GPS测量中的坐标系统及其转换

GPSGPS 测量中的坐标系统及其转换测量中的坐标系统及其转换 摘要 在 GPS 测量中通常采用两类坐标系统 一类是在空间固定的坐标系统 另一类是与地球体相固联的坐 标系统 也称固定坐标系统 如 WGS 84 世界大地坐标系和 1980 年西安大地坐标系 在实际使用中需要根 据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换 来求出所使用的坐标系统的坐标 这样更有利于表达地面 控制点的位置和处理 GPS 观测成果 因此在 GPS 测量中得到了广泛的应用 关键词 GPS 测量 1 坐标系统的介绍 1 1 WGS 84 坐标系统 WGS 84 坐标系是目前 GPS 所采用的坐标系统 是由美国国防部制图局建立 于 1987 年取代了当时 GPS 所采用的坐标系统 WGS 72 坐标系统 而成为 GPS 目前所使用的坐标系统 WGS 84 坐标系的坐标原点位于地球的质心 Z 轴指向 BIHl984 0 定义的协议地球极方向 X 轴指向 BIHl984 0 的起始子午面和赤道的交点 Y 轴与 X 轴和 Z 轴构成右手系 WGS 84 系所采用椭球参数为 a 6378138m f 1 298 257223563 1 2 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 该坐标系源自于原苏联采用过的 1942 年 普尔科夫坐标系 建国前 我国没有统一的大地坐标系统 建国初期 在苏联专家的建议下 我国根据当时的 具体情况 建立起了全国统一的 1954 年北京坐标系 该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球 该椭球 的参数为 a 6378245m f 1 298 3 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 1 3 1980 年西安坐标系 1980 年西安坐标系的原点位于我国的中部 陕西西安市的附近 椭球的短轴平行于由地球质心指向我 国地极原点 JYD1968 0 的方向 起始大地子午面平行与我国起始天文子午面 大地点的高程是 1956 年青 岛验潮站的黄海平均海水面为基准 2 坐标系统的转换 一般情况下 我们使用的是 1954 年北京坐标系或 1980 年西安坐标系 而 GPS 测定的坐标是 WGS 84 坐 标系坐标 需要进行坐标系转换 对于非测量专业的工作人员来说 虽然 GPS 定位操作非常容易 但坐标转 换则难以掌握 EXCEL 是比较普及的电子表格软件 能够处理较复杂的数学运算 用它的公式编辑功能 进行 GPS 坐标转换 会非常轻松自如 要进行坐标系转换 离不开高斯投影换算 下面介绍 GPS 坐标转换方法 GPS 所采用的坐标系是美国国防部 1984 世界坐标系 简称 WGS 84 它是一个协议地球参考系 坐标系原 点在地球质心 GPS 的测量结果与我国的 54 系或 80 系坐标相差几十米至一百多米 随区域不同 差别也不 同 由此可见 必须将 WGS 84 坐标进行坐标系转换才能供标图使用 坐标系之间的转换一般采用七参数法 或三参数法 其中七参数为 X 平移 Y 平移 Z 平移 X 旋转 Y 旋转 Z 旋转以及尺度比参数 若忽略旋转 参数和尺度比参数则为三参数方法 三参数法为七参数法的特例 这里的 X Y Z 是空间大地直角坐标系 坐标 原理是 不把 GPS 所测定的 WGS 84 坐标当作 WGS 84 坐标 而是当作具有一定系统性误差的 54 系坐标 值 然后通过国家已知点纠正 消除该系统误差 下面以 WGS 84 坐标转换成 54 系坐标为例 介绍数据处理 方法 首先 在测区附近选择一国家已知点 在该已知点上用 GPS 测定 WGPS 84 坐标系经纬度 B 和 L 把此坐 标视为有误差的 54 系坐标 利用 54 系 EXCEL 将经纬度 BL 转换成平面直角坐标 X Y 然后与已知坐标比较 则可计算出偏移量 X X X Y Y Y 式中的 X Y 为国家控制点的已知坐标 X Y 为测定坐标 X 和 Y 为偏移量 求得偏移量后 就可以用此偏移量纠正测区内的其他测量点了 把其他 GPS 测量点的经纬度测量值 转 换成平面坐标 X Y 在此 XY 坐标值上直接加上偏移值就得到了转换后的 54 系坐标 X X X Y Y Y 在上述 EXCEL 计算表的最后两列 附加上求得的改正数并分别与计算出来的 XY 