盾構(gòu)坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

1、.盾構(gòu)坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換摘 要隨著空間定位技術(shù)的不斷發(fā)展，全球一體化的形成，越來(lái)越要求全球測(cè)繪資料的統(tǒng)一，研究各測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的建立方法及其相互轉(zhuǎn)換模型，對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量坐標(biāo)系成果的換算具有重要的意義。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換已經(jīng)不是一個(gè)新的課題了，隨著與人們生活密切相關(guān)的測(cè)繪事業(yè)的迅速發(fā)展，全球一體化的形成，越來(lái)越多的要求全球測(cè)繪資料形成統(tǒng)一規(guī)范，尤其是坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一。由于各測(cè)量單位工作目的不同，所選擇的橢球參考系也會(huì)有所不同，出現(xiàn)了許多不同形式的坐標(biāo)系，例如WGS-84坐標(biāo)系、國(guó)家80坐標(biāo)系、北京54坐標(biāo)系、獨(dú)立地方坐標(biāo)及各種城建坐標(biāo)。在同一坐標(biāo)系下坐標(biāo)的表示方式又有空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)、平面坐標(biāo)。根據(jù)

2、不同的測(cè)繪需求，需要將不同的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，在這些坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中既會(huì)運(yùn)用到同一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，又會(huì)用到不同參考系下各坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。本文主要研究的是設(shè)想先求出盾構(gòu)機(jī)軸線局部坐標(biāo)系與實(shí)際三維空間坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后再利用轉(zhuǎn)換參數(shù)求出盾首中心和盾尾中心點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，獲取盾構(gòu)機(jī)的空間位置信息。該方法數(shù)學(xué)模型的實(shí)質(zhì)是空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換?；谶@些理論并結(jié)合相關(guān)的轉(zhuǎn)換模型及算法編程實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換模型 轉(zhuǎn)換參數(shù) 測(cè)量坐標(biāo) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Shield coordinates and the measurement coordinates

3、conversionAbstract新羅馬小四目 錄摘要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 研究背景及意義2 1.2 盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量方法與應(yīng)用81.3 盾構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)8第二章 測(cè)量坐標(biāo)系基礎(chǔ)理論92.1 測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的類型9 2.1.1 地心坐標(biāo)系10 2.1.2 參心坐標(biāo)系11 2.1.3 地方獨(dú)立坐標(biāo)系122.2 我國(guó)常用的坐標(biāo)系統(tǒng)9 2.2.1 1954年北京坐標(biāo)系10 2.2.2 1980年西安坐標(biāo)系12 2.2.3 WGS-84坐標(biāo)系13 2.2.4 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系142.3 常用等價(jià)坐標(biāo)系 2.3.1 大地坐標(biāo)系 2.3.2 空間直角坐標(biāo)系 2.3.3 平面

4、直角坐標(biāo)系 第三章 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理 3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理 3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型 3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度 第四章 算例第5章 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 5.1 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具 5.1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 5.1.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 5.1.4 系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì) 5.2 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 5.2.1 系統(tǒng)主程序界面 5.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù) 5.3 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的應(yīng)用 5.3.1 結(jié)語(yǔ)104參考文獻(xiàn)106致謝107第1章 緒論1.1 研究背景及意義在地鐵隧道貫通測(cè)量中，及時(shí)地獲取盾構(gòu)的姿態(tài)非常重要。而盾

5、構(gòu)的姿態(tài)通常是根據(jù)全站儀獲取盾構(gòu)上的特征點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)計(jì)算的。本文設(shè)想先求出盾構(gòu)機(jī)軸線局部坐標(biāo)系與實(shí)際三維空間坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后再利用轉(zhuǎn)換參數(shù)求出盾首中心和盾尾中心點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，獲取盾構(gòu)機(jī)的空間位置信息。該方法數(shù)學(xué)模型的實(shí)質(zhì)是空間直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換?；镜淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換模型包括布爾沙-沃爾夫轉(zhuǎn)換模型、莫洛金斯基轉(zhuǎn)換模型和范士轉(zhuǎn)換模型等，但它們都是基于小角度的轉(zhuǎn)換。由于這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的歐拉角可能很大，所以在糾正過(guò)程中不能采用基于小角度轉(zhuǎn)換的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。本文在基于大旋轉(zhuǎn)角的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了歸一化計(jì)算，使計(jì)算過(guò)程更為簡(jiǎn)明，便于程序的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還分析了

