地質(zhì)勘探測量中坐標(biāo)系的選擇及轉(zhuǎn)換方法分析

高紹杰

摘要：針對(duì)坐標(biāo)系及其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在地質(zhì)勘探測量工作中的重要意義，介紹幾種典型坐標(biāo)系，為坐標(biāo)系選擇提供參考，并詳細(xì)分析了一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)勘探測量；坐標(biāo)系選擇；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

地質(zhì)勘探不同時(shí)期可能會(huì)用到不同的坐標(biāo)系，而不同坐標(biāo)系間坐標(biāo)能否快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換決定了勘探工作質(zhì)量。但由于受到外界因素的影響，使得地質(zhì)勘探測量在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方面離預(yù)期還有一定差距，因此有必要對(duì)坐標(biāo)系選擇和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析，從而為地質(zhì)勘探測量工作的發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)與方法。

1.地質(zhì)勘探測量坐標(biāo)系選擇

1.1“1954北京坐標(biāo)系”

該坐標(biāo)系出現(xiàn)后，很快在國內(nèi)得到普及，并在一段時(shí)間后成為我國大地坐標(biāo)系。為適應(yīng)當(dāng)時(shí)的測繪事業(yè)發(fā)展需要，借助該坐標(biāo)系十分重要。該坐標(biāo)系對(duì)我國大地坐標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)一，在國家建設(shè)方面，貢獻(xiàn)巨大。然而，因受到歷史條件等因素的制約，該坐標(biāo)系也存在一些問題和缺陷，表現(xiàn)為：第一，參數(shù)誤差偏大，相比目前的精確值，在長半軸上大了近100m，且扁率倒數(shù)也相差近5×10^-2。第二，目前的地球橢球同時(shí)具備四種參數(shù)，除基本的幾何參數(shù)外，還包含物理參數(shù)，但是該坐標(biāo)系只有兩個(gè)參數(shù)，而且都是幾何參數(shù)，難以滿足當(dāng)前的測量基本要求。第三，由橢球定位確定出的橢球面無法和似大地水準(zhǔn)面良好吻合，在西向東方向上有一定系統(tǒng)傾斜，最大傾斜值可達(dá)60m以上。第四，橢球短半軸無法正確指向，這和目前的地球極無法匹配；第五，精度已不滿足要求。

因該坐標(biāo)系所有坐標(biāo)的計(jì)算都采用平差法，以逐級(jí)控制分區(qū)為基礎(chǔ)，所以對(duì)天文大地網(wǎng)而言，其精度會(huì)受到等三角鎖直接影響，這限制了有較高精度且結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)的二等全面網(wǎng)作用發(fā)揮。在完成平差后，一等鎖網(wǎng)和二等鎖網(wǎng)的結(jié)合點(diǎn)，大部分二等網(wǎng)觀測方向?qū)?yīng)的改正數(shù)可能會(huì)超出最大誤差。通過對(duì)1.5萬個(gè)點(diǎn)的平差結(jié)果統(tǒng)計(jì)，并借助目前具有較高精度的GPS網(wǎng)檢驗(yàn)大地網(wǎng)實(shí)際成果，發(fā)現(xiàn)采用以上方法所得成果有一定平差變形。局部地區(qū)在鎖網(wǎng)的結(jié)合點(diǎn)產(chǎn)生了裂縫。

1.2“1980西安坐標(biāo)系”

