淺談2000國家大地坐標系轉換方法

曹東方

（蘭考縣國土資源局，河南 蘭考 475300）

1 2000國家大地坐標系概述

2000國家大地坐標系（CGCS2000）是以包括海洋和大氣的整個地球的質量中心為原點建立的三維地心大地坐標系，通常分為地心空間直角坐標系(以X、Y、Z為其坐標元素)和地心大地坐標系(以B、L、H為其坐標元素)。其Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，與地球旋轉軸重合,向北為正；X軸與首子午面和赤道面的交線重合,向東為正；Y軸與XZ平面垂直，與Z軸、X軸構成右手正交坐標系[1]。

CGCS2000的坐標框架由三個層次框架點組成。第一層次：國家級連續(xù)運行參考站，28個點，CGCS2000基本骨架，精度mm級。第二層次：2000國家GPS大地控制網，2500多個點，精度cm級。第三層次：國家高精度大地控制網（全國天文大地網），約5萬個點，精度dm級。

CGCS2000有以下特征：（1）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，能與國際接軌。（2）具有更高的精度。（3）有利于對空間物體的位置描述和表達，因為它是一個三維、動態(tài)的大地測量基準。（4）CGCS2000是一個地心坐標系。

2 地方獨立坐標系的建立

在城市測量和工程測量中，如果控制網直接建立在國家坐標系中，有時地面長度的投影變形會很大，難以滿足實際需要。為此，有必要建立一個本地獨立坐標系，減少投影變形和高程歸一化引起的主要誤差。在傳統(tǒng)測量中，這個局部獨立坐標系通常只是高斯平面坐標系，也可以說是不同于國家坐標系的參考中心坐標系。使用本地獨立坐標系可以將精度控制在合理范圍，不會因為精度達不到要求而影響項目建設。

3 存量數(shù)據(jù)向CGCS2000轉換的技術方法

3.1 轉換的工作步驟

①確定坐標轉換的數(shù)據(jù)內容、比例尺、類型、格式 ；②進行區(qū)域內不同比例尺的轉換參數(shù)、改正量計算；③利用轉換參數(shù)或改正量開發(fā)轉換工具；④按照類型整理數(shù)據(jù)；⑤坐標轉換；⑥進行轉換精度與質量檢查。

3.2 轉換的主要方法

3.2.1 坐標轉換參數(shù)計算

根據(jù)不同比例尺和轉換區(qū)域選擇轉換模型，基本轉換模型包括布爾沙模型、三維七參數(shù)轉換模型、二維七參數(shù)轉換模型、二維四參數(shù)轉換模型及多項式擬合模型等，選取兩個坐標系下重合點（可選用CGCS2000國家大地控制網點、國家大地測量控制點）計算模型轉換參數(shù)，根據(jù)模型殘差進行精度評估和檢核[2]。

3.2.2 改正量計算

根據(jù)不同的比例尺，按照不同的分區(qū)，計算各分區(qū)的轉換參數(shù)，并利用確定的轉換方法與轉換模型分別計算一定比例尺下格網點兩種坐標系下對應點的差。

3.2.3 坐標點轉換

根據(jù)確定的轉換模型和解算出的轉換參數(shù)，計算該點轉換后的值?；蚋鶕?jù)該點對應區(qū)域四個角點的改正量，通過插值法計算該點的改正量，相加后得出轉換后的值。

3.2.4 圖形數(shù)據(jù)坐標轉換

讀出圖形要素的點位坐標，按照坐標點轉換方法一一轉換完成后，再寫回原圖形要素?；蛘卟捎梅弦蟮囊阎c進行配準的方法進行轉換。

3.3 各種比例尺數(shù)據(jù)的轉換

以河南為例，需轉換的存量國土資源空間數(shù)據(jù)包括基礎地理數(shù)據(jù)、土地調查成果、土地資源管理成果、礦產地質數(shù)據(jù)等，涵蓋遙感影像、土地利用現(xiàn)狀、耕地后備資源、土地利用總體規(guī)劃、礦產資源總體規(guī)劃、土地整治規(guī)劃、農用地分等、基本農田，土地資源批、供、用、補，礦產資源勘查、開發(fā)，基礎地質、區(qū)域地質、地球物理、地球化學等。數(shù)據(jù)的類型有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等，組織形式有管理單元和空間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分為省級、省轄市級、市本級、縣（市、區(qū)）級等。

