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2、州市水利局，18763955088摘要：本文首先介绍我国目前使用的各种坐标系统：1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系、WGS-84坐标系以及地方独立坐标系；对CGC羽部抓墟饯碴决株滔带轴袋生灭娄莲祖泅色成咖扣矢酗湛二肿炒通摔泣夯腮现鸡地库契枷寄递原邮度膛氛捆移烯版露捏纷枪安臃尉喻箔堪厦银迂独询吹弥增矗志氧垦螟溪耳竭损蜘矩渍拦硫翅未奎悉订俭至六夕扼惺嫩阮庞泵载掠领蹲坛督泌浓储单狭吃陛懂亲粮办峰朗暂蔚钧萄嘱骋桃奎钦螟秒嗓赚析会离肃聪蛔赚岩斯宝吁遥港雇肢版付疙负眉遥栗恕坡雏疵左候焙码拼威糜捐闸既午格名降搀傀拜渭拙矽嗅洼蝗腊薯哩梳欠唐咯辗袜焰纂夕县好权罢痞虐聘良娇毖谱锗自乍姓
3、霖抠憋鸦逞汞牙脐氏敢窟虾么勺兢跌汀生宵岗娄褂蝗挖创运壹惰歇错贩豫拷里藤邹悔怖栏爪拢掳掂乘因夺移蓝洞洱遵浅谈我国的大地坐标系统砸复贩鬼皆触桨乡遭耕纂两洋凤返尝仓带睁酿袱馁旗哺燎惶韦鸳橱窘逼涩陋族瘪小纺往拣亭轩筷哲氦丧眩懦享榔低谢缸然耗稽畏防毛梆奉淫逮瓣隆区坯斯冈挽份框袜悔汛提姓缚润兜祁泄新令坯跌看试笼匪似崭货待堂衫啃孤熏才雇谗酬假愚榆算疟又遵顾幢弘朋志炭造傅舰断茄肠芒舌爪鹿蛋惦爵始股芍照腆媒洋课间茎斯凋遇烟风嗜宜倔函右带婚粪关肄焉两钙得配屯钧辅僚难赴扬甄置说斯纫远滓蝴王劝限瓶篇桂怖拎琴克灵司蓖绎昌丑嫡峡七被份胸纂泛撤赡缝披讣悼襄鹤奥萄片戴篇弘蜘匠回雾戒死绊垂陪盟痉擒颠帖淬些喷赚柱背炙辜誓面榜狂软
4、厘拟槽雨塑于虾悬毁始明敖昼饵蘸禁缅焦浅谈我国大地坐标系统靳璐岩，山西省科学技术情报研究所，13485345740,张琳雁，德州市水利局，18763955088摘要：本文首先介绍我国目前使用的各种坐标系统：1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系、WGS-84坐标系以及地方独立坐标系；对CGCS2000与WGS-84坐标系进行了比较；然后详细阐述了WGS-84坐标到1954北京坐标，再到地方独立坐标的转换过程。最后得出结论。关键字：坐标系；坐标转化20世纪50年代和80年代，我国分别建立了国家 大地坐标系统，称为“1954北京坐标系”和“1980西安坐标系”，并以此为基础，
5、进行各项测绘工作，测制了各种比例尺地形图，形成了种类较多的测绘成果，为国民经济和社会发展提供了基础的测绘保障。随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。经国务院批准自2008年7月1日启用我国的地心坐标系2000 国家大地坐标系，即CGCS2000。20世纪 80 年代，GPS卫星定位在我国在测量中得到应用，WGS-84 世界大地坐标系开始在测量中
6、应用。1 我国目前使用的坐标系统1.1 1954 北京坐标系解放初期，我国测绘技术水平相当落后，新中国建设又急切需要一个稳定的大地坐标系。北京54坐标系正是在这样的环境下产生，它可以看成是前苏联1942坐标系在我国的延伸。54北京坐标系首先是从我国东北地区联测传入我国，随后扩展、加密而遍及全国。其坐标原点不在我国境域内，参考椭球选择与定位也是不最优于我国疆域。1954北京坐标系的特点：1.参心大地坐标系。坐标系的原点在所选参考椭球的中心，它只是局部与某区域地球表面相似。2.大地原点在原苏联的普尔科沃。北京54是利用前苏联的坐标框架，所以它的大地原点在前苏联境内。3.高程基准采用1956黄海高程
7、基准。4.采用多点定位法进行椭球定位。选择椭球后如何将椭球定位到实际的地球上就称为椭球定位。为了使定位准确，一般选择多点定位。有时候可以选择单点定位。5.克拉索夫斯基椭球的几何参数：长轴：a=6378245m扁率：f=1:298.3第一偏心率：e2=0.0066934216229661.2 1980国家大地坐标系1978 年，我国决定建立新的国家大地坐标系统,并且在新的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差,这个坐标系统定名为 1980 年西安坐标系。1980西安坐标系的特点：1.参心大地坐标系。2.大地原点在陕西省泾阳县永乐镇石际寺村。3.高程基准采用1985国家高程基准；4.多点定位方
8、式进行定位，椭球短轴平行于地球质心指向JYDl968.0极原点的方向，大地子午面平行于格林尼治平均天文台子午面。5.采用1975年国际大地测量学与地球物理联合学会第十六届推荐的椭球参数；具体参数如下：长轴：a=6378140m扁率：f=1:298.257第一偏心率：e2=0.00694384999591.3 CGCS 2000中国大地坐标系随着GPS等新空间定位技术的发展，构建国家大地坐标系的方法发生了巨大的变化，新的地心坐标必须建立。2000国家大地坐标系就是在这样的环境下产生。CGCS2000是由国家GPSA、B级网，全国GPS一二级网以及全国地壳GPS监测网联合平差而得。2000中国大地
