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