福清市2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)踐和探索

黃宗露

（福州市勘測院有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

20世紀(jì)80年代初，我國通過天文大地網(wǎng)整體平差，建立了1980西安坐標(biāo)系[1]，它的表現(xiàn)形式為二維平面坐標(biāo)，是參心坐標(biāo)系。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的不斷發(fā)展，2000國家大地坐標(biāo)系應(yīng)運(yùn)而生。這是我國自主建立，是以全球參考基準(zhǔn)為背景的、全國統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)一致的坐標(biāo)系統(tǒng)，具有高精度、動(dòng)態(tài)、適應(yīng)現(xiàn)代化空間技術(shù)發(fā)展趨勢等特點(diǎn)。

福清市國土已有成果大多數(shù)采用1980西安坐標(biāo)系，與國家最新要求的2000國家大地坐標(biāo)系不統(tǒng)一。為了保證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，本文就福清市域范圍內(nèi)，對均勻分布的30個(gè)控制點(diǎn)采用GPS-C級(jí)進(jìn)行觀測，平差后的坐標(biāo)成果用于計(jì)算福清區(qū)域內(nèi)1980西安坐標(biāo)系與2000國家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并分析其轉(zhuǎn)換精度和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 作業(yè)實(shí)施

1.1 資料收集及分析

1.1.1 福州市GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng)（FZCORS）

福州市建設(shè)好的GNSS基準(zhǔn)站有7座，等級(jí)為GPS-A級(jí)，分別為福清站、江陰站、平潭站、永泰站、連江站、軟件園站、長樂站，構(gòu)成了福州市GNSS綜合服務(wù)系統(tǒng)，基本覆蓋了整個(gè)福州市。所有基站均確定了精確的2000國家大地坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、1954北京坐標(biāo)系、WGS-84坐標(biāo)系成果，該成果已通過驗(yàn)收。因此，F(xiàn)ZCORS可作為本項(xiàng)目GPS觀測點(diǎn)1980西安坐標(biāo)及2000國家大地坐標(biāo)的起算基準(zhǔn)。

1.1.2 控制點(diǎn)選取

控制點(diǎn)選取參照因素有2個(gè)：一是福清國土要求1.5個(gè)月左右的時(shí)間完成驗(yàn)收并出具成果，如果重新埋設(shè)點(diǎn)位，工期達(dá)不到業(yè)主的需求；二是利用GPS控制點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，GPS控制點(diǎn)需均勻分布，覆蓋整個(gè)測區(qū)，并保證GPS測量成果時(shí)效性（或現(xiàn)勢性）。

綜上考慮后，收集了福清市國土已有點(diǎn)位資料，其中C級(jí)GPS點(diǎn)有20個(gè)，D級(jí)GPS點(diǎn)有106個(gè)，E級(jí)GPS點(diǎn)326個(gè)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)網(wǎng)形設(shè)計(jì)和實(shí)地踏勘，選取均勻、穩(wěn)定分布的30個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行觀測。

1.1.3 其他資料

收集測區(qū)已有的地形圖、影像圖和政務(wù)電子地圖等資料，可以作為網(wǎng)形設(shè)計(jì)及點(diǎn)之記使用，也可以充分了解測區(qū)交通線路等情況。

1.2 技術(shù)路線

利用GPS技術(shù)，按照整體設(shè)計(jì)、統(tǒng)一布網(wǎng)的原則，建立和維持GPS控制網(wǎng)[2]，提供高精度的二維控制成果用于計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

1.3 外業(yè)施測及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 外業(yè)觀測

按照GPS-C級(jí)觀測要求，本次采用Trimble R4-3型GNSS接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)觀測，作業(yè)模式為靜態(tài)定位，與FZCORS站進(jìn)行聯(lián)測，連續(xù)觀測時(shí)間大于8小時(shí)。

1.3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)整理

（1）天線高的整理歸類：列出并仔細(xì)檢查天線高的信息，包括天線的類型、天線高值、天線高的量測方式等[3]。

（2）RINEX格式的轉(zhuǎn)換：外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用天寶GNSS接收機(jī)，為了方便數(shù)據(jù)處理，將接收機(jī)原始觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為RINEX格式[4]，用軟件將觀測數(shù)據(jù)并按時(shí)間拆分成2個(gè)時(shí)段。

（3）數(shù)據(jù)歸類：以時(shí)段號(hào)建立目錄，目錄名最好為六個(gè)字符，如YYDAYS，YY為年的后兩位，DAY為年積日，S為時(shí)段號(hào)[5]。將同一年積日不同測站的數(shù)據(jù)拷貝至該目錄下，每個(gè)測站包含2個(gè)文件，一個(gè)為觀測數(shù)據(jù)O文件，一個(gè)為觀測星歷N文件。

（4）下載所需要的FZCORS站數(shù)據(jù)。

1.3.3 GPS數(shù)據(jù)處理

基線解算采用軟件是Trimble Business Center 5.0，將外業(yè)觀測數(shù)據(jù)和FZCORS站數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，在基線解算完成后，根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，對各項(xiàng)精度指標(biāo)進(jìn)行評定，當(dāng)指標(biāo)都符合要求后才能進(jìn)行下一步工作。

平差采用的軟件是武漢大學(xué)編制的CosaGPS V5.21，對各觀測網(wǎng)的獨(dú)立基線向量及其全協(xié)方差矩陣進(jìn)行無約束平差和約束平差，得到30個(gè)觀測點(diǎn)位在1980西安坐標(biāo)系和2000國家大地坐標(biāo)系下的二維網(wǎng)平差成果，對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評定，并與點(diǎn)位已有的坐標(biāo)值進(jìn)行比對，保證平差結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取

