1、第 33 卷第 6 期2011 年 12 月甘 肃 冶 金GANSU METALLURGYVol33 No6Dec ， 2011文章编号 : 1672-4461( 2011) 06-0085-02北京54坐标系向国家2000大地坐标系的转换东海宇( 甘肃有色地质勘查局 四队 ， 甘肃 张掖 734012)摘 要 : 2000 国家坐标系统提高了测量的绝对精度 ， 并且可以快速获取精确的三维地心坐标 ， 能够提供高精度 、地心 、实用 、统一的大地坐标系 ， 自此以后的测量成果要求坐标系统采用 2000 国家大地坐标系 ， 本文就北京 54 坐标系和 2000 国家大地坐标系原理和转换方法进行简
2、单的分析 。关键词 : 2000 国家坐标系 ; 北京 54 坐标系 ; 转换中图分类号 : P226+3 文献标识码 : AThe Conversion from Beijing-54 Coordinate System to CGCS2000DONG Hai-yu( The 4th Team of Gansu Non-ferrous Metal Geological Exploration Bureau， Zhangye 734012， China)Abstract: The CGCS2000 system improved absolute accuracy of survey， and
3、 may quickly gets accurate three-dimensionalgeocentric coordinates， can provide earth independent high precision， geocentric， practical， unified earth coordinate system，thereafter survey results are required to adopt the CGCS2000 this article make a simple analysis about the principle and theconvers
4、ion method of Beijing-54 and CGCS2000Key Words: CGCS2000; Beijing-54; conversion1 引言大地坐标系是地球空间框架的重要基础 ， 是表征地球空间实体位置的三维参考基准 ， 科学地定义和采用国家大地坐标系将会对航空航天 、对地观测 、导航定位 、地震监测 、地球物理勘探 、地学研究等许多领域产生重大影响 。建立大地坐标框架 ， 是测量科技的精华 ， 与空间导航乃至与经济 、社会和军事活动均有密切关系 ， 它是适应一定社会 、经济和科技发展需要和发展水平的历史产物 。过去受科技水平的限制 ， 人们不得不使用经典大地测量技
5、术建立局部大地坐标系 ， 它的基本特点是非地心的 、二维使用的 。采用地心坐标系 ， 即以地球质量中心为原点的坐标系统 ， 是国际测量界的总趋势 ， 世界上许多发达和中等发达国家和地区多年前就开始采用地心坐标系 ， 如美国 、加拿大 、欧洲 、墨西哥 、澳大利亚 、新西兰 、日本 、韩国等 。我国也于 2008 年 7 月开始启用新的国家大地坐标系 2000 国家大地坐标系 。2 北京 54 系我国北京 54 坐标系是采用前苏联的克拉索夫斯基椭球参数 ( 长轴 6378 245ra， 短轴 6356 86m， 扁率 1/2983) ， 并与前苏联 1942 年坐标系进行联测 ，通过计算建立了我
6、国大地坐标系 ， 定名为 1954 年北京坐标系 。其坐标的原点不在北京 ， 而是在前苏联的普尔科沃 。3 国家 2000 坐标系 ( CGCS2000)经国务院批准我国自 2008 年 7 月 1 日启用2000 国家大地坐标系 ， 2000 国家坐标系统提高了测量的绝对精度 ， 并且可以快速获取精确的三维地心坐标 ， 能够提供高精度 、地心 、实用 、统一的大地坐标系 ， 为各项社会经济活动提供基础性保障 ; 更好地阐明地球空间物体的运动 ， 满足各部门高精度定位的需求 。2000 国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 ; 2000 国家大地坐标系的Z 轴由原点指向历元
7、 20000 的地球参考极的方向 ，该历元的指向由国际时间局给定的历元为 1984 0的初始指向推算 ， 定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转 ， X 轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面 ( 历元 2000 0) 的交点 ， Y轴与 Z 轴 、X 轴构成右手正交坐标系 。采用广义相对论意义下的尺度 。2000 国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为 :长半轴 ， a =6 378 137 m;扁率 ， f =1/298257222101;地心引力常数 ， GM = 3 986004418 1 014m3s-2;自转角速度 ， =7292l15 105rad s-1。200
