坐标转换软件.docx

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坐标转换软件

摘要

坐标转换已经不是一个新的课题了，随着与人们生活密切相关的测绘事业的迅速发展，全球一体化的形成，越来越多的要求全球测绘资料形成统一规范，尤其是坐标系统的统一。

由于各测量单位工作目的不同，所选择的椭球参考系也会有所不同，出现了许多不同形式的坐标系，例如WGS-84坐标系、国家80坐标系、北京54坐标系、独立地方坐标及各种城建坐标。

在同一坐标系下坐标的表示方式又有空间直角坐标、大地坐标、平面坐标。

根据不同的测绘需求，需要将不同的坐标系下的坐标进行相互转换，在这些坐标转换的过程中既会运用到同一坐标系下的坐标转换模型，又会用到不同参考系下各坐标系间的坐标转换模型。

本文研究了各坐标系之间坐标转换的方法，包括同一坐标系下不同坐标（大地坐标，空间直角坐标，平面坐标）之间的相互转换和不同参考系下各坐标系（WGS84坐标系，北京54坐标系，国家80坐标系）之间的相互转换。

深入研究了GPS的WGS84坐标系及中国常用的1954年北京坐标系和1980年国家坐标系三种坐标系之间的大地坐标、空间直角坐标及平面坐标的转换模型，并根据不同的转换模型研究了多种转换参数的计算方法。

基于这些理论并结合相关的转换模型及算法编程实现了坐标转换系统，用实例对该坐标转换系统进行了测试，分析了实测数据和坐标转换系统一致计算数据之间差异原因，并提出了适当的避免办法。

测试结果与预期，符合需求分析的要求。

最后总结了该系统的特点和不足，并提出了下一步研究的方向。

关键词:

地球椭球体,坐标转换模型,布尔沙-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型,莫洛金斯基模型

Abstract

Coordinateconversionisnotanewsubject.Withtherapiddevelopmentofsurveyingandtheformationofglobalintegration,Increasingdemandfortheformationofastandardizedglobalmappingdata,Especiallyintherespectofcoordinatesystem.Sincethedifferentpurposeofthedifferentunitsofmeasurement,TheChoiceofellipsoidalreferencesystemwillbedifferenttoo.

Thereweremanydifferentformsofcoordinatesystem.Forexample,WGS84coordinatesystem,Xian80coordinatesystem,Beijing54coordinatesystem,localcoordinatesetc.Therearealsohavethreeformstorepresentationcoordinatesinthesamecoordinatesystem,likerectangularspacecoordinates,geodeticcoordinates,planecoordinates.Dependingonthedifferentmappingneeds,thereneedstocoordinateconversion

Thencoordinatesystemtransformationmethodisresearched.Especialtransformationmethodofdifferentcoordinatesystems,GeocentricCartesiancoordinatesofthesamecoordinatesystemanditGeodeticSystem,GeocentricCartesiancoordinatesofthedifferentearthmodels,GeodeticSystemandmapareresearched.ThesimplemodelsandthecomputingmethodoftransformationParameterwithGeoentricCartesiancoordinatesandGeodeticsystemamongWGS-84，XiAn80andBeiJing54coordinatesystemsarestudied.AlsothetransformationalgorithmbetweenItstudiedthereliabilityoftransformationaldataindifferentcoordinatesystemandsamecoordinatesystem.ThesystemtestresultsConsistentwiththeexpected,italsomeettherequirementsofdemandanalysis.Finally,thispapersumupthecharacteristicsandthelackofthissystem,alsoproposefurtherresearchdirections.

Keywords:

Earthellipsoid,Coordinatetransformationmodel,Bursa-Wolfmodel,Molodenskymodel

1绪论

1.1研究的背景及意义

坐标转换已经不是一个新的课题了，随着与人们生活密切相关的测绘事业的迅速发展，全球一体化的形成，越来越多的全球测绘资料形成规范统一，尤其是坐标系统的统一方面。

原始的大地测量主要是通过光学仪器进行，这样不可避免的会受到近地面大气和地球曲率的影响，，在通视条件下也受到很大的限制，从而对全球测绘资料的一体化产生了一定的约束。

另外，由于每一个国家的大地坐标系的建立和发展具有它特殊的历史特性，使得目前仅常用的大地坐标系就超过150个。

即使是在同一个国家，在不同的历史时期由于经济的发展变化或习惯的改变也会采用不同的坐标系统。

例如：

在我国建国之初，为了让尽快搞好基础建设，我国采用了克拉索椭球与我国的实际情况相结合产生了北京54坐标系；而随着测绘事业的发展北京54坐标系的缺陷也随之被表露的越来越明显，因此我国开始研究并使用80坐标系。

在实际生活中，由于国家建设的急需在一些地方还来不及布设国家级的大地控制网，而是先建立局部的独立坐标系，然后再将这些独立坐标系转换到国家统一的大地控制网中，而这些坐标系的变换都离不开坐标转换。

