2000國家大地坐標(biāo)系啟用對海洋測繪影響的研究

黃永軍

（天津海事局海測大隊(duì)，天津 300222）

為了更好地闡明地球上各種地理和物理現(xiàn)象，特別是空間物體的運(yùn)動(dòng)，需要與之相適應(yīng)的參照物。經(jīng)過我國測繪工作者多年的艱苦細(xì)致的工作，將我國具有三維地心坐標(biāo)、精度高和現(xiàn)勢性好的2000國家GPS大地網(wǎng)與點(diǎn)位分布較為稠密的全國天文大地網(wǎng)進(jìn)行了聯(lián)合平差，建立起了2000國家大地坐標(biāo)系［1］。國家測繪地理信息局宣布：我國自2008－07－01起，啟用2000國家大地坐標(biāo)系［2］。現(xiàn)有海洋測繪資料大部分是基于1954北京坐標(biāo)系。因此，2000國家大地坐標(biāo)系的啟用是否會(huì)對原有海洋測繪成果帶來影響，以及如何在海洋測繪中采用2000國家大地坐標(biāo)系是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

1 海洋測繪中常用坐標(biāo)系

1.1 1954北京坐標(biāo)系

1954北京坐標(biāo)系是采用三角鎖聯(lián)測的方法將起始坐標(biāo)從前蘇聯(lián)普爾科沃天文臺(tái)的大地基點(diǎn)傳遞過來的，經(jīng)各局部外業(yè)逐步聯(lián)測并分別平差后，得到全國三角點(diǎn)的平差結(jié)果。這些坐標(biāo)所依據(jù)的坐標(biāo)系定名為1954北京坐標(biāo)系［3］。由于1954北京坐標(biāo)系的原點(diǎn)在前蘇聯(lián)普爾科沃，遠(yuǎn)離我國疆域，再加之技術(shù)手段的落后，造成了1954北京坐標(biāo)系存在以下缺點(diǎn)［4］：①橢球參數(shù)有較大誤差；②參考橢球與我國大地水準(zhǔn)面存在自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜，在東北地區(qū)大地水準(zhǔn)面差異高達(dá)＋68m；③幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一；④定向不明確。我國過去出版的海圖坐標(biāo)系采用了1954北京坐標(biāo)系。

1.2 WGS84坐標(biāo)系

WGS84坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)為地球質(zhì)心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應(yīng)的赤道的交點(diǎn)；Y軸垂直于XMZ平面，且與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系［3］，見圖1。

圖1 WGS84坐標(biāo)系

1.3 2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）

文獻(xiàn)［3］給出了2000國家大地坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心；Z軸由原點(diǎn)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(shí)間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時(shí)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(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點(diǎn)；Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。

2 海洋測繪中的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

2.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的常用方法

2.1.1 空間三維直角坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換方法

空間三維直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法有多種，最常用的方法為七參數(shù)法。將某一坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)（XS，YS，ZS）T轉(zhuǎn)換成另一坐標(biāo)系下的空間三維坐標(biāo)（XT，YT，ZT）T，其轉(zhuǎn)換公式為［3］

式中：（ΔX0，ΔY0，ΔZ0）T為兩坐標(biāo)系原點(diǎn)間的3個(gè)平移參數(shù)；（εX，εY，εZ）T為兩坐標(biāo)系坐標(biāo)軸間的3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度變化參數(shù)。為了求得這7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少需要3個(gè)已知公共點(diǎn)。利用3個(gè)以上公共點(diǎn)，按照最小二乘法求得7個(gè)參數(shù)。

2.1.2 平面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換方法

在實(shí)際測量工作中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通常是在2個(gè)平面坐標(biāo)系統(tǒng)間進(jìn)行：將某一坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)（XS，YS）T轉(zhuǎn)換成另一坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)（XT，YT）T，其轉(zhuǎn)換模型一般寫成

式中：（XO，YO）T為舊坐標(biāo)系原點(diǎn)在新坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；α為兩坐標(biāo)系坐標(biāo)軸間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度變化參數(shù)。實(shí)際計(jì)算時(shí)，通常設(shè)cx＝XO；cy＝Y(jié)O；kx＝m·cosα；ky＝m·sinsα。則式（2）可以簡化為

式（3）為線性方程。從理論上講，只要已知2個(gè)公共點(diǎn)分別在2套坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就可求出式（3）中的4個(gè)參數(shù)cx，cy，kx，ky，但由于不可避免地存在測量誤差，通常是取3個(gè)以上的公共點(diǎn)，列出誤差方程，按最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.2 海圖坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