相加后 即得到转换结 果 就 1 1 万比例尺成图而言 在一般的县行政区范围内 如 40Km 40Km 用此简单的坐标改正法进行转 换与较复杂的七参数法没有多大差别 能否满足 1 1 万比例尺变更调查的要求 主要取决于 GPS 接收机本 身的精度 与转换方法的选择关系不大 当面积较大时 使用该方法可能会使误差增大 这时可考虑分区域 转换 西安 80 坐标系与北京 54 坐标系其实是一种椭球参数的转换作为这种转换在同一个椭球里的 转换都是严密的 而在不同的椭球之间的转换是不严密 因此不存在一套转换参数可以全国通用的 在每个 地方会不一样 因为它们是两个不同的椭球基准 那么 两个椭球间的坐标转换 一般而言比较严密的是用七参数布尔莎模型 即 X 平移 Y 平移 Z 平 移 X 旋转 WX Y 旋转 WY Z 旋转 WZ 尺度变化 DM 要求得七参数就需要在一个地区需要 3 个 以上的已知点 如果区域范围不大 最远点间的距离不大于 30Km 经验值 这可以用三参数 即 X 平移 Y 平移 Z 平移 而将 X 旋转 Y 旋转 Z 旋转 尺度变化面 DM 视为 0 方法如下 MAPGIS 平台中 第一步 向地方测绘局 或其它地方 找本区域三个公共点坐标对 即 54 坐标 x y z 和 80 坐标 x y z 第二步 将三个点的坐标对全部转换以弧度为单位 菜单 投影转换 输入单点投影转换 计算出这三 个点的弧度值并记录下来 第三步 求公共点求操作系数 菜单 投影转换 坐标系转换 如果求出转换系数后 记录下来 第四步 编辑坐标转换系数 菜单 投影转换 编辑坐标转换系数 最后进行投影变换 当前投影 输 入 80 坐标系参数 目的投影 输入 54 坐标系参数 进行转换时系统会自动调用曾编辑过的坐标转换系数 3 结论 在使用 GPS 测量中 外业的观测简单 快捷 内业数据的计算可以通过相应的软件直接得到 WGS 84 的 坐标 为了将其转换为常用的 BJ 54 或 XA 80 坐标 常常使测量人员比较棘手 本文论述了用 EXCEL 进行 坐标转换的方法 在小测区面积范围内可以直接使用 在大测区面积范围内分区使用 给测量的计算带来了 很大的方便 参考文献 1 周忠谟 易杰军 周琪 GPS 卫星测量原理及应用 测绘出版社 1995 2 徐绍全等 GPS 卫星测量原理及应用 武汉测绘科技大学出版社 2004 3 周建郑 GPS 定位原理与技术 黄河水利出版社 2005 4 李连伟 WGS84 和 BJ54 坐标转换问题探讨 测绘与空间地理信息 2004 1 5 孔祥元 梅是义 控制测量学 上 下册 武汉大学出版社 GPS 技术在公路测量中的应用前景及现状技术在公路测量中的应用前景及现状 摘要 GPS 技术应用于公路测量是公路外业勘测的一项重大技术革命 其应用及开发的前景十 分广阔 尤其是实时动态 RTK 定位技术在公路测量中蕴含着巨大的技术潜力 本文主要介 绍了 GPS 中的 RTK 技术在公路测量中的应用及其对公路勘测的巨大推进作用 关键词 GPS RTK 静态定位 动态定位 1 GPS 技术发展现状 全球定位系统 GPS GlobalPositioningSystem 是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系 统 具有全球性 全天侯 连续性 实时性导航定位和定时功能 能为各类用户提供精密的三 维坐标 速度和时间 单点导航定位与相对测地定位是 GPS 应用的两个方面 对常规测量而 言相对测地定位是主要的应用方式 相对测地定位是利用 L1 和 L2 载波相位观测值实现高精度测量 其原理是采用载波相位测 量局域差分法 在接收机之间求一次差 在接收机和卫星观测历元之间求二次差 通过两次差 分计算解算出待定基线的长度 求解整周模糊度是其关键技术 根据算法模型 设计了静态 快速静态以及 RTK 等作业模式 静态作业模式主要用于地壳变形观测 国家大地测量 大坝变 形观测等高精度测量 快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程 测量 而 RTK 测量以其快速实时 厘米级精度等特点广泛应用于数据采集 如碎部测量 与工 程放样中 RTK 技术代表着 GPS 相对测地定位应用的主流 GPS 测地型接收设备是实现测地定位的基本条件 接收机有单频与双频之分 双频机能以 L2 观测值修正电离层折射影响 最适宜于中 长基线 大于 20km 测量 具有快速静态测量 的功能 可升级为 RTK 功能 