青島城市坐標(biāo)系轉(zhuǎn)1980西安坐標(biāo)系研究＊

劉士寧，丁 咚

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島266100；2.青島市國(guó)土資源和房屋管理局，山東青島266002）

青島城市坐標(biāo)系轉(zhuǎn)1980西安坐標(biāo)系研究＊

劉士寧1，2，丁 咚1

（1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島266100；2.青島市國(guó)土資源和房屋管理局，山東青島266002）

坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一是1個(gè)地區(qū)地理信息資源共享和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的基礎(chǔ)，目前，很多地區(qū)采用多個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，需要對(duì)不同坐標(biāo)系的地理信息成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文結(jié)合青島市實(shí)際，對(duì)青島市已有地理信息由原來采用的“青島市城市坐標(biāo)系”向國(guó)家統(tǒng)一的“1980西安坐標(biāo)系”之間的轉(zhuǎn)換精度和可靠性進(jìn)行了探討，通過具體數(shù)據(jù)的分析計(jì)算得出，2套坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換切實(shí)可行，完全滿足精度要求。

地理信息；坐標(biāo)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)換；精度

隨著青島市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，原有的測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)已不能滿足城市建設(shè)發(fā)展的需要。1995年青島市規(guī)劃局組織有關(guān)部門對(duì)青島市原有基礎(chǔ)控制網(wǎng)進(jìn)行了分析研究，開展了青島市GPS城市控制網(wǎng)建設(shè)，并在此基礎(chǔ)上建立了“青島市城市坐標(biāo)系”。2004年青島市國(guó)土局為了開展青島市國(guó)土資源調(diào)查，分析了基礎(chǔ)控制網(wǎng)的現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)土資源調(diào)查的需要，開展了青島市土地調(diào)查大地基礎(chǔ)控制測(cè)量項(xiàng)目建設(shè)。2006年國(guó)家測(cè)繪局為滿足新技術(shù)條件下國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)及地球科學(xué)研究對(duì)三維動(dòng)態(tài)大地測(cè)量基準(zhǔn)框架的需求，組織實(shí)施了“華東、華中區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化”項(xiàng)目［1］，其中包括山東省GPS A、B、C級(jí)網(wǎng)建設(shè)及大地水準(zhǔn)面精化，在青島市有1個(gè)GPS A級(jí)點(diǎn)、6個(gè)GPS B級(jí)點(diǎn)和102個(gè)GPS C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)。這些點(diǎn)基本與青島市土地調(diào)查大地基礎(chǔ)控制測(cè)量項(xiàng)目的點(diǎn)位重合，并在此基礎(chǔ)上建立了青島范圍內(nèi)的“1980西安坐標(biāo)系”成果基礎(chǔ)。

1個(gè)城市采用多套坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)繪依法行政、統(tǒng)一管理和使用不利，嚴(yán)重制約了測(cè)繪成果的共享與服務(wù)，不利于青島市城市建設(shè)的需要。按照現(xiàn)代測(cè)繪理論，在1個(gè)城市里測(cè)量基準(zhǔn)及其成果應(yīng)該是嚴(yán)格統(tǒng)一的、唯一的。2008年，青島市政府要求在全市統(tǒng)一采用1980西安坐標(biāo)系。如何統(tǒng)一青島市測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，使原有地理信息資源（控制點(diǎn)、地圖、數(shù)據(jù)庫等）如在統(tǒng)一的系統(tǒng)下使用，成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。按照資源充分利用和工作順利銜接的原則，需要對(duì)原有地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文重點(diǎn)對(duì)青島市多年來采用青島城市坐標(biāo)系完成的成果向1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換有關(guān)問題進(jìn)行研究，并對(duì)其轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行了具體的分析和評(píng)價(jià)。