在国际上，随着第一代卫星导航系统——NNSS于1964年在美国研制成功，测绘资料的全球一体化不再是一个梦想。

经美国国防部批准，第二代卫星导航系统的开发研究工作于1972年开始，即现在所说的GPS。

这套卫星导航系统满足全球范围、全天候、连续实时以及三维导航和定位的要求。

正是由于这套卫星导航系统的这些特点，它就很快被广大测绘工作者所接受。

但由于坐标系统的不同，对GPS技术的推广使用造成一定的障碍。

这样坐标转换的问题再一次被提到了很重要的位置。

未来描述卫星运动，处理观测数据和表示测站位置，需要建立与之相应的坐标系统，及协议天球坐标系和协议地球坐标系。

其中协议地球坐标系采用的是1984年大地坐标系（WordGeodeticSystem1984——WGS）该坐标系统的重要参数为：

长半轴a=6378137；扁率f=1：

298.257223563。

而我国采用的坐标系并不是WGS—84坐标系，而是BJ—54坐标系和西安—80坐标系以及地方独立坐标系，这些坐标系是与前苏联的1942年普尔科沃坐标系相关联的，这些坐标系的主要参数都为：

长半轴a=6378245；扁率f=1：

298.3。

这就使得同一点的坐标值因所在坐标系不同而不同，使得测绘资料在我国的适用范围受到很大的限制，并且对GPS系统在我国的广泛使用造成了一定的约束性，对测绘事业在我国的发展极为不利。

为了解决这个问题，测绘工作者做了大量的研究工作，并且已经有许多使用的商品化坐标转换软件投入市场，其中以七参数法用的最为普遍。

但是由于此方法中参数较多，对于一部分精度要求不高的GPS用户来说不容易获得足够的已知点进行参数和坐标求解。

而且国内现在所使用的坐标转换系统大多是国外软件，出了成本较高以外，也不利于广泛使用，为了方便我国的测绘工作者并解决好这些问题，提出了坐标转换这个课题。

1.2坐标系间转化的研究现状

目前，GPS定位技术已经被生活中各个领域广泛使用，GPS观测值是基于以地球的质心为原点的空间直角坐标系，对于采用北京54坐标、西安80坐标或者其他地方独立坐标而言，就需要解决这些不同椭球参考系下的坐标转换问题。

经典的七参数法是现在坐标转换中常用的坐标转换方法，其数学模型一般为Mondensky模型、Bursa模型等，这些转换模型已经广泛应用在各种工程测绘中，但在高程系统、坐标精度、公共点的图形数量以及强度上均有缺陷，还需针对不同的转换要求采用不同精度的参数经行坐标转换运算。

1.3研究的发展方向

关于坐标系的相关课题研究将随着各方面研究的投入和加大而逐渐深入，在我国国防建设、国民经济等方面实际生产中发挥巨大的作用。

（1）大地基准现代化是当前大地测量的根本任务，涉及到大地测量中当前所有学科的基础理论及其应用。

我国已经建设成新一代的地心坐标系统和相应的大地基准控制网，并使得大地基准与多个学科交叉使用和发展，大地基准现代化的研究与发展将决定我国测绘学科的综合发展水平，也直接影响我国空间技术的发展水平和国防建设的发展水平。

（2）随着大地测量技术的融合，对于基准中的几何量和物理量能够通过不同的模型有机的结合起来，而不是目前分类描述：

比如利用全球参考框架建立了高精度的物理高程基础。

在将来全球所中地面观测体系的支撑下，将会实现真正意义的全球统一物理几何基准。

（3）将我国不同部门、不同时期施测的多个平面和高程分离的大地控制网通过空间大地测量和数据处理技术，科学的整合为全国统一的整体的国家三位控制网，将原来大地测量中所采用分离的几何与物理参数，进行科学的统一的整合；将我国非地心大地坐标框架整体的科学的转换为地心大地坐标框架；提高我国大地坐标框架的地心坐标精度和我国重力基本点的精度；提高还俩昂数据的处理技术，研究现代数据处理技术，提高成果的精度和可靠性。

2地球椭球与坐标系之基本理论

2.1基本概念

讨论与地球相关的坐标转换问题是离不开地球，人们对地球形状和大小的认识，经过了一个相当长的历史过程。

地球的自然表面的形状非常复杂的，有高山和深谷，崎岖不平。

从整个地球外表来看，由于地球的体积较大，地球表面的高低与整个地球比较起来，显得非常小。

同时地球表面上海洋的面积约占地球总面积的3/4，而且比较平坦，所以讨论地球形状时并不是指地球自然表面的形状，而是指有假想的大地水准面所包围的大地球体的形状。

所谓大地水准面，它是一个假想的、与平均海面相吻合的水准面。

如果将它向大陆延伸，并且使这一延伸面始终保持在任何地方都与该地的铅垂线正交，则这一连续的、无痕迹的、无棱角的闭合水准面，叫做大地水准面，被大地水准面所围成的几何体，是理想的地球形状，叫做大地球体。

2.1.1地球椭球

无论是参考椭球抑或是总地球椭球，从几何上来说都是旋转椭球，亦即由长半轴为a、短半轴为b的椭圆绕其短轴而成的几何形体，如图2.1所示：

图2.1地球椭球

椭球体与地球形体非常接近，椭球面是一个现状规则的数学表面。

在其上可以做严密的计