单频机适宜于小于 20km 的短基线测量 对于一般工程测量具有 良好的性能价格比 RTK 系统由 GPS 接收设备 无线电通讯设备 电子手薄及配套设备组成 整套设备在轻量化 操作简便性 实时可靠性 厘米级精度等方面的特点 完全可以满足数据 采集和工程放样的要求 鉴于 GPS 系统在轨卫星数有限 在对空通视受遮挡的条件下 不能 保证正常解算 影响定位的精度和可靠性 实践表明 单频 GPS 系统由于多环境的制约 存 在着很大的局限性 随着俄罗斯的全球导航卫星系统 CLONASS 的不断完善 利用 GLONASS 来改善 GPS 性能的双星座系统 GLONASS GPS 已由美国 Ashtech 公司研制成 功 这种全天候 全地域 高精度的系统为用户提供了更为完善的接收设备 双星座系统的接 收设备 GPS 接收设备的新水平 2 GPS 技术在公路测量中的应用前景 随着我国国民经济的快速增长的西部大开发的实施 我省的高等级公路建设迎来前所末有 的发展机遇 这就对勘测设计提出了更高的要求 随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发 展 公路设计已实现 CAD 化 有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持 建立勘 测 设计 施工 后期管理一体化的数据链 减少数据转抄 输入等中间环节 是公路勘测设 计 内外业一体化 的要求 也是影响高等级公路设计技术发展的 瓶颈 所在 目前公路勘测中虽 已采用电子全站仪等先进仪器设备 但常规测量方法受横向通视和作业条件的限制 作业强度 大 且效率低 大大延长了设计周期 勘测技术的进步在于设备引进和技术改造 在目前的技 术条件下引入 GPS 技术应当是首选 当前 用 GPS 静态或快速静态方法建立沿线总体控制测 理 为勘测阶段测绘带状地形图 路线平面 纵面测量提供依据 在施工阶段为桥梁 隧道建 立施工控制网 这仅仅是 GPS 在公路测量中应用的初级阶段 其实 公路测量的技术潜力蕴 于 RTK 实时动态定位 技术的应用之中 RTK 技术在公路工程中的应用 有着非常广阔的前 景 下面就 RTK 技术在公路勘测中的应用作简单的介绍 3 RTK 技术在公路测量中的应用 3 1 实时动态 RTK 定位技术简介 实时动态 RTK 定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分 GPS RTDGPS 技术 它是 GPS 测量技术发展的一个新突破 在公路工程中有广阔的应用前景 众所周知 无论静 态定位 还是准动态定位等定位模式 由于数据处理滞后 所以无法实时解算出定位结果 而 且也无法对观测数据进行检核 这就难以保证观测数据的质量 在实际工作中经常需要返工来 重测由于粗差造成的不合格观测成果 解决这一问题的主要方法就是延长观测时间来保证测量 数据的可靠性 这样一来就降低了 GPS 测量的工作效率 实时动态定位 RTK 系统由基准站和流动站组成 建立无线数据通讯是实时动态测量的 保证 其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点 安置一台接收机作为参考站 对卫 星进行连续观测 流动站上的接收机在接收卫星信号的同时 通过无线电传输设备接收基准站 上的观测数据 随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度 这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况 根据待测点的精 度指标 确定观测时间 从而减少冗余观测 提高工作效率 3 2 应用 实时动态 RTK 定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式 两种定位模式相结合 在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测 施工放样 监理和 GIS 地理信息系统 前端数据采 集 3 2 1 快速静态定位模式 要求 GPS 接收机在每一流动站上 静止的进行观测 在观测 过程中 同时接收基准站和卫星的同步观测数据 实时解算整周未知数和用户站的三维坐标 如果解算结果的变化趋于稳定 且其精度已满足设计要求 便可以结束实时观测 一般应用在 控制测量中 如控制网加密 若采用常规测量方法 如全站仪测量 受客观因素影响较大 在 自然条件比较恶劣的地区实施比较困难 