淺談2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換方法

曹東方

（蘭考縣國土資源局，河南 蘭考 475300）

1 2000國家大地坐標系概述

2000國家大地坐標系（CGCS2000）是以包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心為原點建立的三維地心大地坐標系，通常分為地心空間直角坐標系(以X、Y、Z為其坐標元素)和地心大地坐標系(以B、L、H為其坐標元素)。其Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，與地球旋轉(zhuǎn)軸重合,向北為正；X軸與首子午面和赤道面的交線重合,向東為正；Y軸與XZ平面垂直，與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標系[1]。

CGCS2000的坐標框架由三個層次框架點組成。第一層次：國家級連續(xù)運行參考站，28個點，CGCS2000基本骨架，精度mm級。第二層次：2000國家GPS大地控制網(wǎng)，2500多個點，精度cm級。第三層次：國家高精度大地控制網(wǎng)（全國天文大地網(wǎng)），約5萬個點，精度dm級。

CGCS2000有以下特征：（1）采用的橢球參數(shù)及物理參數(shù)與國際上公認的數(shù)據(jù)一致，能與國際接軌。（2）具有更高的精度。（3）有利于對空間物體的位置描述和表達，因為它是一個三維、動態(tài)的大地測量基準。（4）CGCS2000是一個地心坐標系。

2 地方獨立坐標系的建立

在城市測量和工程測量中，如果控制網(wǎng)直接建立在國家坐標系中，有時地面長度的投影變形會很大，難以滿足實際需要。為此，有必要建立一個本地獨立坐標系，減少投影變形和高程歸一化引起的主要誤差。在傳統(tǒng)測量中，這個局部獨立坐標系通常只是高斯平面坐標系，也可以說是不同于國家坐標系的參考中心坐標系。使用本地獨立坐標系可以將精度控制在合理范圍，不會因為精度達不到要求而影響項目建設(shè)。

3 存量數(shù)據(jù)向CGCS2000轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法

3.1 轉(zhuǎn)換的工作步驟

①確定坐標轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)內(nèi)容、比例尺、類型、格式 ；②進行區(qū)域內(nèi)不同比例尺的轉(zhuǎn)換參數(shù)、改正量計算；③利用轉(zhuǎn)換參數(shù)或改正量開發(fā)轉(zhuǎn)換工具；④按照類型整理數(shù)據(jù)；⑤坐標轉(zhuǎn)換；⑥進行轉(zhuǎn)換精度與質(zhì)量檢查。

3.2 轉(zhuǎn)換的主要方法

3.2.1 坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算

根據(jù)不同比例尺和轉(zhuǎn)換區(qū)域選擇轉(zhuǎn)換模型，基本轉(zhuǎn)換模型包括布爾沙模型、三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型及多項式擬合模型等，選取兩個坐標系下重合點（可選用CGCS2000國家大地控制網(wǎng)點、國家大地測量控制點）計算模型轉(zhuǎn)換參數(shù)，根據(jù)模型殘差進行精度評估和檢核[2]。

3.2.2 改正量計算

根據(jù)不同的比例尺，按照不同的分區(qū)，計算各分區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并利用確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型分別計算一定比例尺下格網(wǎng)點兩種坐標系下對應(yīng)點的差。

3.2.3 坐標點轉(zhuǎn)換

根據(jù)確定的轉(zhuǎn)換模型和解算出的轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算該點轉(zhuǎn)換后的值。或根據(jù)該點對應(yīng)區(qū)域四個角點的改正量，通過插值法計算該點的改正量，相加后得出轉(zhuǎn)換后的值。

3.2.4 圖形數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換

讀出圖形要素的點位坐標，按照坐標點轉(zhuǎn)換方法一一轉(zhuǎn)換完成后，再寫回原圖形要素。或者采用符合要求的已知點進行配準的方法進行轉(zhuǎn)換。

3.3 各種比例尺數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

以河南為例，需轉(zhuǎn)換的存量國土資源空間數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地調(diào)查成果、土地資源管理成果、礦產(chǎn)地質(zhì)數(shù)據(jù)等，涵蓋遙感影像、土地利用現(xiàn)狀、耕地后備資源、土地利用總體規(guī)劃、礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃、土地整治規(guī)劃、農(nóng)用地分等、基本農(nóng)田，土地資源批、供、用、補，礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)，基礎(chǔ)地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、地球物理、地球化學等。數(shù)據(jù)的類型有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等，組織形式有管理單元和空間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分為省級、省轄市級、市本級、縣（市、區(qū)）級等。