我國出版的海圖大部分是基于1954北京坐標(biāo)系的墨卡托投影，其他國家的海圖也采用了本國所規(guī)定的坐標(biāo)系和投影方式。這樣遠(yuǎn)航船員在大海上航行時(shí)，有時(shí)會(huì)使用不同坐標(biāo)系下的航海圖。文獻(xiàn)［5］指出：若前后兩張海圖采用的坐標(biāo)系不同，就會(huì)使前后兩張海圖上的定位點(diǎn)出現(xiàn)偏差，產(chǎn)生海圖坐標(biāo)系誤差，即在兩張海圖上船位相對于物標(biāo)、航行障礙物等的相互位置不一致，從而給航行造成困難，甚至?xí)＜昂叫邪踩?/p>

在海上航行時(shí)，當(dāng)前所采用的絕大部分定位儀器都是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），其中美國全球定位系統(tǒng)（GPS）輸出的成果就是采用WGS84坐標(biāo)系。這樣就會(huì)出現(xiàn)海圖坐標(biāo)系與定位儀器輸出成果坐標(biāo)系不一致的問題。關(guān)于如何將海圖坐標(biāo)系即1954北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成WGS84的問題，文獻(xiàn)［4］利用式（1）對我國沿海地區(qū)各地港口的WGS84坐標(biāo)系與1954北京坐標(biāo)系下的坐標(biāo)差值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明其并不顯著，從北向南差值在70～95m之間。為此文獻(xiàn)［4］給出了解決方案：對于大比例尺海圖，才需要顧及這種坐標(biāo)差；但對于比例尺小于1∶20萬小比例尺海圖，這種坐標(biāo)差值幾乎在海圖上反映不出來，可忽略不計(jì)。對于1∶5 000或1∶10 000等大比例尺海圖，則需要進(jìn)行如下處理：在需要區(qū)域的海圖上均勻選擇一些點(diǎn)（稱為虛擬控制點(diǎn)），并在紙質(zhì)海圖或電子海圖上量取這些虛擬控制點(diǎn)坐標(biāo)值，然后采用帶七參數(shù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到這些虛擬控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)值，再計(jì)算各虛擬控制點(diǎn)的坐標(biāo)值之差，取坐標(biāo)值之差的平均值，最后根據(jù)平均值將1954北京坐標(biāo)系進(jìn)行強(qiáng)制平移改正到WGS84坐標(biāo)系。

2.3 WGS84與CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

文獻(xiàn)［3］及 文 獻(xiàn)［6］均 指 出：同 一 點(diǎn) 在CGCS2000橢球和WGS－84橢球下經(jīng)度相同，緯度的差值為從0mm（赤道和兩極）至0.105mm（B＝45°），在當(dāng)前的測量精度（坐標(biāo)測量精度1mm）條件下，WGS84與CGCS2000坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)差異可以忽略不計(jì)。

2.4 地方獨(dú)立坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換［7］

地方獨(dú)立坐標(biāo)系是我國在建立與推廣應(yīng)用1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系2個(gè)國家大地坐標(biāo)系的同時(shí)，為滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)等各方面的需要，部分地區(qū)或行業(yè)利用傳統(tǒng)大地測量手段建立起來的區(qū)域性的地方獨(dú)立坐標(biāo)系，沒有具體規(guī)范，存在著復(fù)雜性和多樣性，具有濃郁的區(qū)域性特點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國約有千余套地方坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系，有的城市存在多套地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，大多數(shù)地方獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)都是以國家參心坐標(biāo)系（1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系）為基礎(chǔ)建立的，保留的時(shí)間也很長久。

地方獨(dú)立坐標(biāo)系向CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，主要是根據(jù)地方獨(dú)立坐標(biāo)系的建立方式，通過選取合理的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，采用2個(gè)不同坐標(biāo)系下的重合點(diǎn)，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度評定對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。同時(shí)，為精確求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要有分布均勻、點(diǎn)位穩(wěn)定且具有一定密度的兩種坐標(biāo)系的重合點(diǎn)。

3 基于CGCS2000坐標(biāo)系的海圖測繪

在我國當(dāng)前的海洋地形測繪作業(yè)中，依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為《海道測量規(guī)范》［8］。當(dāng)測圖比例尺大于1∶5 000時(shí)，文獻(xiàn)［8］規(guī)定水深測量定位點(diǎn)的點(diǎn)位精度應(yīng)不低于圖上距離1.0mm。即要求實(shí)際的水深測量定位點(diǎn)的點(diǎn)位精度高于5.0m。為了達(dá)到這樣的技術(shù)要求，針對不同的測區(qū)可以采用不同的技術(shù)方案。

