杭來(lái)灣井田坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換與總結(jié)

李治龍，張博龍，張 燚

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

1 概況

杭來(lái)灣井田的地理坐標(biāo)經(jīng)度介于東經(jīng)109°46′49″～109°56′27″，緯度介于北緯38°24′52″～38°32′08″。現(xiàn)有北京1954 坐標(biāo)系采用3°帶等角橫切橢圓柱投影方式，礦井302 盤區(qū)西北部為位于37°帶邊緣區(qū)域，距離中央子午線111°較遠(yuǎn)，如果采用北京1954 坐標(biāo)系統(tǒng)，將會(huì)產(chǎn)生非常大的長(zhǎng)度變形，如果不提前采取措施和規(guī)避方案，在礦井巷道開(kāi)拓和采煤工作面回采過(guò)程中將造成巨大損失。

陜西有色榆林煤業(yè)有限公司所屬的杭來(lái)灣井田目前圖紙、坐標(biāo)數(shù)據(jù)均采用北京1954 坐標(biāo)系，根據(jù)政府有關(guān)部門的要求，榆林市轄區(qū)內(nèi)所有在建、生產(chǎn)礦井提供的季度交換圖、礦界范圍等資料均使用CGS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)。今后，在采礦許可證換證、盤區(qū)開(kāi)拓設(shè)計(jì)、儲(chǔ)量核實(shí)等涉及到坐標(biāo)數(shù)據(jù)的資料，均要求采用CGS2000 坐標(biāo)系統(tǒng)。

鑒于以上原因，為保證礦井安全生產(chǎn)和盤區(qū)接續(xù)工作的有序推進(jìn)，開(kāi)展了杭來(lái)灣井田坐標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)和基本礦圖的轉(zhuǎn)換工作。

2 項(xiàng)目區(qū)域

陜西有色榆林煤業(yè)有限公司杭來(lái)灣煤礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能800 萬(wàn)t/a，采用斜井開(kāi)拓方式，地處距離榆林市東北部約24 km 處，井田東西走向長(zhǎng)度為12 km，南北傾向長(zhǎng)度7.7 km。煤層覆巖結(jié)構(gòu)自下而上分別為延安組砂巖、風(fēng)化基巖層、黃土層和松散砂層，地面為低緩的沙丘地形。主采3 號(hào)煤層，平均煤厚8.36 m，3 號(hào)煤層共分為4 個(gè)盤區(qū)，現(xiàn)采掘活動(dòng)涉及區(qū)域?yàn)橐?、二盤區(qū)，一盤區(qū)埋深約260 m，平均煤厚9.13 m，二盤區(qū)埋深約240 m，平均煤厚7.46 m，其它盤區(qū)均無(wú)采掘活動(dòng)。

3 坐標(biāo)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換方法

北京1954 坐標(biāo)系為參心大地坐標(biāo)系，以克拉索夫斯基橢球?yàn)槎ㄎ换A(chǔ)，經(jīng)局部平差后對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行定位，存在橢球參數(shù)誤差大、大地測(cè)量參考面不統(tǒng)一、定向不明確、坐標(biāo)換算誤差大等缺陷。

GCS2000 坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系應(yīng)用了現(xiàn)代空間技術(shù)，具有點(diǎn)位控制準(zhǔn)確度高、測(cè)繪坐標(biāo)換算簡(jiǎn)單準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高測(cè)繪精度和測(cè)繪工作效率。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法主要包括平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換法和布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。其中平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、操作方便，尤其是在較小區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換較為適用。杭來(lái)灣井田面積90.364 m2，采用平面四參數(shù)模型足夠滿足礦井生產(chǎn)活動(dòng)，只進(jìn)行礦井平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，高程系統(tǒng)依然采用原有黃海1956 高程基準(zhǔn)。

為保證轉(zhuǎn)換精度，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中選取多個(gè)重合點(diǎn)，采用COORD 軟件實(shí)現(xiàn)了杭來(lái)灣井田北京1954 坐標(biāo)與CGCS2000 批量互轉(zhuǎn)。

4 COORD 軟件及使用方法

COORD 是一款應(yīng)用廣泛的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，應(yīng)用操作簡(jiǎn)單、使用方便，適合地質(zhì)、水文、環(huán)境等行業(yè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。它通過(guò)轉(zhuǎn)換模型建立原坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是基于映射的函數(shù)模型，為實(shí)現(xiàn)模型的生成和坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，還需加入被選用的橢球物理參數(shù)和高斯三度帶投影參數(shù)。

COORD 軟件使用方法。新建項(xiàng)目，手動(dòng)輸入源坐標(biāo)橢球參數(shù)、中央子午線111°和確定坐標(biāo)系正北方向，然后將Y 坐標(biāo)向東偏移500 km，確立測(cè)繪坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)。之后選擇計(jì)算四參數(shù)，輸入重合點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)，點(diǎn)擊計(jì)算生成目標(biāo)模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

5 杭來(lái)灣井田坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)施步驟

5.1 重合點(diǎn)選擇

重合點(diǎn)的選取應(yīng)充分考慮其對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度的影響，必須顧及控制網(wǎng)局部系統(tǒng)性誤差或形變誤差、重合點(diǎn)數(shù)量以及網(wǎng)形結(jié)構(gòu)等因素。由于控制點(diǎn)布測(cè)時(shí)期不盡相同，地球板塊運(yùn)動(dòng)變化、自然條件變化或工程建設(shè)等原因會(huì)引起局部位移，如使用了含有局部變形的控制點(diǎn)作為重合點(diǎn)參與參數(shù)計(jì)算，會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度降低。

