基于CGCS2000 的蘇州平面坐標(biāo)系建立

徐益峰，張 蒙

（1.蘇州市測繪院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215000）

根據(jù)國務(wù)院關(guān)于推廣使用2000 國家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）的有關(guān)要求，自然資源部《關(guān)于加快使用2000 國家大地坐標(biāo)系的通知》(國土資發(fā)[2017]30號)明確：2018年7月1日起，將全面使用2000國家大地坐標(biāo)系。CGCS2000 的全面使用適應(yīng)國家經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、社會發(fā)展和生態(tài)保護的新需要。

鑒于歷史和技術(shù)等原因，蘇州市及下轄區(qū)（市）各自建立了相對獨立的城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)。這些城市平面坐標(biāo)系下生產(chǎn)的地理空間數(shù)據(jù)，對全市統(tǒng)一的使用管理、共享交換帶來不便。另外，這些坐標(biāo)系均基于克拉索夫斯基橢球，不滿足當(dāng)前國家要求。因此，研究并建立了CGCS2000 橢球框架下，既滿足地方需求、又能夠符合國家要求的，蘇州全市統(tǒng)一的相對獨立平面坐標(biāo)系統(tǒng)（蘇州2000 坐標(biāo)系），具有十分重要的意義。2020 年6 月15 日，經(jīng)自然資源部批準，蘇州2000 坐標(biāo)系為蘇州市唯一合法的相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)；同年7 月17 日，蘇州市人民政府發(fā)布公告，自2020年8月1日起啟用蘇州2000坐標(biāo)系。

城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)的定義包括了參考橢球、中央子午線、投影面高程的選擇，以及坐標(biāo)系原點與定向的確定；在進行選擇和確定時，以綜合長度變形值不大于限差2.5 cm/km 為原則，并根據(jù)城市地理位置和平均高程確定[1,2]。國內(nèi)部分城市可直接采用CGCS2000（國家標(biāo)準3°帶高斯投影），如常州市[3]；然而，大多數(shù)城市需要在CGCS2000 橢球框架下對城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)進行重新定義，一般以中央子午線和投影面高程的選取為主要研究內(nèi)容[4-11]。

1 坐標(biāo)系適宜性分析

1.1 CGCS2000的適宜性分析

蘇州市位于119°55′～121°20′E之間，采用CGCS2000 高斯-克呂格投影，屬于3°分帶的第40 帶，其中央子午線為120°E。經(jīng)分析，CGCS2000（120°E高斯投影）綜合投影變形值最大為14.1 cm/km，有87.5%的區(qū)域投影變形均不滿足要求。從分析結(jié)果可知，直接采用CGCS2000（120°高斯投影）不能滿足蘇州市的使用要求。

1.2 蘇州獨立坐標(biāo)系的適宜性分析

建于上世紀80年代的蘇州市獨立坐標(biāo)系是當(dāng)前蘇州市使用最廣泛、覆蓋范圍最大的平面坐標(biāo)系。其投影面（克拉索夫斯基橢球面）比蘇州城市平均高程面低65 m左右，導(dǎo)致綜合長度變形存在約1.0 cm/km 的系統(tǒng)誤差，且從蘇州全市域范圍來看中央子午線（120°35′E）略偏西，引起蘇州全市域（特別是昆山東部和太倉）的綜合投影變形總體偏大。具體統(tǒng)計詳見表1。

表1 蘇州獨立坐標(biāo)系綜合長度變形區(qū)間統(tǒng)計

通過對蘇州獨立坐標(biāo)系的綜合投影變形分析可知：蘇州全市域范圍內(nèi)存在顯著性的投影變形（大于0.5 cm/km 的地區(qū)占79.3%），不能滿足蘇州市的使用要求，需要采用任意帶投影坐標(biāo)系方案研究建立CGCS2000橢球框架下的相對獨立平面坐標(biāo)系統(tǒng)。

2 蘇州2000坐標(biāo)系確定及應(yīng)用

2.1 蘇州2000坐標(biāo)系定義的確定

蘇州市陸地經(jīng)度范圍西起120°11′～121°20′E，以平原為主，大部分區(qū)域的高程介于3.0～5.0 m。因此，選取中心區(qū)域（120°45′～120°48′E）范圍內(nèi)的子午線為中央子午線較最佳選擇。

通過平均高程法初選、格網(wǎng)占比法優(yōu)選、離散點占比法補充分析的綜合比選方式[12]，結(jié)合蘇州地形地貌特征和高程分布情況，對全市陸域綜合長度變形進行統(tǒng)計分析，確定了中央子午線及投影面的最佳選取。

1）平均高程法初選。在5種方案下選取合理的中央子午線及投影面參數(shù)（詳見表2），并采用蘇州市平均大地高12.5 m 進行全市陸域綜合長度變形概算統(tǒng)計。經(jīng)初步分析：當(dāng)選取中央子午線120°47'E，120°48'30"E（步長30″）的任意帶坐標(biāo)系方案時，超限區(qū)域占總比最小（約3%左右，分布于山區(qū)及沿江灘涂）。該方案是保重點大范圍、兼顧邊緣小區(qū)域的方案。同時，選擇參考橢球面為投影面能夠較好的與CGCS2000無縫銜接。

