2000國家大地坐標系轉換常見問題分析

張訓虎，劉晉虎，何 川，邱 博，楊緒峰，李 淼

(國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830)

2000國家大地坐標系轉換常見問題分析

張訓虎，劉晉虎，何 川，邱 博，楊緒峰，李 淼

(國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京 100830)

在現有成果向2000國家大地坐標系轉換工作中，各省市都做了很多理論研究和實際轉換工作。本文闡述了現有成果向2000國家大地坐標系轉換的方法，對不同數據、不同方法轉換過程中常見的問題進行匯總、整理，并分析問題產生的原因及對成果的影響，為今后現有成果向2000國家大地坐標系轉換工作提供參考和建議，以確保成果轉換的質量。

CGCS2000；坐標轉換；大地控制點；基礎地理信息數據；GNSS基準站；三角點；4D產品

自2008年7月1日起，我國啟用2000國家大地坐標系(CGCS2000)，各地有關部門開展了現有各類測繪信息成果到CGCS2000的轉換工作，積極推進CGCS2000的推廣使用。為做好啟用CGCS2000的實施工作，國家測繪地理信息局于2008年7月組織編制了《啟用2000國家大地坐標系實施方案》和《現有測繪成果轉換到2000國家大地坐標系技術指南》。為加快CGCS2000推廣使用工作，進一步指導各部門、各單位順利完成原有坐標系成果向CGCS2000轉換，確保轉換技術方法正確，國家測繪地理信息局于2013年6月組織編制了《2000國家大地坐標系推廣使用技術指南》和《大地測量控制點坐標轉換技術規程》。CGCS2000轉換涉及的測繪地理信息成果主要包括大地控制點類成果(GNSS基準站、GNSS控制點、三角點)和基礎地理信息數據成果(DLG、DOM、DEM、DRG)。文獻[1—2]從總體上介紹了CGCS2000的構建、精化、維持和更新，以及可用于轉換工作的國家級成果。文獻[3—11]研究了GNSS基準站、大地控制點、4D產品的轉換方法。文獻[12] 探討了轉換的檢查方法。本文對省級坐標轉換中存在的常見問題進行梳理和分析。

一、坐標轉換方法

1. 大地控制點類成果

(1) 坐標歸算

本方法適用于非CGCS2000的省級GNSS基準站和衛星大地控制點坐標向CGCS2000的坐標轉換。即對擬轉換點采用與周邊穩定的IGS站及國家級的GNSS連續運行基準站進行聯測的方法，獲得各站點在現ITRF框架、觀測歷元下的位置，經過歷元歸算、板塊運動改正、框架轉換[13]3個步驟進行坐標計算。用這種方法進行轉換必須要知道網中各站的速度場。

(2) 參數轉換

本方法適用于未聯測已知點的衛星大地控制點和三角點坐標向CGCS2000的坐標轉換。即按照轉換區域選取適當的轉換模型(布爾莎模型、三維七參數模型、二維七參數模型、三維四參數模型、二維四參數模型、多項式擬合模型等)，選擇重合點，經粗差剔除后計算轉換參數，進行坐標轉換。

2. 基礎地理信息數據成果

基礎地理信息數據成果轉換針對分幅數據或數據庫實體數據，采用不同的坐標轉換方法。比例尺大于1∶1萬的DLG、DEM數據一般采用高分辨率的格網坐標改正量進行逐要素點轉換的方法完成轉換；DOM、DRG數據一般采用平移或糾正的方法完成轉換，轉換參數一般采用高分辨率的格網坐標改正量進行表達。

二、常見問題及分析

1. 大地控制點類成果

(1) 坐標歸算

采用坐標歸算方法進行坐標轉換的關鍵工序主要有：基準控制點(IGS站、國家級GNSS基準站、國家GNSS大地控制點)的選取、高精度數據處理、板塊運動改正、框架轉換等。坐標歸算常見問題主要集中在基準控制點的選取和板塊運動改正兩個方面。

