三維空間直角坐標轉換的Bursa模型抗差解法

陳再輝

三維空間直角坐標轉換的Bursa模型抗差解法

陳再輝

（麗水市建設技術管理中心，浙江 麗水 323000）

對于空間直角坐標轉換精度的研究主要是轉換模型的選取和抗差估計理論的應用，通過各種模型和算法提高轉換參數的解算精度。針對空間直角坐標轉換中的布爾薩（Bursa）模型的嚴密公式，給出了模型的抗差求解方法和具體的解算步驟，解算過程更為嚴謹。使用常用的幾種權函數進行模型參數的抗差解算，對其求解參數的收斂速度進行比較分析。通過具體實例驗證了方法的有效性和可靠性。

空間直角坐標；布爾薩模型；抗差估計；粗差

0 引言

生產實際中經常需要進行數據的坐標轉換：一種是同一橢球不同坐標形式的轉換，另一種是不同橢球之間的坐標轉換。空間直角坐標系是坐標轉換中連接不同基準的橋梁，利用兩個坐標系的兩套重合點坐標求取轉換參數，進而進行坐標系統轉換。公共點坐標的精度直接影響轉換參數的求解精度，對于提高空間直角坐標轉換精度的研究主要是轉換模型[1-3]和抗差估計[2-5]算法。文獻[1]提出了空間直角坐標的統一轉換模型，采用正交普羅克魯斯忒斯（Procrustes）分析，對模型進行求解,但是正交Procrustes分析構建矩陣、分解矩陣的過程比較繁瑣。文獻[2]針對大旋轉角坐標轉換的模型線性化復雜、計算量大等問題，并顧及數據粗差對計算結果的影響進行了研究。文獻[3]對三維坐標轉換的高斯-赫爾默特模型，采用牛頓-高斯迭代算法時，模型不受旋轉角度大小限制的問題進行了研究。

當觀測數據含有粗差時，如何通過算法將其糾正，保證模型參數解算的可靠性，國內外研究者進行了大量的相關研究，主要是粗差探測與剔除和抗差估計算法[2-5]。文獻[2-3]使用了抗差估計的理論，穩健性良好，但是存在大量的矩陣運算。文獻[4]根據穩健估計理論,對有粗差的公共點以重新定權的方式降低其在解算中的作用。抗差估計可以有效地剔除和糾正粗差數據的影響，文獻[5]將抗差估計理論用于布爾薩（Bursa）參數的求解，但使用的是簡化了的Bursa公式，忽略了二階以上的項[5-6]。本文使用Bursa七參數轉換的嚴密公式進行求解和分析，并對常用的幾種權函數的收斂速度進行比較和分析。

1 Bursa轉換模型[6]

Bursa坐標轉換模型為

取

式中下角標C和O分別表示轉換值和已知值，則誤差方程式為

矩陣形式為

法方程為

其解為

2 Bursa模型抗差解[7]

轉換參數抗差解的+1步迭代表達式為

式中

抗差模型的計算步驟：

3 算例分析

取浙江省麗水市蓮都區某區域兩套重合點的空間直角坐標作為起算數據，總共27個點，隨機取3個點（1號點、26號點和27號點）作為檢核點，其余24個點作為起算數據進行解算。隨機取兩個點（15號點、16號點）模擬粗差數據，在這兩個點的、、坐標分量上加入粗差，點位分布示意圖如圖1所示。

圖1 點位分布示意

表1 7參數模型解算結果表

表2 檢驗點1號點、26號點、27號點坐標差值 單位：mm

表3 加入不同粗差值并使用不同權函數的結果

圖2 無粗差時LS模型解算結果的殘差

圖3 含粗差時抗差估計方法解算結果的殘差

對于不同數值的粗差，同一權函數模型解算的迭代次數變化較小，當加入的粗差數值不斷減小時，迭代次數增大。對于相同數值的粗差，使用IGGIII模型權函數時迭代次數最少，函數收斂速度最快，Huber模型權函數迭代次數最多，函數收斂速度最慢，其中使用IGGIII模型權函數時，迭代次數受粗差大小的影響較小。求解過程中發現，使用Tukey模型權函數時，系數矩陣秩虧，使用改進的Tukey模型權函數解算成功，達到預期的目的。

4 結束語

本文針對不同基準坐標轉換中的空間直角坐標轉換的Bursa模型的嚴密公式，給出了模型的抗差求解方法和具體解算步驟，解算過程更為嚴謹。當原始數據含有粗差時，使用抗差估計方法可以直接對粗差進行剔除和糾正，保證了解算的可靠性。在使用抗差模型求解轉換參數時，對于使用不同的權函數時的收斂速度進行了比較和分析。

[1]吳繼忠, 王安怡. 空間直角坐標轉換的統一模型[J]. 大地測量與地球動力學, 2015, 35(6): 1046-1048.

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[3]劉超, 王彬, 趙興旺, 等. 三維坐標轉換的高斯-赫爾默特模型及其抗差解法[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2018, 43(9): 1320-1327.

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[5]倪飛, 崔桂官. 空間直角坐標系統轉換的抗差算法研究[J]. 海洋測繪, 2011, 31(6): 28-30.

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[7]楊元喜. 抗差估計理論及其應用[M]. 北京: 八一出版社, 1993: 273-275.

Bursa model robust solution for cartesian coordinate transformation in three-dimensional space

CHEN Zaihui

（Lishui Construction Technology Management Center, Lishui，Zhejiang 323000, China）

The research on the accuracy of space rectangular coordinate transformation is mainly the selection of transformation model and the application of robust estimation theory. Through various models and algorithms, the accuracy of transformation parameters is improved. Aiming at the rigorous formula of Bursa model in space rectangular coordinate transformation, this paper gives the model's robust solution method and specific solution steps, and the solution process is more rigorous. Several commonly used weight functions are used for robust calculation of model parameters, and the convergence speed of their solution parameters is compared and analyzed. The effectiveness and reliability of the method are verified by specific examples.

spatial Cartesian coordinates; Bursa model; robust estimation; gross error

P228

A

2095-4999(2021)02-0118-04

陳再輝.三維空間直角坐標轉換的Bursa模型抗差解法[J].導航定位學報,2021,9(2): 118-121.（CHEN Zaihui.Bursa model robust solution for cartesian coordinate transformation in three-dimensional space[J].Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 118-121.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210219.

2019-12-03

陳再輝（1981—），女，陜西富平人，碩士，高級工程師，研究方向為GIS和GNSS。