WGS84和西安80坐标转换方法探讨-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目： WGS84和西安80坐标转换方法探讨 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录摘要.(1)1坐标转换概述.(1) 1.1WGS-84坐标系.(1) 1.1.1WGS-84坐标系的几何意义.(1) 1.1.2WGS-84椭球及有关常数.(2) 1.2西安80坐标系.(2) 1.2.1西安80坐标系的几何意义.(2) 1.2.2西安80椭球及有关常数.(3) 1.3坐标转换概述及流程.(3) 1.3.1坐标转换概述.(3) 1.3.2任意两空间坐标系的转换方法.(3) 1.3.3坐标转换流程.(4)2建立坐标转换模型.(4)3求解转换参数.(6)4已知点验证及精度分析.(7)5结论与建议.(8)参考文献.(9)Abstract.(9) WGS84和西安80坐标转换方法探讨 摘要：随着GPS定位精度的不断提高，GPS技术在测量中的应用也越来越广泛。而我国目前使用的大地坐标成果很多为1980西安坐标系成果，其应用也越来越广泛，因此，WGS-84与西安80坐标之间的转换也变得极其重要。本文主要介绍了WGS-84与西安80坐标系之间的转换，通过建立坐标转换模型来求解转换参数，并进行已知点的验证及精度分析。 关键词：WGS-84坐标系；1980西安坐标系；坐标转换 随着测绘事业的发展，全球一体化的形成，越来越要求全球测绘资料的统一。由于地球曲率客观存在，传统测绘作业通视受到很大限制，测绘资料的统一存在巨大约束，随着空间技术的发展，尤其是以GPS为代表的高精度卫星导航系统的出现，大大提高了地心坐标的精度，使得建立全球统一的坐标系成为可能，但是GPS所使用的坐标系统基本都是WGS-84，大地基准改变后，对原来的所有测绘成果都将产生直接影响，使得同一点在不同的坐标系有不同的坐标值，于是就出现了如何把WGS-84坐标转换到现用坐标系的问题。 在各种测绘活动中常采用GPS测量手段获得控制点在WGS84坐标系(以下简称84坐标系)下的坐标，而控制点在纸质地图上的坐标却往往是在1980西安坐标系(以下简称80坐标系)下，因此需将84坐标转换为80坐标。1 坐标转换概述1.1WGS-84坐标系1.1.1WGS-84坐标系的几何意义 任何一项测量工作都离不开一个基准，都需要一个特定的坐标系。例如，在常规大地测量中，各国都有自己的测量基准和坐标系(如我国的1980年国家大地坐标系)。由于GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统也必须是全球性的。为了使用方便，它是通过国际协议确定的，称为协议地球坐标系CTS( Conventional Terrestrial System)。目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS-84世界大地坐标系(Wor1d Geodetic System)。属于地心坐标系，它是美国国防局为进行GPS导航定位于1984年建立的地心坐标系，1985年投入使用。 WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0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。1.1.2WGS-84椭球及有关常数 对应于WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数采用IUGG第17届大会大地测量常数的推荐值。下面给出WGS-84椭球最常用的几何常数:长半轴:6 378 1372(m)扁率:1:298.257223563地球引力和地球质量的乘积：GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2正常化二阶带谐系数：C20=-484.1668510-61.310-9地球重力场二阶带球谐系数：J2=10826310-8地球自转角速度：=729211510-11rads-10.15010-11rads-11.2西安80坐标系1.2.1西安80坐标系的几何意义 1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站19521979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。 