廣州市蘿崗區(qū)“三規(guī)合一”中坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換的研究和實(shí)現(xiàn)

白航+李利番

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.046

摘 要：該文基于蘿崗區(qū)“三規(guī)合一”統(tǒng)一坐標(biāo)系研究項(xiàng)目，重點(diǎn)探討蘿崗區(qū)“三規(guī)合一”統(tǒng)一坐標(biāo)系的技術(shù)理論可行性，確定了CGCS2000坐標(biāo)系為蘿崗區(qū)統(tǒng)一坐標(biāo)系管理和發(fā)布的坐標(biāo)基準(zhǔn)，并研究確定了與廣州現(xiàn)有坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即特別注意考慮不同部門所屬點(diǎn)位之間的兼容性，采用分別計(jì)算、分別轉(zhuǎn)換的方法，建立兩類轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)高精度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作；另外，可建立統(tǒng)一的全區(qū)域總體轉(zhuǎn)換參數(shù)，解決不同區(qū)域參數(shù)轉(zhuǎn)換引起的差異問題。

關(guān)鍵詞：CGCS2000 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 統(tǒng)一坐標(biāo)系

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（b）-0046-03

坐標(biāo)系統(tǒng)是用來確定點(diǎn)的空間位置的參照系統(tǒng)，不僅是一切測(cè)繪工作的基礎(chǔ)，所有測(cè)量成果都是建立在其之上的，因此，對(duì)于城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)、城市管理、土地管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市應(yīng)急決策等工作舉足輕重。當(dāng)前各地仍在使用的坐標(biāo)系統(tǒng)有很多種，主要包括獨(dú)立坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、CGCS2000坐標(biāo)系等。如果坐標(biāo)系統(tǒng)選取不當(dāng)，或坐標(biāo)系統(tǒng)本身存在缺陷，由此而衍生的一切成果數(shù)據(jù)的精度和可靠性就無法得到保障。為此，坐標(biāo)統(tǒng)一不僅需解決原有已應(yīng)用坐標(biāo)系的控制網(wǎng)框架內(nèi)部的精度不高、精度不均勻等問題，也必須要解決原有各部門、系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換問題。該研究基于廣州市蘿崗區(qū)“三規(guī)合一”統(tǒng)一坐標(biāo)系工作需求，以選擇區(qū)域統(tǒng)一坐標(biāo)系管理和發(fā)布的坐標(biāo)基準(zhǔn)為主要目標(biāo)，開展先期實(shí)驗(yàn)及比較分析論證，探討區(qū)域統(tǒng)一坐標(biāo)系的技術(shù)理論及可行性，同時(shí)兼容獨(dú)立坐標(biāo)系和其他國(guó)家坐標(biāo)系，以滿足區(qū)域“三規(guī)合一”等實(shí)際應(yīng)用中的坐標(biāo)系統(tǒng)一的需求。

1 坐標(biāo)基準(zhǔn)

1.1 統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)的重要性

（1）不同部門對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的差異性選擇。在該文的研究實(shí)例中，國(guó)土部門使用的國(guó)土GPS控制網(wǎng)地方坐標(biāo)系，與規(guī)劃部門使用的獨(dú)立坐標(biāo)系存在系統(tǒng)偏差。（2）不同的坐標(biāo)系統(tǒng)由于采用不同的基準(zhǔn)及定位參數(shù)，從而使得不同坐標(biāo)系中的坐標(biāo)數(shù)值差距較大。若缺乏統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，一切都會(huì)變得混亂。因此，要消除坐標(biāo)系統(tǒng)不同對(duì)測(cè)繪成果的影響，必須在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下對(duì)測(cè)繪成果進(jìn)行管理，并計(jì)算精確的坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以保證對(duì)其他相關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)的兼容。

1.2 坐標(biāo)基準(zhǔn)的選取

坐標(biāo)基準(zhǔn)的選取原則就是要能夠較好地解決各坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差異，滿足實(shí)際工作中的具體應(yīng)用需求?？臻g技術(shù)的發(fā)展成熟與廣泛應(yīng)用迫切要求國(guó)家提供高精度、地心、動(dòng)態(tài)、實(shí)用、統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系作為各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)性保障。為此，我國(guó)建立了具有較高精度的最新最權(quán)威的CGCS2000坐標(biāo)系。

2 坐標(biāo)統(tǒng)一的技術(shù)流程

統(tǒng)一坐標(biāo)系研究工作的技術(shù)流程包括：點(diǎn)位普查和技術(shù)調(diào)研、坐標(biāo)系參考框架建立、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、精度分析等四個(gè)步驟。具體技術(shù)工作流程圖如圖1所示。