①起算點坐標非國家測繪行政主管部門權威發布的CGCS2000坐標

部分省建立基礎控制網采用的CGCS2000起算點坐標非國家測繪行政主管部門權威發布，或不能量值溯源到國家測繪行政主管部門權威數據。

表1為某省C級控制網建立時采用的IGS站或國家級GNSS基準站的CGCS2000坐標與國家權威數據的較差統計值，這一差異導致轉換數據整體出現系統性偏差。

表1 起算點坐標較差統計 m

②起算點精度等級達不到相應等級控制點要求

部分省市坐標基準框架或基礎控制網的建立未與IGS站或國家級GNSS基準站進行聯測，僅與本省市及周邊省市2000國家GPS大地控制網(三網平差)控制點進行聯測，經約束平差獲得CGCS2000坐標。這種方法在對C、D級GPS控制點進行轉換時確保了成果與本省區域內的其他成果的一致性。省級GNSS基準站作為省級大地基準的骨干和主要支撐，采用這種方法在當時歷史條件下和過渡期內實現了CGCS2000在省級的快速推廣使用，但在現階段不利于維持省級三維、動態地心坐標系統，不利于保證大地控制網點位三維地心坐標的精度、現勢性及全國的統一。

表2為某省采用坐標歸算方法以A、B級點為基準建立的56個省級GNSS基準站CGCS2000坐標的外符合精度情況統計，可以明顯看出在空間三維方向上均存在一定的誤差，并且均具有系統性偏差。這些誤差已經對GNSS基準站的服務造成了一定影響。

表2 某省級GNSS基準站網外符合精度統計 m

③未考慮框架不同歷元間由于板塊運動引起的坐標變化值

部分省在進行歷元歸算后，未考慮計算框架所對應歷元下坐標從觀測歷元到需轉換歷元之間，由于板塊運動引起的坐標變化值，把坐標變化值帶入到轉換成果中，引起轉換成果誤差。

ITRF 2005轉換到ITRF 2000框架時站的速度場起主要作用，因此若所確定的速度場不準確對轉換結果有很大的影響。而從ITRF 2000轉換到ITRF 97框架下起主要作用的是框架之間的轉換關系，對所需轉換的站的速度場要求不是很高[13]。

表3為部分點不同年代觀測數據聯合平差時，因板塊運動而引起的坐標變化值無法消除，最終轉換成果產生的系統誤差。

表3 不同年代同名點坐標差異 m

(2) 參數轉換

采用參數轉換方法進行坐標轉換的關鍵工序主要有：轉換分區、轉換模型的選取、重合點的選擇和剔除、轉換參數計算、外部檢核等。參數轉換常見問題主要集中在轉換分區、重合點覆蓋范圍、重合點的剔除、檢核點分布4個方面。

1) 由于1954北京坐標系的坐標是采用逐級控制分區平差的方法推算的，存在明顯的平差變形，甚至個別地區在分區或鎖網接合部點出現了成果不一致或產生了裂縫[14]，因此在這類地區不宜采用一個分區和一套轉換參數，以避免產生較大誤差。

2) 重合點選取的基本原則為等級高、精度高、局部變形小、分布均勻及覆蓋整個轉換區域。當重合點不能覆蓋整個轉換區域時，不能覆蓋的區域轉換參數只能通過外推得到，但轉換精度可能隨外推距離放大而急劇損失，導致轉換后的成果與鄰省成果間存在不接邊的情況。對于從國家申領的具有CGCS2000坐標的一、二、三、四等天文大地網點，不加區別全部用于轉換模型的計算，造成了重合點利用的等級和精度不統一，轉換精度不高，局部變形較大。

3) 粗差點剔除不嚴密，不嚴格按照大于3倍點位中誤差進行，易導致局部轉換參數的變形。粗差點的剔除還應包括造成重合點分布不均勻的點，如應最大限度避免模型中狹長三角形的出現，這種點可作為外部檢核點使用。

4) 利用未參與計算轉換參數的重合點作為外部檢核點，其點數應不少于6個且分布均勻。外部檢核點不足時應進行野外實測檢核，尤其應注意對轉換區域邊緣的檢核。

2. 基礎地理信息數據成果

(1) DEM轉換

由于生產DEM成果的過程數據(等高線、特征線、高程點等)一般不存在，DEM轉換不能按照相關生產技術規程構造TIN并內插重新生成DEM，一般選用高分辨率格網坐標改正量并采用平移或雙線性內插的方法對圖幅進行坐標轉換，同時參考像素分辨率確定起算坐標進行數據重采樣，按CGCS2000新的圖廓及重疊像素進行圖幅裁切，更改數據頭文件中定位坐標，修改元數據相關條目。DEM轉換常見問題主要有以下幾個方面：

