坐標(biāo)系的探討

關(guān)于坐標(biāo)系的探討主要內(nèi)容 一、地理坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系二、我國大地坐標(biāo)系的發(fā)展三、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換第2頁,共23頁，2024年2月25日，星期天一、地理坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系是指用地理經(jīng)緯度表示地球表面上點(diǎn)位的空間坐標(biāo)系。大地坐標(biāo)系是以橢球面為參考面，以法線為參考線，用大地經(jīng)緯度表示地面點(diǎn)在橢球面上位置的空間坐標(biāo)系。第3頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二、我國大地坐標(biāo)系的發(fā)展

參心坐標(biāo)系23地方獨(dú)立坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系1第4頁,共23頁，2024年2月25日，星期天1、參心坐標(biāo)系參心坐標(biāo)系是在參考橢球內(nèi)建立的O-XYZ坐標(biāo)系。原點(diǎn)O為參考橢球的幾何中心，X軸與赤道面和首子午面的交線重合，向東為正。Z軸與旋轉(zhuǎn)橢球的短軸重合，向北為正。Y軸與XZ平面垂直構(gòu)成右手系。第5頁,共23頁，2024年2月25日，星期天北京54坐標(biāo)系由于政治原因，使用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測，通過計(jì)算建立了我國大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系。因此，1954年北京坐標(biāo)系可以認(rèn)為是前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系的延伸。它的原點(diǎn)不在北京而是在前蘇聯(lián)的普爾科沃。

長半軸a：6378245m

扁率f：1/298.3

高程：以1956年青島驗(yàn)潮站的黃海平均海水面為基準(zhǔn)第6頁,共23頁，2024年2月25日，星期天西安80坐標(biāo)系

1978年4月在西安召開全國天文大地網(wǎng)平差會議，確定重新定位，建立我國新的坐標(biāo)系。為此有了1980年國家大地坐標(biāo)系1980年國家大地坐標(biāo)系采用地球橢球基本參數(shù)為1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第十六屆大會推薦的數(shù)據(jù)。該坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)設(shè)在我國中部的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標(biāo)系，又簡稱西安大地原點(diǎn)?；鶞?zhǔn)面采用青島大港驗(yàn)潮站1952－1979年確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基準(zhǔn)）。

第7頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2、地方獨(dú)立坐標(biāo)系地方獨(dú)立坐標(biāo)系是各個地方根據(jù)自己的實(shí)際需求建立的O-XYZ坐標(biāo)系。原點(diǎn)O點(diǎn)有些是實(shí)際中的點(diǎn)，有些是假設(shè)的。三軸方向根據(jù)地方實(shí)際情況確定。隨著技術(shù)的發(fā)展，獨(dú)立坐標(biāo)系的區(qū)域性割據(jù)已嚴(yán)重影響到先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在不遠(yuǎn)的將來，它將退出歷史舞臺。第8頁,共23頁，2024年2月25日，星期天3、地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系是在大地體內(nèi)建立的O-XYZ坐標(biāo)系。原點(diǎn)O設(shè)在大地體的質(zhì)量中心，用相互垂直的X，Y，Z三個軸來表示，X軸與首子午面與赤道面的交線重合，向東為正。Z軸與地球旋轉(zhuǎn)軸重合，向北為正。Y軸與XZ平面垂直構(gòu)成右手系。第9頁,共23頁，2024年2月25日，星期天WGS84坐標(biāo)系

美國國防局為進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位于1984年建立的地心坐標(biāo)系，1985年投入使用。

WGS-84坐標(biāo)系的幾何意義是：坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向（國際時間局）BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，y軸通過右手規(guī)則確定。

長半軸：6378137m

扁率：1/298.257223563

第10頁,共23頁，2024年2月25日，星期天CGCS2000國務(wù)院批準(zhǔn)自2008年7月1日啟用我國的地心坐標(biāo)系—2000國家大地坐標(biāo)系。原點(diǎn)：包括海洋和大氣在內(nèi)的整個地球的質(zhì)心；

