国土资源部2000系河北培训班2018

坐标系基础知识及控制点转换方法,中国测绘科学研究院2018.4.17,成英燕,主要内容,1测量坐标系定义和表达2转换产品的形成和应用3点数据坐标转换4GPS采集实时数据转换,1测量坐标系定义和表达,地球椭球分类总地球椭球:与全球范围内的大地水准面最佳拟合参考椭球:与某个区域的大地水准面最佳拟合,参考椭球定位单点定位多点定位,1.1地球形状和大小,坐标系定义原点、尺度、轴指向表达到椭球面上还需在定义椭球大小椭球的位置和轴指向,1.2测量坐标系定义和表达,大地坐标系,空间直角坐标系,大地坐标系,空间直角坐标系,测量常用坐标系,平面直角坐标系,1.2测量坐标系定义和表达,我国常用坐标系,同一地面点在不同大地坐标系中具有不同的坐标值,1.2测量坐标系定义和表达,参心系地心坐标系,1954年北京坐标系1980西安坐标系地方独立坐标系,ITRSWGS-84CGCS2000,ITRF88-ITRF2014,WGS-84（G730）（G873)（G1150)（G1674）,我国常用坐标系的实现坐标框架,一四等天文大地网点,坐标系实现框架,8,1.2测量坐标系定义和表达,参心坐标系是各个国家选择和局部区域的大地水准面最为密合的椭球作为参考椭球建立的坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。由于参考椭球的中心一般和地球的质心不一致，因而参心坐标系又称非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系。,1.3参心坐标系-局部坐标系,1954年北京坐标系椭球定位采用了前苏联的定位定位的椭球面与我国的大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部的高程异常达到60多米。1980西安坐标系在全国范围内，参考椭球面和大地水准面符合很好高程异常为零的两条等值线穿过我国东部和西部大部分地区高程异常在20m以内，它对距离的影响小于1/30万,1.3参心坐标系-局部坐标系,我国天文大地网整体图形结构坚强，起始数据均匀。整体平差方案先进，归算严格，成果精度较好。框架点数：全国天文大地网成果约5万点，全国三四等三角网平差成果约8万点。点位精度：平差点位误差一般与离大地原点的距离有关，距大地原点越远误差越大。全网按照不同结构强度、观测精度、分布选取了101点计算点位中误差92的一、二等点点位中误差在0.7m以内78的三等点的点位中误差在0.8m以内大于1m的两点位于西藏与青海交接处和塔里木盆地南缘，分别为三等单三角锁和三等单导线点，一个距大地原地1800公里，一个距大地原地2500公里。距离大地原点最远点（3200公里）的点位误差为0.9m。,1980西安坐标系坐标框架,1.3参心坐标系-局部坐标系,WGS-84（世界大地坐标系）WGS-84是美国国防部建立的、GPS卫星定位采用的坐标系统。,WGS-84椭球,2000国家大地坐标坐标系CGCS2000参考椭球a=6378137mf=1/298.257222101坐标原点：地球质心启用时间：2008年7月1日,1.4地心坐标系-全球坐标系,作为测制地形图的基础，大地坐标系的改变对地形图要素产生的位置变化。局部坐标系的原点偏离地心较大(接近200m),13,1.5参心坐标系与CGCS2000的坐标差异,全国不同区域80到2000的转换精度,2转换产品的形成和应用,以一定精度测定其位置为其他测绘工作提供依据的固定点。有实际点位没有实际点位,16,2.1控制点,国家级GNSS连续运行基准站点2000国家GPS大地控制网点国家一、二、三、四等天文大地点省级GNSS连续运行基准站点省市卫星大地控制网C级点、D级点其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的控制点。,17,2.2控制点分类,格网点转换参数计算的数据基础,2000国家GPS大地控制网点336个国家一、二等天文大地点48919个国家三、四等天文大地点74723个中东部地区16个省市完成省级大地水准面精化项目时获得的GPSC级点1097个2000国家大地坐标系与1980坐标系下的重合点共125075个点,18,近2600GPS点分布图,2000国家大地坐标系与1980坐标系下的重合点,由三个层次框架点组成。