1.4.1 轉(zhuǎn)換模型的選擇

目前通常使用的轉(zhuǎn)換模型有布爾沙模型、三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、三維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型等眾多轉(zhuǎn)換模型[6]，不同的轉(zhuǎn)換模型其轉(zhuǎn)換流程、適用范圍也不盡相同。本項(xiàng)目將采用二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 參數(shù)計(jì)算流程

1.4.2 重合點(diǎn)選取原則

選取具有1980西安坐標(biāo)系和2000國家大地坐標(biāo)系這兩種坐標(biāo)系的控制點(diǎn)作為重合點(diǎn)。重合點(diǎn)選取的基本原則是：等級(jí)高、精度高、分布均勻、覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域、局部變形小[7]。

1.4.3 本次計(jì)算參數(shù)的軟件

本次計(jì)算參數(shù)的軟件采用南方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理軟件。

1.4.4 計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

為了計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性，將30個(gè)重合點(diǎn)代入轉(zhuǎn)換模型，采用最小二乘法計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，用得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算重合點(diǎn)坐標(biāo)殘差，剔除殘差大于3倍點(diǎn)位中誤差的重合點(diǎn)，再以剩下的點(diǎn)重新計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到所有參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的點(diǎn)都滿足精度要求為止，然后利用未參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)作為外部檢核點(diǎn)進(jìn)行檢核，最終求得轉(zhuǎn)換參數(shù)[8]。本次項(xiàng)目最終從30個(gè)控制點(diǎn)選取22個(gè)重合點(diǎn)作為計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，另外8個(gè)點(diǎn)位作為外部檢核點(diǎn)。

1.5 轉(zhuǎn)換參數(shù)精度評定

1.5.1 內(nèi)符合精度

通過22個(gè)重合點(diǎn)參與四參數(shù)計(jì)算，內(nèi)符合精度見圖3。

圖3 內(nèi)符合精度圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，X方向最大殘差為0.879 mm，Y方向最大殘差為0.668 mm，X方向點(diǎn)位中誤差為±0.365 mm，Y方向點(diǎn)位中誤差為±0.331 mm，平面點(diǎn)位中誤差為±0.493 mm，殘差均小于3倍的點(diǎn)位中誤差，精度良好，符合轉(zhuǎn)換要求。

1.5.2 外符合精度

利用未參與計(jì)算的8個(gè)重合點(diǎn)參與轉(zhuǎn)換參數(shù)檢核，外符合精度見圖4。

圖4 外符合精度圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，檢核點(diǎn)X方向最大差值為0.384 mm，Y方向最大差值為-0.343 mm，X方向點(diǎn)位中誤差為±0.227 mm，Y方向點(diǎn)位中誤差為±0.239 mm，平面點(diǎn)位中誤差為±0.330 mm，精度良好，符合轉(zhuǎn)換要求。

2 作業(yè)中存在的問題及解決辦法

（1）該項(xiàng)目工期緊，從開始到結(jié)束，只有短短一個(gè)多月的時(shí)間，利用已有點(diǎn)位進(jìn)行踏勘、選點(diǎn)，從而保證工期順利進(jìn)行。

（2）部分點(diǎn)位位于山上，把點(diǎn)位導(dǎo)入奧維軟件中，方便尋找位置，順便把軌跡記錄下來，為后面靜態(tài)觀測找點(diǎn)做準(zhǔn)備。

（3）由于觀測較長時(shí)間，為了防止儀器出現(xiàn)故障，電池老化續(xù)航差等情況，項(xiàng)目組在觀測前將儀器進(jìn)行測試，并購買了外掛電池，確保儀器能連續(xù)記錄8小時(shí)以上GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)，再投入作業(yè)中。

（4）每天觀測點(diǎn)位多、覆蓋范圍廣，對觀測人員、車輛、儀器等安排需做嚴(yán)密的計(jì)劃，確保觀測人員在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)點(diǎn)位上。

（5）做好數(shù)據(jù)備份，生產(chǎn)管理中應(yīng)重視過程數(shù)據(jù)的保存、留底。由于項(xiàng)目作業(yè)人員多、作業(yè)范圍廣，可能發(fā)生各種造成數(shù)據(jù)丟失的突發(fā)情況。

（6）內(nèi)業(yè)處理過程中部分指標(biāo)容易超限，需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。項(xiàng)目組在解算過程中咨詢了開發(fā)軟件的老師，并查閱相關(guān)規(guī)范，保證解算的各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

（7）在求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，將所有的重合點(diǎn)導(dǎo)入軟件中，對于不符合精度和不夠均勻的點(diǎn)位進(jìn)行取舍，選取精度最好的一組重合點(diǎn)位參與計(jì)算參數(shù)。

（8）依據(jù)求取的參數(shù)，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與已有的資料進(jìn)行比對，進(jìn)一步分析其精度，直到滿足所有精度后才投入使用。

3 結(jié)束語

福清市2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目的實(shí)施既符合國家、福建省國土資源廳等相關(guān)政策要求，又符合福清市城市發(fā)展及業(yè)務(wù)實(shí)際需求[9]。從項(xiàng)目情況來看，依據(jù)最新觀測的GPS點(diǎn)求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，保證了現(xiàn)勢性和精度，達(dá)到了毫米級(jí)精度的轉(zhuǎn)換效果，能夠滿足實(shí)際工作的需求。該項(xiàng)目的順利進(jìn)行，可為同類工程的實(shí)施提供很好的思路和參考意義。