大地原点在我国中部，具体地点是陕西省泾阳县永乐镇；西安80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与 Z轴垂直指向经度零方向；Y轴与 Z、X轴成右手坐标系；1.2.2西安80椭球及有关常数 椭球参数采用IUG 1975年大会推荐的参数，因而可得西安80椭球几个最常用的几何参数为： 长半轴a=63781405（m） 短半轴b=6356755.2882（m） 扁 率=1/298.257 第一偏心率平方 =0.00669438499959 第二偏心率平方=0.00673950181947 椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。基准面采用青岛大港验潮站19521979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。1.3坐标转换概述及流程1.3.1坐标转换概述 坐标转换是空间实体的位置描述，是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程。通过建立两个坐标系统之间一一对应关系来实现。是各种比例尺地图测量和编绘中建立地图数学基础必不可少的步骤。在地理信息系统中，有两种意义的坐标转换，一是地图投影变换，即从一种地图投影转换到另一种地图投影，地图上各点坐标均发生变化；另一是量测系统坐标转换，即从大地坐标系到地图坐标系、数字化仪坐标系、绘图仪坐标系或显示器坐标系之间的坐标转换。1.3.2任意两空间坐标系的转换方法 由于测量坐标系和施工坐标系采用不同的标准，要进行精确转换，必须知道至少3个重合点（即为在两坐标系中坐标均为已知的点。）常用的方法有三参数法、四参数法和七参数法。（1）通过三参数实现坐标转换 三参数是通过一个已知点来校正，求出WGS84坐标系统的坐标值与实际应用坐标值的三维差值，即X、Y、H。三参数只是一个点的三维改正值，它默认了使用点所在的坐标系与WGS-84坐标系北方向是一致的。（2）通过四参数实现坐标转换平面四参数坐标转换方法是种降维的坐标转换方法，即由三维空间的坐标转换转化为二维平面的坐标转换，避免了由于已知点高程系统不一致而引起的误差。四参数的数学含义（在高斯平面内）： 坐标的平移分量 坐标的平移分量 尺度因子 旋转量（3）通过七参数实现坐标转换七参数是两个不同椭球之间的转换参数，实际工作中通常采用布尔莎模型实现两个坐标系之间的转换。布尔莎沃尔夫模型，也称默特模型，其转换参数分别是个平移参数（，）、个旋转参数（，）和一个尺度参数。1.3.3坐标转换流程建立坐标转换模型（X,Y,Z）GPS空间直角坐标系（B,L,H）GPS大 地坐标系西安80空间直角坐标系（X,Y,Z）求解转换参数 图1-1坐标转换流程图2、 建立坐标转换模型 GPS测量采用的坐标系WGS-84属地心坐标系，1980西安大地坐标系属参心坐标系，它们所对应的空间直角坐标系是不同的，如图2-1，两个直角坐标系分别为0-XYZ和O-XYZ，其坐标原点不相一致，即存在三个平移参数、，又当各坐标相互不平行时，即存在三个旋转参数、。 显然，这两个坐标系，通过坐标轴的平移和旋转可取得一致，又两个坐标系尺度不一致，从而还有一个尺度参数(两个坐标尺度之差)m，这就是确定两个坐标系转换参数常用的转换模型 Z Z YYX图2-1 坐标转换模型示意图X 我国的高精度GPS-A、B级网是在WGS-84椭球上平差的，平差后的大地坐标与大地高是以WGS-84椭球面为起算面的地心系成果。但由于我国目前使用的大地坐标成果为1980西安坐标系参心成果，参考椭球为IAG-75椭球，故有必要把WGS-84椭球下的空间直角坐标成果(X、Y、Z)与大地坐标成果(B、L、H)转换到1980西安坐标系，以更好地满足用户对我国的高精度GPS-A、B级网点成果使用的要求。 在进行GPS-A、B级控制网成果转换时要使用1980西安坐标系下的大地高，大地高是由正常高与高程异常相加得到，也就是说1980西安坐标系下的大地高包含了我国老一代大地水准面的影响，由于我国老一代大地水准面精度较差(最弱点的传算误差达数米)，势必造成转换后的GPS-A、B级控制网的大地高(1980西安坐标系)的精度较差。目前完成不同空间大地直角坐标系的转换可采用三参数法、七参数法(布尔莎公式、莫洛琴斯基公式、范士公式)、多于七参数的方法、多项式逼近法等。本文在完成我国参心大地坐标系和界地心坐标系(WGS-84)转换模型的计算时，采用了常用的具有明显几何意义的三参数(三个平移量)、四参数(三个平移量、一个尺度比)、七参数(布尔莎公式，顾及三个平移量、一个尺度比、三个欧拉角)转换模型。实践证明，采用分区(将我国分为九个区)可获得较好的转换效果。三参数转换模型： （） 四参数转换模型： （2 2）七参数转换模型： （2 3）注：新为1980西安坐标系，旧为WGS-84坐标系。采用上述3种模型，利用3个以上具有两套空间坐标的重合点，组成误差方程、法方程，解算得到转换参数。3、求解转换参数通过选择同时具有WGS-84和西安80两套坐标的三个以上控制点，运用以上转换模型以最小二乘法解算转换参数。4、 已知点验证及精度分析根据坐标转换参数，计算相应的1980西安坐标系坐标成果。