2000國家大地坐標系在水利行業(yè)的應(yīng)用

裴喜安 楊仰誠

一、概述

我國于20世紀50年代和80年代分別建立了1954年北京坐標系和1980西安坐標系，這兩個坐標系都是根據(jù)局部大地水準面最為密合的參考橢球定位的參心大地坐標系，對我國經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)及科學(xué)研究等作出了重大貢獻。但受當時技術(shù)條件的制約，精度偏低，無法滿足當前與今后空間技術(shù)發(fā)展的要求，無法提供高精度、地心、動態(tài)、統(tǒng)一、實用的大地坐標系的基礎(chǔ)性保障。

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，國防建設(shè)和社會發(fā)展、科學(xué)研究等對國家大地坐標系提出了新的要求，迫切需要采用原點位于地球質(zhì)量中心的坐標系統(tǒng)（以下簡稱地心坐標系）作為國家大地坐標系。采用地心坐標系，有利于采用現(xiàn)代空間技術(shù)對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點三維坐標，并提高測圖工作效率，從而為我國航天、民航、海事、交通、地震、水利、農(nóng)業(yè)、能源、建設(shè)、規(guī)劃、國土資源管理等部門提供有力的技術(shù)支撐。

經(jīng)國務(wù)院批準，自2008年7月1日起，我國全面啟用2000國家大地坐標系（ChinaGeodeticCoordinateSystem 2000，簡稱 CGCS2000），作為我國測繪生產(chǎn)和GIS系統(tǒng)建設(shè)新的坐標系統(tǒng)。CGCS2000坐標系與現(xiàn)行國家大地坐標系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8~10年。水利系統(tǒng)也必須緊跟新技術(shù)的發(fā)展步伐，逐步啟用CGCS2000坐標系。

二、CGCS2000坐標系簡介

1.CGCS2000坐標系的定義

CGCS2000坐標系是以地球質(zhì)量中心為原點的地心坐標系。坐標系的定義包括坐標系的原點、3個坐標軸的指向、尺度以及地球橢球等4個基本參數(shù)的定義。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(zhì)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的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)，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(gòu)成右手正交坐標系。采用廣義相對論意義下的尺度。

2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數(shù)的數(shù)值為：

2.CGCS2000大地坐標系的主要特征

（1）CGCS2000坐標系具有比現(xiàn)行大地坐標框架更高的精度。

（2）與現(xiàn)有的大地坐標系統(tǒng)和高程系統(tǒng)相比，它涵蓋了包括海洋國土在內(nèi)的全部國土范圍。

（3）CGCS2000坐標系是一個三維的大地測量基準，有利于對空間物體的位置描述和表達。

（4）CGCS2000坐標系是一個動態(tài)的大地測量基準，具有時間特征。

（5）CGCS2000坐標系是一個地心坐標系，它可以更好地闡明地球上各種地理和物理現(xiàn)象。

（6）與國際接軌，它采用的橢球參數(shù)及物理參數(shù)與國際上公認的數(shù)據(jù)一致，有利于國際科研合作及科研成果共享。

三、CGCS2000坐標系對水利工程的影響

1.已有成果資料的轉(zhuǎn)換

水利系統(tǒng)的測繪工作主要是為水利工程提供測繪保障，而水利工程的規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)和運行管理具有較強的連續(xù)性，特別是分期建設(shè)的水利工程、水利工程的加固改造、水利工程的續(xù)建工程等，均要求其平面控制系統(tǒng)保持前后一致。同時，水利系統(tǒng)測繪單位在長期的測繪工作中，在不同地區(qū)、不同時期分別建立了大量的平面控制網(wǎng)，積累了大量的基礎(chǔ)測繪成果，測繪工作受到各水利系統(tǒng)測繪單位測繪成果的積累的影響，大都以1954年北京坐標和1980西安坐標系為主，且更偏重于應(yīng)用1954年北京坐標系。在新舊坐標系統(tǒng)過渡期結(jié)束后，水利系統(tǒng)也必將啟用CGCS2000坐標系，這就存在大量老測繪成果資料的坐標轉(zhuǎn)換工作。

2.測繪方法的改變和精度的提高

由于CGCS2000坐標和WGS84坐標是相容的，兩坐標是一致的，手持GPS不依賴于任何外部控制點，不需要周圍有CGCS2000坐標的控制點，單個待轉(zhuǎn)換點亦可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，工作效率和成果精度將大大提高。隨著精密單點定位技術(shù)的日益成熟及其巨大的優(yōu)勢，精密單點定位技術(shù)作業(yè)模式在未來GPS定位中的地位日益舉足輕重，精密單點定位技術(shù)將取代相對定位模式成為未來GPS定位中的主要作業(yè)模式。