8、0 国家大地坐标系 ( CGCS2000) 其定义与ITRS 协议的定义一致 ， 即坐标系原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 ; 尺度为在引力相对论意义下的局部地球框架的尺度 ; 定向的初始值由19840 时 BIH 定向给定 ， 而定向的时间演化保证相对地壳不产生残余的全球旋转 ; 长度单位为引力相对意义下局部地球框架中的米 。CGCS2000 的参考历元为 20000。CGCS2000 所采用的参考椭球以 a( 赤道半径 ) 、J2( 动力形状因子 ) 、GM( 地心引力常数 ) 和 ( 地球自转角速度 ) 等四个基本参数定义 ，国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点 、三个坐标轴的指
9、向 、尺度以及地球椭球的 4 个基本参数的定义 。目前 CGCS2000 的维持主要依靠连续运行 GPS参考站 ， 它们是 GPS2000 的骨架 ， 其坐标精度为毫米级 ， 速度精度为 1 mm/a。CGCS2000 框架由2000 国家 GPS 大地控制网点构成 ， 共有约 2 600 个三维大地控制点 ， 其点位精度约为 3 cm。而由国务院测绘行政主管部门和军事测绘行政主管部门分别实施完成的全国天文大地网与 2000 国家 GPS 大地控制网联合平差形成的近 5 万点构成了 CGCS 2000Q框架的加密网点 ， 三维点位误差约为 03 m。4 转换方法通过以上可以看出这两种坐标系统的
10、起算点不在一个椭球基准面上 ， 这就涉及到两个椭球间的相互转换问题 。所谓坐标转换的过程最重要的就是转换参数的求解过程 ， 目前的转换方法主要分为数学计算模型 、格网内插模型 。全国及省级范围的坐标转换选择二维七参数转换模型 。L B=-sinLNcosB“cosLNcosB“ 0-sinBcosLM“ -sinBcosLM“cosBM“XYZ+tgBcosL tgBsinL 1-sinL cosL 0xyz+0-NMe2sinBcosB“m+0 0NMae2sinBcosB“( 2-e2sin2B)1-fsinBcosB“a f其中 : B， L 同一点位在两个坐标系下的纬度差 、经度差 ，
11、 单位为弧度 ; a， f 椭球长半轴差( 单位米 ) 、扁率差 ( 无量纲 ) ; X， Y， Z 平移参数 ， 单位为米 ; x， y， z 旋转参数 ， 单位为弧度 ; m 尺度参数 ( 无量纲 ) 。省级以下的坐标转换可选择三维四参数模型或平面四参数模型 。对于相对独立的平面坐标系统与 2000 国家大地坐标系的联系可采用平面四参数模型或多项式回归模型 ， 四参数模型属于两维坐标转换 ， 对于三维坐标 ， 需将坐标通过高斯投影变换得到平面坐标再计算转换参数 。平面直角坐标转换模型 :x2y 2=x0y 0+ ( 1 + m)cosa -sina sina cosax1y 2其中 : x
12、0， y0为平移参数 ， 为旋转参数 ， m 为尺度参数 。x2， y2为 2000 国家大地坐标系下的平面直角坐标 ， x1， y1为原坐标系下平面直角坐标 。坐标单位为米 。插值内插模型主要有多项式回归法 ( 二次曲面 ) 、高斯克里格加权法 、加权反距离法 、三角剖分法 、临近点法 、最小曲率内插法等等 。模型参数计算 ， 是用所确定的重合点坐标 ， 根据坐标转换模型利用最小二乘法计算模型参数 ， 也就是计算重合点坐标改正量 ， 利用两个坐标系间控制点的坐标改正量 ， 采用适宜的方法计算一定间隔的格网结点上的坐标改正量内插其他任意点上的坐标改正量 ， 从而实现不同坐标的变换 ， 其优点在
13、于可以很好地拟合由于大地网局部性系统误差 ( 或形变 ) 的影响产生的变形差 ， 能达到局部细致拟合和全网连续的效果 ， 且有较高的转换精度 。插值内插模型整体转换法 ， 其基本思路是 : 以各个转换点 ( 格网点 ) 为中心 ， 以适当的搜索半径搜索出计算该点的北京 54 坐标系向国家 2000 坐标系的坐标改正量 ， 进而获得该点的国家 2000 坐标系坐标 。坐标重合点可采用在两个坐标系下均有坐标成果的点 。但最终重合点还需根据所确定的转换参数 ， 计算重合点坐标残差 ， 根据其残差值的大小来确定 ， 若残差大于 3 倍中误差则剔除 ， 重新计算坐标转换参数 ， 直到满足精度要求为止 ;