1 2套坐標(biāo)系統(tǒng)基本情況

1.1 1980西安坐標(biāo)系

青島市統(tǒng)一采用的1980西安坐標(biāo)系，是以2004年建立的“青島市土地調(diào)查大地基礎(chǔ)控制測(cè)量項(xiàng)目”控制網(wǎng)作為青島市基礎(chǔ)控制網(wǎng)，將此網(wǎng)重新命名為“青島市測(cè)量基礎(chǔ)控制網(wǎng)”，作為青島市測(cè)繪工作的基礎(chǔ)，“青島市測(cè)量基礎(chǔ)控制網(wǎng)”成果構(gòu)成由華東、華中區(qū)域大地水準(zhǔn)面精化項(xiàng)目（青島市）的GPS A、B、C級(jí)網(wǎng)和青島市土地調(diào)查大地基礎(chǔ)控制測(cè)量項(xiàng)目的GPS框架網(wǎng)、C、D級(jí)網(wǎng)共同構(gòu)成，共有GPS點(diǎn)382點(diǎn)，其中GPS A級(jí)網(wǎng)點(diǎn)1個(gè)，B級(jí)網(wǎng)點(diǎn)6個(gè)，C級(jí)網(wǎng)點(diǎn)117個(gè)，D級(jí)網(wǎng)點(diǎn)258個(gè)。2006年全省進(jìn)行了統(tǒng)一平差計(jì)算，得到了青島市范圍內(nèi)的1980西安坐標(biāo)系成果，一方面確保現(xiàn)有資源的合理利用，另一方面，要與山東省GPS C級(jí)控制網(wǎng)成果保持一致，確保資料成果統(tǒng)一性和現(xiàn)勢(shì)性。該坐標(biāo)系的具體參數(shù)如下［2］：

參考橢球：IAG－75橢球；

橢球長(zhǎng)半徑：a＝6 738 140 m；

地球引力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)：JZ＝1.082 63×10－3；

地心引力常數(shù)：GM＝3.986 005×1014m3s－2；

地球自轉(zhuǎn)角速度：ω＝7.292 115×10－5rad·s－1；

高程異常：采用1980西安坐標(biāo)系高程異常；

投影面：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)相應(yīng)的黃海平均海平面；

平面坐標(biāo)：中央子午線120°E，3（°）分帶；

1.2 青島城市坐標(biāo)系

青島城市坐標(biāo)系是青島市相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系統(tǒng)依托青島市城市二等GPS控制網(wǎng)，該網(wǎng)于1996年建成。全網(wǎng)由65點(diǎn)組成，由多兵澗（Ⅰ等）、后兒堡（Ⅰ等）、常山（Ⅰ等）、水清溝（Ⅱ等）4個(gè)重合國(guó)家高精度常規(guī)控制網(wǎng)的點(diǎn)構(gòu)成GPS骨架網(wǎng)。65點(diǎn)中，重合國(guó)家Ⅰ等三角點(diǎn)8個(gè)，重合國(guó)家Ⅱ等基本鎖點(diǎn)18個(gè)，與國(guó)家Ⅱ、Ⅲ等補(bǔ)充網(wǎng)重合點(diǎn)34個(gè)，另有20個(gè)點(diǎn)與各市城控首級(jí)網(wǎng)點(diǎn)重合，新設(shè)點(diǎn)位5個(gè)，網(wǎng)中有24個(gè)點(diǎn)聯(lián)測(cè)了三等水準(zhǔn)。此相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系建成后定名為“青島城市坐標(biāo)系”，簡(jiǎn)稱青島96坐標(biāo)系。

2 青島城市坐標(biāo)系向1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換分析

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要是對(duì)控制點(diǎn)、地圖及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。控制點(diǎn)屬于起算基礎(chǔ)，一般必須經(jīng)過重新改算方可使用。地圖和數(shù)據(jù)庫是相同的，都是對(duì)圖件的轉(zhuǎn)換，需要考慮轉(zhuǎn)換的精度前提。原有坐標(biāo)系統(tǒng)與新系統(tǒng)坐標(biāo)相差多少需要轉(zhuǎn)換，國(guó)家規(guī)范中沒有直接針對(duì)新舊坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)之差的規(guī)定，只能參照修測(cè)圖的要求。青島市目前現(xiàn)有的圖件資料大量采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是青島市城市坐標(biāo)系，數(shù)據(jù)格式為ARCINFO軟件的E00數(shù)據(jù)和AUTO CAD軟件的DXF（或DWG）數(shù)據(jù)。利用控制點(diǎn)建立原坐標(biāo)系統(tǒng)與“青島市測(cè)量基礎(chǔ)控制網(wǎng)（2006）”的1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，該轉(zhuǎn)換關(guān)系即可完成原圖件資料向1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)下轉(zhuǎn)換。電子數(shù)據(jù)和紙質(zhì)載體圖件，涉及的坐標(biāo)是二維平面坐標(biāo)，圖形是由點(diǎn)、線、面組成，而線和面又是由點(diǎn)組成的，所以，圖件資料的轉(zhuǎn)換歸根揭底就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。

