基于不同算法模型的大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換研究

白杰

【摘 要】近些年來(lái)，經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)科學(xué)的發(fā)展對(duì)大地坐標(biāo)系統(tǒng)提出了新的要求。我國(guó)現(xiàn)存大地坐標(biāo)系統(tǒng)種類多，為方便科研工作，不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間往往需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。針對(duì)此，本文介紹了我國(guó)常用大地坐標(biāo)系，進(jìn)行了不同算法和轉(zhuǎn)換模型下的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，并以傳統(tǒng)坐標(biāo)系——1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系到最新2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的變換為例進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】坐標(biāo)系；大地坐標(biāo)系統(tǒng)；算法；轉(zhuǎn)換模型

【Abstract】In recent years， the development of economic construction， national defense construction and social sciences have put forward new requirements to the geodetic coordinate system. There are so many types of China's geodetic coordinate system， and in order to facilitate scientific research work， different coordinate systems often need to be converted to others. In this paper， the commonly used geodetic coordinate systems are introduced， and the coordinate system transformation under different algorithms and conversion models is carried out. Taking the traditional coordinate systems - 1954 Beijing coordinate system， 1980 Xi'an coordinate system converted to the latest CGCS2000 as an example to have a research.

【Key words】Coordinate system；Geodetic coordinate system；Algorithm；Transformation model

0 引言

在不同的測(cè)量環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合，為了描述不同地物點(diǎn)的空間位置及其幾何關(guān)系，通常需要建立不同坐標(biāo)系。在科學(xué)研究中，經(jīng)常面臨各種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，概括起來(lái)可以分為三類：（1）同一坐標(biāo)系統(tǒng)下不同坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換，如地心坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換；（2）同一類坐標(biāo)系統(tǒng)不同實(shí)現(xiàn)之間的轉(zhuǎn)換，如參心坐標(biāo)系下的1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；（3）不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，如參心坐標(biāo)系下的1980西安坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系下的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。

全國(guó)天文大地網(wǎng)整體平差以后，我國(guó)形成了三種坐標(biāo)系[1]：北京54坐標(biāo)系，西安80坐標(biāo)系以及后來(lái)的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，自2008年7月1日起我國(guó)啟用新的地心坐標(biāo)系——2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），要求2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測(cè)繪成果和建立的地理信息系統(tǒng)應(yīng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，并用10年時(shí)間，完成現(xiàn)有的各類基礎(chǔ)測(cè)繪成果和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的坐標(biāo)系向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的過(guò)渡和轉(zhuǎn)換[2]。大量數(shù)據(jù)整理工作涉及到坐標(biāo)系變換的問(wèn)題，不同的專家學(xué)者提出了不同的方法，甚至進(jìn)行了簡(jiǎn)單初步的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[3-5]。

本文簡(jiǎn)單介紹了我國(guó)常用大地坐標(biāo)系，給出了不同算法和轉(zhuǎn)換模型下的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法，并以傳統(tǒng)坐標(biāo)系——1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系以及最新2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行了研究。

1 坐標(biāo)系定義及分類

坐標(biāo)系是衡量地面點(diǎn)位置的一套數(shù)學(xué)和物理模型，其包括定義原點(diǎn)、坐標(biāo)軸指向、基本平面等。根據(jù)原點(diǎn)位置，可以分為參心坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系和站心坐標(biāo)系，本文研究涉及地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系。

1.1 地心坐標(biāo)系

地心坐標(biāo)系是以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，其橢球中心與地球中心重合，且橢球面與全球大地水準(zhǔn)面最為密合。通常，地心坐標(biāo)系分為兩類，即地心空間直角坐標(biāo)系和地心大地坐標(biāo)系。

地心空間直角坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)O與地心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向本初子午面與地球赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于XOZ面，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。地心大地坐標(biāo)系的定義為：地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合，大地緯度B為地面點(diǎn)橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為地面點(diǎn)子午面與本初子午面的夾角，大地高H為橢球法線上自橢球面至地面點(diǎn)的距離。

1.2 參心坐標(biāo)系

參心坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)位于參考橢球中心，Z軸與地球自轉(zhuǎn)軸平行，X軸位于參考橢球的赤道面，平行于天文起始子午面，Y軸垂直于XOZ平面，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。建立參心坐標(biāo)系統(tǒng)需要確定8個(gè)參數(shù)，其中2個(gè)參數(shù)用于確定參考橢球的大小和扁率，6個(gè)參數(shù)用于橢球的定位與定向，并在大地原點(diǎn)測(cè)定天文經(jīng)緯度，確定大地水準(zhǔn)面差距和垂線偏差。

參心坐標(biāo)系統(tǒng)分為兩類，即參心大地坐標(biāo)系和參心空間直角坐標(biāo)系。在參心大地坐標(biāo)系中，地面點(diǎn)的位置也用大地緯度B、大地經(jīng)度L和大地高H表示。

1.3 國(guó)家大地坐標(biāo)系

1.3.1 1954年北京坐標(biāo)系

20世紀(jì)50年代，在我國(guó)天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素，參考橢球a=6378245m，扁率α=1/298.3，并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過(guò)計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系，屬于參心坐標(biāo)系。

1.3.2 1980西安坐標(biāo)系

4 結(jié)語(yǔ)

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系提出啟用之后，既有測(cè)繪地理成果要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間序列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此，如何選擇一個(gè)較好的算法模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，減少誤差，高精度地解決問(wèn)題是需要不斷探索發(fā)現(xiàn)的。同時(shí)，基于不同直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的多種數(shù)據(jù)源應(yīng)用也成為一個(gè)趨勢(shì)，正確理解并掌握本研究算法模型，掌握我國(guó)大地坐標(biāo)系構(gòu)成，根據(jù)實(shí)際精度要求和現(xiàn)有條件解算，那么再?gòu)?fù)雜的問(wèn)題也能迎刃而解，再紛雜的數(shù)據(jù)也萬(wàn)變不離其宗！

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳士銀，孫文福.多種坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法的研制與精度分析[J].測(cè)繪科技通訊，1997（01）：20-24.

[2]程鵬飛，成英燕.2000國(guó)家大地坐標(biāo)系實(shí)用寶典[M].北京：測(cè)繪出版社.2008.

[3]高新國(guó).基于MLS的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法及實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子對(duì)抗，2015（03）：59-61+69.

[4]謝艷玲，夏正清.基于ArcGIS的1980西安坐標(biāo)系到2000國(guó)家坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014（12）：220-224.

[5]蔡習(xí)文，劉誼，王曉慶.大地測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].礦山測(cè)量，2009（03）：73-75.

[6]李朝陽(yáng)，邵國(guó)防.傳統(tǒng)坐標(biāo)系到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[J].中國(guó)西部科技，2011（10）：9-10.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]