福清市2000國家大地坐標系坐標轉換實踐和探索

黃宗露

（福州市勘測院有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

20世紀80年代初，我國通過天文大地網整體平差，建立了1980西安坐標系[1]，它的表現形式為二維平面坐標，是參心坐標系。隨著科技的進步和社會的不斷發展，2000國家大地坐標系應運而生。這是我國自主建立，是以全球參考基準為背景的、全國統一的、協調一致的坐標系統，具有高精度、動態、適應現代化空間技術發展趨勢等特點。

福清市國土已有成果大多數采用1980西安坐標系，與國家最新要求的2000國家大地坐標系不統一。為了保證坐標轉換的精度，本文就福清市域范圍內，對均勻分布的30個控制點采用GPS-C級進行觀測，平差后的坐標成果用于計算福清區域內1980西安坐標系與2000國家大地坐標系之間的轉換參數，并分析其轉換精度和經驗總結。

1 作業實施

1.1 資料收集及分析

1.1.1 福州市GNSS綜合服務系統（FZCORS）

福州市建設好的GNSS基準站有7座，等級為GPS-A級，分別為福清站、江陰站、平潭站、永泰站、連江站、軟件園站、長樂站，構成了福州市GNSS綜合服務系統，基本覆蓋了整個福州市。所有基站均確定了精確的2000國家大地坐標系、1980西安坐標系、1954北京坐標系、WGS-84坐標系成果，該成果已通過驗收。因此，FZCORS可作為本項目GPS觀測點1980西安坐標及2000國家大地坐標的起算基準。

1.1.2 控制點選取

控制點選取參照因素有2個：一是福清國土要求1.5個月左右的時間完成驗收并出具成果，如果重新埋設點位，工期達不到業主的需求；二是利用GPS控制點計算坐標轉換參數，GPS控制點需均勻分布，覆蓋整個測區，并保證GPS測量成果時效性（或現勢性）。

綜上考慮后，收集了福清市國土已有點位資料，其中C級GPS點有20個，D級GPS點有106個，E級GPS點326個，經過內業網形設計和實地踏勘，選取均勻、穩定分布的30個點位進行觀測。

1.1.3 其他資料

收集測區已有的地形圖、影像圖和政務電子地圖等資料，可以作為網形設計及點之記使用，也可以充分了解測區交通線路等情況。

1.2 技術路線

利用GPS技術，按照整體設計、統一布網的原則，建立和維持GPS控制網[2]，提供高精度的二維控制成果用于計算轉換參數。技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖

1.3 外業施測及數據處理

1.3.1 外業觀測

按照GPS-C級觀測要求，本次采用Trimble R4-3型GNSS接收機進行外業觀測，作業模式為靜態定位，與FZCORS站進行聯測，連續觀測時間大于8小時。

1.3.2 外業數據整理

（1）天線高的整理歸類：列出并仔細檢查天線高的信息，包括天線的類型、天線高值、天線高的量測方式等[3]。

（2）RINEX格式的轉換：外業數據采集采用天寶GNSS接收機，為了方便數據處理，將接收機原始觀測數據統一轉換為RINEX格式[4]，用軟件將觀測數據并按時間拆分成2個時段。

（3）數據歸類：以時段號建立目錄，目錄名最好為六個字符，如YYDAYS，YY為年的后兩位，DAY為年積日，S為時段號[5]。將同一年積日不同測站的數據拷貝至該目錄下，每個測站包含2個文件，一個為觀測數據O文件，一個為觀測星歷N文件。

（4）下載所需要的FZCORS站數據。

1.3.3 GPS數據處理

基線解算采用軟件是Trimble Business Center 5.0，將外業觀測數據和FZCORS站數據進行基線解算，在基線解算完成后，根據規范相關要求，對各項精度指標進行評定，當指標都符合要求后才能進行下一步工作。

平差采用的軟件是武漢大學編制的CosaGPS V5.21，對各觀測網的獨立基線向量及其全協方差矩陣進行無約束平差和約束平差，得到30個觀測點位在1980西安坐標系和2000國家大地坐標系下的二維網平差成果，對各項指標進行評定，并與點位已有的坐標值進行比對，保證平差結果的準確性。