根據(jù)杭來(lái)灣煤礦實(shí)際情況，挑選GPS03、GPS08、GPS09、GPS14、GPS18、GPS25、GPS175共7 個(gè)控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換參數(shù)重合點(diǎn)，選取另外的10 個(gè)控制點(diǎn)作為計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)點(diǎn)，采用GPS 靜態(tài)施測(cè)首級(jí)控制網(wǎng)，使控制計(jì)算點(diǎn)同時(shí)具有北京1954 和CGCS2000 坐標(biāo)。

5.2 確定轉(zhuǎn)換模型和計(jì)算方法

選用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，并利用COORD 軟件作為輔助工具，分別輸入7 個(gè)重合點(diǎn)的北京1954 和CGCS2000 進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（如圖1所示），計(jì)算出杭來(lái)灣井田坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)。COORD 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件計(jì)算得出杭來(lái)灣井田坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)為：Dx=-93.398 396 m；Dy=-28.462 656 m；T=0.482 179 00″；K=1.000 012 239 036。

圖1 北京1954 和CGCS2000 進(jìn)行重合點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面Fig.1 Coincidence point coordinate transformation interface between Beijing 1954 coordinate and CGCS2000 coordinate

5.3 轉(zhuǎn)換參數(shù)精度評(píng)定

選取另外的10 個(gè)重合點(diǎn)作為計(jì)算結(jié)果校驗(yàn)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)的殘差中誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1，17 個(gè)重合點(diǎn)的殘差中誤差均符合要求。

表1 杭來(lái)灣井田坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度統(tǒng)計(jì)Table 1 Accuracy statistics of coordinate transformation in Hanglaiwan mine field

6 基本礦圖轉(zhuǎn)換

南方CASS 軟件是一款測(cè)繪工程專用制圖軟件，具有強(qiáng)大的圖形處理能力，利用該軟件對(duì)杭來(lái)灣煤礦8 種基本礦圖進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換。圖形轉(zhuǎn)換不同于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，基本礦圖是由不同圖層、不同要素組成的復(fù)雜面狀圖形，轉(zhuǎn)換過(guò)程中不僅要考慮坐標(biāo)的精度，還要考慮圖形結(jié)構(gòu)變形和方位角誤差等。

6.1 轉(zhuǎn)換過(guò)程

打開(kāi)南方CASS 軟件，選擇需要轉(zhuǎn)換的圖形（采掘工程平面圖），在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面依次輸入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換7 個(gè)重合點(diǎn)（GPS03、GPS08、GPS09、GPS14、GPS18、GPS25、GPS175），如圖2所示。點(diǎn)擊計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，生產(chǎn)4 個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。選擇轉(zhuǎn)換圖形對(duì)話框，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換按鈕，完成圖形轉(zhuǎn)換。

圖2 CASS 軟件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面Fig.2 Coordinate transformation interface of CASS software

6.2 精度分析

在此次四參數(shù)的求解過(guò)程中，為了確定轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用礦業(yè)權(quán)核查時(shí)的井田邊界4 個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行檢核，對(duì)礦井礦界拐點(diǎn)中的最長(zhǎng)邊用北京1954 與CGCS2000 坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得出長(zhǎng)度與方位角的差值。根據(jù)礦權(quán)邊界，選擇了12 個(gè)點(diǎn)6條邊，通過(guò)分析2 個(gè)坐標(biāo)系的方位角、平距差值，進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)分析。

（1） 計(jì)算邊長(zhǎng)均較長(zhǎng)，達(dá)到4 km 左右（為杭來(lái)灣煤礦30108 輔運(yùn)順槽、30201 輔運(yùn)順槽、中央膠運(yùn)大巷、副斜井井筒長(zhǎng)度），方位角精度統(tǒng)計(jì)和平距精度統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表2、表3。這些計(jì)算結(jié)果說(shuō)明方位角和長(zhǎng)度的差值極小，同一條邊在2 個(gè)坐標(biāo)系中，方位角最大相差0.5″，平距最大相差0.015 m。

表2 方位角精度統(tǒng)計(jì)Table 2 Accuracy statistics of azimuth

表3 平距精度統(tǒng)計(jì)Table 3 Accuracy statistics of horizontal distance

（2） 目前杭來(lái)灣煤礦采掘工程平面圖比例尺為1∶5 000，其他基本礦圖比例尺均為1∶10 000。坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換引起的各種比例尺圖中任意兩點(diǎn)的長(zhǎng)度（包括圖廓長(zhǎng)度） 和方位角變動(dòng)均在制圖精度允許范圍以內(nèi)，可忽略不計(jì)?？芍苯永棉D(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)原圖紙進(jìn)行轉(zhuǎn)換并直接使用。

（3） 此次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是不同橢球基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換，殘差值只能縮小，不能消除，此次轉(zhuǎn)換四參數(shù)殘差為0.010 729 333 129 107（1 cm），精度滿足礦區(qū)地面及井下使用。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，此次杭來(lái)灣井田坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖紙轉(zhuǎn)換的精度非常高，能夠滿足礦山測(cè)量的精度要求。通過(guò)本次轉(zhuǎn)換表明，重合點(diǎn)精度是影響著坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵，通過(guò)優(yōu)選重合點(diǎn)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)模型及COORD、南方CASS 軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井田坐標(biāo)系統(tǒng)和基本礦圖的高精度互轉(zhuǎn)。