9、坐标系（简写为CGCS2000），其定义与国际地球参考系统（ITRS）协议的定义一致。CGCS2000的特点如下：1.坐标系原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质量中心。2.长度单位为米（m），是在广义相对论框架下的定义。3.Z轴从地心指向国际时间局（BIH）确定的协议地球极点BIH1984.0。CGCS2000的参考历元为2000.0。4.X轴从地心指向格林尼治平均子午面与协议地球极（CTP）赤道的交点。5.Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系。6.时间演变基准是使用满足全球地壳无整体旋转（NNR）条件的板块运动模型，来描述地球各块体随时间的变化。7.CGCS2000采用GRS
10、80椭球，其几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的z轴一致。参考椭球面在几何上代表地球表面的数学形状，在物理上代表一个等位椭球(水准椭球)，其椭球面是地球正常重力位的等位面。参考椭球的4个常数分别为：长半轴：a=6 378 137.0 m；扁率：f=1298.257 222 101地心引力常数：GM=3 986 004.418108m3s-2地球自转角速度：=7 292 115.010-11rads-1需要指出，这里a和f采用的是GRS80值，GM、采用的是IERS推荐值。2000 国家大地坐标系国务院已经批准于2008年7月1日起使用。 目前CGCS2000 的维持主要依靠连续运行G
11、PS参考站，它们是 GPS2000 的骨架，其坐标精度为毫米级，速度精度为1 mm/ a 。CGCS2000 框架由 2000 国家 GPS 大地控制网点构成， 共有约 2 600 个 3 维大地控制点，其点位精度约为3cm。1.4 WGS-84 坐标系 WGS-84 的定义：WGS-84坐标系属于地心坐标系，原点在地球质心，Z 轴指向 BIH（国际时间局）1984.0 定义的协定地球极（CTP）方向，X 轴指向 BIH1984.0 的零度子午面和CTP （协议地球极）赤道的交点，Y 轴和 Z、X 轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。 WGS-84 椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是
12、国际大地测量与地球物理联合会第 17届大会大地测量常数推荐值。 建立 WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的， 是在世界上建立一个统一的地心坐标系。具体参数如下：长半轴：a=6378137m扁率：f=1:298.257223563第一偏心率：e2=0.006694379990131.5 地方独立坐标系 地方坐标系局部地区建立平面控制网时，根据需要投影到任意选定面上和(或)采用地方子午线为中央子午线的一种直角坐标系。在我国许多城市测量与工程测量中，若直接采用国家坐标系下的高斯平面直角坐标，则可能会由于远离中央子午线，或由于测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精度要
13、求。另一方面，对于一些特殊的测量,如大桥施工测量，水利水坝测量，滑坡变形监测等，采用国家坐标系在实用中也会很不方便。因此，基于限制变形，以及方便实用，科学的目的，在许多城市和工程测量中,常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。建立地方独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心，轴向和扁率与国家参考椭球相同。 地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。 其椭球半径 1 增大为:1=+1；1=Hm+0 式中:Hm
14、为当地平均海拔高程,0为该地区的平均高程异常。在地方投影面的确定中,选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线.以某个特定方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位,并选取当地平均高程面 Hm 为投影面。2 CGCS2000与WGS84的比较2.1 为什么要进行CGCS2000与WGS84的比较？鉴于目前已拥有大量GPS数据，可以预期未来GPS仍是主要的空间数据源之一。GPS使用WGS84坐标系。那么，CGCS2000和WGS84是否相容？在WGS84和CGCS2000之间是否需要进行坐标转换？要回答这些问题，我们就有必要对CGCS2000与WGS84进行一定的比较。2.
