廣州市蘿崗區“三規合一”中坐標統一轉換的研究和實現

白航+李利番

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.046

摘 要：該文基于蘿崗區“三規合一”統一坐標系研究項目，重點探討蘿崗區“三規合一”統一坐標系的技術理論可行性，確定了CGCS2000坐標系為蘿崗區統一坐標系管理和發布的坐標基準，并研究確定了與廣州現有坐標系之間的轉換關系，即特別注意考慮不同部門所屬點位之間的兼容性，采用分別計算、分別轉換的方法，建立兩類轉換參數進行應用，以實現高精度的坐標轉換工作；另外，可建立統一的全區域總體轉換參數，解決不同區域參數轉換引起的差異問題。

關鍵詞：CGCS2000 坐標轉換 統一坐標系

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0046-03

坐標系統是用來確定點的空間位置的參照系統，不僅是一切測繪工作的基礎，所有測量成果都是建立在其之上的，因此，對于城鄉規劃建設、城市管理、土地管理、環境監測、城市應急決策等工作舉足輕重。當前各地仍在使用的坐標系統有很多種，主要包括獨立坐標系、1954北京坐標系、1980西安坐標系、CGCS2000坐標系等。如果坐標系統選取不當，或坐標系統本身存在缺陷，由此而衍生的一切成果數據的精度和可靠性就無法得到保障。為此，坐標統一不僅需解決原有已應用坐標系的控制網框架內部的精度不高、精度不均勻等問題，也必須要解決原有各部門、系統之間的相互轉換問題。該研究基于廣州市蘿崗區“三規合一”統一坐標系工作需求，以選擇區域統一坐標系管理和發布的坐標基準為主要目標，開展先期實驗及比較分析論證，探討區域統一坐標系的技術理論及可行性，同時兼容獨立坐標系和其他國家坐標系，以滿足區域“三規合一”等實際應用中的坐標系統一的需求。

1 坐標基準

1.1 統一坐標基準的重要性

（1）不同部門對坐標系統的差異性選擇。在該文的研究實例中，國土部門使用的國土GPS控制網地方坐標系，與規劃部門使用的獨立坐標系存在系統偏差。（2）不同的坐標系統由于采用不同的基準及定位參數，從而使得不同坐標系中的坐標數值差距較大。若缺乏統一的坐標系統，一切都會變得混亂。因此，要消除坐標系統不同對測繪成果的影響，必須在統一的坐標系統下對測繪成果進行管理，并計算精確的坐標系統之間的轉換參數，以保證對其他相關坐標系統的兼容。

1.2 坐標基準的選取

坐標基準的選取原則就是要能夠較好地解決各坐標系統之間的差異，滿足實際工作中的具體應用需求。空間技術的發展成熟與廣泛應用迫切要求國家提供高精度、地心、動態、實用、統一的大地坐標系作為各項社會經濟活動的基礎性保障。為此，我國建立了具有較高精度的最新最權威的CGCS2000坐標系。

2 坐標統一的技術流程

統一坐標系研究工作的技術流程包括：點位普查和技術調研、坐標系參考框架建立、坐標系轉換、精度分析等四個步驟。具體技術工作流程圖如圖1所示。

2.1 前期準備

前期可行性研究主要包括了資料收集、點位普查和技術調研。具體工作內容見圖1。

2.2 坐標系參考框架建立

以CGCS2000坐標系參考框架的建立為例，具體包括以下幾個步驟。

（1）點位聯測。對普查到的高等級控制點進行測量，求取其CGCS2000坐標系成果并進行坐標轉換；利用廣東省連續運行衛星定位服務系統（簡稱GDCORS）參考站，進行控制點聯測，求取控制點的CGCS2000坐標系成果，利用GDCORS提供的網絡RTK服務進行坐標系轉換成果的外業檢測；利用普查到的GPS-C、D、E級網中的現有控制點進行坐標系轉換，并對轉換后成果開展外業檢測。（2）平差計算。GDCORS基準站為起算基準，進行了框架網CGCS2000坐標系下的平差計算。選取確定參與平差計算的控制點、環檢驗的基線和GDCORS基準站。（3）GPS控制點觀測。務必做好觀測前準備，嚴格遵守觀測作業相關要求，GPS控制網觀測基本技術規定要符合相關網點要求。（4）數據處理。具體包括基線解算、GPS測量控制網的平差計算和坐標轉換計算等。利用GDCORS基準站在CGCS2000坐標系與西安坐標系、北京坐標系、本地坐標系成果的轉換關系，按坐標轉換方法轉換得到各點在此坐標系中的成果。

2.3 坐標系轉換

現有各類坐標要分別建立與基準坐標系之間的轉換模型。一般而言，空間直角坐標之間的轉換多采用三維七參數轉換模型實現；平面坐標間的轉換則視轉換區域的大小，區域較小時可選用平面轉換四參數模型進行，區域較大時可采用基于大地坐標的二維七參數轉換模型實現。

