基于CGCS2000的珠海市地方坐標體系技術探討

高春輝，李秀龍，王東閣

(珠海市測繪院，廣東 珠海　519015)

1　引　言

國民經濟建設與社會可持續發展離不開坐標基準體系的基礎保障。隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，原有二維的、參心的國家坐標系(1954年北京坐標系、1980西安坐標系)已不能滿足客觀發展需求，為此，我國利用現代空間測地技術手段建立了三維的、地心的新一代高精度坐標系[1]：2000國家大地坐標系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)。CGCS2000是我國自主建立、適應現代空間技術發展與經濟社會建設的地心坐標系。國家測繪局公告2008年第2號：根據《中華人民共和國測繪法》，經國務院批準，我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標系。2000國家大地坐標系與現行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8至10年[2]。

珠海市已有的地方坐標體系均基于1954年北京坐標系構建，限于當時的技術手段和資料條件，加上復雜的歷史原因，長期面臨著多個歷史地方坐標系共存、起算基準不統一等問題，不利于地方測繪地理信息工作的正常開展，也難以適應城市發展建設的客觀要求。

2　建設背景

基于CGCS2000坐標系更新、建設珠海地方坐標體系工作是政策基本要求，也是地方解決歷史問題和滿足建設發展的迫切需求。

2.1　政策要求

在CGCS2000啟用過渡期間，國家測繪地理信息局多次發文要求各地推廣使用CGCS2000及相關數據轉換等工作。2017 年8 月，廣東省國土資源廳下發了《關于印發使用2000 國家大地坐標系工作方案的通知》(粵國土資測繪發﹝2017﹞116 號)，要求：“市縣級國土資源主管部門按照國土資源部的統一部署和省內的具體工作安排，……完成行政區域內相對獨立的平面坐標系和2000 國家大地坐標系建立聯系的工作，……”。顯然，基于CGCS2000的坐標系建設推廣工作已勢在必行。該項工作將由測繪行政主管部門牽頭實施，形成基礎框架成果后逐步向其他領域推廣使用，意義重大。

2.2　地方坐標系概況

珠海市位于廣東省南部，珠江出海口西岸，地處北緯21°48′～22°27′、東經113°03′～114°19′之間，版圖東西走向較狹長，自西向東分別為西部的金灣、斗門區，中部的香洲區(市區)及東部的萬山區(珠江口海島區域)。東望香港、深圳，南接澳門，西靠江門，北連中山。因位于珠江注入南海之處而得名。最初于1980年香洲區成立珠海經濟特區，隨后將金灣、斗門區納入特區管轄范圍。珠海市已有地方坐標系均基于1954年北京坐標系橢球及其在地方的高等級控制點為基準，集中產生于20世紀80、90年代。20世紀80年代，作為特區的香洲區設立了83珠海相對獨立坐標系(簡稱83坐標系)，自定義中央子午線，主要應用于市區范圍內(不含東部珠江口萬山海島區域)。20世紀90年代，為滿足陸地區域(西部、中部)經濟建設需求，以陸地中心設定自定義中央子午線確定了90珠海相對獨立坐標系(簡稱90坐標系)。期間的東部萬山海島區陸續通過局部海島測圖項目建立了萬山海島坐標系及個別海島獨立坐標系，統稱萬山坐標系。由于海島間距為數公里至數十公里不等，限于當時的技術條件，難以進行全面聯測，導致萬山坐標系內部島嶼群間的坐標基準存在較大偏差。由于歷史原因，目前市區規劃建設使用83坐標系，西部為90坐標系，東部為萬山坐標系。綜上所述可知，珠海市現存地方坐標系存在諸多缺點，已不能適應新時代新發展的需求。

2.3　資料條件

現存歷史地方坐標系資料主要為83坐標系的框架網三等三角網、90坐標系的二等三角網成果、萬山坐標系二等至四等起算三角點及其加密控制點。2014年，通過珠海市基礎測繪“十二五”規劃建設完成了珠海市北斗連續運行衛星導航與位置服務系統(簡稱珠海北斗CORS)和珠海市陸海統一似大地水準面精化測繪工程兩項目[3，4]，項目成果主要包括由11個基準站組成的珠海坐標框架網和由66個點構成的首級全市域GNSS-C級控制網。上述兩項目首次通過廣東CORS站點聯測將CGCS2000坐標成果引入珠海，即珠海北斗CORS站網與首級GNSS-C級網具備CGCS2000成果，同時建立了地方坐標系：83坐標系、90坐標系與CGCS2000的有效聯系。