而采用 RTK 快速静态测量 可起到事半功倍的效果 单点定位只需要 5 10min 随着技术的不断发展 定位时间还会缩短 不及静态测量所需时间 的五分之一 在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作 3 2 2 动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟 有的仪器只需 2 10s 进行初 始化工作 之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测 并连同基准站的同步观测数据 实时确定采样点的空间位置 目前 其定位精度可以达到厘米级 动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景 可以完成地形图测绘 中桩测量 横 断面测量 纵断面地面线测量等工作 测量 2 4S 精度就可以达到 1 3cm 且整个测量过 程不需通视 有着常规测量仪器 如全站仪 不可比拟的优点 3 3 RTK 技术的优点 3 3 1 实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果 包括高程 3 3 2 彻底摆脱了由于粗差造成的返工 提高了 GPS 作业效率 3 3 3 作业效率高 每个放样点只需要停留 1 2s 流动站小组作业 每小组 3 4 人 可完成中线测量 5 10km 若用其进行地形测量 每小组每天可以完成 0 8 1 5km3 的地形图 测绘 其精度和效率是常规测量所无法比拟的 3 3 4 在中线放样的同时完成中桩抄平工作 3 3 5 应用范围广 可以涵盖公路测量 包括平 纵 横 施工放样 监理 竣工测量 养护测量 GIS 前端数据采集诸多方面 3 3 6 如辅助相应的软件 RTK 可与全站仪联合作业 充分发挥 RTK 与全站仪各自的优势 3 4 推广建议 3 4 1 GPS 静态定位技术和动态定位技术相结合的方法可以高效 高精度地完成公路平面 控制测量 3 4 2 生产过程中采用常规方法和 GPS 技术相结合生产流程可以极大地提高生产效率 3 4 3 随着 GPS 技术特点是 RTK 技术的发展 各个厂家相继推出了具有自主专利技术的 仪器 其初始化时间越来越短 跟踪能力也越来越强 精度越来越高 可靠性越来越强 有着 良好的性价比 在勘察设计单位具有代替全站仪的趋势 单位设备更新时应考虑这一因素 3 4 4 GPS 技术在公路测量中的应用 是公路测量的一项革命性的技术革新 它将对传统 的作业理念予以更新 4 结语 GPS 在公路勘测中的应用 对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革 极 大地提高了勘测精度和勘测效率 特别是实时动态 RTK 定位技术将在公路勘测 施工和后 期养护 管理方面有着广阔的应用前景 GPS RTK 技术在地形地籍测量中的应用技术在地形地籍测量中的应用 摘要 随着测绘技术的迅猛发展 地形地籍测量的方法和技术也在不断地进步和更新 结合 GPS RTK 技 术在城镇地形地籍测量工作中的应用 本文概括了 RTK 技术的相关理论 并阐述了 RTK 在具体应用中的特 点 关键词 GPS RTK 技术 地行地籍测量 1 概述 GPS RTK 测量技术是建立在载波相位观测值基础上的实时动态定位系统 本文就利用这项新技术在地 形和地籍测量中的应用情况做一介绍 地形测图是为城市以及为各种工程提供不同比例尺的地形图 以满 足城镇规划和各种经济建设的需要 地籍测量是精确测定土地权属界址点的位置 同时测绘供土地管理部 门使用的大比例尺的地籍平面图 并量算土地面积 GPS 新技术的出现 可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标 特别是应用 RTK 新技术 甚至可以不 布设各级控制点 仅依据一定数量的基准控制点 便可以高精度并快速地测定界址点 地形点 地物点的坐 标 利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图 然后通过计算机和绘图仪 打印机输出各种比例尺的图 件 应用 RTK 技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据 如伪距或相位观测值 及已知数据 如 基准站点坐标 实时传输给流动站 GPS 接收机 