淺談坐標轉(zhuǎn)換

張 盛，劉衛(wèi)山，王 珊建德市土地測繪勘察有限公司，浙江建德 311600

淺談坐標轉(zhuǎn)換

張 盛，劉衛(wèi)山，王 珊
建德市土地測繪勘察有限公司，浙江建德 311600

本文對常用的坐標轉(zhuǎn)換原理進行了簡要的介紹，通過原理分析，得到坐標轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的誤差與其變化規(guī)律。

高斯平面直角坐標系；坐標轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換誤差；變化規(guī)律

1 常用的坐標轉(zhuǎn)換方法

在測量工作中，由于基礎(chǔ)資料，或應用領(lǐng)域的不同，我們經(jīng)常用到坐標的轉(zhuǎn)換問題。通常使用到的有坐標換帶計算，北京54坐標系與西安80坐標系之間的轉(zhuǎn)換。通過平差軟件我們可以很輕松的完成坐標轉(zhuǎn)換的工作，但是同樣通過轉(zhuǎn)換前后兩組數(shù)據(jù)的對比轉(zhuǎn)換前后現(xiàn)狀地物長度發(fā)生變化，封閉圖形的面積也發(fā)生改變。為了了解這些變化產(chǎn)生的原因進行了淺顯的探討

2 坐標換帶計算

2.1 高斯-克呂格平面直角坐標系

無論是北京54坐標系還是80坐標系都是采用的是高斯-克呂格平面直角坐標系.高斯投影設(shè)想將橢球裝進一個橢圓柱內(nèi)，使使橫橢圓柱內(nèi)面恰好橢球面上某子午線相切，使得子午線可毫無改變的轉(zhuǎn)移到橢圓面上。從首子午線（通過英國格林尼治天文臺的子午線）起，將首子午線附近經(jīng)差左右各3°或1°30″范圍內(nèi)橢球面上的點線按正形投影向橢圓柱上投影，并從兩極將橢圓柱展為平面，形成高斯投影平面。

從首子午線起，自西向東將整個地球劃分為等經(jīng)差的60個帶，稱為6度帶，第一個6度帶的中央子午線為3°。從東經(jīng)1°30″起，每差3°劃分一帶，將整個地球劃分為120個帶，稱3度帶。

采用分帶投影后，各帶的中央子午線與赤道垂直相交于原點0，稱為坐標原點，以每一帶的中央子午線為X縱坐標軸，赤道以北為正以南為負，以赤道為Y橫軸，中央子午線以東為正，以西為負。地面點在高斯平面直角坐標系的坐標為點到兩坐標軸的垂直距離。

根據(jù)高斯投影條件推導高斯-克呂格投影計算公式為

x，y為點的平面直角系坐標。B,L為點的地理坐標，以弧度計，l從中央經(jīng)線起算，X為赤道至緯度B處子午線長度，N=a/W為緯度φ處卯酉圈曲率半徑，η為地球的第二偏心率。由于高斯投影是等角投影，沿任意方向長度比相等，其長度比為

其長度變形為ν=m-1

表1 長度變形隨緯度和經(jīng)差的變化 （ν×106）

可以看出點在中央經(jīng)線上無變形，在同一緯度線上，離中央經(jīng)線越遠，變形越大；在同一經(jīng)線上，緯度越低，變形越大。

2.2 坐標換帶產(chǎn)生

我國大、中比例尺地形圖均采用6度分帶或3度分帶的高斯克呂格投影。所以當采用3度分帶工作過程如要使用6度分帶的起算數(shù)據(jù)就必須進行換帶計算，

只要采用分帶投影那么一些地區(qū)與城市就不可避免的被分帶子午線“分割”。但是一個城市按2個獨立的帶進行測繪是不可取的。由于各帶的坐標是相互獨立的所以要將坐標在帶與帶之間轉(zhuǎn)換。