14、 用于计算转换参数( 下转第 90 页 )68 甘 肃 冶 金 第 33 卷6 结语利用 Micromine 地质建模技术建立的矿体 、地表实体模型更加直观的反映矿床内各矿体立体空间形态及品位分布特征 ， 利用建立的矿体模型可进行品位估值 、矿床矿体储量计算 ， 能够解决传统方法中复杂矿床内矿体之间互相交叉重叠 、重复计算储量的问题 ， 便捷的对矿床内不同边界品位区间的储量进行统计 ， 实时掌控矿体储量动态变化情况 ， 任意方位截取地质剖面 、平面图及图件输出 ， 能够进行工程空间定位 ， 为采矿工程师进行采矿设计等提供很好的平台 ， 最终服务于矿山整个生产过程 ， 该项技术的应用不仅对矿山企
15、业生产与管理的数字化进程起到巨大的推动作用 ， 也将促使我国地质矿产部门的矿产资源勘查 、储量核实与管理工作迈向一个崭新的高科技时代 。参考文献 : 1 曾庆田 ， 王李管 ， 李 德 ， 等 云南某铜矿资源及开采环境评价可视化建模技术研究 J 矿冶工程 ， 2007， 27( 3) : 15-19 2 龚元翔 ， 王李管 ， 贾明涛 ， 等 金川 矿区复杂地质体三维可视化建模技术研究 J 中国矿山工程 ， 2007( 6) : 8-12 3 王李管 ， 曾庆田 ， 贾明涛 ， 等 复杂地质构造矿床三维可视化实体建模技术 J 金属矿山 ， 2006( 12) : 49-52 4 毕 林 ， 王
16、李管 ， 陈建宏 ， 等 基于八叉树的复杂地质体块段模型建模技术 J 中国矿业大学学报 ， 2008， 37( 4) : 532-537 5 吴江斌 ， 朱合华 基于 Delaunay 构网的地层 3D TEN 模型及建模 J 岩石力学与工程学报 ， 2005， 24( 24) : 4 581-4587 6 毕思文 ， 殷作如 ， 何晓群 ， 等 数字矿山的概念 、框架 、内涵及应用示范 J 科技导报 ， 2004( 6) : 39-63 7 李清泉 ， 李德仁 三维空间数据模型集成的概念框架研究 J 测绘学报 ， 1998， 27( 4) : 325-330收稿日期 : 2011-07-05
17、作者简介 : 甄大超 ( 1984-) 男 ， 助理工程师 ， 2007 年 6 月毕业于湖南省长沙市中南大学 ， 地质工程专业 。从事矿山地质设计工作 。( 上接第 86 页 )的重合点数量与转换区域的大小有关 ， 但不得少于5 个 。精度评估与检核 。用上述模型进行坐标转换时必须满足相应的精度指标 ， 具体精度评估指标及评估方法见相关内容 。选择部分重合点作为外部检核点 ， 不参与转换参数计算 ， 用转换参数计算这些点的转换坐标与已知坐标进行比较进行外部检核 。应选定至少 6 个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核 。在甘肃省区域 ， 经过分析后 ， 各种插值方法的精度和点的密度程度有关
18、 ， 克里格和最小曲率内插法 ，在点的密集度高 、点均匀时 ， 内符合精度高 ， 但是不能外推 ， 点位稀疏时 ， 内插严重失真 。二次多项式能够反映变换趋势 ， 也可外推计算 ， 在甘肃省采用多项式回归模型中的二次曲面模型 。5 结语国务院批准自 2008 年 7 月 1 日启用我国的地心坐标系 2000 国家大地坐标系 ( CGCS2000) ， 同时要求用 8-10 年的时间 ， 完成现行国家大地坐标系向国家 2000 大地坐标系的过度和转换 。过渡期结束 ， 将停止提供现行国家大地坐标系下测绘成果 ， 也就是北京 54 坐标系和西安 80 坐标系的成果 。因此在这 8 10 年中 ，
19、矿区的北京 54 坐标系下成果都要转换成国家 2000 大地坐标下的成果 ， 矿区一般面积较小 ， 因此可以采用三维四参数模型或平面四参数模型 ， 比较严密和准确的还是应该采用二维七参数模型 。为完成甘肃基础测绘数据转换而开发的 软 件 GST-2000， 能 够 完 成 北 京 1954、西 安1980、WGS84、国家 2000 控制成果的相互转换 ， 这将大大方便我省的数据转换工作 。参考文献 : 1 程鹏飞 ， 杨元喜 ， 李建成 ， 等 我国大地测量及卫星导航定位技术的新进 J 测绘通报 ， 2007( 2) : 1-4 2 程鹏飞 ， 文汉江 ， 成英燕 ， 等 2000 国家大地坐标系椭球参数与 GRS80 和 WGS84 的比较 J 测绘学报 ， 2009( 6) :189-194收稿日期 : 2011-06-24作者简介 : 东海宇 ( 1982-) ， 2006 年毕业于长安大学地球科学与国土资源学院 ， 学士学位 ， 测绘助理工程师 。一直从事 GPS、GIS、数字化制图 、数据处理 、图形处理工作 。09 甘 肃 冶 金 第 33 卷