鑒于珠海市已有歷史地方坐標系的復雜情況：其老舊的起算基準(1954年北京坐標系成果)，多坐標系共存，起算基準不一致，應用區域分化，東部萬山區坐標系整體符合度差等不利因素，阻礙了測繪地理信息工作的有效開展與信息共享，也不符合相關政策要求，不能滿足社會發展與城市建設的客觀需求。全面建設、更新基于CGCS2000的、陸海統一的地方坐標體系是具備基礎條件的，而且是十分必要和非常迫切的。

3　建設方案

3.1　坐標系建設方案

建立基于CGCS2000的珠海地方坐標系的總體技術路線可概括為：在充分收集并分析已有成果資料的基礎上，通過采用科學嚴密的方法推算比選，確定恰當的、適合珠海市城市建設發展實際的城市獨立坐標系統。采用高斯正形投影，以CGCS2000為基礎，選取合適的中央子午線和投影面，建立新的坐標系統，滿足在整個市域控制范圍及邊緣投影長度變形值不大于 2.5 cm/km的原則[5]，且投影變形均勻，并充分顧及控制網的可擴展性，兼顧與國家坐標系統的銜接和應用的方便、成果的共享等因素。

地面上水平距離的觀測值經高程歸化和投影改化轉換為高斯投影長度值，當兩次歸化產生的綜合長度變形值不超過 2.5 cm/km時，采用國家3°帶高斯投影。而當長度綜合變形值大于 2.5 cm/km時，城市坐標系可依次采用：抵償面的3°帶高斯投影；任意帶高斯投影；具有高程抵償面的任意帶高斯投影[6]。珠海市地處東經113°03′～114°19′之間，東西最大跨度約為 120 km，若采用國家標準3°帶(東經114°00′00″)，整個西部地區都不滿足投影長度變形限差要求，即便利用高程抵償法，仍有大片區域無法滿足變形要求。根據珠海市地理版圖結合經濟社會發展情況，可采用雙投影帶方案或任意帶單投影方案。

(1)雙投影帶

顧及珠海市版圖呈東西向狹長分布的特點，在東部設立國家標準3°帶114°00′00″中央子午線投影帶，在中西部陸地中央附近(113°20′00″附近)設立任意中央子午線投影帶，組成雙投影帶，并于東西海陸交界處設立重疊帶，無須施加抵償高程，投影變形滿足要求且全地域變形量均處于較小水平。雙投影帶示意圖如圖1所示。

圖1雙投影方案示意圖

該方案較好地符合了變形量不大于 2.5 cm/km的要求，但雙投影帶將面臨城市坐標系定義不唯一[7]，未從根本上解決多套地方坐標系共存的問題，不便于跨帶應用，不利于全市地理信息數據共享與統一應用的問題。

(2)單投影帶

以全市域東西向中心任意投影(113°42′00″附近，海島區域)，西部大部分區域和東部東南側海島變形量超標，施加 160 m抵償高程極值后仍有西南角大片陸地和東南角海島不符合要求。從城市經濟社會活動活躍度出發，中部與西部陸地區域是建設發展的重心，選取單投影帶應在確保陸地區域變形符合要求的前提下兼顧海島區域。在保證陸地區域變形不超限的前提下，采用遍歷搜索法，根據東西兩側陸地區域的超限情況，發現將投影中心西移至市區陸地中心(113°33′00″)，西部變形量滿足要求，此時東部東南側海島超差(如圖2所示)。通過抵償高程和調整投影中心相結合的遴選方法，均無法避免東南側海島超差的問題。為易于使用和推廣，采用了無抵償投影的方法，無抵償高程也較適用于珠海市低海拔的現狀。對于變形超差的東南側海島，采用參數改正法解決變形超限區域實測邊長與投影長度的一致性[8]。為此，在符合全市域投影變形量最小的條件下，最終計算確定單投影帶中央子午線位于全市版圖中心附近，即113°30′00″左右，采用無抵償高程。該單投影帶示意圖如圖2所示。