2.4 精度分析

CGCS2000坐標框架的準確性檢測可通過網絡RTK成果與平差計算的CGCS2000坐標框架成果進行比對分析獲得；轉換參數計算精度檢測可通過將網絡RTK的CGCS2000坐標系成果利用已經求得的轉換關系得到西安坐標系成果，與已知的成果進行比對分析獲得。其中，檢測點數量少于20時，以誤差的算術平均值代替中誤差；大于20時，中誤差計算按下式執行：

式中：M為成果中誤差；N為檢測點個數；為較差。

較差按下式執行：

；；

3 研究實例

該研究實例通過對蘿崗區及周邊已經建立的國家、省、市級CGCS2000坐標系框架控制網進行調研，開展實驗，在建立適應于廣州市蘿崗區的高精度CGCS2000坐標系參考框架的基礎上，通過對蘿崗區大地坐標框架的準確性檢測和轉換參數計算精度檢測，采用內外業方法對三種坐標系的控制點位和坐標轉換精度、可靠性和兼容性進行了比對分析，論證了采用國家2000大地坐標系統作為蘿崗區三規合一坐標統一的坐標基準的技術先進性。具體內容如以下幾點。

（1）點位普查。此次實驗對蘿崗區及周邊已有控制點進行了初步普查，普查情況為：69個GPS控制點，其中36個點已破壞，31個點完好且觀測條件良好，2個點完好但觀測條件已被遮擋。另外廣東省已有的2000大地坐標系平差成果也是該研究的重要基礎數據。

（2）點位聯測。在蘿崗區覆蓋范圍均勻選取了10個已有點位，按C級GPS網的要求與區域及周邊的GDCORS基準站進行了聯測。外業聯測時采用6臺GPS接收機進行同步觀測，分兩個同步網進行，兩個同步網重合點為2個。

（3）平差計算。GDCORS基準站為起算基準，進行了框架網CGCS2000坐標系下的平差計算。平差共計算控制點9個，采用通過環檢驗的基線85條，使用到5個GDCORS基準站。計算時基線解算使用GAMIT軟件解算獲得，平差計算使用PowerNet軟件在三維坐標系下進行平差處理。

（4）基線解算。控制點與GDCORS基準站之間聯測的基線采用GAMIT軟件，用網解的模式進行基線解算，星歷采用快速精密星歷，各種模型采用GAMIT缺省要求；控制點之間基線解算可利用隨機軟件LGO的單基線解算模式。解算成果，應采用雙差固定解；個別基線較長時，可取浮點解。從表1統計結果可見，GPS基線解算滿足要求。

（5）建立蘿崗區CGCS2000坐標框架，精度為±1.5 cm。CGCS2000坐標系的空間直角坐標成果，是以5個GDCORS基準站作為起算點，進行約束平差得到的。CGCS2000坐標系的三維無約束平差其結果相對中誤差最弱邊為0.37 ppm，點位中誤差最大值為±0.52 cm。CGCS2000坐標系的三維約束平差結果相對中誤差最弱邊為0.39 ppm，點位中誤差最大值為±0.50 cm。

（6）坐標轉換。蘿崗區域范圍較小，CGCS2000坐標系與西安坐標系、廣州坐標系可采用平面轉換四參數模型實現。采用靜態聯測的9個控制點的CGCS2000坐標系平面坐標成果分別與已知西安坐標系、廣州坐標系平面成果組成已知點對，進行了已有坐標系與CGCS2000坐標系轉換關系的計算。通過預處理消除國土和市規劃局廣州坐標系不兼容粗差后，整體坐標轉換精度為0.026 m。因此，在CGCS2000坐標系到廣州坐標系平面轉換時，采取分別轉換方式可保證較高坐標轉換精度，并消除原有市國土坐標系與市規劃局坐標系之間的不兼容問題。

（7）精度分析。此次確定的CGCS2000坐標框架精度高，點位中誤差最大值為±0.5 cm，外業網絡RTK檢測平面中誤差為±1.5 cm；確定了CGCS2000坐標系與西安坐標系之間的轉換關系，轉換參數精度為2.1 cm；確定了CGCS2000坐標系與廣州坐標系之間的轉換關系，轉換參數精度為2.6 cm，外業精度檢測2.4 cm。根據蘿崗區實驗結果，采用此方法進行國家大地坐標系與廣州坐標系統一坐標轉換精度為±0.024 m。這表明通過建立CGCS2000坐標，采取分別轉換方式可保證較高的坐標轉換精度。

4 結語

蘿崗區“三規合一”統一坐標系技術研究結果表明：一方面，CGCS2000坐標不僅具有顯而易見的科學性、先進性和實用性，且其推廣使用具有明確的法律法規和政策依據。另一方面，該實驗結果分析表明，CGCS2000坐標框架建立精度可達±1.5 cm，轉換至西安坐標系和廣州坐標系的精度分別達±2.1 cm和±2.4 cm，是更精確的坐標轉換和發布的坐標基準。因此，根據“三規合一”后續坐標系統一和坐標轉換工作需求，建議以該文研究和實驗內容為基礎，加快進行國家2000大地坐標系的推廣研究和應用，對建立CGCS2000坐標系及進行坐標轉換的技術方法、技術路線和工作方案進行深入論證，盡快將現有的參心坐標系下成果轉換到CGCS2000坐標系中，推進“三規合一”統一坐標系工作的順利進行。

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