韶關(guān)市區(qū)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換研究與應(yīng)用

龔甫浪 李永生 賴華榮 佘俊潮 徐尚昭

摘 要：韶關(guān)市不同地區(qū)之間、同一地區(qū)不同時(shí)期的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)體系互不相同，這一歷史遺留問題嚴(yán)重影響了韶關(guān)市國(guó)土資源的統(tǒng)一管理，制約了信息化工作的正常開展，同時(shí)也給社會(huì)各應(yīng)用部門帶來諸多不便。韶關(guān)市特開展現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作，為統(tǒng)籌全市地理信息資源，實(shí)現(xiàn)省、市、縣、區(qū)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 參數(shù) 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

中圖分類號(hào)：P22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）02（a）-0001-06

Abstract：Between the different areas of Shaoguan City， the basic surveying and mapping data in different periods of the same area of the coordinate system are different， the historical problem has seriously affected the unified management of land resources in Shaoguan City， restricted information work， but also bring a lot of inconvenience to the application of Shaoguan City show special open society. The data conversion results for the 2000 national geodetic coordinate system， geographic information resources， co-ordinate the city's implementation of province， city， county， district node interconnection， data sharing， provide data support data service publishing

Key Words： 2000 national geodetic coordinate system； Coordinate system transformation； Parameter； Data service release

由于歷史原因，目前韶關(guān)市不同地區(qū)之間、同一地區(qū)不同時(shí)期的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)體系互不相同，這一歷史遺留問題嚴(yán)重影響了韶關(guān)市國(guó)土資源的統(tǒng)一管理，制約了信息化工作的正常開展，同時(shí)也給社會(huì)各應(yīng)用部門帶來諸多不便。韶關(guān)市特開展現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作，切實(shí)貫徹落實(shí)國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系推廣使用工作的要求，為統(tǒng)籌全市地理信息資源，實(shí)現(xiàn)省、市、縣、區(qū)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)共享提供數(shù)據(jù)支持。

1 項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)國(guó)家、省、市相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合韶關(guān)市已有成果的實(shí)際情況，具體工作內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

（1）選擇市區(qū)20個(gè)GPS-C、GPS-D級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行重合點(diǎn)觀測(cè)及計(jì)算。

（2）韶關(guān)市區(qū)1980西安坐標(biāo)系至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型建立。

（3）180km21∶500基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（4）575km21∶2000影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（5）1∶500基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及影像地圖數(shù)據(jù)保密處理。

（6）18-20級(jí)矢量地圖數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及處理，導(dǎo)入國(guó)家天地圖及數(shù)字城市系統(tǒng)。

（7）18-20級(jí)影像地圖數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及處理，導(dǎo)入國(guó)家天地圖及數(shù)字城市系統(tǒng)。

（8）地名地址數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及處理，導(dǎo)入國(guó)家天地圖及數(shù)字城市系統(tǒng)。

（9）地理實(shí)體數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及處理，導(dǎo)入國(guó)家天地圖及數(shù)字城市系統(tǒng)。

（10）對(duì)現(xiàn)有的40個(gè)GPS-D級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行1980西安坐標(biāo)系至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

2 技術(shù)路線

在我市已有1980西安坐標(biāo)系控制點(diǎn)數(shù)據(jù)成果的基礎(chǔ)上，采購(gòu)覆蓋作業(yè)范圍的控制點(diǎn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)成果，并利用GPS靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)求取剩余已有控制點(diǎn)的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果。均勻選取覆蓋作業(yè)范圍的控制點(diǎn)作為求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的同名點(diǎn)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具求出1980西安坐標(biāo)系至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行檢核。

利用求取的轉(zhuǎn)換參數(shù)將市區(qū)其他已有控制點(diǎn)成果、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、1∶2000影像圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)及地理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換完畢的所有數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理、建庫及重新發(fā)布。技術(shù)流程如圖1所示。

3 轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算模型確定

根據(jù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局下發(fā)的《2000國(guó)家大地坐標(biāo)系推廣使用技術(shù)指南》，可用于進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的模型主要包括：不同空間直角大地坐標(biāo)系間的變換模型、三維七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、三維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、多項(xiàng)式擬合模型。經(jīng)分析適合本項(xiàng)目使用的轉(zhuǎn)換模型為二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，其轉(zhuǎn)換模型如下。

轉(zhuǎn)換公式為：

式（1）中，，為原坐標(biāo)系下平面直角坐標(biāo)，m；，為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，m；，為為平移參數(shù)，m；為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，rad；m為尺度參數(shù)，無量綱。

