轉換殘差，根據轉換殘差剔除粗差點。一般的若殘差大于3倍殘差中誤差則認為是粗差予以剔除，然后重新計算坐標轉換參數，直到滿足一定的精度要求為止。

（7）坐標轉換殘差滿足精度要求（合格）時，計算最終的坐標轉換參數并估計坐標轉換參數精度。

（8）根據計算的轉換參數，按下列步驟轉換待轉換點的目標坐標系坐標。

7 數據服務發布及應用情況

7.1 布數據組織

根據國家標準地理信息公共服務平臺電子地圖數據規范，電子地圖發布數據應具備以下標準要求。

（1）坐標系統：2000國家大地坐標系（CGCS2000）。

（2）瓦片大小：地圖瓦片分塊大小為256×256像素。

（3）瓦片格式：地圖瓦片數據采用PNG或JPG格式。

（4）瓦片組織：瓦片組織如圖3所示。

（5）金字塔方案：金字塔方案如表2所示。

數據建庫：地圖發布數據存儲可基于標準地理信息公共服務平臺電子地圖數據規范的本地瓦片數據文件，同時也可存儲于Oracle數據庫中，利用地理信息公共服務平臺在線地理信息服務發布系統進行服務發布。

7.2 瓦片地圖數據服務發布

瓦片地圖數據將通過地理信息公共服務平臺在線服務發布系統（例如GeoOnline Server）發布為在線地理信息服務，服務類型要求符合OGC標準規范的WMTS服務，將用于珠三角省、市、縣三級服務互聯互通。滿足省級平臺對韶關市級節點服務信息收割。發布的地理信息服務將可直接在韶關市地理信息公共服務平臺或天地圖門戶網站進行服務注冊與展現。

18-20級矢量地圖瓦片數據和18-20級影像瓦片地圖數據均屬于瓦片地圖數據，分別發布成WMTS服務。

WMTS是切片地圖Web服務（OpenGIS Web Map Tile Service），兼容OGC WMTS1.0.0和1.1.0標準；具備OGC標準WMTS服務的接口要求。

數據及服務類型、版本等信息如表3所示。

7.3 地名地址數據服務發布

地名地址數據可通過地理信息公共服務平臺在線服務發布系統（例如GeoOnline Server）發布為在線地理信息服務，服務類型要求符合OGC標準規范的WFS-G服務，將用于省、市、縣三級服務互聯互通。滿足省級平臺對韶關市級節點服務信息收割。發布的地理信息服務將可直接在韶關市地理信息公共服務平臺或天地圖門戶網站進行服務注冊與展現。

WFS-G是地名地址要素服務（Web Feature Gazetteer Services簡稱WFS-G）。遵循OGC的WFS1.0.0規范。主要是提供地名、地址數據的查詢、檢索功能。

數據及服務類型、版本等信息如表4所示。

7.4 地理實體數據服務發布

地理實體數據發布成WFS服務或者WMS服務。

WFS是Web 要素服務（Web Feature Services簡稱WFS）。WFS對應于程序中的條件查詢功能，支持基于空間幾何關系的查詢，基于屬性域的查詢，也包括基于空間關系和屬性域的共同查詢。這個規范定義了3個操作：GetCapabilities返回服務級元數據；DescribeFeatureType返回要素結構，以便客戶端進行查詢和其他操作；GetFeature可根據查詢要求返回一個符合GML規范的數據文檔。

WMS是Web地圖服務（Web Map Service簡稱WMS）。WMS利用具有地理空間位置信息的數據制作地圖。這個規范定義了3個操作：GetCapabitities返回服務級元數據；它是對服務信息內容和要求參數的一種描述； GetMap返回一個地圖影像，其地理空間參考和大小參數是明確定義了的；GetFeatureInfo（可選）返回顯示在地圖上的某些特殊要素的信息。

數據及服務類型、版本等信息如表5所示。

8 工作展望

2000國家大地坐標系推廣工作已經由國務院批準，決定我國自2008年7月1日起啟用，并確定8～10年過渡期，將已有測繪成果逐步轉換至CGCS2000。今年2月份，國家測繪地理信息局再次印發《關于加快2000國家大地坐標系推廣使用的通知》（國測國發[2013]11號），要求到2016年，完成現行國家大地坐標系向CGCS2000的過渡。依據這些文件精神，本項目開展了《韶關市區2000國家大地坐標系轉換項目》工作，但由于各方面原因，還存在一些相關問題在今后的時間里有待進一步解決。如數據體系有待進一步完善，數據覆蓋率有待進一步提高，數據需要持續進行更新。

參考文獻

[1]陳俊勇；；中國現代大地基準——中國大地坐標系統2000（CGCS 2000）及其框架[J]；測繪學報；2008年03期.

[2]李毓麟，劉經南，葛茂榮，陳俊勇；中國國家A級GPS網的數據處理和精度評估[J]；測繪學報；1996年02期.

[3]魏子卿；；2000中國大地坐標系[J]；大地測量與地球動力學；2008年06期.

[4]陳俊勇；國際地球參考框架2000（ITRF2000）的定義及其參數[J]；武漢大學學報（信息科學版）；2005年09期

[5]吳吉賢；杜海燕；張耀文；劉瑞春；WGS84與ITRF2000參考框架坐標轉換的研究及應用[J]；測繪科學；2008年05期

[6]熊四明；；2000國家大地坐標系下點位坐標轉換方法淺析[J]；測繪與空間地理信息；2009年05期