1.4 坐標轉換參數的求取

1.4.1 轉換模型的選擇

目前通常使用的轉換模型有布爾沙模型、三維七參數轉換模型、二維七參數轉換模型、二維四參數轉換模型、三維四參數轉換模型等眾多轉換模型[6]，不同的轉換模型其轉換流程、適用范圍也不盡相同。本項目將采用二維四參數轉換模型計算轉換參數。轉換參數計算流程如圖2所示。

圖2 參數計算流程

1.4.2 重合點選取原則

選取具有1980西安坐標系和2000國家大地坐標系這兩種坐標系的控制點作為重合點。重合點選取的基本原則是：等級高、精度高、分布均勻、覆蓋整個轉換區域、局部變形小[7]。

1.4.3 本次計算參數的軟件

本次計算參數的軟件采用南方坐標轉換處理軟件。

1.4.4 計算坐標轉換參數

為了計算轉換參數的可靠性和準確性，將30個重合點代入轉換模型，采用最小二乘法計算轉換參數，用得到的轉換參數計算重合點坐標殘差，剔除殘差大于3倍點位中誤差的重合點，再以剩下的點重新計算轉換參數，直到所有參與計算轉換參數的點都滿足精度要求為止，然后利用未參與計算轉換參數的重合點作為外部檢核點進行檢核，最終求得轉換參數[8]。本次項目最終從30個控制點選取22個重合點作為計算轉換參數，另外8個點位作為外部檢核點。

1.5 轉換參數精度評定

1.5.1 內符合精度

通過22個重合點參與四參數計算，內符合精度見圖3。

圖3 內符合精度圖

經統計，X方向最大殘差為0.879 mm，Y方向最大殘差為0.668 mm，X方向點位中誤差為±0.365 mm，Y方向點位中誤差為±0.331 mm，平面點位中誤差為±0.493 mm，殘差均小于3倍的點位中誤差，精度良好，符合轉換要求。

1.5.2 外符合精度

利用未參與計算的8個重合點參與轉換參數檢核，外符合精度見圖4。

圖4 外符合精度圖

經統計，檢核點X方向最大差值為0.384 mm，Y方向最大差值為-0.343 mm，X方向點位中誤差為±0.227 mm，Y方向點位中誤差為±0.239 mm，平面點位中誤差為±0.330 mm，精度良好，符合轉換要求。

2 作業中存在的問題及解決辦法

（1）該項目工期緊，從開始到結束，只有短短一個多月的時間，利用已有點位進行踏勘、選點，從而保證工期順利進行。

（2）部分點位位于山上，把點位導入奧維軟件中，方便尋找位置，順便把軌跡記錄下來，為后面靜態觀測找點做準備。

（3）由于觀測較長時間，為了防止儀器出現故障，電池老化續航差等情況，項目組在觀測前將儀器進行測試，并購買了外掛電池，確保儀器能連續記錄8小時以上GPS靜態數據，再投入作業中。

（4）每天觀測點位多、覆蓋范圍廣，對觀測人員、車輛、儀器等安排需做嚴密的計劃，確保觀測人員在規定時間內到達點位上。

（5）做好數據備份，生產管理中應重視過程數據的保存、留底。由于項目作業人員多、作業范圍廣，可能發生各種造成數據丟失的突發情況。

（6）內業處理過程中部分指標容易超限，需要對各種數據進行分析。項目組在解算過程中咨詢了開發軟件的老師，并查閱相關規范，保證解算的各項指標符合規范要求。

（7）在求取轉換參數時，將所有的重合點導入軟件中，對于不符合精度和不夠均勻的點位進行取舍，選取精度最好的一組重合點位參與計算參數。

（8）依據求取的參數，把轉換后的數據與已有的資料進行比對，進一步分析其精度，直到滿足所有精度后才投入使用。

3 結束語

福清市2000國家大地坐標系坐標轉換項目的實施既符合國家、福建省國土資源廳等相關政策要求，又符合福清市城市發展及業務實際需求[9]。從項目情況來看，依據最新觀測的GPS點求取坐標轉換參數，保證了現勢性和精度，達到了毫米級精度的轉換效果，能夠滿足實際工作的需求。該項目的順利進行，可為同類工程的實施提供很好的思路和參考意義。