2.1 控制點(diǎn)精度分析

根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ 8—99）規(guī)定：圖根點(diǎn)相對(duì)于圖根起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差，不得大于圖上0.1 mm，修測(cè)中發(fā)現(xiàn)原圖上有明顯錯(cuò)誤（即超過2倍中誤差）的地物、地貌應(yīng)予以糾正。地籍圖修測(cè)中發(fā)現(xiàn)原圖地籍、地形要素有明顯錯(cuò)誤，其差值已超過2倍中誤差，應(yīng)予以糾正［3］。當(dāng)圖上0.1 mm誤差，對(duì)于1∶500圖，計(jì)算實(shí)地精度為5 cm［4］。由此推算出下列不同比例尺圖件的最大允許誤差（見表1）。

表1 不同比例尺圖件的最大允許誤差Table 1 Maximum permissible error of different map scales／m

根據(jù)誤差傳播理論，原坐標(biāo)系成果在新坐標(biāo)系下，現(xiàn)有點(diǎn)位2倍中誤差應(yīng)小于原坐標(biāo)最大允許誤差［5］。采用新坐標(biāo)系統(tǒng)，舊坐標(biāo)的點(diǎn)位中誤差計(jì)算。

其中，M1為舊坐標(biāo)的原點(diǎn)位中誤差。

選取青島市城市二等GPS控制網(wǎng)的65點(diǎn)，同時(shí)重合青島市測(cè)量基礎(chǔ)控制網(wǎng)，分別為1980西安坐標(biāo)成果與青島城市坐標(biāo)系成果。經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)南北兩邊相差較大，中部差異較小，南部差異最大，最大差值點(diǎn)是會(huì)稽山，為0.253 m，整體平均點(diǎn)位殘差為0.112 m，點(diǎn)位中誤差為0.123 m。如果原有點(diǎn)位中誤差按5 cm規(guī)定，應(yīng)用新坐標(biāo)系后，舊控制點(diǎn)坐標(biāo)未轉(zhuǎn)換，原有點(diǎn)位中誤差發(fā)生變化。

原有控制點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為13.3 cm，二倍中誤差為26.6 cm，而現(xiàn)在最大點(diǎn)位中誤差為25.8 cm，都遠(yuǎn)超出原坐標(biāo)最大允許誤差14.1 cm。由此得到，原青島城市坐標(biāo)系控制點(diǎn)成果在新坐標(biāo)系下不可直接使用，必須轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系下方可使用。具體差值見表2。

表2 青島城市坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系點(diǎn)位差值比較Table 2 Comparison of coordinate difference between Qingdao City Coordinate System and Xi＇an 1980 National Coordinate System／m

續(xù)表1

2.2 邊長(zhǎng)變化精度分析

分別選取坐標(biāo)變化較大的青島南部地區(qū)3條邊，不同坐標(biāo)系2控制點(diǎn)計(jì)算其邊長(zhǎng)進(jìn)行比較。具體數(shù)值見下表3。

表3 青島城市坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系邊長(zhǎng)差值比較Table 3 Comparison of the baseline length difference between Qingdao City Coordinate System and Xi＇an 1980 National Coordinate System／m

《城市測(cè)量規(guī)范》要求，歸算、投影引起的控制網(wǎng)長(zhǎng)度變形，每公里的長(zhǎng)度改正數(shù)不應(yīng)該大于2.5 cm。根據(jù)上述邊長(zhǎng)差分析，新舊坐標(biāo)系統(tǒng)引起邊長(zhǎng)的變化每公里為0.2 cm，其變化影響較小，可忽略。

