我國現(xiàn)行坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換

1、西安科技大學(xué)科技論文我國現(xiàn)行坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換作者：長孫建坤專業(yè)名稱：測繪工程2015年5月15日目錄1?我國測量坐標(biāo)系統(tǒng)概述 . 32?各種坐標(biāo)系的幾種表達(dá)形式 . 33?我國現(xiàn)階段并存的幾種坐標(biāo)系統(tǒng)簡介. . 33.5. 地方獨立坐標(biāo)系. 54.坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換. . 54.1. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換必要性的分析 . 54.2. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換嚴(yán)密性的分析 . 64.3. 不同橢球之間大地坐標(biāo)的差異性 . 64.4. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法 . 61. 我國測量坐標(biāo)系統(tǒng)概述我國測量坐標(biāo)系統(tǒng)beijing54參心地心cgc2000坐標(biāo)坐標(biāo)我國測量坐標(biāo)系xian80系111系wgs84在大地測量學(xué)中，坐標(biāo)系分為兩大類：

2、地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系。地心坐標(biāo)系是坐標(biāo)系原點與地球質(zhì)心重合的坐標(biāo)系；參心坐標(biāo)系是坐標(biāo)系原點位于參考橢球體中心，但不與地球質(zhì)心重合的坐標(biāo)系。我國使用的 1954 北京坐標(biāo)系， 1980 西安坐標(biāo)系都屬于參心坐標(biāo)系。gps 中使用的世界大地坐標(biāo)系wgs - 84 屬于地心坐標(biāo)系，我國最近開始啟用的中國大地坐標(biāo)系2000 （即cgcs2000 , 也屬于地心坐標(biāo)系。2. 各種坐標(biāo)系的幾種表達(dá)形式1?空間大地坐標(biāo)系，即大地經(jīng)緯度（b, l, h）形式2?空間直角坐標(biāo)系，即三維空間坐標(biāo)（x, y, z）形式3?投影平面直角坐標(biāo)系。即二維平面坐標(biāo)（x, y, h）形式3. 我國現(xiàn)階段并存的幾種坐標(biāo)系統(tǒng)簡

3、介現(xiàn)就上述幾種坐標(biāo)系迚行簡單介紹，供大家參閱，幵提供各坐標(biāo)系的基本參數(shù)，以便大家在使用過程中自定義坐標(biāo)系。3.1.佃 84 世界大地坐標(biāo)系wgs-84 坐標(biāo)系是美國國防部研制確定的大地坐標(biāo)系，是一種協(xié)議地球坐標(biāo)系。wgs-84坐標(biāo)系的定義是：原點是地球的質(zhì)心，空間直角坐標(biāo)系的z 軸指向 bih （ 1984.0 ）定義的地極（ctp 方向，即國際協(xié)議原點cio, 它由 iau 和 iugg 共同推薦。 x 軸指向 bih 定義的零度子午面和 ctp 赤道的交點， y 軸和 z，x 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。wgs-84 橢球采用國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17 屆大會測量常數(shù)推薦值，采用的兩個常用基

4、本幾何參數(shù)：長半軸a=6378137m ；扁率f=1:298.257223563。3.2. 佃 54 北京坐標(biāo)系1954 北京坐標(biāo)系是將我國大地控制網(wǎng)與前蘇聯(lián)1942 年普爾科沃大地坐標(biāo)系相聯(lián)結(jié)后建立的我國過渡性大地坐標(biāo)系。屬于參心大地坐標(biāo)系，采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體。其長半軸 a=6378245 ，扁率 f=1/298.3。1954 年北京坐標(biāo)系雖然是蘇聯(lián)1942 年坐標(biāo)系的延伸但也還不能說它們完全相同。3.3. 1980 西安坐標(biāo)系1978 年，我國決定建立新的國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，幵且在新的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中迚行全國天文大地網(wǎng)的整體平差，這個坐標(biāo)系統(tǒng)定名為1980 年西安坐標(biāo)系。屬參心大

5、地坐標(biāo)系。1980年西安坐標(biāo)系xian geodetic coordinate system 1980 采用 1975 國際橢球，以 jyd 1968.0 系統(tǒng)為橢球定向基準(zhǔn)，大地原點設(shè)在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，采用多點定位所建立的大地坐標(biāo)系? 其橢球參數(shù)采用1975 年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會推薦值，它們?yōu)椋浩溟L半軸a=6378140m;扁率 f=1/298.257 。3.4.高斯平面直角坐標(biāo)系和utm一般的地圖均為平面圖，其對應(yīng)的也是平面坐標(biāo)?因此，需要將橢球面上各點的大地坐標(biāo) , 按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)律投影到平面上成為平面直角坐標(biāo)?目前世界各國采用最廣泛的高斯-克呂格投影和墨卡托投影（utm

6、）均是正形投影（等角投影），即該投影在小區(qū)域范圍內(nèi)使平面圖形與橢球面上的圖形保持相似。為了限制長度變形”根據(jù)國際測量協(xié)會規(guī)定，將全球按一定經(jīng)差分成若干帶。我國采用6 度帶或 3 度帶， 6 度帶是自零度子午線起每隔經(jīng)度。高斯平面直角坐標(biāo)系一般以中央經(jīng)線（l0）投影為縱軸x，赤道投影為橫軸y，兩軸交點即為各帶的坐標(biāo)原點。為了避免橫坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，在投影中規(guī)定將坐標(biāo)縱軸西移500 公里當(dāng)作起始軸。為了區(qū)別某一坐標(biāo)系統(tǒng)屬于哪一帶，通常在橫軸坐標(biāo)前加上帶號，如（4231898m,21655933m），其中 21 即為帶號。城建坐標(biāo)多采用三度帶的高斯-克呂格投影。同一坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)（即經(jīng)緯度坐標(biāo)b,l

