基于TGO 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法探討

楊永平 劉慧玲 楊飛雷

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院，云南昆明 650051;2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西太原 030006)

GPS具有全天候作業(yè)、測(cè)量精度高、觀測(cè)時(shí)間短、測(cè)站間無(wú)需通視、儀器操作方便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于水利、交通、電力、海洋、物探等多個(gè)領(lǐng)域。然而，每一位接觸GPS測(cè)量技術(shù)的人員均會(huì)碰到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。解決坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)GPS數(shù)據(jù)處理軟件層出不窮，但每種軟件在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足。筆者在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)TGO在測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方面具有較強(qiáng)的功能，然而大多應(yīng)用人員往往主要應(yīng)用基線解算和網(wǎng)平差功能，而對(duì)TGO的某些坐標(biāo)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展功能涉及較少。

1 TGO建立坐標(biāo)系統(tǒng)

1.1 TGO軟件

Trimble Geomatics Office(簡(jiǎn)稱TGO)1.63是美國(guó)Trimble公司研制開(kāi)發(fā)的GPS數(shù)據(jù)處理軟件包，是目前用于處理Trimble公司系列大地型GPS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)的首選軟件，具有作業(yè)計(jì)劃、數(shù)據(jù)傳輸、基線解算、網(wǎng)平差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、GIS數(shù)據(jù)采集和傳輸及測(cè)量項(xiàng)目的管理等功能。在一個(gè)項(xiàng)目中，可以同時(shí)完成對(duì)Trimble GPS的RTK數(shù)據(jù)、后處理的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和常規(guī)測(cè)量數(shù)據(jù)以及其他品牌的GPS數(shù)據(jù)(RINEX)進(jìn)行處理。用戶在組織施工時(shí)有很大的自由空間，可以是動(dòng)態(tài)，也可以是靜態(tài);可以是 GPS，也可以是全站儀?？傊琓GO軟件具有界面友好、使用方便、功能強(qiáng)大、自動(dòng)化程度高、結(jié)果可靠及開(kāi)放性等特點(diǎn)，使其在測(cè)繪及相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 坐標(biāo)系統(tǒng)建立

坐標(biāo)系統(tǒng)主要有北京54、西安80、西安2000、WGS-84和地方坐標(biāo)系。下面以北京54坐標(biāo)系統(tǒng)和99度帶為例來(lái)說(shuō)明如何利用TGO的“Coordinate System Manager”功能建立坐標(biāo)系統(tǒng)。

(1)增加橢球:輸入橢球名稱 BJ54、長(zhǎng)半軸6378245、扁率 298.3。

(2)增加基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換:選擇“Molodensky…”，創(chuàng)建新的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換組，輸入BJ54-99。

(3)增加坐標(biāo)系統(tǒng)組:輸入BJ54-99。

(4)增加坐標(biāo)系統(tǒng):選擇“橫軸墨卡托投影(T)…”;坐標(biāo)系統(tǒng)加到BJ54-99;投影帶參數(shù)輸入BJ54-99;在“投影”窗口中心緯度輸入0，中心經(jīng)度輸入99，縱軸加常數(shù)輸入0，橫軸加常數(shù)輸入500000，尺度比輸入1。

2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

2.1 同一橢球的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

以坐標(biāo)系統(tǒng)BJ54-99為例，即新建項(xiàng)目，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)為BJ54-99。

(1)高斯投影正算

單點(diǎn)處理模式:

首先，選擇菜單“插入(I)點(diǎn)(P)…”，在“插入點(diǎn)”窗口輸入名稱和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)(緯度，經(jīng)度，高度)。然后，雙擊點(diǎn)名，在“屬性”窗口選擇“網(wǎng)格”坐標(biāo)類型，所顯示(北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，高程)即為該點(diǎn)高斯投影正算坐標(biāo)。

批量處理模式:

首先，選擇項(xiàng)目欄“導(dǎo)入其他測(cè)量軟件自定義”中的“名稱，緯度，經(jīng)度，高度，代碼 (地方)”，導(dǎo)入大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。然后，選擇項(xiàng)目欄“導(dǎo)出點(diǎn)，北，東，高程，代碼自定義”中的“名稱，北，東，高程，代碼”，導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。當(dāng)然，也可通過(guò)菜單“報(bào)告(R)附加報(bào)告…(A)”中的“點(diǎn)”導(dǎo)出網(wǎng)格坐標(biāo)。

(2)高斯投影反算

單點(diǎn)處理模式:

類似高斯投影正算單點(diǎn)處理模式，只需在“插入點(diǎn)”窗口改為網(wǎng)格坐標(biāo)(北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，高程)，在“屬性”窗口選擇“當(dāng)?shù)亍弊鴺?biāo)類型即可。

批量處理模式:

類似高斯投影正算批量處理模式，只需導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)出大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件即可。

(3)換帶計(jì)算

換帶計(jì)算功能可實(shí)現(xiàn)任意帶坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，下面以坐標(biāo)系統(tǒng)BJ54-99和BJ54-102為例。

新建坐標(biāo)系統(tǒng)BJ54-102;

在BJ54－99坐標(biāo)系統(tǒng)模式下，單點(diǎn)插入網(wǎng)格坐標(biāo)或批量導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件;

在“項(xiàng)目屬性”窗口，改變坐標(biāo)系統(tǒng)為BJ54-102，即完成了換帶計(jì)算。

2.2 不同橢球的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(1)利用“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程平差”功能

以坐標(biāo)系統(tǒng)BJ54-99轉(zhuǎn)換XA80-99為例。

在BJ54-99坐標(biāo)系統(tǒng)模式下，批量導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件;

在“項(xiàng)目屬性”窗口，改變坐標(biāo)系統(tǒng)為XA80-99，以單點(diǎn)插入或批量導(dǎo)入3個(gè)以上對(duì)應(yīng)BJ54-99坐標(biāo)系統(tǒng)的同名已知XA80-99網(wǎng)格坐標(biāo);

選擇菜單“測(cè)量(U)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(T)…”，點(diǎn)擊“點(diǎn)列表(L)…”按鈕，在“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換－點(diǎn)列表”窗口插入已知公共點(diǎn)(包括點(diǎn)名、當(dāng)前坐標(biāo)、已知坐標(biāo))，檢查平面轉(zhuǎn)換精度合格后確認(rèn);

同理，選擇菜單“測(cè)量(U)高程平差(E)…”，在“高程平差－點(diǎn)列表”窗口插入上述公共點(diǎn)的當(dāng)前高程和已知高程，檢查高程轉(zhuǎn)換精度合格后確認(rèn);

導(dǎo)出XA80-99網(wǎng)格坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

(2)利用“靜態(tài)解算”功能

以WGS-84大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換BJ54-99為例，該法就是平時(shí)大家應(yīng)用較多的TGO靜態(tài)解算功能，其操作流程簡(jiǎn)述如下:

①導(dǎo)入數(shù)據(jù)。在WGS－84橢球模式下，導(dǎo)入“測(cè)量控制器DC文件、DAT文件、RINEX文件”靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

②基線解算，直到“比率、參考變量、RMS及環(huán)閉合差”四項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

③網(wǎng)平差，包括無(wú)約束平差和約束平差。先進(jìn)行無(wú)約束平差，然后改變坐標(biāo)系統(tǒng)為BJ54－99，再增加已知點(diǎn)進(jìn)行約束平差。

④導(dǎo)出BJ54-99網(wǎng)格坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

2.3 地方坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換

(1)利用“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程平差”功能

有些地方采用當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，對(duì)坐標(biāo)系所屬的橢球參數(shù)和投影中央子午線完全未知，比如2004昆明坐標(biāo)系和昆明87城建坐標(biāo)系，象這兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，可在TGO先假定某一橢球(比如WGS-84、BJ54)模式，利用“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程平差”功能完成。