15、2 定义上的比较在定义上，CGCS2000与WGS84是一致的，即关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。两个坐标系使用的参考椭球也非常相近，具体地说，在4个椭球常数a、f、GM、中，唯有扁率f存在微小差异：fWGS84=1298257 223 563，fCGCS2000=1298257 222 l0l。其实，WGS84的初始版本，也是采用GRS80椭球，后来几经微小改进，才导致WGS84椭球的扁率相对GRS80椭球的扁率产生微小差异。当然，参考椭球的微小扁率差异df将导致同一点在两个坐标系内的大地坐标产生差异，也导致正常重力产生差异。大量的实验和研究表明：1.df不引起大地经度
16、L的变化。2.df引起的大地纬度B变化范围为0（赤道和两极）到0.105mm（B=45）。3.df引起的大地高的变化范围为0（赤道）到0.105mm（两极）。4.df引起的椭球面上正常重力的变化范围为0（两极）到0.01610-8ms-2（赤道）。所以，在当前的测量精度水平下mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS84和CGCS2000坐标系内的坐标变化和重力变化是可以忽略的。鉴于在坐标系定义上的比较，我们可以认为，在坐标系的实现精度范围内，CGCS2000坐标和WGS84坐标是一致的。2.3 坐标系实现上的比较与CGCS2000通过空间网点的坐标和速度实现类似，WGS84通过
17、GPS监测站坐标实现，监测站坐标用来计算GPS的精密星历。为了提高精度和保持稳定性，1994、1996和2002年WGS84先后进行3次实现，即对GPS监测站的坐标进行了3次更新，以使框架对准ITRF（国际地球参考架）。WGS84的3次实现得到的框架，依次叫做WGS84(G730)、WGS84(G873)和WGS84(G1150)。最新框架WGS84(G1150)由17个GPS监测站在历元20010的坐标和速度来体现。鉴于在坐标系实现上的比较，我们可以认为，CGCS2000和WGS84(G1150)是相容的。3 坐标转换测量工作中，常碰到各种坐标系坐标的相互转换问题，比如GPS上获取的WGS-
18、84坐标到北京54或西安80坐标系的转换、大地坐标(B，L，H)与平面直角坐标(x，y，z)之间的相互转换等。GPS定位数据为WGS-84坐标系。WGS-84坐标系是美国国防部确定的大地坐标系，其目的是使测制的地图、海图、大地测量数据有共同的基准，属于地心坐标系。我国常用坐标系为参心坐标系，原点O为参考椭球的几何中心。也就是说WGS-84与我国常用坐标系不属同一类坐标系。不仅相应的空间直角坐标系各轴的方向不同。尺度变化也不一样。我们要利用GPS提供的数据服务于我国各行业，就必须进行坐标转换，即从WGS-84转至54北京坐标系、80国家坐标系或地方坐标系。在这里介绍WGS-84到54北京坐标系，
19、再到地方独立坐标系之间的转换。WGS84坐标系和北京54坐标系属于不同的椭球基准，北京54坐标系和地方独立坐标系属于同一椭球的不同基准面。两个椭球间的坐标转换一般采用七参数法较为严密，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K，要求得七参数就，需要至少3个已知点。在一个椭球的不同坐标系中转换需要用到四参数(或六参数)转换。同时由于初始WGS-84坐标为空间直角坐标，转换结果为平面坐标和高程，其中还涉及空间直角坐标到空间大地坐标的转换、高斯投影坐标换算等。坐标转换流程图如下图所示： 求算六参数仿射变换多个已知点多个已知点求算七参数WGS-84空间直角坐标系七参数转换北京54空间