2.1 前期準(zhǔn)備

前期可行性研究主要包括了資料收集、點(diǎn)位普查和技術(shù)調(diào)研。具體工作內(nèi)容見圖1。

2.2 坐標(biāo)系參考框架建立

以CGCS2000坐標(biāo)系參考框架的建立為例，具體包括以下幾個(gè)步驟。

（1）點(diǎn)位聯(lián)測(cè)。對(duì)普查到的高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，求取其CGCS2000坐標(biāo)系成果并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；利用廣東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GDCORS）參考站，進(jìn)行控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，求取控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)系成果，利用GDCORS提供的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成果的外業(yè)檢測(cè)；利用普查到的GPS-C、D、E級(jí)網(wǎng)中的現(xiàn)有控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后成果開展外業(yè)檢測(cè)。（2）平差計(jì)算。GDCORS基準(zhǔn)站為起算基準(zhǔn)，進(jìn)行了框架網(wǎng)CGCS2000坐標(biāo)系下的平差計(jì)算。選取確定參與平差計(jì)算的控制點(diǎn)、環(huán)檢驗(yàn)的基線和GDCORS基準(zhǔn)站。（3）GPS控制點(diǎn)觀測(cè)。務(wù)必做好觀測(cè)前準(zhǔn)備，嚴(yán)格遵守觀測(cè)作業(yè)相關(guān)要求，GPS控制網(wǎng)觀測(cè)基本技術(shù)規(guī)定要符合相關(guān)網(wǎng)點(diǎn)要求。（4）數(shù)據(jù)處理。具體包括基線解算、GPS測(cè)量控制網(wǎng)的平差計(jì)算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算等。利用GDCORS基準(zhǔn)站在CGCS2000坐標(biāo)系與西安坐標(biāo)系、北京坐標(biāo)系、本地坐標(biāo)系成果的轉(zhuǎn)換關(guān)系，按坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換得到各點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的成果。

2.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有各類坐標(biāo)要分別建立與基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型。一般而言，空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換多采用三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)；平面坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換則視轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小，區(qū)域較小時(shí)可選用平面轉(zhuǎn)換四參數(shù)模型進(jìn)行，區(qū)域較大時(shí)可采用基于大地坐標(biāo)的二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)。

2.4 精度分析

CGCS2000坐標(biāo)框架的準(zhǔn)確性檢測(cè)可通過網(wǎng)絡(luò)RTK成果與平差計(jì)算的CGCS2000坐標(biāo)框架成果進(jìn)行比對(duì)分析獲得；轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算精度檢測(cè)可通過將網(wǎng)絡(luò)RTK的CGCS2000坐標(biāo)系成果利用已經(jīng)求得的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到西安坐標(biāo)系成果，與已知的成果進(jìn)行比對(duì)分析獲得。其中，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量少于20時(shí)，以誤差的算術(shù)平均值代替中誤差；大于20時(shí)，中誤差計(jì)算按下式執(zhí)行：

式中：M為成果中誤差；N為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；為較差。

較差按下式執(zhí)行：

；；

3 研究實(shí)例

該研究實(shí)例通過對(duì)蘿崗區(qū)及周邊已經(jīng)建立的國(guó)家、省、市級(jí)CGCS2000坐標(biāo)系框架控制網(wǎng)進(jìn)行調(diào)研，開展實(shí)驗(yàn)，在建立適應(yīng)于廣州市蘿崗區(qū)的高精度CGCS2000坐標(biāo)系參考框架的基礎(chǔ)上，通過對(duì)蘿崗區(qū)大地坐標(biāo)框架的準(zhǔn)確性檢測(cè)和轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算精度檢測(cè)，采用內(nèi)外業(yè)方法對(duì)三種坐標(biāo)系的控制點(diǎn)位和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度、可靠性和兼容性進(jìn)行了比對(duì)分析，論證了采用國(guó)家2000大地坐標(biāo)系統(tǒng)作為蘿崗區(qū)三規(guī)合一坐標(biāo)統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)的技術(shù)先進(jìn)性。具體內(nèi)容如以下幾點(diǎn)。

（1）點(diǎn)位普查。此次實(shí)驗(yàn)對(duì)蘿崗區(qū)及周邊已有控制點(diǎn)進(jìn)行了初步普查，普查情況為：69個(gè)GPS控制點(diǎn)，其中36個(gè)點(diǎn)已破壞，31個(gè)點(diǎn)完好且觀測(cè)條件良好，2個(gè)點(diǎn)完好但觀測(cè)條件已被遮擋。另外廣東省已有的2000大地坐標(biāo)系平差成果也是該研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)位聯(lián)測(cè)。在蘿崗區(qū)覆蓋范圍均勻選取了10個(gè)已有點(diǎn)位，按C級(jí)GPS網(wǎng)的要求與區(qū)域及周邊的GDCORS基準(zhǔn)站進(jìn)行了聯(lián)測(cè)。外業(yè)聯(lián)測(cè)時(shí)采用6臺(tái)GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，分兩個(gè)同步網(wǎng)進(jìn)行，兩個(gè)同步網(wǎng)重合點(diǎn)為2個(gè)。