4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求取

4.1 1980西安坐標(biāo)系

80坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)；橢球短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面；X軸在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度O方向；Y軸與Z、X軸成右手坐標(biāo)系；

橢球參數(shù)采用IUGG1975年大會(huì)推薦的參數(shù)如下：

長(zhǎng)半軸a=6378140±5（m）；

短半軸b=6356755.2882（m）；

扁率α=1/298.257；

第一偏心率平方=0.00669438499959；

第二偏心率平方=0.00673950181947。

多點(diǎn)定位：橢球定位時(shí)按我國(guó)范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。

大地高程以1956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水面為基準(zhǔn)。

4.2 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心；2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的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(guó)際時(shí)間局給定的歷元為1984.0作為初始指向來推算，定向的時(shí)間演化保證相對(duì)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。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的尺度為在引力相對(duì)論意義下的局部地球框架下的尺度。

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)數(shù)值為：

長(zhǎng)半軸=6378137m；

扁率=1/298.257222101；

地心引力常數(shù)GM=3.986004418×1014（m3/s2）；

自轉(zhuǎn)角速度=7.292l15×10-5（rad/s）。

5 參數(shù)求取

5.1 重合點(diǎn)選擇

重合點(diǎn)的獲取一方面是通過實(shí)測(cè)獲取，另一方面是通過收集獲取。重合點(diǎn)選取原則是：盡量選取足夠的高等級(jí)、高精度且分布均勻的點(diǎn)作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的重合點(diǎn)。采用二維轉(zhuǎn)換模式至少選取2個(gè)以上的重合點(diǎn)，采用三維轉(zhuǎn)換模式至少選取3個(gè)以上的重合點(diǎn)，重合點(diǎn)及檢查點(diǎn)的分布要覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域且盡量分布均勻?？紤]到韶關(guān)市的作業(yè)區(qū)范圍及已有控制點(diǎn)分布情況，選擇20個(gè)控制點(diǎn)作為重合點(diǎn)。

5.2 重合點(diǎn)分析

在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，應(yīng)對(duì)參與求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析、篩選、試算，剔除局部變形點(diǎn)（粗差點(diǎn)），采用不含粗差的，分布均勻的，能包圍轉(zhuǎn)換區(qū)域的一定密度的重合點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

5.3 計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)

（1）選擇計(jì)算四參數(shù)或七參數(shù)，可以選用最小二乘或抗差估計(jì)算法。

（2）選擇最小二乘或抗差估計(jì)計(jì)算四參數(shù)讀入源坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)，得到從西安80到CGCS2000的轉(zhuǎn)換四參數(shù)或七參數(shù)。

（3）四參數(shù)計(jì)算（使用全坐標(biāo)，含帶號(hào)）。

6 數(shù)據(jù)成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

6.1 控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

獲取轉(zhuǎn)換參數(shù)后，對(duì)測(cè)區(qū)其他控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

6.2 控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)施步驟

（1）收集、整理轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)重合點(diǎn)成果。

（2）分析、選取用于計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)。

（3）確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。

（4）兩坐標(biāo)系下重合點(diǎn)坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換。若采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，則要將重合點(diǎn)的兩坐標(biāo)系坐標(biāo)換算同一投影帶的高斯平面坐標(biāo)。

（5）據(jù)確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型利用最小二乘法初步計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（6）分析重合點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差，根據(jù)轉(zhuǎn)換殘差剔除粗差點(diǎn)。一般的若殘差大于3倍殘差中誤差則認(rèn)為是粗差予以剔除，然后重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到滿足一定的精度要求為止。

（7）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差滿足精度要求（合格）時(shí)，計(jì)算最終的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)并估計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度。

（8）根據(jù)計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)，按下列步驟轉(zhuǎn)換待轉(zhuǎn)換點(diǎn)的目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)。

7 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布及應(yīng)用情況

7.1 布數(shù)據(jù)組織

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范，電子地圖發(fā)布數(shù)據(jù)應(yīng)具備以下標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）坐標(biāo)系統(tǒng)：2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）。

（2）瓦片大?。旱貓D瓦片分塊大小為256×256像素。

（3）瓦片格式：地圖瓦片數(shù)據(jù)采用PNG或JPG格式。

（4）瓦片組織：瓦片組織如圖3所示。

（5）金字塔方案：金字塔方案如表2所示。

數(shù)據(jù)建庫：地圖發(fā)布數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可基于標(biāo)準(zhǔn)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范的本地瓦片數(shù)據(jù)文件，同時(shí)也可存儲(chǔ)于Oracle數(shù)據(jù)庫中，利用地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在線地理信息服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)發(fā)布。