6、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度。1.2 盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量方法與應(yīng)用盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)作用主要是實(shí)時(shí)測(cè)出盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)，計(jì)算出盾構(gòu)與隧道設(shè)計(jì)中心線的偏差，從而指導(dǎo)盾構(gòu)司機(jī)控制盾構(gòu)掘進(jìn)。各種測(cè)量方法的不同，在于測(cè)量?jī)x器選取、自動(dòng)化程度高低，主要分為:人工測(cè)量法（標(biāo)尺法），半自動(dòng)測(cè)量方法（陀螺儀法），自動(dòng)導(dǎo)向法（棱鏡法和ELS激光法)。伴隨著激光、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)控制等技術(shù)的發(fā)展成熟，激光導(dǎo)向系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)中逐漸得到成功運(yùn)用、發(fā)展和完善。激光導(dǎo)向系統(tǒng)使得盾構(gòu)法施工極大地提高了準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度，從而被廣泛應(yīng)用。全面理解激光導(dǎo)向系統(tǒng)的原理，有助于工程技術(shù)人員在地鐵的盾構(gòu)施工中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，保證隧道的正確

7、掘進(jìn)和最后貫通；有助于國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)及國(guó)產(chǎn)激光導(dǎo)向系統(tǒng)研制工作的開(kāi)展。盾構(gòu)法由于具有其施工速度快、安全、質(zhì)量好、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已越來(lái)越多地在城市地鐵隧道施工中得到應(yīng)用。盾構(gòu)隧道測(cè)量技術(shù)已由原來(lái)人工為主測(cè)量技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的全自動(dòng)激光經(jīng)緯儀、GPS等高科技測(cè)量方法。盾構(gòu)姿態(tài)的測(cè)量方法可分為人工測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量?jī)深?。人工測(cè)量法人力投入大、測(cè)量頻率高、測(cè)量工作量大，對(duì)隧道掘進(jìn)干擾大，數(shù)據(jù)處理慢，無(wú)法實(shí)時(shí)獲知盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)和偏差，施工控制較困難，但設(shè)備投入少，成本較低，目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道施工仍較多采用人工測(cè)量。自動(dòng)導(dǎo)向儀器有激光全站儀導(dǎo)向和陀螺儀導(dǎo)向兩種，自動(dòng)導(dǎo)向測(cè)量技術(shù)可全天候?qū)Χ軜?gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量、控

8、制，實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，具有人力投入小、測(cè)量頻率高、對(duì)隧道掘進(jìn)干擾小、測(cè)量速度高和數(shù)據(jù)處理快、數(shù)據(jù)和圖象模擬能實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)，已成為盾構(gòu)隧道測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。文獻(xiàn)9對(duì)人工測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量的原理與方法都有詳細(xì)的解釋，同時(shí)還說(shuō)明了盾構(gòu)姿態(tài)的測(cè)量及計(jì)算方法。人工測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)的傳統(tǒng)方法目前有前后尺法，它原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，目前仍被施工單位廣泛采用。在盾構(gòu)始發(fā)前測(cè)量盾構(gòu)機(jī)始發(fā)姿態(tài)，包括旋轉(zhuǎn)角、坡度角，同時(shí)根據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)測(cè)出盾尾、盾首中心（預(yù)先采用幾何方法定出中心）以及前后水平尺中心平面坐標(biāo)，利用井下水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量盾首、盾尾及標(biāo)尺高程，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到前后標(biāo)尺在盾構(gòu)局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。前后尺法的原理在

9、文獻(xiàn)5中做出了解釋，同事也詳細(xì)的說(shuō)明了盾首、盾尾的的偏差計(jì)算以及高程的測(cè)量精度。激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)主要通過(guò)固定在隧道成形管片上的全自動(dòng)激光經(jīng)緯儀對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。由于施工過(guò)程中各種意外因素可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)上的激光接收靶位置變化，同時(shí)盾構(gòu)千斤頂向后推力的水平或豎向分力往往會(huì)迫使已經(jīng)就位的管片產(chǎn)生偏移甚至扭轉(zhuǎn)，影響安裝在管片上的激光經(jīng)緯儀的位置變動(dòng)，使所測(cè)量的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)產(chǎn)生很大誤差，甚至導(dǎo)致隧道超限，為此必須采用不同的測(cè)量方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核。1.3 盾構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)目前，我國(guó)盾構(gòu)機(jī)主要依靠進(jìn)口，近年來(lái)進(jìn)口的用于地鐵隧道施工的盾構(gòu)機(jī)一般都配備有自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，但如何對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量還無(wú)簡(jiǎn)