（3）平差計(jì)算。GDCORS基準(zhǔn)站為起算基準(zhǔn)，進(jìn)行了框架網(wǎng)CGCS2000坐標(biāo)系下的平差計(jì)算。平差共計(jì)算控制點(diǎn)9個(gè)，采用通過環(huán)檢驗(yàn)的基線85條，使用到5個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站。計(jì)算時(shí)基線解算使用GAMIT軟件解算獲得，平差計(jì)算使用PowerNet軟件在三維坐標(biāo)系下進(jìn)行平差處理。

（4）基線解算。控制點(diǎn)與GDCORS基準(zhǔn)站之間聯(lián)測(cè)的基線采用GAMIT軟件，用網(wǎng)解的模式進(jìn)行基線解算，星歷采用快速精密星歷，各種模型采用GAMIT缺省要求；控制點(diǎn)之間基線解算可利用隨機(jī)軟件LGO的單基線解算模式。解算成果，應(yīng)采用雙差固定解；個(gè)別基線較長(zhǎng)時(shí)，可取浮點(diǎn)解。從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，GPS基線解算滿足要求。

（5）建立蘿崗區(qū)CGCS2000坐標(biāo)框架，精度為±1.5 cm。CGCS2000坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)成果，是以5個(gè)GDCORS基準(zhǔn)站作為起算點(diǎn)，進(jìn)行約束平差得到的。CGCS2000坐標(biāo)系的三維無約束平差其結(jié)果相對(duì)中誤差最弱邊為0.37 ppm，點(diǎn)位中誤差最大值為±0.52 cm。CGCS2000坐標(biāo)系的三維約束平差結(jié)果相對(duì)中誤差最弱邊為0.39 ppm，點(diǎn)位中誤差最大值為±0.50 cm。

（6）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。蘿崗區(qū)域范圍較小，CGCS2000坐標(biāo)系與西安坐標(biāo)系、廣州坐標(biāo)系可采用平面轉(zhuǎn)換四參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)。采用靜態(tài)聯(lián)測(cè)的9個(gè)控制點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)系平面坐標(biāo)成果分別與已知西安坐標(biāo)系、廣州坐標(biāo)系平面成果組成已知點(diǎn)對(duì)，進(jìn)行了已有坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系的計(jì)算。通過預(yù)處理消除國(guó)土和市規(guī)劃局廣州坐標(biāo)系不兼容粗差后，整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度為0.026 m。因此，在CGCS2000坐標(biāo)系到廣州坐標(biāo)系平面轉(zhuǎn)換時(shí)，采取分別轉(zhuǎn)換方式可保證較高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，并消除原有市國(guó)土坐標(biāo)系與市規(guī)劃局坐標(biāo)系之間的不兼容問題。

（7）精度分析。此次確定的CGCS2000坐標(biāo)框架精度高，點(diǎn)位中誤差最大值為±0.5 cm，外業(yè)網(wǎng)絡(luò)RTK檢測(cè)平面中誤差為±1.5 cm；確定了CGCS2000坐標(biāo)系與西安坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換參數(shù)精度為2.1 cm；確定了CGCS2000坐標(biāo)系與廣州坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換參數(shù)精度為2.6 cm，外業(yè)精度檢測(cè)2.4 cm。根據(jù)蘿崗區(qū)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用此方法進(jìn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系與廣州坐標(biāo)系統(tǒng)一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度為±0.024 m。這表明通過建立CGCS2000坐標(biāo)，采取分別轉(zhuǎn)換方式可保證較高的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。

4 結(jié)語(yǔ)

蘿崗區(qū)“三規(guī)合一”統(tǒng)一坐標(biāo)系技術(shù)研究結(jié)果表明：一方面，CGCS2000坐標(biāo)不僅具有顯而易見的科學(xué)性、先進(jìn)性和實(shí)用性，且其推廣使用具有明確的法律法規(guī)和政策依據(jù)。另一方面，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，CGCS2000坐標(biāo)框架建立精度可達(dá)±1.5 cm，轉(zhuǎn)換至西安坐標(biāo)系和廣州坐標(biāo)系的精度分別達(dá)±2.1 cm和±2.4 cm，是更精確的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和發(fā)布的坐標(biāo)基準(zhǔn)。因此，根據(jù)“三規(guī)合一”后續(xù)坐標(biāo)系統(tǒng)一和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作需求，建議以該文研究和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為基礎(chǔ)，加快進(jìn)行國(guó)家2000大地坐標(biāo)系的推廣研究和應(yīng)用，對(duì)建立CGCS2000坐標(biāo)系及進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法、技術(shù)路線和工作方案進(jìn)行深入論證，盡快將現(xiàn)有的參心坐標(biāo)系下成果轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)系中，推進(jìn)“三規(guī)合一”統(tǒng)一坐標(biāo)系工作的順利進(jìn)行。

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