(2)利用“點(diǎn)校正”方法

點(diǎn)校正方法包括三參數(shù)點(diǎn)校正和七參數(shù)點(diǎn)校正，兩種點(diǎn)校正方法類似，現(xiàn)以三參數(shù)點(diǎn)校正為例。點(diǎn)校正與靜態(tài)解算中的約束平差相比，不需要確定地方坐標(biāo)系的地方獨(dú)立橢球和投影帶中央子午線，只需至少兩個(gè)屬于地方坐標(biāo)系的已知坐標(biāo)就可以完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作，既方便，又快捷，給工程上大量使用GPS建立控制網(wǎng)的內(nèi)業(yè)計(jì)算帶來(lái)了諸多便利。詳細(xì)操作流程如下:

①在WGS-84橢球模式下，批量導(dǎo)入WGS-84大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件;或在TGO無(wú)約束平差控制網(wǎng)狀態(tài)。

②單點(diǎn)插入或批量導(dǎo)入2個(gè)以上已知地方公共點(diǎn)，且公共點(diǎn)應(yīng)均勻分布，能基本覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)區(qū)域。

③選擇菜單“測(cè)量(U)GPS點(diǎn)校正…”，在“GPS點(diǎn)校正”窗口分別勾選“更新缺省投影起點(diǎn)(U)、水平平差(H)、垂直平差(V)”。

④在“GPS點(diǎn)校正－點(diǎn)列表”窗口插入2個(gè)以上公共點(diǎn)(GPS點(diǎn)、網(wǎng)格點(diǎn))，檢查計(jì)算殘差滿足要求后確認(rèn)。

⑤導(dǎo)出地方網(wǎng)格坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

3 工程算例

在某500 kV超高壓輸電線路工程航外中，布設(shè)一條帶GPS靜態(tài)觀測(cè)控制網(wǎng)，包含149個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)，其中聯(lián)測(cè)6個(gè)GPSC級(jí)點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)。由于GPSC級(jí)點(diǎn)具有BJ54-99和XA80-99雙套坐標(biāo)，因此可利用TGO的靜態(tài)解算功能進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，使得控制網(wǎng)全部GPS觀測(cè)點(diǎn)具有BJ54-99和XA80-99雙套坐標(biāo)。

現(xiàn)將149個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)的BJ54-99坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，重新得到一套XA80-99坐標(biāo)，與靜態(tài)解算所得XA80-99坐標(biāo)進(jìn)行比較，隨機(jī)選取20個(gè)坐標(biāo)比較結(jié)果列于表1。由表1可知，兩種不同橢球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法一致性非常好，尤其平面位置完全吻合，高差也均小于1 cm，對(duì)于一般工程應(yīng)用而言，可以滿足規(guī)范要求。

表1 兩種不同橢球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法比較

4 結(jié)束語(yǔ)

利用TGO的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊及其拓展功能進(jìn)行不同坐標(biāo)系統(tǒng)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，不僅可以解決測(cè)繪同仁常見(jiàn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，而且批量轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)可以直接導(dǎo)入數(shù)字測(cè)圖軟件或GIS軟件，便于直接成圖與后續(xù)應(yīng)用。

[1]劉大杰，施一民，過(guò)靜珺.全球定位系統(tǒng)(GPS)原理與數(shù)據(jù)處理[M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1996

[2]朱天倫.淺談GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J］.新疆有色金屬，2007(2)

[3]張鳳舉，邢永昌.礦區(qū)控制測(cè)量[M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1987

[4]楊國(guó)清.控制測(cè)量學(xué)[M］.鄭州:黃河水利出版社，2005

[5]張述清，李永云.地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的建立及其實(shí)現(xiàn)[J］.測(cè)繪工程，2007(4)

[6]王解先，王 軍，陸彩萍.WGS-84與北京54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換問(wèn)題[J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2003(3)

[7]楊永平.超高壓輸電線路GPS外控測(cè)量作業(yè)方法及注意事項(xiàng)[J］.水利電力科技，2009(1)