10、單、快捷、準(zhǔn)確的方法。隧道盾構(gòu)法施工是以盾構(gòu)在地下暗挖隧道的一種施工方法。盾構(gòu)是一個(gè)既可以支撐地層壓力又可以在地層中推進(jìn)的活動(dòng)鋼筒結(jié)構(gòu)。目前在地下鐵道建設(shè)中盾構(gòu)施工方法逐漸被認(rèn)同和采用，上海、廣州和北京等城市已經(jīng)將該方法引入生產(chǎn)中。由于盾構(gòu)施工法的安全性和先進(jìn)性，盾構(gòu)技術(shù)在城市地鐵隧道施工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。第2章 測(cè)量坐標(biāo)系基礎(chǔ)理論2.1 測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)的類型為了表示橢球面上點(diǎn)的位置，必須選用一定的坐標(biāo)系統(tǒng)，用該坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)參數(shù)來(lái)表示其點(diǎn)位。在測(cè)繪范疇內(nèi)，坐標(biāo)系統(tǒng)有幾十種之多。常用的測(cè)量坐標(biāo)系有地心坐標(biāo)系、參心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系等。無(wú)論是參心坐標(biāo)系還是地心坐標(biāo)系均可分為空間直角坐標(biāo)系和大

11、地坐標(biāo)系，它們都與地球相固連，與地球一起自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，均屬于地球坐標(biāo)系統(tǒng)，用于確定和研究地球表面上點(diǎn)的坐標(biāo)；另一類是空間固定的坐標(biāo)系，與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，稱為慣性坐標(biāo)系或天球坐標(biāo)系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運(yùn)行位置和狀態(tài)。2.1.1 地心坐標(biāo)系以總地球橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)，地球質(zhì)心為原點(diǎn)建立的地球坐標(biāo)系統(tǒng)稱為地心坐標(biāo)系。建立地心坐標(biāo)系，需要滿足以下條件：(1)確定地球橢球體。這個(gè)橢球體具有一定的幾何物理參數(shù)，并在全球范圍內(nèi)與大地體最佳吻合。(2)地心的定位和定向。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，起始子午面與國(guó)際時(shí)間局平均零子午面重合，軸與國(guó)際協(xié)議地極的極軸相重合。(3)尺度。采用標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際米作為測(cè)量長(zhǎng)度的尺度。地心坐

12、標(biāo)系是一個(gè)總稱，它可以分為地心大地坐標(biāo)系(以為其坐標(biāo)元素)和地心直角坐標(biāo)系(以為其坐標(biāo)元素)。地心坐標(biāo)系的兩種形式之間可以相互換算，建立地心坐標(biāo)系對(duì)于各國(guó)大地坐標(biāo)系的聯(lián)接、地球動(dòng)態(tài)研究、全球?qū)Ш降染哂兄匾饬x，是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。由于地球模型不同，世界上出現(xiàn)過(guò)很多種地心坐標(biāo)系，如、等。我國(guó)歷史上曾建立了年地心坐標(biāo)系和年地心坐標(biāo)系，而我國(guó)新啟用的國(guó)家大地坐標(biāo)系也屬于地心坐標(biāo)系。2.1.2 參心坐標(biāo)系以參考橢球和局部地區(qū)大地水準(zhǔn)面最為密合為原則建立的大地坐標(biāo)系，一般稱為參心坐標(biāo)系。建立參心坐標(biāo)系，需要進(jìn)行下面幾個(gè)工作：(1)選擇或求定橢球的幾何參數(shù)(長(zhǎng)半徑和扁率)。(2)確定橢球中心位置(