3.3.1 坐標轉換的原則

（1）部、省、市、縣四級備份相同的數(shù)據(jù)：對于國土資源部實施轉換的涉及河南省的數(shù)據(jù)，由省國土資源廳統(tǒng)一申領、分發(fā)、存儲和使用；對于省國土資源廳實施轉換的涉及地市的數(shù)據(jù)，由省轄市、省直管縣（市）國土資源主管部門統(tǒng)一申領、分發(fā)、存儲和使用。上一級轉換的相同的數(shù)據(jù)，本級不重復轉換。

（2）轉換前后成果的格式、比例尺或分辨率、內部的拓撲關系、屬性結構和屬性值保持不變，要素不丟漏。

（3）分幅數(shù)據(jù)轉換后重新生成方里格網，修改圖廓點及方里格網標注坐標，不進行數(shù)據(jù)內容的重新分幅裁切和整飾處理。

（4）數(shù)據(jù)轉換后應同步開展質量檢查，并按照不同的比例尺類別統(tǒng)計轉換精度。

3.3.2 坐標轉換的要求

（1）1∶5萬及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶5萬比例尺圖幅改正量，點位坐標按雙線性內插方法逐點轉換。1∶1萬以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶1萬比例尺圖幅改正量，點位坐標按雙線性內插方法逐點轉換。1∶5000及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國高精度高分辨率格網（3″×3″）改正量，點位坐標按雙線性內插方法逐點轉換[3]。

（2）1∶5000及以大比例尺數(shù)據(jù)，轉換前應選取數(shù)據(jù)對應的起算控制點進行分析、開展普查和聯(lián)測，統(tǒng)一轉換至河南省衛(wèi)星導航定位基準站網2000國家大地坐標系框架下。利用起算控制點分析或聯(lián)測平差結果，按照點位坐標的轉換方法計算轉換參數(shù)，開展數(shù)據(jù)轉換。

（3）1954北京坐標系下的數(shù)據(jù)轉換步驟為：計算1954北京坐標系向1980西安坐標系轉換改正數(shù)；計算1980西安坐標系向2000國家大地坐標系轉換改正數(shù)；將兩改正數(shù)疊加形成1954北京坐標系向2000國家大地坐標系轉換改正數(shù)。

（4）采用系列比例尺圖幅改正量或格網改正量完成轉換成果，將河南省衛(wèi)星導航定位基準站點、分析轉換或聯(lián)測平差后的數(shù)據(jù)起算控制點作為檢核點進行精度評估與檢核；采用點位坐標轉換法完成轉換成果，利用參數(shù)計算時多余的控制點進行精度評估與檢核。轉換區(qū)域應選定至少6個均勻分布的重合點對精度進行檢核。

4 轉換方法

第一種方法是利用公共點求解兩套坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù)實現(xiàn)轉換。當建立與2000國家大地坐標系相聯(lián)系的相對獨立的平面坐標系時，坐標轉換模型應適用于地方控制點的轉換和城市數(shù)字地圖的轉換，通常采用平面四參數(shù)轉換模型，當有許多重合點時，采用多元回歸模型。當相對獨立的平面坐標系和數(shù)字地圖的控制點都是三維地心坐標時，采用BLASA七參數(shù)轉換模型。坐標轉換的誤差應小于0.05米[4]。重合點應選擇本地控制網的起點和高精度控制點以及周邊國家的高精度控制點，大中型城市至少選擇5個重合點，重合點應均勻分布。

第二種是通過與具有2000國家大地坐標系的高等級點聯(lián)測實現(xiàn)對低等級GPS網進行約束平差實現(xiàn)轉換。當GPS控制網周圍有足夠的2000國家大地坐標系控制點時，以高水平控制點為約束條件，將低水平GPS網與高水平點連接或使用原始聯(lián)合測量數(shù)據(jù)，在WGS-84橢球下進行三維約束調整，結果屬于2000國家大地坐標系。如果聯(lián)測GPS網絡和周圍具有2000國家大地坐標系的高等級點，數(shù)據(jù)會被移交并保存為原始觀測數(shù)據(jù)。

5 結束語

上述方法可實現(xiàn)從系列標度庫存數(shù)據(jù)的原始坐標系到CGCS2000的轉換，空間信息成果坐標系和大地基準統(tǒng)一，推動空間規(guī)劃體系建設與監(jiān)督實施、自然資源開發(fā)利用與保護監(jiān)管，促進CGCS2000在城建、規(guī)劃、房產、農業(yè)、水利等領域的推廣，推進部門間的信息共享，為一帶一路、新型城鎮(zhèn)化與信息化建設、鄉(xiāng)村振興等重大戰(zhàn)略實施提供保障。