表2 中央子午線及投影面參數(shù)選取

2）格網(wǎng)占比法優(yōu)選。利用蘇州市DEM 和似大地水準面精化模型獲取陸域250 m 方格網(wǎng)平均大地高后，計算在（1）中確認方案下各格網(wǎng)綜合長度變形并匯總統(tǒng)計。經(jīng)分析：當(dāng)選擇中央子午線為120°46'30"E、120°47'E、120°47'30"E時，超限區(qū)域占總比最?。ǚ謩e為0.68%、0.66%、0.64%），可視為較優(yōu)方案，作為后續(xù)離散點占比法的分析方案。

3）離散點占比法補充分析。選擇蘇州市的91個鎮(zhèn)（街道）駐地為分析的點位，計算在（2）中確認方案下的各點位綜合長度變形（均小于限差）并比較分析，確定中央子午線為120°46'30"E、120°47'E的方案為較優(yōu)方案，將作為確定最優(yōu)方案的分析方案。

4）綜合分析。結(jié)合有效抵償?shù)貛д急?、超限點位、超限區(qū)域地理位置分布等進行分析，確定了以中央子午線為120°47'E 的任意帶坐標(biāo)系方案為最優(yōu)方案。

最終，確定了蘇州2000坐標(biāo)系定義：參考橢球為CGCS2000 坐標(biāo)橢球，中央子午線為120°47′E，投影面為CGCS2000參考橢球面。

根據(jù)蘇州2000 坐標(biāo)系的定義，除少量局部地區(qū)（西山島部分山區(qū)、太倉沿江灘涂）外，蘇州市絕大多數(shù)地區(qū)（99.3%）投影變形均滿足城市平面坐標(biāo)系統(tǒng)綜合變形值不大于2.5 cm/km 的要求。具體統(tǒng)計詳見表3。

表3 蘇州2000坐標(biāo)系綜合長度變形區(qū)間統(tǒng)計

與蘇州獨立坐標(biāo)系相比，蘇州2000坐標(biāo)系的綜合投影變形得到了明顯的優(yōu)化，大于0.5 cm/km 的區(qū)域由79.3%降低到了30.3%，大于2.5 cm/km 的區(qū)域由4.3%降低到了0.7%。

2.2 與CGCS2000聯(lián)系的建立

1）通過省、市、區(qū)（市）三級逐步擴展加密的方式將CGCS2000 引入蘇州市。以JSCORS 作為基準，通過均勻分布于蘇州及周邊區(qū)域分布均勻的JSCORS基準站點與蘇州市空間定位信息服務(wù)系統(tǒng)(SZGNSS-CORS)基準站點聯(lián)測的方式將CGCS2000 引入蘇州，進一步通過大市范圍內(nèi)B 級GNSS 控制網(wǎng)的拓展以及各區(qū)（市）C 級GNSS 控制網(wǎng)的加密，形成“框架網(wǎng)-基本網(wǎng)-加密網(wǎng)”分級分類的、覆蓋蘇州市全市域的空間框架，如圖1所示。

圖1 引入CGCS2000方式

2）通過控制點聯(lián)測、轉(zhuǎn)換模型選取、平臺研發(fā)等實現(xiàn)了現(xiàn)有坐標(biāo)系與CGCS2000 的聯(lián)系，并提供了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程

圖2中：①聯(lián)測蘇州市和各區(qū)（市）40余個控制點并完成數(shù)據(jù)處理及平差計算，通過分析不同類型地理空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)，選取了四參數(shù)、平面七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型并求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，建立了蘇州獨立坐標(biāo)系等7 套坐標(biāo)系與CGCS2000（及蘇州2000 坐標(biāo)系）48 種轉(zhuǎn)換關(guān)系的聯(lián)系。②在此基礎(chǔ)上，基于ObjectArx、ArcEngine等二次開發(fā)包，研發(fā)了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺，實現(xiàn)了點（云）、矢量、柵格等20 余種格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該平臺通過了國檢中心的功能、精度和性能測試。同時，采用“一機一碼、軟硬結(jié)合”的方式對轉(zhuǎn)換參數(shù)、程序文件進行了保密處理。③進一步編制了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)要求，明確了技術(shù)流程，統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準，確保轉(zhuǎn)換成果精確可靠。

目前，已完成了蘇州市本級和張家港、太倉、常熟的地形、管線、影像、全景等地理空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并為自然資源和規(guī)劃、住建、水務(wù)等相關(guān)領(lǐng)域提供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺和服務(wù)。

3 結(jié)語

1）分析了坐標(biāo)系在蘇州市應(yīng)用現(xiàn)狀和適宜性后，以“中央子午線和參考橢球面為最佳選取”的坐標(biāo)系建立綜合比選方案，研究建立了蘇州2000坐標(biāo)系。

2）統(tǒng)一了全市域測繪基準，實現(xiàn)了與省級現(xiàn)代測繪基準的聯(lián)系，滿足了蘇州市地理空間數(shù)據(jù)與國家、省的交換共享需要。

3）蘇州2000 坐標(biāo)系的全面推廣使用，對蘇州市地理空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和自然資源管理、城市治理更新以及智慧城市、時空大數(shù)據(jù)等平臺建設(shè)具有極其重要意義。