13、橢球定位)。(3)確定橢球坐標(biāo)軸的指向(橢球定向)。(4)建立大地原點(diǎn)。該坐標(biāo)系最大的特點(diǎn)就是它和參考橢球的中心有密切的關(guān)系，也可以分為空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系兩種?！皡⑿摹币庵竻⒖紮E球的中心。由于參考橢球的中心一般和地球質(zhì)心不一致，故參心坐標(biāo)系又稱非地心坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系或相對(duì)坐標(biāo)系。參心大地坐標(biāo)的應(yīng)用十分廣泛，它是經(jīng)典大地測(cè)量的一種通用坐標(biāo)系。根據(jù)地圖投影理論，參心大地坐標(biāo)系可以通過(guò)高斯投影計(jì)算轉(zhuǎn)化為平面直角坐標(biāo)系，為地形測(cè)量和工程測(cè)量提供控制基礎(chǔ)。由于不同時(shí)期采用的地球橢球不同或其定位與定向不同，在全世界有很多種類的參心大地坐標(biāo)系。在我國(guó)歷史上曾使用過(guò)的參心大地坐標(biāo)系主要有年北京坐標(biāo)系

14、、年西安坐標(biāo)系、新年北京坐標(biāo)系等三種。2.1.3 地方獨(dú)立坐標(biāo)系在城市或工程建設(shè)地區(qū)(如礦山、水庫(kù))布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)時(shí)，其成果不僅要滿足l：500比列尺測(cè)圖需要，而且還應(yīng)該滿足一般工程放樣的需要。施工放樣時(shí)要求控制網(wǎng)由坐標(biāo)反算的長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度盡可能相符，而國(guó)家坐標(biāo)系每個(gè)投影帶都是按一定的間隔劃分，由西向東有規(guī)律地分布，其中央子午線不可能剛好落在每個(gè)城市和工程建設(shè)地區(qū)的中央，各地區(qū)的地面位置與參考橢球面都有一定的距離，這兩項(xiàng)將產(chǎn)生高斯投影變形改正和高程規(guī)劃改正，經(jīng)過(guò)這兩項(xiàng)改正后的長(zhǎng)度不可能與實(shí)測(cè)的長(zhǎng)度相符。為了減小高程規(guī)劃與投影變形產(chǎn)生的影響，將它們控制在一個(gè)微小的范圍內(nèi)，使計(jì)算出來(lái)的長(zhǎng)度在實(shí)際

15、利用時(shí)(如工程放樣)不需要作任何改算，往往需要建立地方獨(dú)立坐標(biāo)系。通常情況下，投影平面選擇為局部地區(qū)的橢球體面或平均高程面、補(bǔ)償高程面等，坐標(biāo)縱軸線選為某選定的地方子午線，投影仍按高斯投影原理進(jìn)行，其實(shí)質(zhì)是一種特殊的高斯平面直角坐標(biāo)系。這些獨(dú)立坐標(biāo)系有自己的原點(diǎn)和定向，隱含著一個(gè)與當(dāng)?shù)仄骄０胃叱虒?duì)應(yīng)的參考橢球。該橢球的中心、軸向和扁率與國(guó)家參考橢球相同，僅長(zhǎng)半徑有一改正量。我們將該參考橢球稱為“地方參考橢球”。2.2 我國(guó)常用的坐標(biāo)系統(tǒng)2.2.1 年北京坐標(biāo)系 二十世紀(jì)五十年代，在我國(guó)天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，暫時(shí)建立了一個(gè)全國(guó)統(tǒng)一的大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，并定名為年北京坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱

16、舊)。年北京坐標(biāo)系在一定意義上可以看成是前蘇聯(lián)年普爾科沃坐標(biāo)系的延伸。它是經(jīng)過(guò)東北邊境的呼瑪、吉拉林和東寧三個(gè)基線網(wǎng)，同前蘇聯(lián)的大地網(wǎng)聯(lián)接，通過(guò)計(jì)算得到我國(guó)北京一基本三角點(diǎn)的大地經(jīng)緯度和至另一點(diǎn)的大地方位角而建立起來(lái)的。該坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)實(shí)際上在前蘇聯(lián)的普爾科沃，采用的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球(簡(jiǎn)稱克氏橢球)，其橢球參數(shù)為：，。年北京坐標(biāo)系雖和蘇聯(lián)年坐標(biāo)系有一定的聯(lián)系，但又不完全是蘇聯(lián)年坐標(biāo)系。因?yàn)槠渲械母叱坍惓Ｊ且蕴K聯(lián)年大地水準(zhǔn)面差距重新平差結(jié)果為起算值，按我國(guó)天文水準(zhǔn)路線推算出來(lái)的。大地點(diǎn)的高程是以我國(guó)年黃海高程系統(tǒng)為基準(zhǔn)的。年北京坐標(biāo)系建立以來(lái)，我國(guó)依據(jù)這個(gè)坐標(biāo)系建成了全國(guó)天文大地網(wǎng)，完成

