2000國家大地坐標系在水利行業的應用

裴喜安 楊仰誠

一、概述

我國于20世紀50年代和80年代分別建立了1954年北京坐標系和1980西安坐標系，這兩個坐標系都是根據局部大地水準面最為密合的參考橢球定位的參心大地坐標系，對我國經濟建設、國防建設及科學研究等作出了重大貢獻。但受當時技術條件的制約，精度偏低，無法滿足當前與今后空間技術發展的要求，無法提供高精度、地心、動態、統一、實用的大地坐標系的基礎性保障。

隨著國民經濟發展，國防建設和社會發展、科學研究等對國家大地坐標系提出了新的要求，迫切需要采用原點位于地球質量中心的坐標系統（以下簡稱地心坐標系）作為國家大地坐標系。采用地心坐標系，有利于采用現代空間技術對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點三維坐標，并提高測圖工作效率，從而為我國航天、民航、海事、交通、地震、水利、農業、能源、建設、規劃、國土資源管理等部門提供有力的技術支撐。

經國務院批準，自2008年7月1日起，我國全面啟用2000國家大地坐標系（ChinaGeodeticCoordinateSystem 2000，簡稱 CGCS2000），作為我國測繪生產和GIS系統建設新的坐標系統。CGCS2000坐標系與現行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8~10年。水利系統也必須緊跟新技術的發展步伐，逐步啟用CGCS2000坐標系。

二、CGCS2000坐標系簡介

1.CGCS2000坐標系的定義

CGCS2000坐標系是以地球質量中心為原點的地心坐標系。坐標系的定義包括坐標系的原點、3個坐標軸的指向、尺度以及地球橢球等4個基本參數的定義。2000國家大地坐標系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心；2000國家大地坐標系的Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產生殘余的全球旋轉，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點，Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。采用廣義相對論意義下的尺度。

2000國家大地坐標系采用的地球橢球參數的數值為：

2.CGCS2000大地坐標系的主要特征

（1）CGCS2000坐標系具有比現行大地坐標框架更高的精度。

（2）與現有的大地坐標系統和高程系統相比，它涵蓋了包括海洋國土在內的全部國土范圍。

（3）CGCS2000坐標系是一個三維的大地測量基準，有利于對空間物體的位置描述和表達。

（4）CGCS2000坐標系是一個動態的大地測量基準，具有時間特征。

（5）CGCS2000坐標系是一個地心坐標系，它可以更好地闡明地球上各種地理和物理現象。

（6）與國際接軌，它采用的橢球參數及物理參數與國際上公認的數據一致，有利于國際科研合作及科研成果共享。

三、CGCS2000坐標系對水利工程的影響

1.已有成果資料的轉換

水利系統的測繪工作主要是為水利工程提供測繪保障，而水利工程的規劃設計、施工建設和運行管理具有較強的連續性，特別是分期建設的水利工程、水利工程的加固改造、水利工程的續建工程等，均要求其平面控制系統保持前后一致。同時，水利系統測繪單位在長期的測繪工作中，在不同地區、不同時期分別建立了大量的平面控制網，積累了大量的基礎測繪成果，測繪工作受到各水利系統測繪單位測繪成果的積累的影響，大都以1954年北京坐標和1980西安坐標系為主，且更偏重于應用1954年北京坐標系。在新舊坐標系統過渡期結束后，水利系統也必將啟用CGCS2000坐標系，這就存在大量老測繪成果資料的坐標轉換工作。

2.測繪方法的改變和精度的提高

由于CGCS2000坐標和WGS84坐標是相容的，兩坐標是一致的，手持GPS不依賴于任何外部控制點，不需要周圍有CGCS2000坐標的控制點，單個待轉換點亦可實現轉換，工作效率和成果精度將大大提高。隨著精密單點定位技術的日益成熟及其巨大的優勢，精密單點定位技術作業模式在未來GPS定位中的地位日益舉足輕重，精密單點定位技術將取代相對定位模式成為未來GPS定位中的主要作業模式。