7.2 瓦片地圖數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

瓦片地圖數(shù)據(jù)將通過地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在線服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)（例如GeoOnline Server）發(fā)布為在線地理信息服務(wù)，服務(wù)類型要求符合OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的WMTS服務(wù)，將用于珠三角省、市、縣三級(jí)服務(wù)互聯(lián)互通。滿足省級(jí)平臺(tái)對(duì)韶關(guān)市級(jí)節(jié)點(diǎn)服務(wù)信息收割。發(fā)布的地理信息服務(wù)將可直接在韶關(guān)市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)或天地圖門戶網(wǎng)站進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)與展現(xiàn)。

18-20級(jí)矢量地圖瓦片數(shù)據(jù)和18-20級(jí)影像瓦片地圖數(shù)據(jù)均屬于瓦片地圖數(shù)據(jù)，分別發(fā)布成WMTS服務(wù)。

WMTS是切片地圖Web服務(wù)（OpenGIS Web Map Tile Service），兼容OGC WMTS1.0.0和1.1.0標(biāo)準(zhǔn)；具備OGC標(biāo)準(zhǔn)WMTS服務(wù)的接口要求。

數(shù)據(jù)及服務(wù)類型、版本等信息如表3所示。

7.3 地名地址數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

地名地址數(shù)據(jù)可通過地理信息公共服務(wù)平臺(tái)在線服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)（例如GeoOnline Server）發(fā)布為在線地理信息服務(wù)，服務(wù)類型要求符合OGC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的WFS-G服務(wù)，將用于省、市、縣三級(jí)服務(wù)互聯(lián)互通。滿足省級(jí)平臺(tái)對(duì)韶關(guān)市級(jí)節(jié)點(diǎn)服務(wù)信息收割。發(fā)布的地理信息服務(wù)將可直接在韶關(guān)市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)或天地圖門戶網(wǎng)站進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)與展現(xiàn)。

WFS-G是地名地址要素服務(wù)（Web Feature Gazetteer Services簡(jiǎn)稱WFS-G）。遵循OGC的WFS1.0.0規(guī)范。主要是提供地名、地址數(shù)據(jù)的查詢、檢索功能。

數(shù)據(jù)及服務(wù)類型、版本等信息如表4所示。

7.4 地理實(shí)體數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布

地理實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)布成WFS服務(wù)或者WMS服務(wù)。

WFS是Web 要素服務(wù)（Web Feature Services簡(jiǎn)稱WFS）。WFS對(duì)應(yīng)于程序中的條件查詢功能，支持基于空間幾何關(guān)系的查詢，基于屬性域的查詢，也包括基于空間關(guān)系和屬性域的共同查詢。這個(gè)規(guī)范定義了3個(gè)操作：GetCapabilities返回服務(wù)級(jí)元數(shù)據(jù)；DescribeFeatureType返回要素結(jié)構(gòu)，以便客戶端進(jìn)行查詢和其他操作；GetFeature可根據(jù)查詢要求返回一個(gè)符合GML規(guī)范的數(shù)據(jù)文檔。

WMS是Web地圖服務(wù)（Web Map Service簡(jiǎn)稱WMS）。WMS利用具有地理空間位置信息的數(shù)據(jù)制作地圖。這個(gè)規(guī)范定義了3個(gè)操作：GetCapabitities返回服務(wù)級(jí)元數(shù)據(jù)；它是對(duì)服務(wù)信息內(nèi)容和要求參數(shù)的一種描述； GetMap返回一個(gè)地圖影像，其地理空間參考和大小參數(shù)是明確定義了的；GetFeatureInfo（可選）返回顯示在地圖上的某些特殊要素的信息。

數(shù)據(jù)及服務(wù)類型、版本等信息如表5所示。

8 工作展望

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系推廣工作已經(jīng)由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，決定我國(guó)自2008年7月1日起啟用，并確定8～10年過渡期，將已有測(cè)繪成果逐步轉(zhuǎn)換至CGCS2000。今年2月份，國(guó)家測(cè)繪地理信息局再次印發(fā)《關(guān)于加快2000國(guó)家大地坐標(biāo)系推廣使用的通知》（國(guó)測(cè)國(guó)發(fā)[2013]11號(hào)），要求到2016年，完成現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系向CGCS2000的過渡。依據(jù)這些文件精神，本項(xiàng)目開展了《韶關(guān)市區(qū)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換項(xiàng)目》工作，但由于各方面原因，還存在一些相關(guān)問題在今后的時(shí)間里有待進(jìn)一步解決。如數(shù)據(jù)體系有待進(jìn)一步完善，數(shù)據(jù)覆蓋率有待進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)需要持續(xù)進(jìn)行更新。

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