17、了大量的測(cè)繪任務(wù)。但由于當(dāng)時(shí)的條件限制，年北京坐標(biāo)系也存在著一些明顯的缺點(diǎn)，如該坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的國(guó)家參考橢球并沒(méi)有采用我國(guó)自己的天文資料來(lái)進(jìn)行定位和定向；參考橢球面與大地水準(zhǔn)面間存在自西向東的系統(tǒng)性傾斜；它的坐標(biāo)軸的三個(gè)指向定義不明確；幾何大地測(cè)量和物理大地測(cè)量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一等。鑒于該坐標(biāo)系是按分級(jí)、分區(qū)平差提供大地控制點(diǎn)成果的，點(diǎn)位之間的兼容性不是很理想，從而影響了坐標(biāo)系本身的精度。2.2.2 年西安坐標(biāo)系年西安坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱)是為解決北京坐標(biāo)系所存在的問(wèn)題，適應(yīng)我國(guó)大地測(cè)量事業(yè)發(fā)展的需要而建立的。該坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在我國(guó)中部一陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)，位于西安市西北約，簡(jiǎn)稱為西安原點(diǎn)。橢球元素采用年

18、國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第十六屆大會(huì)推薦值。橢球短軸平行于由地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)方向，起始大地子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)起始子午面，在我國(guó)境內(nèi)，橢球面和大地水準(zhǔn)面最為密合，按多點(diǎn)定位法建立。大地點(diǎn)高程是以年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面為基準(zhǔn)。該坐標(biāo)系建立后，實(shí)施了全國(guó)天文大地網(wǎng)平差，平差后提供的大地點(diǎn)成果屬于年西安坐標(biāo)系，它和年北京坐標(biāo)系的大地點(diǎn)成果是不同的。其原因除了各屬不同地球橢球和采用不同的橢球定位和定向外，另一個(gè)原因是前者為整體平差，而后者為局部平差。當(dāng)然，差異的主要原因是二者屬于不同的參心坐標(biāo)系。一個(gè)新的坐標(biāo)系統(tǒng)的產(chǎn)生，必定會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，例如：原來(lái)克氏橢球元素計(jì)算的各

19、種用表都要做相應(yīng)的改算；沒(méi)有參加整體平差的點(diǎn)需要進(jìn)行坐標(biāo)換算；需要編纂新的三角點(diǎn)成果表；原有地形圖的應(yīng)用問(wèn)題等。2.2.3 坐標(biāo)系年世界大地坐標(biāo)系是由美國(guó)國(guó)防部制圖局依據(jù)衛(wèi)星定位測(cè)量成果而建立的一種協(xié)議地球坐標(biāo)系(CTS，Conventional Terrestrial System)。它是衛(wèi)星廣播星歷和精密星歷的參考系。坐標(biāo)系是一個(gè)地心地固直角坐標(biāo)系，軸指向參考極方向，即定義的協(xié)議地球極方向；軸指向過(guò)原點(diǎn)與軸垂直的平面和參考子午面的交點(diǎn)，即指向的零子午面和赤道的交點(diǎn)，軸與、構(gòu)成右手系。除了三維坐標(biāo)外，還定義了一個(gè)總地球橢球(橢球)及一個(gè)地球重力場(chǎng)模型。也就是說(shuō)，系統(tǒng)不僅有其幾何特性，也有它的

20、物理特性，它直接與地球重力場(chǎng)模型相聯(lián)系。2.2.4 國(guó)家大地坐標(biāo)系國(guó)家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System ，)是一個(gè)現(xiàn)代協(xié)議地球參考系，它的定義符合國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局制定的國(guó)際地球參考系的標(biāo)準(zhǔn)。是右手地固正交坐標(biāo)系，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，軸由原點(diǎn)指向歷元的地球參考極的方向，該歷元的指向由國(guó)際時(shí)間局給定的歷元為的初始指向推算，定向的時(shí)間演化保證相對(duì)于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面(歷元)的交點(diǎn)，軸與軸、軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。采用廣義相對(duì)論意義下的尺度。的參考橢球是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球，其幾何中心與坐標(biāo)

