2000国家大地坐标系在水利行业的应用

裴喜安 杨仰诚

一、概述

我国于20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，这两个坐标系都是根据局部大地水准面最为密合的参考椭球定位的参心大地坐标系，对我国经济建设、国防建设及科学研究等作出了重大贡献。但受当时技术条件的制约，精度偏低，无法满足当前与今后空间技术发展的要求，无法提供高精度、地心、动态、统一、实用的大地坐标系的基础性保障。

随着国民经济发展，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，从而为我国航天、民航、海事、交通、地震、水利、农业、能源、建设、规划、国土资源管理等部门提供有力的技术支撑。

经国务院批准，自2008年7月1日起，我国全面启用2000国家大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem 2000，简称 CGCS2000），作为我国测绘生产和GIS系统建设新的坐标系统。CGCS2000坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8~10年。水利系统也必须紧跟新技术的发展步伐，逐步启用CGCS2000坐标系。

二、CGCS2000坐标系简介

1.CGCS2000坐标系的定义

CGCS2000坐标系是以地球质量中心为原点的地心坐标系。坐标系的定义包括坐标系的原点、3个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球等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：

2.CGCS2000大地坐标系的主要特征

（1）CGCS2000坐标系具有比现行大地坐标框架更高的精度。

（2）与现有的大地坐标系统和高程系统相比，它涵盖了包括海洋国土在内的全部国土范围。

（3）CGCS2000坐标系是一个三维的大地测量基准，有利于对空间物体的位置描述和表达。

（4）CGCS2000坐标系是一个动态的大地测量基准，具有时间特征。

（5）CGCS2000坐标系是一个地心坐标系，它可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象。

（6）与国际接轨，它采用的椭球参数及物理参数与国际上公认的数据一致，有利于国际科研合作及科研成果共享。

三、CGCS2000坐标系对水利工程的影响

1.已有成果资料的转换

水利系统的测绘工作主要是为水利工程提供测绘保障，而水利工程的规划设计、施工建设和运行管理具有较强的连续性，特别是分期建设的水利工程、水利工程的加固改造、水利工程的续建工程等，均要求其平面控制系统保持前后一致。同时，水利系统测绘单位在长期的测绘工作中，在不同地区、不同时期分别建立了大量的平面控制网，积累了大量的基础测绘成果，测绘工作受到各水利系统测绘单位测绘成果的积累的影响，大都以1954年北京坐标和1980西安坐标系为主，且更偏重于应用1954年北京坐标系。在新旧坐标系统过渡期结束后，水利系统也必将启用CGCS2000坐标系，这就存在大量老测绘成果资料的坐标转换工作。

2.测绘方法的改变和精度的提高

由于CGCS2000坐标和WGS84坐标是相容的，两坐标是一致的，手持GPS不依赖于任何外部控制点，不需要周围有CGCS2000坐标的控制点，单个待转换点亦可实现转换，工作效率和成果精度将大大提高。随着精密单点定位技术的日益成熟及其巨大的优势，精密单点定位技术作业模式在未来GPS定位中的地位日益举足轻重，精密单点定位技术将取代相对定位模式成为未来GPS定位中的主要作业模式。

CGCS2000坐标系是地心坐标系，采用卫星定位技术可以达到10-7～10-8的点位相对精度，比参心坐标系下的精度提高10倍左右，并可快速获取精确的三维地心坐标，大大提高了测量成果的精度。

四、已有测绘成果向CGCS2000坐标系转换

随着CGCS2000坐标系的启用，水利行业不可避免将有大量的已有旧坐标系下的测绘资料转换为CGCS2000坐标系。结合水利工程特点，主要有下列两种方法：

1.利用重合点求解两套坐标系统间的转换参数来实现转换

利用转换参数进行点位坐标转换的方法，依据国家测绘局发布的《现有测绘成果转换到CGCS2000国家大地坐标系技术指南》，全国及省级范围的坐标转换选择二维七参数转换模型；省级以下范围的坐标转换可选择三维四参数模型或平面四参数模型。对于相对独立的区域平面坐标系统与CGCS2000的联系可采用平面四参数模型或多项式回归模型。针对水利行业特点，水利工程坐标转换主要采用平面四参数转换模型。

平面四参数转换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。其转换模型为：

其中，x0，y0为平移参数，α 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m。

用于求解转换参数的重合点采用在两个坐标系下均有坐标成果的点。重合点要分布均匀，覆盖测区范围。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；用于计算转换参数的重合点数量与转换区域的大小有关，但不得少于5个。对于坐标转换参数而言具有多余观测，因此，计算时要按照最小二乘原理计算，转换参数求出后利用相应的模型对于非重合点进行转换，就可以获得待转点位CGCS2000坐标。采用转换参数进行坐标转换时，必须选择部分不参与转换参数计算的重合点作为外部检核点，用转换参数计算这些点的转换坐标并与已知坐标进行比较以检核坐标转换的精度。外部检核点应不少于6个且应均匀分布。

二维七参数转换模型和三维七参数坐标转换模型详见国家测绘局发布的《现有测绘成果转换到CGCS2000国家大地坐标系技术指南》。

2.通过联测CGCS2000控制点，重新对原GPS网进行约束平差的方法实现转换

当原有的GPS控制网具备有满足数量和精度要求的CGCS2000坐标系下的控制点的联测条件时，可以通过将原有的GPS网与这些高等级点联测或者利用原有联测数据，以这些高等级的具有CGCS2000坐标的控制点作为约束条件，在WGS84椭球下进行三维约束平差，以重新计算该GPS控制网的CGCS 2000坐标系下在控制成果。此方法比较直接，操作起来比较简单。但是要求原GPS网的原始观测数据保存完整。

五、结束语

1954年北京坐标系和1980西安坐标系已无法满足当前与今后空间技术发展的要求，将被原点位于地球质量中心的CGCS2000坐标系所替代。本文对CGCS2000坐标系的定义和实现进行了简单的介绍，并提出了水利行业已有旧成果资料向CGCS2000坐标转换的方法。采用新的坐标系，应用现代空间技术定位，可以大幅度提高点位表达的准确性，并且可以快速获取精确的三维地心坐标，大幅提高测量精度和工作效率，必将极大地促进水利事业的的发展■