地質勘探測量中坐標系的選擇及轉換方法分析

高紹杰

摘要：針對坐標系及其坐標轉換在地質勘探測量工作中的重要意義，介紹幾種典型坐標系，為坐標系選擇提供參考，并詳細分析了一種坐標轉換方法。

關鍵詞：地質勘探測量；坐標系選擇；坐標轉換

地質勘探不同時期可能會用到不同的坐標系，而不同坐標系間坐標能否快速準確的轉換決定了勘探工作質量。但由于受到外界因素的影響，使得地質勘探測量在坐標轉換方面離預期還有一定差距，因此有必要對坐標系選擇和坐標轉換進行分析，從而為地質勘探測量工作的發展積累經驗與方法。

1.地質勘探測量坐標系選擇

1.1“1954北京坐標系”

該坐標系出現后，很快在國內得到普及，并在一段時間后成為我國大地坐標系。為適應當時的測繪事業發展需要，借助該坐標系十分重要。該坐標系對我國大地坐標進行了統一，在國家建設方面，貢獻巨大。然而，因受到歷史條件等因素的制約，該坐標系也存在一些問題和缺陷，表現為：第一，參數誤差偏大，相比目前的精確值，在長半軸上大了近100m，且扁率倒數也相差近5×10^-2。第二，目前的地球橢球同時具備四種參數，除基本的幾何參數外，還包含物理參數，但是該坐標系只有兩個參數，而且都是幾何參數，難以滿足當前的測量基本要求。第三，由橢球定位確定出的橢球面無法和似大地水準面良好吻合，在西向東方向上有一定系統傾斜，最大傾斜值可達60m以上。第四，橢球短半軸無法正確指向，這和目前的地球極無法匹配；第五，精度已不滿足要求。

因該坐標系所有坐標的計算都采用平差法，以逐級控制分區為基礎，所以對天文大地網而言，其精度會受到等三角鎖直接影響，這限制了有較高精度且結構堅強的二等全面網作用發揮。在完成平差后，一等鎖網和二等鎖網的結合點，大部分二等網觀測方向對應的改正數可能會超出最大誤差。通過對1.5萬個點的平差結果統計，并借助目前具有較高精度的GPS網檢驗大地網實際成果，發現采用以上方法所得成果有一定平差變形。局部地區在鎖網的結合點產生了裂縫。

1.2“1980西安坐標系”

在1980年我國建立了大地坐標系之后，將其稱之為1980西安坐標系。通過歸納和總結，該坐標系主要具有以下特點：第一，相比1954北京坐標系，它具有更高的精度；第二，橢球參數完整，在確定幾何形狀的基礎上，還能分析描述物理特征，實現了大地重力和大地測量的參數結合目標；第三，該坐標系的橢球參數和1984年由IAU提出的常數系統有關參數保持高度一致；第四，相較于1954北京坐標系，無論是參考基本面還是軸系，都十分明確；第五，在橢球定位的支持下，其參考橢球和目前國內的似大地水準能良好吻合，在我國東、西部分別穿過兩個高程異常等值線，絕大部分地區的高程異常都處在+20m～20m范圍內；第六，這一坐標系是充分利用我國近三十年積累的三角測量、天文及重力相關專業資料而建立的符合我國國情與特色的專屬坐標系。

13“2000國家大地坐標系”

該坐標系將地球質量中心作為原點；Z軸從原點指向歷元為2000.0的地球參考極，這一指向將國際時間局提出的初始指向作為依據進行計算，由于時間演化具有定向性，所以能確保地殼不會產生殘余旋轉；x軸從原點指向赤道面和子午線的相交點，如圖1所示。

該坐標系的應用具有重要科學意義，主要表現在以下幾個方面：在經濟社會快速進步的今天，無論是航天、氣象，還是建設、規劃，所有領域的科研工作都要得到一個統一坐標系的支持，以此對信息進行處理；推動國民經濟建設，提高社會效益，比如為防災、應急系統構建提供基礎支撐；加速國內應用遙感技術，充分發揮在生態及資源監測等領域具有的重要作用；滿足運輸業安全需要，采用車載定位可以獲取三維坐標，反映出具體的地理位置，同時在導航地圖的幫助下，選取最佳的運輸路徑，規避障礙和危險。