21、系的原點(diǎn)重合，旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系的軸重合。參考橢球面在幾何上代表地球表面的數(shù)學(xué)形狀，是大地坐標(biāo)的參考面。另一方面，的參考橢球在物理上是一個(gè)正常橢球，其橢球面是地球正常重力場(chǎng)的參考面。采用的地球橢球參數(shù)的數(shù)值為：長(zhǎng)半軸，扁率，地球(包括大氣)的地心引力常數(shù)：之，自轉(zhuǎn)角速度。國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，它具有比現(xiàn)行大地坐標(biāo)框架更高的精度，符合標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)三維、動(dòng)態(tài)、地心的坐標(biāo)系，同世界大地坐標(biāo)系相容，能夠滿足當(dāng)前與未來(lái)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展、科學(xué)研究等對(duì)國(guó)家大地坐標(biāo)系的要求。2.3 常用等價(jià)坐標(biāo)系2.3.1 大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系又稱為地理坐標(biāo)系，空間一點(diǎn)的大地坐標(biāo)用大

22、地經(jīng)度，大地緯度和大地高表示。如圖1所示，表示橢球中心，地面上點(diǎn)的大地子午面與起始子午面所構(gòu)成的二面，叫做該點(diǎn)的大地經(jīng)度，由起始大地子午面起算，向東為正，向西為負(fù)。該點(diǎn)對(duì)于橢球的法線與赤道面的夾角，叫做該點(diǎn)的大地緯度，由赤道面起算，向北為正，向南為負(fù)。在該坐標(biāo)系中，橢球面上點(diǎn)的位置用,表示。如果點(diǎn)不在橢球面上(如)，還要附加另一參數(shù)一大地高，即地面點(diǎn)沿法線至地球橢球面的距離，由橢球面起量，向外為正，向內(nèi)為負(fù)。它同正高和正常高存在如下關(guān)系： 式中，為大地水準(zhǔn)面差距，為高程異常。如圖2，地面一點(diǎn)處的正高就是該點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離，而大地水準(zhǔn)面上的點(diǎn)沿法線至地球橢球的距離即為大地水準(zhǔn)面差距；

23、正常高是由地面點(diǎn)沿正常重力線到似大地水準(zhǔn)面的距離，高程異常就是似大地水準(zhǔn)面上的點(diǎn)沿正常重力線(即法線)至地球橢球面的距離。 圖1 大地坐標(biāo)系 圖2 高程系統(tǒng)2.3.2 空間直角坐標(biāo)系以橢球中心為空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以起始子午面與赤道面的交線為軸，以橢球體的旋轉(zhuǎn)軸為軸，在赤道面上與軸正交的方向?yàn)檩S，構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。在該坐標(biāo)系中，某點(diǎn)在空間中的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來(lái)表示。它們是與大地坐標(biāo)系相對(duì)應(yīng)的。2.3.3 平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系是利用投影變換，將空間坐標(biāo)(主要是指空間大地坐標(biāo))通過(guò)某種數(shù)學(xué)變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的方法有很多，在我國(guó)采

24、用的是高斯投影。高斯投影以或分帶，每一個(gè)分帶均構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的平面直角坐標(biāo)系，其坐標(biāo)值也有自然值和通用值之分。需要注意的是，在高斯投影正反算和換帶計(jì)算時(shí)，通常均使用自然值，以利用其關(guān)于坐標(biāo)軸的對(duì)稱性。若已知坐標(biāo)為通用值，應(yīng)換為自然值再進(jìn)行計(jì)算。第3章 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理本文提出的轉(zhuǎn)換模型的主要思想是在文獻(xiàn)提出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的基礎(chǔ)上，將13個(gè)未知參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)矩陣中9個(gè)方向余弦、3個(gè)平移和1個(gè)尺度，利用歸一化坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式消除坐標(biāo)平移參數(shù)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的正交特性可列出6個(gè)條件方程。如果測(cè)定了個(gè)點(diǎn)，則有個(gè)誤差方程，加上6個(gè)條件方程，共有個(gè)方程，10個(gè)未知參數(shù)，可以按附有條件的間接平差解算

