测绘成果坐标系统间转换技术及精度探讨

　　摘要：本文介绍坐标系统间转换技术，通过港航工程测量案例，从建立设计转换模型、选择坐标系统转换软件，分析坐标转换成果精度，保证通过坐标系统间转换满足使用二套以上坐标系的工程质量，并为类似测量工程坐标转换提供参考。
　　关键词：坐标系统转换，建立转换模型，分析转换精度
　　在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统；另一类是与地球体相固联的坐标系统，也称固定坐标系统，如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。这样更有利于表达地面控制点的位置满足工程技术要求和处理GPS观测成果，因此在GPS工程测量中得到了广泛的应用。
　　1、坐标系统转换提出
　　一般情况下，测量使用的有独立坐标系、1954年北京坐标系、1980年西安坐标系或2000国家大地坐标系等坐标系统，而GPS测定的坐标是WGS-84系坐标，需要进行坐标系统之间的转换。根据港口工程使用技术，测绘产品经常要求提供二套以上坐标系测图，或者要求直接利用旧的测绘数据转换成新的坐标成果以满足不同工程建设需要。
　　2、坐标系统介绍
　　WGS-84坐标系统：WGS-84系是目前GPS所采用的坐标系统，是由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统(WGS-72系)，成为目前所使用的GPS坐标系统。
　　WGS-84系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。WGS-84系所采用椭球参数为：a=6378137m；f=1／298.257223563。
　　1954年北京坐标系：1954年北京系是我国建国初期至今广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245m；f=1／298.3。该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位。而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来，该坐标的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而我国高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
　　1980年西安坐标系：1980年西安系采用了全面描述椭球性质的四个基本参数a、GM、J2、ω。四个参数的数值采用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会16届大会的推荐值：a=6378140m；GM=3986005x108m3/s2；J2=1082.63x10-6；ω=7292115X10-11rad/s，简称IGUU75椭球。
　　1980年西安系的原点位于我国中部陕西西安市的附近。椭球的短轴平行于由地球质心指向我国地极原点JYD1968。0的方向起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。大地点的高程是1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
　　2000国家大地坐标系：原点为整个地球的质量中心，其Z轴由原点指向历元2000的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交系。地球椭球参数：长半轴a＝6378137m；扁率f＝1/298.257222101；地心引力常数GM＝3.986004418×1014m3s-2；自转角速度ω＝7.292l15×10-5rads-1。
　　建国以来，我国于上世纪50年代到80年代分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系，测制了各种比例尺地图，在国民经济、社会发展和科学研究中发挥了重要作用，对国民经济建设作出了重大贡献，效益显著。限于当时的技术条件，我国大地坐标系基本上是依赖于传统技术手段实现的二维参心坐标，其1954年北京系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球，高程以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准，则参考椭球面与大地水准面呈西高东低系统性倾斜；1980西安大地坐标系，其椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程以1956年黄海平均海水面为高程起算基准面；根据《中华人民共和国测绘法》规定，我国已建立了全国统一的大地坐标系统，2000国家大地坐标系是地心坐标系，是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心，保证我国2000坐标系与国际高精度地心坐标系统一致，有利于现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，大幅度提高了点位表达的准确性和快速获取精确的三维地心坐标。综上所述我们针对不同年代建立的新旧坐标系，其坐标变换技术应采取不同的计算方法。1954年北京系所提供的大地点成果没有经过整体平差，在我国中部和东北地区改正量差1至10米，1980西安系提供的大地点成果是经过整体平差的数据，所以新旧系统转换除椭球体变换外还要考虑平差改正量，其解决方案可选定两套新旧已知坐标作多种分析试算，剔除粗差或残差大于3倍中误差的点，以致获取满足精度的椭球变换和平差改正参数，所以54到2000变换要经过54到80和80到2000变换改正叠加方可实现。
　　由于历经半个世纪多建立的我国现行的大地坐标系，构成我国目前常用的GPS空间直角坐标和空间大地坐标，存在大量的测绘成果采用54北京系和80西安系，为满足科学技术发展需求，将测绘成果广泛应用于空间技术的发展等时代要求，测绘技术人员必须面对各类现行的大地坐标成果，进行大量的坐标系统间的转换工作，以下本文结合2009年中海油宁德溪南工程测量实例，对坐标系统转换技术及转换精度作具体阐述、分析和展望。
　　3、坐标系统转换方法
　　由于不同的坐标系，采用不同的椭球和椭球定位，任何坐标系中的椭球，其地理坐标的定义是一致的，即某点的经度从零子午线起算，纬度则从赤道起算。所以，不同的两个椭球，必然存在地理坐标相同的同名点。这样，当我们用旧坐标系的平面直角坐标X、Y反算为大地坐标B、L后，再将这B、L移至新坐标系的椭球，正算出其平面直角坐标，从而实现了由旧坐标系平面直角坐标到新坐标系平面直角坐标的变换。
　　3.1选择转换模型和参数
　　坐标系之间的转换一般采用七参数法或三参数法，其中七参数为X平移，Y平移，Z平移，X旋转（WX），Y旋转（WY），Z旋转（WZ），尺度变化（DM）；三参数方法为忽略旋转参数和尺度比参数视为0的七参数法的特例。两个椭球间的坐标转换，一般而言比较严密的是用七参数布尔莎模型，要求得七参数需要3个以上的已知点，在转换地区建立设计模型和选择转换软件。本文结合“中海油宁德溪南工程测量”进行论述，溪南半岛地处三都澳区域的核心位置，包括霞浦县的溪南镇和沙江镇部分区域，陆域面积228平方公里，产品要求同时提供二套坐标系统，分别用于：水深地形图数据采用WGS-84坐标系、数字高程模型制作(DEM)数学基础平面控制采用80西安坐标系。工程实施方案：用GPS采集WGS-84数据坐标满足水深地形图要求；用建立坐标转换模型的坐标转换技术得到80西安坐标数据满足DEM制作需求。
　　3.1.1建立转换模型
　　结合溪南GPS静态控制测量来建立坐标转换模型，本工程在测区附近布设了10个D级GPS控制点，三都澳溪南GPS控制网见图1。遴选A、B、C、D四个均匀布置高级点用于转换参数，四个点包容了整个转换区域范围（见图2），首先按控制网起始点的兼容性对A、B、C、D四点作检核，即用二维无约束平差后的WGS-84高精度网的高斯平面XY坐标与已知80西安XY坐标计算转换参数，再用无约束平差WGS-84坐标转换出A、B、C、D

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