CGCS2000坐標系是地心坐標系，采用衛(wèi)星定位技術(shù)可以達到10-7～10-8的點位相對精度，比參心坐標系下的精度提高10倍左右，并可快速獲取精確的三維地心坐標，大大提高了測量成果的精度。

四、已有測繪成果向CGCS2000坐標系轉(zhuǎn)換

隨著CGCS2000坐標系的啟用，水利行業(yè)不可避免將有大量的已有舊坐標系下的測繪資料轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標系。結(jié)合水利工程特點，主要有下列兩種方法：

1.利用重合點求解兩套坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換

利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進行點位坐標轉(zhuǎn)換的方法，依據(jù)國家測繪局發(fā)布的《現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到CGCS2000國家大地坐標系技術(shù)指南》，全國及省級范圍的坐標轉(zhuǎn)換選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型；省級以下范圍的坐標轉(zhuǎn)換可選擇三維四參數(shù)模型或平面四參數(shù)模型。對于相對獨立的區(qū)域平面坐標系統(tǒng)與CGCS2000的聯(lián)系可采用平面四參數(shù)模型或多項式回歸模型。針對水利行業(yè)特點，水利工程坐標轉(zhuǎn)換主要采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型屬于兩維坐標轉(zhuǎn)換，對于三維坐標，需將坐標通過高斯投影變換得到平面坐標再計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。其轉(zhuǎn)換模型為：

其中，x0，y0為平移參數(shù)，α 為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度參數(shù)。x2，y2為2000國家大地坐標系下的平面直角坐標。x1，y1為原坐標系下平面直角坐標。坐標單位為m。

用于求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點采用在兩個坐標系下均有坐標成果的點。重合點要分布均勻，覆蓋測區(qū)范圍。最終重合點還需根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算重合點坐標殘差，根據(jù)其殘差值的大小來確定，若殘差大于3倍中誤差則剔除，重新計算坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到滿足精度要求為止；用于計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點數(shù)量與轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小有關(guān)，但不得少于5個。對于坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)而言具有多余觀測，因此，計算時要按照最小二乘原理計算，轉(zhuǎn)換參數(shù)求出后利用相應(yīng)的模型對于非重合點進行轉(zhuǎn)換，就可以獲得待轉(zhuǎn)點位CGCS2000坐標。采用轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換時，必須選擇部分不參與轉(zhuǎn)換參數(shù)計算的重合點作為外部檢核點，用轉(zhuǎn)換參數(shù)計算這些點的轉(zhuǎn)換坐標并與已知坐標進行比較以檢核坐標轉(zhuǎn)換的精度。外部檢核點應(yīng)不少于6個且應(yīng)均勻分布。

二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和三維七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換模型詳見國家測繪局發(fā)布的《現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到CGCS2000國家大地坐標系技術(shù)指南》。

2.通過聯(lián)測CGCS2000控制點，重新對原GPS網(wǎng)進行約束平差的方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)換

當原有的GPS控制網(wǎng)具備有滿足數(shù)量和精度要求的CGCS2000坐標系下的控制點的聯(lián)測條件時，可以通過將原有的GPS網(wǎng)與這些高等級點聯(lián)測或者利用原有聯(lián)測數(shù)據(jù)，以這些高等級的具有CGCS2000坐標的控制點作為約束條件，在WGS84橢球下進行三維約束平差，以重新計算該GPS控制網(wǎng)的CGCS 2000坐標系下在控制成果。此方法比較直接，操作起來比較簡單。但是要求原GPS網(wǎng)的原始觀測數(shù)據(jù)保存完整。

五、結(jié)束語

1954年北京坐標系和1980西安坐標系已無法滿足當前與今后空間技術(shù)發(fā)展的要求，將被原點位于地球質(zhì)量中心的CGCS2000坐標系所替代。本文對CGCS2000坐標系的定義和實現(xiàn)進行了簡單的介紹，并提出了水利行業(yè)已有舊成果資料向CGCS2000坐標轉(zhuǎn)換的方法。采用新的坐標系，應(yīng)用現(xiàn)代空間技術(shù)定位，可以大幅度提高點位表達的準確性，并且可以快速獲取精確的三維地心坐標，大幅提高測量精度和工作效率，必將極大地促進水利事業(yè)的的發(fā)展■