第一层次：连续运行参考站，28个点，CGCS2000基本骨架。精度mm级。第二层次：“2000国家GPS大地控制网”。精度cm级。第三层次：全国天文大地网，约5万个点。大地经纬度精度：0.11m。,全国天文大地控制网约50000点2000国家GPS大地控制网2500多点IGS站和永久跟踪站28点,2dm3cm3mm,CGCS2000坐标框架点,参心坐标成果向CGCS2000转换,21,全国1：1万格网80系向2000系转换改正量计算,控制点的选取、分析与确定,（1）控制点选取原则：,2）控制点分析及确定：,异常点411个,控制点及异常点分布示意图,全国1：1万格网80系向2000系转换改正量计算,控制点的选取、分析与确定,确定最终用于计算全国高分辨率格网点转换改正量的一二三四等控制点124664个,在椭球上将转换区域划分成高分辨率格网（示意图）,格网点-衍生的控制点,以格网点为中心，采用一定的距离为半径画圆，形成一个搜索范围选择该范围内的控制点，求取各控制点的大地坐标改正量采用适当的模型计算各个格网点的1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换的坐标改正量（DB，DL）,格网点生成方法,格网点生成模型,格网点生成方法,全国1：1万图幅80系向2000系转换改正量检核统计分布图,格网改正量的内符合精度优于0.2m。,全国陆地范围内413288幅1：1万图幅80系向2000系转换改正量,优点：转换为无缝转换，不需要重新接边；转换不受比例尺及范围的限制，不同比例尺上同一个要素点其坐标转换结果一样；不受GIS软件平台的限制，可从底层开发软件实现转换。全国采用统一一套“控制点成果”保证各省各地区转换结果的唯一性和无缝拼接。,全国1：1万图幅80系向2000系转换改正量,3点数据坐标转换,参心坐标成果向CGCS2000转换,基于格网点成果的转换-坐标双线性内插方法,不同空间直角坐标之间的变换布尔萨模型莫洛金斯基模型三维四参数不同大地坐标系的变换三维七参数二维七参数椭球面多项式拟合平面坐标系之间的变换二维四参数平面多项式拟合,3.1坐标转换模型,参心坐标成果向CGCS2000转换,33,（1）不同空间直角坐标系转换,布尔莎七参数转换模型,旋转-缩放-平移,参心坐标成果向CGCS2000转换,三维七参数模型：,（2）不同大地坐标系转换,参心坐标成果向CGCS2000转换,二维七参数模型,（2）不同大地坐标系转换,35,参心坐标成果向CGCS2000转换,二维七参数转换精度比三维七参数提高2-3倍,模型比较,（2）不同大地坐标系转换,36,参心坐标成果向CGCS2000转换,步骤：（1）按转换区域选取适当的转换模型（2）重合点选择（3）重合点分析（4）坐标转换（5）外部检核,3.2转换方法,参心坐标成果向CGCS2000转换,（1）按转换区域选取适当的转换模型,2转换方法,参心坐标成果向CGCS2000转换,（2）重合点选择选取原则：尽量选取足够的高等级、高精度且分布均匀的点作为坐标转换的重合点。重合点的分布要覆盖整个转换区域且尽量分布均匀。（3）重合点分析根据用所计算的转换参数计算的重合点坐标残差；剔除残差大于3倍中误差的重合点；重新计算坐标转换参数，直到满足精度要求为止；计算转换参数的重合点数量与采用模型及转换区域有关，一般七参数不少于6个，四参数不少于4个。,3.2转换方法,39,参心坐标成果向CGCS2000转换,4GPS采集实时数据转换,41,WGS-84与ITRF,4.1地心坐标系之间的关系比较,41,WGS-84椭球与CGCS2000椭球的比较,CGCS2000,2000历元,43,国际上地心坐标系与CGCS2000的坐标差异,板块运动,除太平洋板块几乎全为海洋外，其余五个板块既包括大陆又包括海洋。在板块中还可以分出若干次一级的小板块,开始的板块是一个整体,后来划分为六大板块；太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度板块（包括澳洲）和南极板,44,由于站点位置会随所在板块一起运动，因此空间技术实现的参考框架一般是动态框架。