在1980年我國建立了大地坐標(biāo)系之后，將其稱之為1980西安坐標(biāo)系。通過歸納和總結(jié)，該坐標(biāo)系主要具有以下特點(diǎn)：第一，相比1954北京坐標(biāo)系，它具有更高的精度；第二，橢球參數(shù)完整，在確定幾何形狀的基礎(chǔ)上，還能分析描述物理特征，實(shí)現(xiàn)了大地重力和大地測量的參數(shù)結(jié)合目標(biāo)；第三，該坐標(biāo)系的橢球參數(shù)和1984年由IAU提出的常數(shù)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)保持高度一致；第四，相較于1954北京坐標(biāo)系，無論是參考基本面還是軸系，都十分明確；第五，在橢球定位的支持下，其參考橢球和目前國內(nèi)的似大地水準(zhǔn)能良好吻合，在我國東、西部分別穿過兩個(gè)高程異常等值線，絕大部分地區(qū)的高程異常都處在+20m～20m范圍內(nèi)；第六，這一坐標(biāo)系是充分利用我國近三十年積累的三角測量、天文及重力相關(guān)專業(yè)資料而建立的符合我國國情與特色的專屬坐標(biāo)系。

13“2000國家大地坐標(biāo)系”

該坐標(biāo)系將地球質(zhì)量中心作為原點(diǎn)；Z軸從原點(diǎn)指向歷元為2000.0的地球參考極，這一指向?qū)H時(shí)間局提出的初始指向作為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由于時(shí)間演化具有定向性，所以能確保地殼不會(huì)產(chǎn)生殘余旋轉(zhuǎn)；x軸從原點(diǎn)指向赤道面和子午線的相交點(diǎn)，如圖1所示。

該坐標(biāo)系的應(yīng)用具有重要科學(xué)意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速進(jìn)步的今天，無論是航天、氣象，還是建設(shè)、規(guī)劃，所有領(lǐng)域的科研工作都要得到一個(gè)統(tǒng)一坐標(biāo)系的支持，以此對(duì)信息進(jìn)行處理；推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，提高社會(huì)效益，比如為防災(zāi)、應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐；加速國內(nèi)應(yīng)用遙感技術(shù)，充分發(fā)揮在生態(tài)及資源監(jiān)測等領(lǐng)域具有的重要作用；滿足運(yùn)輸業(yè)安全需要，采用車載定位可以獲取三維坐標(biāo)，反映出具體的地理位置，同時(shí)在導(dǎo)航地圖的幫助下，選取最佳的運(yùn)輸路徑，規(guī)避障礙和危險(xiǎn)。

1.4“WGS-84坐標(biāo)系”

WGS-84坐標(biāo)系是在世界范圍內(nèi)應(yīng)用的地心坐標(biāo)系統(tǒng)，將地球質(zhì)心作為原點(diǎn)，z軸從原點(diǎn)指向協(xié)議地球極，X軸從原點(diǎn)指向赤道與子午面的相交點(diǎn)。該坐標(biāo)系是對(duì)NSWC9Z-2參考系尺度及原點(diǎn)進(jìn)行修正后，通過旋轉(zhuǎn)使基于BIH的零度子午面與參考子午面保持一致而獲得的新坐標(biāo)系統(tǒng)，屬于地心固連坐標(biāo)系。

2.地質(zhì)勘探測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在地質(zhì)勘探測量工作中，考慮到工作性質(zhì)和程度存在一定差別，所以通常要先在勘探范圍內(nèi)進(jìn)行小比例尺勘探，以此確定異常源與具體位置。基于此，選定并建立適宜的坐標(biāo)系是首要解決的問題，以便后續(xù)的工作能夠和之前順利銜接。在搜集勘探區(qū)基本資料的基礎(chǔ)上（包括各種比例尺的地形圖與國家控制點(diǎn)的相應(yīng)坐標(biāo)），明確坐標(biāo)系來源，區(qū)分坐標(biāo)系類型，然后借助GPS對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行校核，在校核時(shí)，需要重復(fù)多次，得以最大限度地減小誤差。如果誤差控制在10m之內(nèi)，則GPS可以滿足填圖與測網(wǎng)的基本要求。與此同時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，如果填圖與測網(wǎng)在1：10000以上，則要利用3。帶坐標(biāo)，對(duì)子午線的經(jīng)度進(jìn)行輸入即可。為更加方便的使用與銜接資料，若測量工作難以跟進(jìn)，或測網(wǎng)未進(jìn)行聯(lián)測，則在規(guī)范的要求下，必須埋設(shè)不少于3個(gè)標(biāo)石，以便后續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其他階段的測量必須跟進(jìn)，包括普查階段、詳查階段與開采階段。為確保各方面工作順利開展，并適應(yīng)新的坐標(biāo)系統(tǒng)，需同時(shí)提供其他坐標(biāo)系。根據(jù)傳統(tǒng)的方法，在搜集勘探范圍內(nèi)所有控制點(diǎn)后，將其引入測區(qū)當(dāng)中。