1) 采用平移方法進行DEM轉換，以圖幅4個角點平移量的平均值作為圖幅左下角點改正量，不進行數據重采樣，DEM數據仍以原坐標系圖廓范圍進行單幅存儲。

這種方法的圖幅起始點坐標為非格網間距的整數倍，因相鄰圖幅坐標平移量不一致導致圖幅不接邊。在后期DEM數據應用時，接邊區域內高程仍需處理，并造成重采樣精度損失。

2) 采用平移方法進行DEM轉換，坐標平移量歸整化為DEM格網間距的整數倍，不進行數據重采樣。

這種方法會產生DEM局部相鄰圖幅間相差一排(一列)DEM格網點，導致局部圖幅接邊處格網數值不唯一，出現少一排(一列)或重合一排(一列)的情況(如圖1所示 )。因坐標平移量規整化為格網點間距整數倍，導致DEM轉換精度損失，進而轉換精度超限。

圖1 DEM轉換相鄰圖幅間差一列

表4為某省不同地形類別區域的DEM轉換精度統計，可見這種方法在山區容易導致部分圖幅轉換精度超限。

表4 1∶1萬DEM轉換精度統計

(2) DOM轉換

DOM轉換一般選用高分辨率格網坐標改正量采用平移或糾正的方法對圖幅進行坐標轉換，按CGCS2000規定的新的圖廓及重疊像素進行圖幅裁切，按像素關系計算移動量(像素數)，更改數據頭文件中定位坐標，修改元數據相關條目。DOM轉換常見問題主要有以下幾個方面。

DOM轉換過程中將平移量規整化為DOM地面采樣間距的整數倍后對整圖進行坐標平移，以及局部相鄰圖幅間相差一排(一列)DOM柵格點，導致局部相鄰圖幅接邊區域數值不唯一。這種轉換方法雖不會對DOM轉換精度造成重大影響，但轉換工作并未全面完成，宜對接邊成果進行重采樣處理，完善轉換工作。

三、建議及措施

1. 大地控制點類成果

1) 平差計算過程中的起算控制點CGCS2000成果不能僅利用向國家申領的2000國家GPS大地控制網成果(三網平差成果，地心坐標精度平均優于3 cm)中的大地點成果，需要更加充分利用精度更高的2000國家GPS大地控制網中的GNSS連續運行基準站坐標(坐標精度為毫米級)。

2) 在坐標歸算過程中顧及板塊運動的特性和不同歷元間框架的嚴格轉換關系，充分利用可用于轉換工作的國家級最新速度場成果CGCS2000板塊運動模型(China Plate Model-CGCS2000，CPM-CGCS2000)和CGCS2000格網速度場模型。CPM-CGCS2000是目前國內最精確的相關模型，解決了CGCS2000動態維持及我國已有基礎測繪成果轉換的難題，適用于基于ITRF框架非2000歷元下各類GNSS定位成果到CGCS2000的轉換。

3) 各省與鄰省進行重合點數據交換，建立參數轉換模型的重合點盡可能覆蓋全部轉換區域；不能覆蓋的轉換區域轉換參數可通過平滑外推得到，但要加強外部檢核工作和鄰省的接邊工作。

4) 采用不同轉換模型進行比較分析，繪制點位殘差分布圖和點位殘差等值線圖，選擇最優模型進行坐標轉換。采用多項式擬合模型進行坐標轉換，還應參考布爾莎模型、二維七參數轉換模型等適合于全國及省級范圍的轉換模型進行精度分析，剔除殘差較大點。

2. 基礎地理信息數據成果

現有成果轉換工作量大，且各省現有基礎地理信息數據成果為過渡性成果，隨著基礎測繪工作的持續開展，新的基礎地理信息數據成果宜直接采用CGCS2000生產，各省市對現有成果的轉換工作，以滿足實際應用為目的進行，轉換過程中應保證轉換數據的完整性、一致性、唯一性，確保轉換到位、接邊到位。

加強轉換工作技術方案和技術路線的全面質量評估，避免數據轉換出現重大質量問題。

四、結束語

現有成果向CGCS2000轉換工作是一項系統工作，在轉換過程中，盡管各省市結合自身情況，開展了一系列的理論研究和實際轉換工作，但是在轉換中仍然存在一些問題。本文對檢查中發現的轉換工作相關問題進行整理分析，旨在為今后的CGCS2000轉換工作、為CGCS2000推廣應用中的生產和質量檢查工作提供參考，確保成果轉換的質量。

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AnalysisofCommonProblemsinCGCS2000Conversion

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P282

B

0494-0911(2016)09-0052-04

2015-11-04；

2016-05-24

測繪地理信息公益性行業科研專項經費(201512018)

張訓虎(1977—)，男，高級工程師，主要從事測繪產品質量檢驗工作及大地測量、工程測量研究。E-mail：zhangxh@sbsm.gov.cn