3.1 有RBN－DGPS差分信號(hào)的情況

為適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)、國際貿(mào)易和社會(huì)發(fā)展的需要，滿足航行在我國主要港口、重要水道和沿岸的海上公眾用戶、國防、海洋測繪、海洋石油開發(fā)、海洋漁業(yè)、海洋資源調(diào)查、海上交通安全管理、疏浚、引航等和其它需要高精度導(dǎo)航服務(wù)的用戶需求，中國海事局結(jié)合我國國情，于1995年制定了中國沿海RBN/DGPS系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃。截止2000年底，中國沿海20個(gè)RBN/DGPS基準(zhǔn)臺(tái)站已全部建成，并于2002－01－01零時(shí)起全面開通，正式向公共用戶無償提供服務(wù)。根據(jù)對RBN/DGPS系統(tǒng)的性能測試結(jié)果表明，在信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，亞米級(jí)導(dǎo)航型接收機(jī)的定位精度優(yōu)于5m（2倍標(biāo)準(zhǔn)差）［9］。這樣的定位精度完全可以滿足比例尺低于1∶2 000的海圖測繪。因此，在有RBN/DGPS差分信號(hào)的區(qū)域進(jìn)行海圖測繪時(shí)，可以直接采用衛(wèi)星接收機(jī)接收RBN/DGPS差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。而且衛(wèi)星接收機(jī)接收輸出的是WGS－84坐標(biāo)系下的定位坐標(biāo)成果，依據(jù)本文2.3節(jié)可知，WGS－84坐標(biāo)系下的定位坐標(biāo)成果可以等同于CGCS2000坐標(biāo)系，不需要作任何轉(zhuǎn)換。

3.2 無RBN－DGPS差分信號(hào)的情況

當(dāng)測區(qū)內(nèi)無RBN/DGPS差分信號(hào)時(shí)（例如在內(nèi)河或內(nèi)陸水庫進(jìn)行水下地形測繪），則需要單獨(dú)建立測圖需要的差分信號(hào)基準(zhǔn)站，可以采用GPSRTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成。測量實(shí)施時(shí)，在已知控制點(diǎn)上設(shè)置基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站按照一定頻率不間斷地發(fā)射差分信號(hào)，流動(dòng)站通過與基準(zhǔn)站的通訊系統(tǒng)（一般為電臺(tái)或GSM網(wǎng)絡(luò)）實(shí)時(shí)接收差分信號(hào)，并實(shí)時(shí)修正其測量采集的單點(diǎn)定位坐標(biāo)，得到目標(biāo)坐標(biāo)系下的高精度定位坐標(biāo)，其定位精度與起算點(diǎn)的平面精度相關(guān)，一般可達(dá)到厘米級(jí)，可以滿足所有比例尺的海圖測繪的平面定位要求。

使用GPS－RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分測量系統(tǒng)實(shí)施基于CGCS2000坐標(biāo)系的海圖測繪時(shí)，需要在基準(zhǔn)站輸入將坐標(biāo)系換算至CGCS2000坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。如果測區(qū)沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)，則需要3個(gè)以上的已知CGCS2000坐標(biāo)系下的平面控制點(diǎn)，在某個(gè)控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，采用流動(dòng)站實(shí)測其它控制點(diǎn)，根據(jù)控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)和實(shí)測坐標(biāo)，采用GPSRTK的隨機(jī)軟件按照式（1）求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；當(dāng)測區(qū)有轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，則在已知控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)置基準(zhǔn)站并輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，這樣，用于海圖測繪導(dǎo)航定位作業(yè)的流動(dòng)站就可以實(shí)時(shí)輸出CGCS2000坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

4 結(jié)束語

更新一個(gè)國家的坐標(biāo)系統(tǒng)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的問題，它涉及到點(diǎn)位新坐標(biāo)的獲取及與地理信息有關(guān)的圖件資料的更改等問題。對于基于1954北京坐標(biāo)系出版的大比例尺海圖，需要顧及1954北京坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)差；對于基于WGS84坐標(biāo)系的海圖，則可直接過渡到CGCS2000坐標(biāo)系。

［1］陳俊勇，楊元喜，王敏，等.2000國家大地控制網(wǎng)的構(gòu)建和它的技術(shù)進(jìn)步［J］.測繪學(xué)報(bào)，2007，36（1）：1－8.

［2］國家測繪局國土司.國家測繪局2008年第2號(hào)公告［EB/OL］2008－06－27［2012－11－05］.http://www.sbsm.gov.cn/article//tzgg/201010/20101000073234.shtml.

［3］程鵬飛，成英燕，文漢江，等.2000國家大地坐標(biāo)系實(shí)用寶典［M］.北京：測繪出版社，2008.

［4］張彥昌.我國海圖坐標(biāo)差值分析及“海圖小改正”探討［J］.海洋技術(shù)，2009，28（2）：105－107.

［5］邢向輝，東昉.海圖坐標(biāo)系問題的研究［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（4）：31－35.

［6］魏子卿.2000中國大地坐標(biāo)系及其與WGS84的比較［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（5）：1－4.

［7］耿曉燕.地方獨(dú)立坐標(biāo)系向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換研究［D］.西安：西安科技大學(xué)，2010：3－30.

［8］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB12327－1998海道測量規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：2－3.

［9］中國沿海無線電指向標(biāo)－差分全球定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）介紹［EB/OL］2008－01－27［2012－11－05］.http://www.aton.gov.cn/oldImg/361.pdf.