测量常用各种坐标系及其转换.docx

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测量常用各种坐标系及其转换

一、北京54坐标系

简介

　　北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。

　　1954年北京坐标系的历史：

　　新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，在全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。

由于当时的“一边倒”政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。

因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。

它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。

　　它是将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。

因此，P54可归结为：

　　a．属参心大地坐标系；

　　b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；

　　c.大地原点在原苏联的普尔科沃；

　　d．采用多点定位法进行椭球定位；

　　e．高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；

　　f．高程异常以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。

按我国天文水准路线推算而得。

坐标参数

　　椭球坐标参数：

长半轴a=6378245m；短半轴=6356863.0188m；扁率α=1/298.3。

缺点

　　自P54建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。

但是随着测绘新理论、新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在如下缺点：

　　1、椭球参数有较大误差。

克拉索夫斯基椭球差数与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m。

　　2、参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+60m。

这使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响，同时也对观测量元素的归算提出了严格的要求。

　　3、几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。

我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900～1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。

　　4、定向不明确。

椭球短半轴的指向既不是国际普遍采用的国际协议（原点）CIO（ConventionalInternationalOrigin），也不是我国地极原点JYD1968.0；起始大地子午面也不是国际时间局BIH（BureauInternationaldeIHeure）所定义的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。

为此，我国在1978年在西安召开了“全国天文大地网整体平差会议”，提出了建立属于我国自己的大地坐标系，即后来的1980西安坐标系。

但时至今日，北京54坐标系仍然是在我国使用最为广泛的坐标系。

二、西安80坐标系

　　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1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。

　　西安80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。

根据椭球定位的基本原理，在建立西安80坐标系时有以下先决条件：

（1）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省泾阳县永乐镇；

（2）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0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系；

　　（3）椭球参数采用IUG1975年大会推荐的参数，因而可得西安80椭球两个最常用的几何参数为：

　　长半轴a=6378140±5（m）

　　短半轴b=6356755.2882（m）

　　扁率α=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。

　（4）多点定位；

（5）大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。

三、2000国家坐标系

1、关于2000国家大地坐标系的说明

国家大地坐标系是测制国家基本比例尺地图的基础。

根据《中华人民共和国测绘法》规定，中国建立全国统一的大地坐标系统。

　　建国以来，中国于上世纪50年代和80年代分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系，测制了各种比例尺地形图，在国民经济、社会发展和科学研究中发挥了重要作用，限于当时的技术条件，中国大地坐标系基本上是依赖于传统技术手段实现的。

54坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球体。

该椭球在计算和定位的过程中，没有采用中国的数据，该系统在中国范围内符合得不好，不能满足高精度定位以及地球科学、空间科学和战略武器发展的需要。

上世纪70年代，中国大地测量工作者经过二十多年的艰巨努力，终于完成了全国一、二等天文大地网的布测。

经过整体平差，采用1975年IUGG第十六届大会推荐的参考椭球参数，中国建立了1980西安坐标系，1980西安坐标系在中国经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大作用。

　　随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。

采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。

2、2000国家大地坐标系的定义

国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。

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2000.0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＝6378137m

　　扁率f=1/298.257222101

　　地心引力常数GM＝3.986004418×1014m3s-2

　　自转角速度ω＝7.292l15×10-5rads-1

　　其它参数见下表：

短半径b（m）

6356752.31414

极曲率半径c（m）

6399593.62586

第一偏心率e

.0818********

第一偏心率平方e2

0.00669438002290

第二偏心率

0.0820944381519

第二偏心率平方2

0.00673949677548

1/4子午圈的长度Q（m）

10001965.7293

椭球平均半径R1（m）

6371008.77138

相同表面积的球半径R2（m）

6371007.18092

相同体积的球半径R3（m）

6371000.78997

椭球的正常位U0（m2s-2）

62636851.7149

动力形状因子J2

0.001082629832258

球谐系数J4

-0.00000237091126

球谐系数J6

0.00000000608347

球谐系数J8

-0.00000000001427

0.00344978650678

赤道正常重力值γe（伽）

9.7803253361

两极正常重力值γp（伽）

9.8321849379

正常重力平均值γ（伽）

9.7976432224

纬度45度的正常重力值γ45°（伽）

9.8061977695

　　采用2000国家大地坐标系后仍采用无潮汐系统。

四、WGS-84坐标系

WGS-84坐标系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）

　　一种国际上采用的地心坐标系。

坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH（国际时间）1984.O定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。

　　GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的

WGS-84的定义：

　　原点是地球的质心，空间直角坐标系的Z轴指向BIH（1984.0）定义的地极（CTP）方向，即国际协议原点CIO，它由IAU和IUGG共同推荐。

X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z,X轴构成右手坐标系。

WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会测量常数推荐值，采用的两个常用基本几何参数。

　　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。

WGS-84椭球及其有关常数：

　　WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数

　　长半径：

a=6378137±2（m）；

　地球引力和地球质量的乘积：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

　　正常化二阶带谐系数：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

　　地球重力场二阶带球谐系数：

J2=108263×10-8

　　地球自转角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1

　　扁率f=0.003352810664

意义：

建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。

五、坐标系转换的本质

我们在测绘，地质工作中，常常会遇到不同坐标系统间，坐标转换的问题。

常用的方法有三参数法、四参数法和七参数法。

七参，就是两个空间坐标系之间的旋转，平移和缩放，这三步就会产生必须的七个参数，平移有三个变量Dx，Dy，DZ；旋转有三个变量，再加上一个尺度缩放，这样就可以把一个空间坐标系转变成需要的目标坐标系了，这就是七参的作用，七参数的格式是，X平移，Y平移，Z平移，X轴旋转，Y轴旋转，Z轴旋转，缩放比例（尺度比）。

如果说你要转换的坐标系XYZ三个方向上是重合的，那么我们仅通过平移就可以实现目标，平移只需要三个参数，并且现在的坐标比例大多数都是一致的，缩放比默认为一，这样就产生了三参数，三参就是七参的特例，旋转为零，尺度缩放为一。

四参是应用在两个平面之间转换的，还没有形成统一的标准，四参数是同一个椭球内不同坐标系之间进行转换的参数四参数的，四个基本项分别是：

X平移、Y平移、旋转角和比例。

坐标系转换的其它知识见大地测量学

附件：

何为地固坐标系？

地固坐标系也叫地球坐标系，是固定在地球上与地球一起旋转的坐标系。

如果忽略地球潮汐和板块运动，地面上点的坐标值在地固坐标系中是固定不变的。

根据坐标系原点位置的不同，地固坐标系分为地心坐标系（原点与地球质心重合）和参心坐标系（原点与参考椭球中心重合）。

无论是地心坐标系还是参心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系。