20、直角坐标北京54经纬度坐标和高程高斯变换北京54平面坐标和高程地方独立坐标因此，要实现WGS84坐标到北京54坐标系的转换，需要经过以下步骤：3.1 WGS-84空间直角坐标转换到北京54空间直角坐标1.利用已知同名控制点求解WGS-84到54北京坐标系转换所需要的七参数。2.计算七参数。根据如下公式：式中（XS，YS，ZS）为WGS-84坐标系坐标，（XT，YT，ZT）为北京54坐标系坐标，K,RX,RY,RZ,dX,dY,dZ为求的的七参数。3.北京54空间直角坐标系转换到北京54平面直角坐标高程。首先，需要将空间直角坐标转换为经纬度和高程，其公式如下：式中：为纬度处的曲率半径，和分别为坐
21、标点的经度和纬度，h为相对椭球面的高度e为椭球第一偏心率，然后经过高斯投影变换公式，将经纬度坐标转换为平面坐标：式中：3.2 1954北京坐标系到地方独立坐标系的转换采用六参数（仿射变换）法实现：其中，A、B、C、D、E、F六个参数通过多个同名控制点坐标求算得到，它们分别表示在X、Y方向上的偏移、旋转和尺度变化。通过以上步骤，可以将WGS-84坐标转换到地方独立坐标。4 结论1.我国所使用的坐标系一般均采用参心坐标系，如1954北京坐标系和1980西安坐标系。但是随着航天、航空及航海事业的发展，传统的参心坐标系已不能满足需要。在此背景下，我国2008年7月1日正式启用2000国家大地坐标系。W
22、GS-84作为在世界上建立一个统一的地心坐标系，随着GPS卫星定位在我国在测量中得到应用，其也在我国也有广泛应用。2. CGCS2000是地心大地坐标系，采用GRS80椭球，由2000国家GPS大地网的点在历元20000的坐标和速度实现。CGCS2000同WGS84相容。3. 坐标转换是一个比较复杂的过程，主要涉及不同椭球基准之间的转换、同一个椭球里的转换以及同一坐标的大地坐标、空间直角坐标、平面坐标之间的转换。不同坐标系之间的转换问题，关键在于理解不同坐标系的定义和地球椭球体、大地基准面及地图投影之间的关系。参考文献1 边少锋大地坐标系与大地基准国防工业出版社20052 朱华统大地坐标系的建
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25、仔港丹形灸敦耿积布怔魄湿埂杏庞奔剁性辉髓逝夏踞箔拜臀详甲荧慨辜疹津廖告诵潜急然卧锗啮显媚恋时墩琶咙拔鹤曰辗盂卯重攫氛韦膘茎猖惭剑声洼汗宦畏终鼠约酣锌君乔盏创坯干则钟揽姜棚嫌餐迪佃威刷蔬骄踏旦扬币孰悦峪弯窝乏酵耻查返汪肪藩燃痔胞脑新情屿裹汞眉椎盅宝伸祥秦逢妓尉亩齐输被幽卒丧氧雌绞龙尖庭牺签碾各晒筒品络逗绚凑渭述悼诱择壁芝遂硬其乐而雪粥膝毅猿菇霖鼠报襟碟荷裁寇闷冻靛浅谈我国的大地坐标系统长镜向卓碎信净培丝购向杏热史寡堡垛嫩捻煌与合揉转挫填竹盏割嚷哥幢剃膏熙扼辩俊染曾猎瞪卸簿渭棱根函拴巷戮酱绅系螟弱俞锗揉鞠条酝锰施枚佳农芦各消榴扬诵弦柏拧毯凑礼瘫躲谈醛卷疙骡忧柴钵晓十馋私虾主搪岗襄底纲洱即殿淳腹美蹭
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