25、。圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型示意圖3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型設(shè)點(diǎn)在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為,在空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為。軸在中的方向余弦為， 軸在中的方向余弦為，軸在中的方向余弦為；而軸在中的方向余弦為，軸在中的方向余弦為，軸中的方向余弦為，為尺度比， 為的原點(diǎn)相對(duì)于原點(diǎn)的平移量。兩套坐標(biāo)的關(guān)系用矩陣表示為： 其中 通過(guò)式可得： 在式中，下式減去上式，有： 令，忽略下表，則有： 這就是歸一化的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。在該公式中,消除了坐標(biāo)平移參數(shù), 而僅保留旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺度參數(shù)。該公式的誤差方程可簡(jiǎn)單表示為: 其中，上標(biāo)為的數(shù)為各未知參數(shù)相應(yīng)的近似值, 前綴為的數(shù)為其相應(yīng)值的改正數(shù)。旋轉(zhuǎn)矩陣是正交矩陣, 存在下列條件:

26、 假定已知、, 則其余個(gè)參數(shù)可以分別求出,利用泰勒級(jí)數(shù)將個(gè)方程展開(kāi), 舍棄二次項(xiàng)以后的部分, 有: 其中， 如果有個(gè)以上的已知公共點(diǎn), 按附有條件的間接平差法解算式、式, 就可以求出, 即一個(gè)尺度參數(shù)和個(gè)方向余弦參數(shù)。將這個(gè)參數(shù)代入式, 并代入多個(gè)公共點(diǎn)的坐標(biāo), 可求出多組平移參數(shù), 最后取這些平移參數(shù)的平均值: 3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度起決定性影響, 本文采用的公式為: 式中, , ,。,為實(shí)際三維坐標(biāo)系的公共點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo),為求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)后轉(zhuǎn)換的公共點(diǎn)在實(shí)際三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)。為公共點(diǎn)的點(diǎn)數(shù),的值越大, 轉(zhuǎn)換模型的精度越低, 反之, 則轉(zhuǎn)換模型的精度越

27、高。第4章 算例按照上述基于大角度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的歸一化求解方法, 利用盾構(gòu)機(jī)內(nèi)固定的個(gè)參考點(diǎn)測(cè)得的基于盾構(gòu)機(jī)軸線的局部坐標(biāo)系(如圖4)坐標(biāo)與實(shí)際三維坐標(biāo), 兩套坐標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1, 即可按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型反推兩種空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。求出坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)后, 將盾構(gòu)機(jī)的盾首和盾尾的軸線局部坐標(biāo)系三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成實(shí)際三維坐標(biāo)( 見(jiàn)表2), 再與盾首盾尾的設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)進(jìn)行軸線偏差計(jì)算, 以確定盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài), 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度計(jì)算見(jiàn)表3, 盾構(gòu)機(jī)的軸線偏差結(jié)果見(jiàn)表4。圖4 盾構(gòu)機(jī)軸線局部坐標(biāo)系表1 6個(gè)固定點(diǎn)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果點(diǎn)號(hào)盾構(gòu)軸線局部坐標(biāo)系實(shí)際三維空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后求得的坐標(biāo)系表2 盾構(gòu)盾

28、首盾尾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換點(diǎn)號(hào)盾構(gòu)軸線局部坐標(biāo)系實(shí)際三維空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后求得的坐標(biāo)系盾首中心盾尾中心表3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度點(diǎn)號(hào)表4 盾構(gòu)姿態(tài)控制點(diǎn)號(hào)左右偏差上下偏差盾首中心盾尾中心第五章 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1 盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本文根據(jù)測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理，利用VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)了盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，旨在滿足盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需求，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算的程序化，同時(shí)對(duì)前面各章所研究的算法進(jìn)行綜合驗(yàn)證。5.1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具本測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件是一種由微軟公司開(kāi)發(fā)的包含協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)編程語(yǔ)言。從任何標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，VB都是世界上使用人數(shù)最多的語(yǔ)言不僅是盛贊VB的開(kāi)發(fā)者還是抱怨VB的開(kāi)發(fā)者的數(shù)量。它源自于BASIC編程語(yǔ)言。VB擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易的使用DAO、RDO、ADO連接數(shù)據(jù)庫(kù)，或者輕松的創(chuàng)建ActiveX控件。程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個(gè)應(yīng)用程序。5.1.2 系統(tǒng)