3.3.1 坐標轉(zhuǎn)換的原則

（1）部、省、市、縣四級備份相同的數(shù)據(jù)：對于國土資源部實施轉(zhuǎn)換的涉及河南省的數(shù)據(jù)，由省國土資源廳統(tǒng)一申領(lǐng)、分發(fā)、存儲和使用；對于省國土資源廳實施轉(zhuǎn)換的涉及地市的數(shù)據(jù)，由省轄市、省直管縣（市）國土資源主管部門統(tǒng)一申領(lǐng)、分發(fā)、存儲和使用。上一級轉(zhuǎn)換的相同的數(shù)據(jù)，本級不重復轉(zhuǎn)換。

（2）轉(zhuǎn)換前后成果的格式、比例尺或分辨率、內(nèi)部的拓撲關(guān)系、屬性結(jié)構(gòu)和屬性值保持不變，要素不丟漏。

（3）分幅數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后重新生成方里格網(wǎng)，修改圖廓點及方里格網(wǎng)標注坐標，不進行數(shù)據(jù)內(nèi)容的重新分幅裁切和整飾處理。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后應(yīng)同步開展質(zhì)量檢查，并按照不同的比例尺類別統(tǒng)計轉(zhuǎn)換精度。

3.3.2 坐標轉(zhuǎn)換的要求

（1）1∶5萬及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶5萬比例尺圖幅改正量，點位坐標按雙線性內(nèi)插方法逐點轉(zhuǎn)換。1∶1萬以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國1∶1萬比例尺圖幅改正量，點位坐標按雙線性內(nèi)插方法逐點轉(zhuǎn)換。1∶5000及以小比例尺數(shù)據(jù)，利用全國高精度高分辨率格網(wǎng)（3″×3″）改正量，點位坐標按雙線性內(nèi)插方法逐點轉(zhuǎn)換[3]。

（2）1∶5000及以大比例尺數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換前應(yīng)選取數(shù)據(jù)對應(yīng)的起算控制點進行分析、開展普查和聯(lián)測，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至河南省衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)2000國家大地坐標系框架下。利用起算控制點分析或聯(lián)測平差結(jié)果，按照點位坐標的轉(zhuǎn)換方法計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，開展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（3）1954北京坐標系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換步驟為：計算1954北京坐標系向1980西安坐標系轉(zhuǎn)換改正數(shù)；計算1980西安坐標系向2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換改正數(shù)；將兩改正數(shù)疊加形成1954北京坐標系向2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換改正數(shù)。

（4）采用系列比例尺圖幅改正量或格網(wǎng)改正量完成轉(zhuǎn)換成果，將河南省衛(wèi)星導航定位基準站點、分析轉(zhuǎn)換或聯(lián)測平差后的數(shù)據(jù)起算控制點作為檢核點進行精度評估與檢核；采用點位坐標轉(zhuǎn)換法完成轉(zhuǎn)換成果，利用參數(shù)計算時多余的控制點進行精度評估與檢核。轉(zhuǎn)換區(qū)域應(yīng)選定至少6個均勻分布的重合點對精度進行檢核。

4 轉(zhuǎn)換方法

第一種方法是利用公共點求解兩套坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當建立與2000國家大地坐標系相聯(lián)系的相對獨立的平面坐標系時，坐標轉(zhuǎn)換模型應(yīng)適用于地方控制點的轉(zhuǎn)換和城市數(shù)字地圖的轉(zhuǎn)換，通常采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，當有許多重合點時，采用多元回歸模型。當相對獨立的平面坐標系和數(shù)字地圖的控制點都是三維地心坐標時，采用BLASA七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。坐標轉(zhuǎn)換的誤差應(yīng)小于0.05米[4]。重合點應(yīng)選擇本地控制網(wǎng)的起點和高精度控制點以及周邊國家的高精度控制點，大中型城市至少選擇5個重合點，重合點應(yīng)均勻分布。

第二種是通過與具有2000國家大地坐標系的高等級點聯(lián)測實現(xiàn)對低等級GPS網(wǎng)進行約束平差實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。當GPS控制網(wǎng)周圍有足夠的2000國家大地坐標系控制點時，以高水平控制點為約束條件，將低水平GPS網(wǎng)與高水平點連接或使用原始聯(lián)合測量數(shù)據(jù)，在WGS-84橢球下進行三維約束調(diào)整，結(jié)果屬于2000國家大地坐標系。如果聯(lián)測GPS網(wǎng)絡(luò)和周圍具有2000國家大地坐標系的高等級點，數(shù)據(jù)會被移交并保存為原始觀測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

上述方法可實現(xiàn)從系列標度庫存數(shù)據(jù)的原始坐標系到CGCS2000的轉(zhuǎn)換，空間信息成果坐標系和大地基準統(tǒng)一，推動空間規(guī)劃體系建設(shè)與監(jiān)督實施、自然資源開發(fā)利用與保護監(jiān)管，促進CGCS2000在城建、規(guī)劃、房產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域的推廣，推進部門間的信息共享，為一帶一路、新型城鎮(zhèn)化與信息化建設(shè)、鄉(xiāng)村振興等重大戰(zhàn)略實施提供保障。