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测绘基准与坐标转换 二00四年 四月二十六号 1 测绘基准 2 坐标变换与基准变换 3 ITRF参考框架及其转换 空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换 参心坐标与站心坐标的相互转换 高斯投影的正反算 不同参考椭球坐标的相互转换 平面坐标的相互转换 测绘基准的分类 地球坐标系 测绘基准的现状和未来发展 测绘基准 所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面 ，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭 球的参数，如参考椭球的长短半轴，以及参考椭球在空 间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单 位长度的定义。 n坐标系和基准两方面要素构成了完整的坐标系统! 测绘基准的分类 坐标系统 椭球名称年代长半轴扁率 北京54系克拉索夫斯基19406378245298.3 北京80系1980大地坐标系19796378140298.257 WGS84系WGS-8419846378137298.257223563 测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准等。 参考椭球参数 地球坐标系 坐标系:描述空间位置的表达形式 按坐标原点的不同分类 地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地直角坐标 系 ） 参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地直角坐标 系 ） 站心坐标系统（站心直角坐标系 、站心极坐标系 ） 按坐标的表达形式分类 地心坐标系统 参心坐标系统 站心坐标系统 常用的坐标表示形式 空间直角坐标系：坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭 球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上， 且按右手系与X轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐 标系的各个坐标轴上的投影来表示。 常用的坐标表示形式 空间大地坐标系：采用大地经度（L）、大地纬度（B）和大地高（H ）来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面 的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球 的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考 椭球面的距离。 常用的坐标表示形式 平面直角坐标系：平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空 间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种 变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM投影、 Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投 影。 站心直角 坐标系 站心极 坐标系 站心赤道 坐标系 站心地平 坐标系 高斯平面 直角坐标 系, 天文坐标系 , 参心大地 坐标系 , 参心空间直 角坐标系 , 地心大地 坐标系 , 地心空间直 角坐标系 , 投影平面 地心参心站心总地 球椭 球面 参考 椭球 面 大地 水准 面 表示方式坐标原点 参考面 地球坐标系统 笛卡尔坐标曲线坐标平面直角坐标 GPS测量中常用的坐标系统 1954年北京坐标系 1980年西安大地坐标系 WGS-84 地方独立坐标系 ITRF坐标框架 1954年北京坐标系 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系 采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当 时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的 一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前 苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路 线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为 基准。 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且 不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了 许多不便。 椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极 ，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准 面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67 米。 该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全 国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较 大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2 米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北 和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等 锁具有明显的坐标积累误差。 1954年北京坐标系存在着很多缺点，主要表现在： 1980年西安大地坐标系 1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新 的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标 系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采 用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值 ，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD地极 原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同 似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水 面为高程起算基准。 WGS-84 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数 就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点 ，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。 ，高程系统以1956年黄海平均海水面 为高程起算基准。 地方独立坐标系 最初在建立坐标系时,由于技术条件的限制,定向、定位精度有限 ，导致最终所定义的坐标系与国家坐标系在坐标原点和坐标轴的 指向上有所差异； 出于成果保密等原因，在按国家坐标系进行数据处理后，对所得 的成果进行了一定的平移和旋转，得出独立坐标系； 为了减少投影变形，进行投影的中央子午线的变换； 为了满足工程的要求或工程施工方便而建立独立坐标系。 特点： 平面坐标系，投影面根据工程需要定义； 坐标轴指向根据工程需要定义； 坐标轴原点根据工程需要定义。 利用GPS技术建立地方独立坐标系方法 将GPS测定的三维坐标投影到独立坐标系所在的平均高程面上， 然后进行平移和旋转变换得到最终的坐标； 将GPS测定的三维坐标投影到参考椭球面上，然后进行相似变换 得到最终的坐标； 关键： 投影面抬高（椭球平移法和椭球膨胀法）和相似变 换（四参数转换） 测绘基准的现状和未来发展 现状: 1）近5万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁了近1 3，在经济发展快的地区，这一现象更为严重。 2）卫星定位技术得到了广泛应用，其点位平面位置的相对定位 精度可达10-7量级以上，要比现行的全国大地坐标框架高出1-2个量级 。 3）卫星定位的测量成果是三维的、立体的，而现行的大地坐标 框架是二维的、平面的。因此，高精度的卫星定位技术所确定的三维 测量成果与较低精度的国家二维大地坐标框架不能适配。 未来发展:在国家GPS2000网（三网）的基础上，通过加密 GPS2000网和增加GPS永久性追踪站及其相应配套的数据网络系统 ，建成以270个左右永久性追踪站为枢纽、5000多个高精度的 GPS2000加密网点所形成的国现代三维、地心、高精度、动态和实 用的大地坐标框架。 坐标转换与基准变换 在GPS测量中，经常要进行坐标系变换与基准变换 。所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变 换，基准变换是指在不同的参考基准间进行变换。 I.空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换 A. BLHXYZ 空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换 B. XYZ BLH II. 参心坐标与站心坐标的转换 III. 高斯投影的正反算 A. BLxy 高斯投影的正反算 B. xy BL IV. 不同参考椭球坐标的相互转换 不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，不 同基准间的转换方法有很多，其中，最为常用的有布尔沙 模型，又称为七参数转换法(3个平移参数、3个旋转参数和 1个尺度参数 )。 由空间直角坐标系A到空间直角坐标系B的转换关系为： 为某点在空间直角坐标系A的坐标； 为该点在空间直角坐标系B的坐标； 为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的平移参数； 为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的旋转参数； 为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的尺度参数。 V. 平面坐标的相互转换 平面坐标系统之间的相互转换实际上是一种二维转换 。一般而言，两平面坐标系统之间包含四个原始转换因子 ，即两个平移因子、一个旋转因子和一个尺度因子。 1).先旋转、再平移、最后统一