计算步骤:（1）换算转换点的WGS-84坐标系的空间直角坐标X1，Y1，Z1;（2）根据坐标转换参数(七参数):3个平移参数dx dy dzT，3个旋转参数 T和1个尺度参数m按下式计算相应的1980西安坐标系的空间直角坐标,。 =dx+(1+m)-+， =dy+(1+m)+-， （4 1） =dz+(1+m)-+。式中:3个平移参数dx dy dzT的单位为m;3个旋转参数 T的单位为rad;1个尺度参数m无单位。 温州灵昆南河标准堤及海思水闸工程中，设计方进行了WGS84-坐标系下经典自由网平差，得到了平差后WGS-84坐标，而工程需要使用西安80坐标系下的坐标，因此需要进行两个坐标系的转换，用提供的三个坐标点位进行坐标转换，转换流程如下： 平差后WGS-84坐标和点位精度点名 X Y Z X偏移mm Y偏移mm Z偏移mm G120 -2897379.400 4835864.845 2973380.752 0.000 0.000 0.000 G039 -2890205.470 4839819.794 2973983.102 1.394 1.460 1.387 I853 -2895212.718 4838459.445 2971283.579 1.175 1.222 1.082 G121 -2894681.093 4838581.518 2971593.058 0.833 0.924 0.755 I841 -2894374.245 4838827.963 2971499.889 1.009 1.087 0.933 将三个坐标输入GPS中G120 3094968.916 525601.260 0.000 0.000 0.000 G039 3095621.503 517413.274 0.000 0.000 0.000 I853 3092588.294 522414.201 0.000 0.000 0.000 设置中央子午线等信息，进行点位矫正，计算出七参数。 在GPS中设置好七参数等信息，通过GPS矫正坐标系，之后对另外两点进行测量，得到如下坐标：G121 3092939.547 521894.662 0.000 0.000 0.000 G121I841 3092831.235 521505.013 0.000 0.000 0.000 I841 与已知坐标进行对比G121 3092939.551 521894.668 0.000 0.000 0.000 G121I841 3092831.245 521505.020 1.043 0.706 0.767 I841(1)测量结果与已知点互差均在厘米级，其中互差最大为1cm ,最小为0.6cm。(2)若以已知点坐标为准，点位误差均在1 c m以内，测量出的点位相对于已知点的点位计算，结果为0.707213cm。5、 结论与建议 由于受我国参心高程异常精度(数米)不高的影响，采用全国范围、我国西部、中部、东部4个大范围完成转换参数计算时，大地高的转换精度接近1m，大地经纬度的转换精度为0.5m1.0m。在完成转换参数计算中，顾及转换参数越多,转换精度越好，因此对大范围的转换参数的计算，建议采用七参数转换模型。 由于粗差点明显会扭曲与降低转换参数的确定精度，因此完成粗差点(不是真正的重合点)剔除在转换参数确定中是一项重要工作。 对完成小区域范围(数百公里范围以内)地心坐标与参心坐标转换参数计算时，也可选用其他转换模型，例如，可选用平面转换模型(2个平移量，1个尺度比，1个旋转角)或2维多项式转换模型等，但为了确保转换精度，在选用重力点时，最好在3个点以上,且有较好的分布，并做好重合点的粗差剔除工作。 鉴于本文采用的转换模型具有明显的几何意义，且实现较容易，该转换模型是建立全国范围或分区建立我国参心系与世界地心系的有效方法。 参 考 文 献1 朱华统.大地坐标系的建立M.北京:测绘出版社,1986:15-20.2 周忠谟.地面网与卫星网之间转换的数学模型M.北京:测绘出版 社,1984:248-250.3 陈俊勇.建立我国分米级大地水准面的研究和实施./九五0测绘科技攻关项 目专题技术报告R.国家测绘局大地测量数据处理中心,1998,(3):137.4 张楠，董晓晶，张健.WGS-84 坐标系与 BJ-54 坐标系的转换方法及精度探 讨J.制造业自动化，2009:34-36.5 冯林刚,张宗海.关于GPS控制网WGS84平差坐标向地方独立坐标系的转 换J.测绘通报，2005,(4):56-60.6 宋广为，刘缨.一个精简的WGS-84到BJ-54坐标系转换模型研究与工程 实现J.计算机与信息技术，2011:12-14.7 汪生燕,王海芹.浅淡WGS-84坐标系与任意坐标系的坐标转换，西部探矿工 程J.2009,(2):23-26.8 伍 霁，曹 娜.基于MATLAB的WGS84坐标向北京54坐标转换J.内江科计， 2011,(2):56-60. 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