2.3 面積變化精度分析

如果1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖采用矩形分幅，每幅圖邊長(zhǎng)的大小為40 cm×50 cm，其實(shí)際邊長(zhǎng)為200 m×250 m、400 m×500 m、800 m×1 000 m。現(xiàn)取青島南部地區(qū)一點(diǎn)（點(diǎn)號(hào)C094，望海樓）原坐標(biāo)，分別加上圖幅邊長(zhǎng)，構(gòu)成近似的地形圖四角圖廓點(diǎn)，再將4點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成新坐標(biāo)系坐標(biāo)，根據(jù)4點(diǎn)構(gòu)成的面積進(jìn)行比較，得到下列數(shù)值（見表4）：

表4 青島城市坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系面積差值比較Table 4 Comparison of area difference between Qingdao City Coordinate System and Xi'an 1980 National Coordinate System ／m2

參照《城市測(cè)量規(guī)范》要求，6.5.4中圖解法，2次量算面積的較差應(yīng)符合下式要求：

式中：A指量算面積（m2）；M指地籍鉛筆原圖比例分母。

3 結(jié)論

（1）通過計(jì)算和青島市測(cè)繪工作應(yīng)用表明，歷史圖件由青島市城市坐標(biāo)系向1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在技術(shù)上可行。發(fā)現(xiàn)了過去青島市坐標(biāo)系存在的問題，認(rèn)為原青島城市坐標(biāo)系控制點(diǎn)成果在新坐標(biāo)系下不可直接使用，必須轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系下方可使用，給出了用于轉(zhuǎn)換的65個(gè)控制點(diǎn)點(diǎn)位差值成果表（見表2），為青島市未來測(cè)繪工作奠定了基礎(chǔ)。

（2）在青島城市坐標(biāo)系向1980坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中，對(duì)于1∶500比例尺的圖上控制點(diǎn)坐標(biāo)成果，不能直接使用圖上坐標(biāo)，而必須經(jīng)過嚴(yán)密平差進(jìn)行轉(zhuǎn)換；小于1∶500比例尺的，則圖上成果誤差在精度允許范圍內(nèi)。

（3）在青島城市坐標(biāo)系向1980西安坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換過程中，參照相關(guān)規(guī)范可知，對(duì)于圖件的邊長(zhǎng)和面積變形而言，其精度損失均在誤差允許范圍以內(nèi)。

［1］ 張全德，郭春喜，王斌，等.華北地區(qū)似大地水準(zhǔn)面精化［J］.測(cè)繪通報(bào)，2007（7）：13－15.

［2］ 孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

［3］ 國(guó)家測(cè)繪局.《地籍測(cè)量規(guī)范》CH5002－94［S］.北京：中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1994.

［4］ 建設(shè)部綜合勘查研究設(shè)計(jì)院.《城市測(cè)量規(guī)范》（CJJ8－99）［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］ 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組.誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.

A Study on Issues Concerning the Coordinate Transformation from Qingdao City Coordinate System to Xi'an 1980 National Coordinate System

LIU Shi－Ning1，2，DING Dong1
（1.College of Marine Geosciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Qingdao Land Resources and House Administration Bureau，Qingdao 266002，China）

The unification of coordinate systems is the basis of sharing of the geographic information and unification of standards of special data.At present，many regional coordinate systems are involved in the same city.Coordinate transformation is indispensable for coordinate unification and transformation of data with different spatial reference.This paper presents the accuracy and reliability of the transformation of the geographic information from“Qingdao City Coordinate System”to“Xi'an 1980 National Coordinate System”.By analyzing and calculating the data，the conclusion is drawn that the transformation between the two coordinate systems is feasible and accurate.

GIS；coordinate system；transformation；accuracy

P623.1

A

1672－5174（2011）10－075－04

國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目（41030856）資助

2011－03－11；

2011－04－11

劉士寧（1978－），男，工程師，博士。主要從事測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)、遙感的技術(shù)研究工作。E－mail：liu－shining＠163.com

責(zé)任編輯 龐 旻