圖2單投影方案示意圖

單投影帶方案可解決當前多套歷史地方坐標系共存的問題，利于統一全市地方坐標系統，便于建立全市統一的地理信息數據服務平臺，但存在東南側海島超差問題，需實施邊長改正。

3.2　坐標系框架建設方案

總體上，采取分級布設、逐級加密控制的策略，分別建立基于CGCS2000的珠海地方坐標系框架網、基準網和全面網，并據此確定新舊坐標系有效聯系。框架網由珠海北斗CORS站網構成，基準網基于已有的GNSS-C級控制網進行建設，同時布設覆蓋全市的加密GNSS-D、E級網作為全面網，其總體結構如圖3所示。

基于珠海北斗CORS 11個基準站網，該站網已覆蓋全市大部分區域，僅南部島嶼與海域未布設站點，采取新建、改建、遷建的措施實現站網優化與全覆蓋，預計建成覆蓋全市域的基準站總數達到15個，平均站間距離控制在 30 km以內。根據基準站分布情況，選取周邊廣東CORS 框架點、國內部分IGS國際跟蹤站進行同步聯測和數據處理，建立珠海新一代地方坐標系框架網，并建立與國際ITRF框架、廣東CORS框架、各歷史時期的國家和地方坐標系間的聯系，全面、完善地解決新舊坐標體系銜接問題。以框架網為基礎和起算，對珠海市域所有現存的C級GNSS控制點，國家二、三等三角點，珠海各歷史時期坐標系控制點、萬山群島坐標系控制點進行實地勘察，對于滿足觀測條件的控制點按C級GNSS技術要求進行全部聯測，局部地區進行適當加密布設C級GNSS點，構建由70個左右C級GNSS點組成的地方坐標系基準網。全面網在基準網的基礎上，按D、E級GNSS控制網技術要求進行測設。可采用整網布設，也可根據各地需求分階段、分區域逐步加密。全面網以基準網點的三維成果(CGCS2000相關成果)、二維成果(新建地方坐標系及各歷史時期坐標系)起算，從而確保全面網成果的統一和相互兼容。

圖3　坐標系框架基礎結構示意圖

4　基礎框架維持

結合珠海北斗CORS及城市基準網對新建的地方坐標體系進行實現和維持，確保滿足全市對新地方坐標系成果應用的需要。主要依托建立的框架網、基準網和全面網來進行維持，一方面，在基礎控制網建設之初，應充分考慮各控制點的長期保存和方便使用；另一方面，通過框架網(每年一次)、基準網(每5年一次)進行周期性復測，全面網則根據需要進行加密維護，對于損毀控制點進行及時維護和補充，確保全市基礎控制點具有足夠的密度，并維持其基礎控制成果的現勢性。

根據ITFR框架進行地方坐標基準框架的維持。由于國際ITRF框架具有實時、動態等特點，作為區域動態參考框架的科學目標，應開展珠海市動態參考框架維持方面的工作，即以珠海北斗CORS系統為載體，按照統一的方案聯測IGS站計算出珠海北斗CORS基準站點的日解、周解、月解和年解，研究站點三維坐標的周日、周月、季節和周年變化，通過周年變化獲取每一CORS站點的平均年變化，進而求得區域地殼運動速度場。同時，確定區域參考框架任意歷元與ITRF (yy) 間的轉換關系，維持基準框架的現勢性，并以此建立起與CGCS2000的有效聯系，達到框架維持的目的。

5　結　語

地方坐標體系更新建設是一項基礎性、公益性很強的重要工作。采用現代高精度地心坐標基準，依托衛星大地測量技術手段及相關基礎設施，可以高效地建立起符合發展需求的地方坐標體系并利于長遠的框架維持工作。建立以CGCS2000為基礎的珠海新一代地方坐標系，不僅能夠統一全市的測繪基準，解決歷史遺留問題，保持珠海各種測繪地理信息數據與國家CGCS2000的有效銜接，還可提高測繪地理信息數據獲取與更新效率，提升測繪保障服務能力，對滿足城鄉國民經濟和社會發展均具有十分重要的作用和戰略意義。