1）鄰帶坐標變換，如圖所示，已知P1在3度帶第39帶的坐標，通過高斯正算公式可以得出L，B，求得該點與3度帶第40帶的經(jīng)差L，經(jīng)高斯正算公式取得P1在3度帶第40帶的坐標；

2）三度帶與6度帶之間的轉(zhuǎn)換，如圖所示P1點，它的坐標在進行換帶計算時，因6度帶的第20帶與3度帶的第39帶中央經(jīng)線重合，其坐標原點一致。所以坐標不變，只須將帶號改寫。當中央經(jīng)線不重合時，如知道P2在6度帶第20帶坐標，要取得它在3度帶第40帶的坐標就需要先求它在同中央子午線3度4帶第39帶的坐標，然后再通過鄰帶變換，得到它在3度帶第40帶的坐標。

所以坐標換帶時，圖形在中央子午線重合的情況下長度不變，當與中央子午線不重合，則長度會變形，且遵循圖表1的規(guī)律。

高斯反算公式

公式中M=a（1-e2）/W

在高斯-克呂格平面投影上，距離中央經(jīng)線越遠，產(chǎn)生的投影變形越大，而大多數(shù)城市都不在投影帶中央，所以不能精確的在地圖上表達其空間信息，無法滿足大比例尺測圖和工程建設(shè)的需要時，基于實用，方便，科學的原理可建立獨立的城市坐標系。例如安徽省銅陵市，117°42′-118°10′，北緯30°45′-31°08′，按照3°帶劃分，它位于3°帶第39帶上，中央子午線為117°，南北最長約42.5km，東西最寬約40.6km很明顯，整個銅陵市偏向第39東側(cè)，從表一可查出銅陵市的平均長度變形約為120×10-6，長度影響達到了4.87m。為滿足通過使用地方坐標系，將中央線移至117°48′保證了地方上的精度需要。

通過已知的表2兩組坐標計算得到表3的4組對應邊長差值。

表2

表3

3 北京54坐標系與西安80坐標系的轉(zhuǎn)換

現(xiàn)在我國使用的坐標系統(tǒng)多為北京54坐標系和西安80坐標系，54坐標系參考橢球為克拉所夫斯基橢球參數(shù)，80坐標系使用的是國際地理聯(lián)合會（IGU）第十六界大會推薦的橢球參數(shù)。由于參數(shù)的不同，且因為他們的橢球基準不同，那么在兩個橢球間的坐標轉(zhuǎn)換是不嚴密的，每個地方的轉(zhuǎn)換參數(shù)都不同.轉(zhuǎn)換坐標時需利用區(qū)域內(nèi)3個公共點坐標對求得X平移，Y平移，Z平移，X旋轉(zhuǎn)（WX），Y旋轉(zhuǎn)（WY），Z旋轉(zhuǎn)（WZ），尺度變化（DM）這7個參數(shù)，但是由于參數(shù)隨公共點的不同而發(fā)生變化，所以同一組數(shù)據(jù)在使用不同的公共點時，獲得的成果也是不相同的。為了避免圖形拼接時出現(xiàn)縫隙，在同一地區(qū)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要采用同一個參數(shù)。

4 結(jié)論

通過分析坐標轉(zhuǎn)換的過程，了解數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差的原因，使得我們能夠充分認識到工作中因坐標轉(zhuǎn)換帶來的誤差的合理性，使得不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)得到充分利用，同時也使我們認識到正確的選取坐標系統(tǒng)以滿足城市建設(shè)的需要。

[1]柳光魁，趙永強.北京54和西安80坐標系轉(zhuǎn)換方法及精度分析——基于大連市C級GPS網(wǎng)成果[J].測繪與空間地理信息，2007(2).

[2]韋爾斯.大地測量的坐標系統(tǒng)[J].測繪出版社，1980(1).

P258

A

1674-6708（2011）34-0071-02

張盛，助理工程師，工作單位：建德市土地測繪勘察有限公司，從事測繪生產(chǎn)技術(shù)工作