站点的位置应表示为四维，即包括测站的位置和历元，或站坐标和速度。,框架动态维持方法,当D和R为10-5水平，大约为每年10cm,100年大约不到1mm,可以忽略不计,点位归算方法,框架历元归算,板块运动,从ITRF2000转换到以前框架的转换参数与速率（历元1998.0）,ITRF框架转换关系,47,（1）框架历元归算（框架间转换参数计算）,具体的公式为,ITRF框架转换关系,48,（1）框架历元归算,IERS96推荐NNR-NUVEL1A板块运动模型,全球板块划分,49,常采用的方法有两种1.采用欧拉模型对于刚性板块上的各站点的运动速度可用刚性板块假设条件下的欧拉模型,且模型简单，使用方便。2.实测时间序列确定速度场建立基于GPS技术的分布合理的CORS网，以高精度获取站点相对于全球参考框架的坐标及速度场进行框架维持。,框架维护,板块划分-CPM-CGCS2000,CPM_CGCS200020个板块欧拉矢量及板块拟合精度（单位：欧拉矢量rad/Ma,拟合精度mm/a）,52,板块运动改正,t1为原参考历元，t2为需转到的参考历元，VX，VY，VZT为控制点的速率。,53,GPS采集实时数据转换,格网速度场成果,先将站点空间直角坐标转为大地坐标由经纬度定位测站所在的格网，测站的速度则由4个格网点速度取平均求得。,格网速度场的应用,板块运动改正,SITE位于格网经度为102103，纬度为3233内的站点，格网4个角点的速度分别为VE1，VN1、VE2，VN2、VE3，VN3、VE4，VN4，测站SITE东、北方向速度值则为：,ITRF2014到ITRF2008转换参数,框架转换,（4.34）,ITRF2008到ITRF97转换参数,28个省级1800个站数据处理为例。收集数据一个时间段的CORS观测数据。周边基准站同步观测数据观测数据：2014年8月1日至31日共31天,转换实例-全国省级CORS站,58,转换方法：周边基准站选取基准框架和历元确定数据处理策略分析与比较数据处理坐标归算到2000系,59,转换实例-全国省级CORS站,国家级：选取全球稳定IGS站作为外部控制站省级框架选取我国周边10个稳定的IGS站国内IGS站及国家级GNSS连续运行基准站,60,转换实例-全国省级CORS站,全球控制站选取94个我国周边及国内IGS及部分国家级CORS站,61,转换实例-全国省级CORS站,区域控制站选取：我国周边10个IGS站ARTU、TIXI、POL2、DAEJ、YSSK、IISC、KIT3、URUM、BJFS、WHUN。,62,转换实例-全国省级CORS站,63,ITRF911992年至1993年底;ITRF921994年期间;ITRF931995年初至1996年中期;ITRF941996年中期至1998年3月;ITRF961998年3月至1999年8月;ITRF971999年8月至2000年10月；ITRF20002003年10月至2006年10月；ITRF20052006年10月至2015年5月ITRF20082015年5月至今。,转换实例-全国省级CORS站,64,观测数据历元的确定单点定位连续观测数天历元的确定中间天的年积日多年观测数据：最末年积日,64,转换实例-全国省级CORS站,分区方法：间距分区法VS传统分区法两种方式：强约束/拟稳基准VS国家级速度场归算,转换实例-全国省级CORS站,间距分区法相比传统分区可提高整网解算精度。对于100km以内的基线解算精度提高30%100-200km基线解算精度提高48%,大型网的间距分区法,每区分布图示例,转换实例-全国省级CORS站,历元的确定高精度数据处理软件进行处理与平差平差结果：ITRF2008框架，2014.664历元位置和基线向量,67,转换实例-全国省级CORS站,计算2000.0时ITRF2008-ITRF97转换参数,转换实例-全国省级CORS站,69,板块运动改正：由SOPAC得到IGS站在ITRF2008历元20140831时的瞬时坐标见下表，各测站的速度为这些测站ITRF2008框架中的速度。,转换实