長度單位：米（SI），與局部地心框架下的地心坐標(biāo)時的時間坐標(biāo)一致，通過建立適當(dāng)?shù)南鄬φ撃Ｐ瞳@得；

定向：初始定向由1984.0時的BIH（國際時間局）定向給定；

定向的時間演化：定向的時間演化不產(chǎn)生相對于地殼的殘余全球旋轉(zhuǎn)。第11頁,共23頁，2024年2月25日，星期天Cgcs2000參數(shù)長半軸a＝6378137m扁率f＝1/298.257222101地心引力常數(shù)GM＝3.986004418×1014m3s-2自轉(zhuǎn)角速度ω＝7.292115×10-5rads-1第12頁,共23頁，2024年2月25日，星期天三、坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為什么要進(jìn)行轉(zhuǎn)換？原因：坐標(biāo)參照系包括基準(zhǔn)和坐標(biāo)系兩部分，主要是由于不同基準(zhǔn)和不同坐標(biāo)系的存在，導(dǎo)致常常需要在他們之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換分為兩個基本類型：1.坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換2.基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換第13頁,共23頁，2024年2月25日，星期天1、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換定義：指的是同一點(diǎn)的坐標(biāo)在相同基準(zhǔn)由一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為另一種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換不涉及基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換（即不涉及橢球參數(shù)及其定位和定向的轉(zhuǎn)換，也即它們不變）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中的兩種坐標(biāo)實(shí)際上是同一點(diǎn)不同坐標(biāo)表達(dá)方式間的變換，具有一一對應(yīng)的關(guān)系。第14頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換定義：就是兩種坐標(biāo)系由于采用的橢球參數(shù)、定位、定向或者由于尺度設(shè)置不同等原因?qū)е聝煞N基準(zhǔn)之間的變換?；鶞?zhǔn)變換和坐標(biāo)系變換是本質(zhì)上的區(qū)別?；鶞?zhǔn)變換常見的是地心系與參心系之間的變換?；鶞?zhǔn)變換常見的使用方法有：布爾沙-沃爾夫模型和莫洛金斯基模型第15頁,共23頁，2024年2月25日，星期天七參數(shù)布爾莎模型

一種橢球參數(shù)的轉(zhuǎn)換需要使用七個參數(shù)，即X平移，Y平移，Z平移，X旋轉(zhuǎn)（WX），Y旋轉(zhuǎn)（WY），Z旋轉(zhuǎn)（WZ），尺度變化（DM）。要求得七參數(shù)就需要在一個地區(qū)有3個以上的已知點(diǎn)。如果區(qū)域范圍不大，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)，尺度變化面DM視為0。第16頁,共23頁，2024年2月25日，星期天３、模型的選擇全國及省級范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型；省級以下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可選擇三維四參數(shù)模型或平面四參數(shù)模型。對于相對獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000國家大地坐標(biāo)系的聯(lián)系可采用平面四參數(shù)模型或多項(xiàng)式回歸模型。

第17頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型

同一點(diǎn)位在兩個坐標(biāo)系下的緯度差、經(jīng)度差，單位為弧度，橢球長半軸差（單位米）、扁率差（無量綱），平移參數(shù)，單位為米，旋轉(zhuǎn)參數(shù)，單位為弧度，尺度參數(shù)（無量綱）。

第18頁,共23頁，2024年2月25日，星期天平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型

屬于兩維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，對于三維坐標(biāo)，需將坐標(biāo)通過高斯投影變換得到平面坐標(biāo)再計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。其中，x0，y0為平移參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度參數(shù)。第19頁,共23頁，2024年2月25日，星期天綜合法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

所謂綜合法即就是在相似變換（Bursa七參數(shù)轉(zhuǎn)換）的基礎(chǔ)上，再對空間直角坐標(biāo)殘差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，系統(tǒng)誤差通過多項(xiàng)式系數(shù)得到消弱，使統(tǒng)一后的坐標(biāo)系框架點(diǎn)坐標(biāo)具有較好的一致性，從而提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度。首先利用重合點(diǎn)先用相似變換轉(zhuǎn)換式中，3個平移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)。第20頁,共23頁，2024年2月25日，星期天然后對相似變換后的重合點(diǎn)殘