流动站快速求解整周模糊度 在观测到四颗卫星后 可以实时 地求解出厘米级的流动站动态位置 这比 GPS 静态 快速静态定位需要事后进行处理来说 其定位效率会 大大提高 故 RTK 技术一出现 其在测量中的应用立刻受到人们的重视和青睐 2RTK 测量技术原理 RTK RealTimeKinematic 测量技术又称载波相位差分技术 是以 WGS 84 坐标为基础的全球通用的一种 动态测量技术 实时处理基准站 流动站两个测站载波相位观测值的差分方法 它又可分为修正法 和差分 法 修正法是将基准站的载波相位修正值发送给流动站 改正流动站所接收到的载波相位 进而解求坐标 也 称准 RTK 差分法是将基准站采集到的载波相位发送给流动站 进行求差解算坐标 即真正的 RTK RTK 的关键技术在于数据处理技术和数据传输技术 RTK 定位要求基准站接收机观测到的载波相位观 测值及基准站坐标等通过数据通信链实时传送给流动站接收机 流动站不仅仅通过数据链接收来自基准站 各项数据 而且还要采集 GPS 观测数据 并在系统内组成差分观测值进行实时处理 求得高精度的定位结果 城镇地籍测量是在 1954 年北京坐标系或本地坐标系上进行的 因此 要快速完成测量工作 就必须实时 进行坐标转换 坐标转换可采用至少三个以上同时拥有 WGS 84 地心坐标和 1954 年北京坐标或本地坐标 的已知点 按 Bursa 模型解求七个转换参数 其数学模型为 式中 Xo Yo Zo 是两个坐标系统的平移参数 Ex Ey Ez 是两个坐标系统的旋转参数 是两个坐标系统 的尺度比 在不考虑七参数中尺度比和旋转参数时 可以现场求定三个平移参数 即令 1 Ex Ey Ez 均为 0 即可 其简化公式为 即仅求出 3 个平移参数 仍可以满足一定精度要求的转换参数 3RTK 技术应用 RTK 技术用于各种控制测常规控制测量如三角测量 导线测量 要求点间通视 费工费时 而且精度不均 匀 外业中不知道测量成果的精度 GPS 静态 快速静态相对定位测量无需点间通视能够高精度地进行各 种控制测量 但是需要时候进行数据处理 不能实时定位并知道定位精度 内业处理后发现精度不合要求必须 返工测量 而用 RTK 技术进行控制测量既能实时知道定位结果 又能实时知道定位精度 这样可以大大提 高作业效率 应用 RTK 技术进行实时定位可以达到厘米级的精度 因此 除了高精度的控制测量仍采用 GPS 静态相对定位技术之外 RTK 技术即可用于地形测图中的控制测量 地籍测量中的控制测量和界址点点位的 测量 地形测图一般是首先根据控制点加密图根控制点 然后在图根控制点上用经纬仪测图法或平板仪测图 法测绘地形图 近几年发展到用全站仪和电子手簿采用地物编码的方法 利用测图软件测绘地形图 但都 要求测站点与被测的周围地物地貌等碎部点之间通视 而且至少要求 2 3 人操作 4RTK 技术在地籍测量中的应用 地籍和测量中应用 RTK 技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍图 同上述测绘地形图一样 能 实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度 将 GPS 获得的数据处理后直接录 入 GPS 系统 可及时地精确地获得地籍图 但在影响 GPS 卫星信号接收的遮蔽地带 应使用全站仪 测距 仪 经纬仪等测量工具 采用解析法或图解法进行细部测量 在建设用地勘测定界测量中 RTK 技术 可实时地测定界桩位置 确定土地使用界限范围 计算用地面积 利用 RTK 技术进行勘测定界放样是坐标 的直接放样 建设用地勘测定界中的面积量算 实际上由 PS 软件中的面积计算功能直接计算并进行检核 避 免了常规的解析法放样的复杂性 简化了建设用地勘测定界的工作程序 在土地利用动态检测中 也可利用 RTK 技术 传统的动态野外检测采用简易补测或平板仪补测法 如 利用钢尺用距离交会 直角坐标法等进行实测丈量 对于变通范围较大的地区采用平板仪补测 这种方法 速度慢 效率低 而应用 RTK 新技术进行动态监测 则可提高检测的速度和精度 省时省工 真正实现实时 动态监测 保证了土地利用状况调查的现实性 5 应用体会 GPS 正在越来越多的测量工作中得到应用 其在地籍测量中的应用就是一例 RTK 技术与其它测量仪器 和测量方法相比 具有不能比拟的优势 RTK 方式出现后不要马上开始测量 要等 GPS 稳定约 20 分钟左右 才能开始测量 否则将有较大的误差 代入记录数据后 如正常工作以后则其记录