1.4“WGS-84坐標系”

WGS-84坐標系是在世界范圍內應用的地心坐標系統，將地球質心作為原點，z軸從原點指向協議地球極，X軸從原點指向赤道與子午面的相交點。該坐標系是對NSWC9Z-2參考系尺度及原點進行修正后，通過旋轉使基于BIH的零度子午面與參考子午面保持一致而獲得的新坐標系統，屬于地心固連坐標系。

2.地質勘探測量坐標轉換

在地質勘探測量工作中，考慮到工作性質和程度存在一定差別，所以通常要先在勘探范圍內進行小比例尺勘探，以此確定異常源與具體位置?；诖?，選定并建立適宜的坐標系是首要解決的問題，以便后續的工作能夠和之前順利銜接。在搜集勘探區基本資料的基礎上（包括各種比例尺的地形圖與國家控制點的相應坐標），明確坐標系來源，區分坐標系類型，然后借助GPS對已知點進行校核，在校核時，需要重復多次，得以最大限度地減小誤差。如果誤差控制在10m之內，則GPS可以滿足填圖與測網的基本要求。與此同時，根據相關規范的要求，如果填圖與測網在1：10000以上，則要利用3。帶坐標，對子午線的經度進行輸入即可。為更加方便的使用與銜接資料，若測量工作難以跟進，或測網未進行聯測，則在規范的要求下，必須埋設不少于3個標石，以便后續進行轉換。其他階段的測量必須跟進，包括普查階段、詳查階段與開采階段。為確保各方面工作順利開展，并適應新的坐標系統，需同時提供其他坐標系。根據傳統的方法，在搜集勘探范圍內所有控制點后，將其引入測區當中。

在技術裝備快速發展的情況下，很多單位配置了雙頻接收機，利用此接收機，僅需在已知點上連續觀測4h，即可向數據中心傳輸觀測數據，引入國家網實施解算，獲得以上坐標系的具體坐標值，為測量人員提供了極大的便利。最后再借助轉換軟件，實現坐標系坐標的計算與轉換。

上述坐標系的轉換實際上就是對橢球參數進行轉換，由于在相同或不同橢球進行轉換是完全不同的，所以沒有一套通用的轉換系數，各地區也不盡相同。這是因為不同地區有其對應的橢球基準。鑒于此，坐標轉換需應用Bursa模型，即所謂的七參數轉換法。由于每個點都有其對應的坐標與高程，所以必須要有三個及以上的點才可以進行結算，其他的點需要算出最值，當使用不同軟件時，可能會得到不同的結果，但差別不會很大，前提是轉換模型完全正確。以54系至80系的轉換為例進行分析：先將54系坐標轉換為該系的高斯平面坐標；然后將這一坐標再轉換為直角坐標；利用七參數將直角坐標轉換為80系的對應的坐標；將得到的80系直角坐標采用相同的方法轉換為高斯平面坐標；最后將其轉換為80系坐標。為便于計算，很多軟件都具有直接轉換功能，不涉及轉換和計算的過程，但這并沒有得到人們的重視，甚至一部分單位不會使用這種軟件，一味使用舊軟件或其他軟件代替，不僅影響工作效率，還難以保證結果的準確性。因此，有必要提出此類軟件的使用方法：打開軟件，點擊“轉換”按鈕，找到并點擊“坐標轉換”按鈕，分別選定原、新坐標系，在表格的空白處輸入坐標（也可直接傳輸公用點文件），輸入完成后對中央子午線進行設置，點擊“計算”按鈕，系統自行運算于右側邊框顯示結果，提供保存功能，后續再用時無需重復計算，重新選定計算的類型，兩側均選大地坐標，確認下面標題變化正確后，輸入轉換點坐標，單擊“轉換”按鈕，即可得出轉換后坐標。

3.結束語

綜上所述，在地質勘探測量中，選擇正確的坐標系，并采用適宜的方法進行坐標轉換具有重要現實意義，除了與勘探工作效率有密切關系以外，還決定了勘探結果的質量。因此，在實際工作中，要根據規范要求和實際情況選擇坐標系，并掌握坐標轉換方法，以此高效、準確的完成坐標