在技術(shù)裝備快速發(fā)展的情況下，很多單位配置了雙頻接收機(jī)，利用此接收機(jī)，僅需在已知點(diǎn)上連續(xù)觀測4h，即可向數(shù)據(jù)中心傳輸觀測數(shù)據(jù)，引入國家網(wǎng)實(shí)施解算，獲得以上坐標(biāo)系的具體坐標(biāo)值，為測量人員提供了極大的便利。最后再借助轉(zhuǎn)換軟件，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系坐標(biāo)的計(jì)算與轉(zhuǎn)換。

上述坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換實(shí)際上就是對(duì)橢球參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于在相同或不同橢球進(jìn)行轉(zhuǎn)換是完全不同的，所以沒有一套通用的轉(zhuǎn)換系數(shù)，各地區(qū)也不盡相同。這是因?yàn)椴煌貐^(qū)有其對(duì)應(yīng)的橢球基準(zhǔn)。鑒于此，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需應(yīng)用Bursa模型，即所謂的七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。由于每個(gè)點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)與高程，所以必須要有三個(gè)及以上的點(diǎn)才可以進(jìn)行結(jié)算，其他的點(diǎn)需要算出最值，當(dāng)使用不同軟件時(shí)，可能會(huì)得到不同的結(jié)果，但差別不會(huì)很大，前提是轉(zhuǎn)換模型完全正確。以54系至80系的轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行分析：先將54系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為該系的高斯平面坐標(biāo)；然后將這一坐標(biāo)再轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)；利用七參數(shù)將直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為80系的對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)；將得到的80系直角坐標(biāo)采用相同的方法轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)；最后將其轉(zhuǎn)換為80系坐標(biāo)。為便于計(jì)算，很多軟件都具有直接轉(zhuǎn)換功能，不涉及轉(zhuǎn)換和計(jì)算的過程，但這并沒有得到人們的重視，甚至一部分單位不會(huì)使用這種軟件，一味使用舊軟件或其他軟件代替，不僅影響工作效率，還難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，有必要提出此類軟件的使用方法：打開軟件，點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換”按鈕，找到并點(diǎn)擊“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”按鈕，分別選定原、新坐標(biāo)系，在表格的空白處輸入坐標(biāo)（也可直接傳輸公用點(diǎn)文件），輸入完成后對(duì)中央子午線進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)自行運(yùn)算于右側(cè)邊框顯示結(jié)果，提供保存功能，后續(xù)再用時(shí)無需重復(fù)計(jì)算，重新選定計(jì)算的類型，兩側(cè)均選大地坐標(biāo)，確認(rèn)下面標(biāo)題變化正確后，輸入轉(zhuǎn)換點(diǎn)坐標(biāo)，單擊“轉(zhuǎn)換”按鈕，即可得出轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)。

3.結(jié)束語

綜上所述，在地質(zhì)勘探測量中，選擇正確的坐標(biāo)系，并采用適宜的方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具有重要現(xiàn)實(shí)意義，除了與勘探工作效率有密切關(guān)系以外，還決定了勘探結(jié)果的質(zhì)量。因此，在實(shí)際工作中，要根據(jù)規(guī)范要求和實(shí)際情況選擇坐標(biāo)系，并掌握坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，以此高效、準(zhǔn)確的完成坐標(biāo)