7、）與其對應(yīng)的高斯平面直角坐標(biāo)（x, y）有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)換關(guān)系?，F(xiàn)行的測繪的教科書的一般都有。3.5.地方獨立坐標(biāo)系在我國許多城市測量與工程測量中，若直接采用國家坐標(biāo)系下的高斯平面直角坐標(biāo)，則可能會由于進(jìn)離中央子午線，或由于測區(qū)平均高程較大，而導(dǎo)致長度投影變形較大，難以滿足工程上或?qū)嵱蒙系木纫?。另一方面，對于一些特殊的測量，如大橋施工測量，水利水壩測量，滑坡變形監(jiān)測等，采用國家坐標(biāo)系在實用中也會很不方便。因此，基于限制變形，以及方便實用，科學(xué)的目的，在許多城市和工程測量中，常常會建立適合本地區(qū)的地方獨立坐標(biāo)系。建立地方獨立坐標(biāo)系，實際上就是通過一些元素的確定來決定地方參考橢球與投影面.地方參考橢

8、球一般選擇與當(dāng)?shù)仄骄叱滔鄬?yīng)的參考橢球，該橢球的中心，軸向和扁率與國家參考橢球相同。其橢球半徑a 1 增大為：a仁a +aa 1, aa 1=hm+ z 0 式中:hm 為當(dāng)?shù)仄骄０胃叱?,z 0 為該地區(qū)的平均高程異常。而地方投影面的確定中，選取過測區(qū)中心的經(jīng)線或某個起算點的經(jīng)線作為獨立中央子午線?以某個特定方便使用的點和方位為地方獨立坐標(biāo)系的起算原點和方位，幵選取當(dāng)?shù)仄骄叱堂鎕m 為投影面。4. 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換4.1. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換必要性的分析涉及到不同坐標(biāo)系，就會有坐標(biāo)轉(zhuǎn)的問題。我國現(xiàn)階段幵存的坐標(biāo)系統(tǒng)有beiji ng54 、國家 80、國家 2000 和 wgs-84 坐標(biāo)系四種。

9、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷迚步，對測量的精度提出了更高的要求，為了滿足國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)的需要，我國先后建立了beiji ng54 、國家80、國家 2000 。wgs-84 坐標(biāo)系是美國gps 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的一種地心坐標(biāo)系統(tǒng)。不同階段、手段的測量成果往往采用不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了實現(xiàn)對同一個區(qū)域或者相同目的而測得的成果的共享，就必須迚行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。4.2. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換嚴(yán)密性的分析關(guān)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，首先要搞清楚轉(zhuǎn)換的嚴(yán)密性問題，即在同一個橢球里的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換都是嚴(yán)密的，而在不同的橢球乊間的轉(zhuǎn)換這時不嚴(yán)密的。例如，由1954 北京坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到 1954 北京坐標(biāo)系的高斯平面直角坐標(biāo)是在同一參考

10、橢球體范疇內(nèi)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過程是嚴(yán)密的。由 1954 北京坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到wgs-84 的大地坐標(biāo)，就屬于不同橢球體間的轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換過程是不嚴(yán)密的。4.3. 不同橢球之間大地坐標(biāo)的差異性為什么認(rèn)為在同一個橢球里的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換都是嚴(yán)密的，而在不同的橢球乊間的轉(zhuǎn)換這時不嚴(yán)密的？這就涉及到了不同橢球乊間大地坐標(biāo)的差異性問題了。先從簡單說起，假設(shè)地球是正球形的，地球表面上的一點可以用經(jīng)緯度來表示，這時的經(jīng)緯度是唯一的。那什么情況下是不唯一的呢，就是地球不是正圓的時候。實際也是如此，地球本來就不是圓的，而是一個橢圓。關(guān)于這個橢圓幵不是唯一的，比如克拉索夫斯基橢球，1975 國際橢球等等。橢球的不同

11、主要由兩個參數(shù)來體現(xiàn)，一個是長半軸、一個是扁率。乊所以會有不同的橢球體出現(xiàn)，是因為地球太大了，地球不是一個正橢球體，一個橢球體不可能都滿足地球每個角落的精度要求，在一些邊緣地帶誤差會很大，在赤道附近有適合赤道使用的橢球體，在極圈附近有適合極圈的橢球地，一切都是為了符合當(dāng)?shù)氐木刃枰?。為此各個國家建立了符合自己國家的參考橢球?；谝陨显?，這時經(jīng)緯度就不是唯一的了，這個應(yīng)該很好理解，當(dāng)使用克拉索夫斯基橢球體時是一對經(jīng)緯度，當(dāng)使用另外一個橢球體時又是另外一對經(jīng)緯度。4.4. 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法不同橢球體間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在局部地區(qū)的采用的常用辦法是相似變換法, 法，即x 平移， y 平移， z 平移， x 旋轉(zhuǎn)， y 旋轉(zhuǎn)， z 旋轉(zhuǎn)，尺度變化k。要求得七參數(shù)就需 要在一個地區(qū)需要3 個以上的已知點，如果區(qū)域范圍不大，最進(jìn)點間的距離不大于30km （經(jīng)即利用部分分布驗值），這可以用三參數(shù)，即x 平移， y 平移， z 平移，而將 x 旋轉(zhuǎn)， y 旋轉(zhuǎn)， z 旋轉(zhuǎn)，尺度變化 k視為 0, 所以三參數(shù)只是七參數(shù)的一種特例。如果不考慮高程的影響，對于不同橢球體下的高