CGCS2000坐標系是地心坐標系，采用衛星定位技術可以達到10-7～10-8的點位相對精度，比參心坐標系下的精度提高10倍左右，并可快速獲取精確的三維地心坐標，大大提高了測量成果的精度。

四、已有測繪成果向CGCS2000坐標系轉換

隨著CGCS2000坐標系的啟用，水利行業不可避免將有大量的已有舊坐標系下的測繪資料轉換為CGCS2000坐標系。結合水利工程特點，主要有下列兩種方法：

1.利用重合點求解兩套坐標系統間的轉換參數來實現轉換

利用轉換參數進行點位坐標轉換的方法，依據國家測繪局發布的《現有測繪成果轉換到CGCS2000國家大地坐標系技術指南》，全國及省級范圍的坐標轉換選擇二維七參數轉換模型；省級以下范圍的坐標轉換可選擇三維四參數模型或平面四參數模型。對于相對獨立的區域平面坐標系統與CGCS2000的聯系可采用平面四參數模型或多項式回歸模型。針對水利行業特點，水利工程坐標轉換主要采用平面四參數轉換模型。

平面四參數轉換模型屬于兩維坐標轉換，對于三維坐標，需將坐標通過高斯投影變換得到平面坐標再計算轉換參數。其轉換模型為：

其中，x0，y0為平移參數，α 為旋轉參數，m為尺度參數。x2，y2為2000國家大地坐標系下的平面直角坐標。x1，y1為原坐標系下平面直角坐標。坐標單位為m。

用于求解轉換參數的重合點采用在兩個坐標系下均有坐標成果的點。重合點要分布均勻，覆蓋測區范圍。最終重合點還需根據所確定的轉換參數，計算重合點坐標殘差，根據其殘差值的大小來確定，若殘差大于3倍中誤差則剔除，重新計算坐標轉換參數，直到滿足精度要求為止；用于計算轉換參數的重合點數量與轉換區域的大小有關，但不得少于5個。對于坐標轉換參數而言具有多余觀測，因此，計算時要按照最小二乘原理計算，轉換參數求出后利用相應的模型對于非重合點進行轉換，就可以獲得待轉點位CGCS2000坐標。采用轉換參數進行坐標轉換時，必須選擇部分不參與轉換參數計算的重合點作為外部檢核點，用轉換參數計算這些點的轉換坐標并與已知坐標進行比較以檢核坐標轉換的精度。外部檢核點應不少于6個且應均勻分布。

二維七參數轉換模型和三維七參數坐標轉換模型詳見國家測繪局發布的《現有測繪成果轉換到CGCS2000國家大地坐標系技術指南》。

2.通過聯測CGCS2000控制點，重新對原GPS網進行約束平差的方法實現轉換

當原有的GPS控制網具備有滿足數量和精度要求的CGCS2000坐標系下的控制點的聯測條件時，可以通過將原有的GPS網與這些高等級點聯測或者利用原有聯測數據，以這些高等級的具有CGCS2000坐標的控制點作為約束條件，在WGS84橢球下進行三維約束平差，以重新計算該GPS控制網的CGCS 2000坐標系下在控制成果。此方法比較直接，操作起來比較簡單。但是要求原GPS網的原始觀測數據保存完整。

五、結束語

1954年北京坐標系和1980西安坐標系已無法滿足當前與今后空間技術發展的要求，將被原點位于地球質量中心的CGCS2000坐標系所替代。本文對CGCS2000坐標系的定義和實現進行了簡單的介紹，并提出了水利行業已有舊成果資料向CGCS2000坐標轉換的方法。采用新的坐標系，應用現代空間技術定位，可以大幅度提高點位表達的準確性，并且可以快速獲取精確的三維地心坐標，大幅提高測量精度和工作效率，必將極大地促進水利事業的的發展■