工程项目的测绘坐标系统选择

王永平 贾东勤

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710018）

1 引言

各种工程项目都离不开测绘工作，工程项目的各种勘测、规划、设计成果都要建立在一定测量数学基础平台上，也就是选择一定的测绘平面坐标系统和高程系统。如何正确选择坐标系统和高程系统是测绘技术设计的关键。高程系统比较简单，一般就是1956黄海系统和1985年国家高程基准之间的选择，这里不再赘述。本文仅就工程项目平面坐标系统选择问题进行分析、探讨。

2 测绘坐标系统

2.1 测绘坐标种类

（1）空间大地坐标：以参考椭球面为基准，地面点位置用大地经度L、大地纬度B表示。

（2）空间直角坐标：以参考椭球体的中心为坐标原点，地面点位置用X、Y、Z表示。

GPS卫星定位系统得到的地面点坐标，就是以上两种形式的WGS-84坐标。

（3）平面直角坐标：利用地图投影方式将球面上图形、数据按一定的数学法则转到平面上的测量平面直角坐标系统。工程项目一般在平面直角坐标系中进行规划、设计、测绘工作。

当参考椭球和投影方式确定时，以上三种坐标系统间可以相互转化。

2.2 国家测绘坐标系统

（1）1954年北京坐标系：新中国成立前和成立初期，很长一段时间国家统一采用1954年北京坐标系统。为便于前后衔接，一些工程项目规划设计至今还沿用该坐标系统。

（2）1980年西安坐标系：1978年我国确定重新定位建立的新坐标系，1980年后工程项目多采用该系统。

（3）2000国家大地坐标系：2008年后国家启用的平面坐标系统。2008年后工程项目多采用该平面坐标系统。

2.3 工程测绘坐标系统

考虑到测量长度的变形应满足工程测绘大比例尺地图和施工放样精度的要求，工程项目除采用国家坐标系统外，采用以下平面坐标系统：

（1）区域（城市）独立坐标系：区域（城市）建设建立的连接于国家坐标系统的平面坐标系统。

（2）工程独立坐标系：工程项目建设建立的连接于国家坐标系统的平面坐标系统。

（3）工程挂靠坐标系：连接于国家坐标系统的（不进行高斯投影），投影至工程高程面的工程项目测绘平面坐标系，一般较小工程项目采用。

（4）工程假定坐标系：与国家坐标系统连测困难时，假定的工程项目假定平面坐标系。

2.4 地图投影与分带

地图投影是将球面上图形、数据按一定的数学法则转到平面上的方法。地图投影形式分为等角投影、等积投影和任意投影。目前常用的投影方法有墨卡托投影（正轴等角圆柱投影）、高斯-克吕格尔投影（等角正形投影）等。

我国基础测绘及工程项目测绘采用的是高斯—克吕格投影。国际工程项目常采用UTM投影（通用横轴墨卡托投影）等。

高斯投影时采取按经度分带的方法，将投影长度变形限定在一定范围内。分带投影一般分为6°带、3°带、1.5°带、任意带等。

3 工程项目测绘坐标系统选择

3.1 测绘坐标系统选择应考虑的因素

3.1.1 工程项目的位置、范围、地形情况

工程项目地理位置、测区范围、平均高程及地形高差情况的不同，则对地图投影分带、投影长度变形的精度要求、中央子午线、高程投影面选择也不同。

3.1.2 工程项目的阶段衔接

工程项目的各阶段的测绘坐标系统应统一和相互衔接，没有连接国家测绘坐标系统的应尽量连接。

新建工程项目应尽量选择最新国家测绘系统——2000国家大地坐标系。

3.1.3 工程项目的专业性质

工程项目的专业性质不同，执行的规范标准对投影长度变形的精度要求不一。如《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》要求：重要工程建筑物地区测图投影长度变形不大于5cm/km；普通工程测量规范、城市测量规范等则要求：投影长度变形不大于2.5cm/km。

3.1.4 工程项目的测图比例尺

工程项目测图比例尺不同，对坐标系统的地图投影分带和投影长度变形也要求不同。

1∶100000 、1 ∶50000 地形图采用6°带投影，1∶10000、1∶5000 地形图采用3°带投影，不作投影长度变形限制。而 1∶2000、1∶1000、1∶500 地形图采用3°带投影或1.5°带投影。1∶500地形图要求投影长度变形不大于2.5cm/km或5cm/km，其他比例尺地图可宽于该投影长度变形限制。

根据工程项目用图的特点，考虑工程项目各种比例尺地形图坐标系统的统一和衔接。

3.1.5 工程项目施工建筑类别

工程项目施工建筑类别不同，施工限差要求不同，则施工测量放样精度要求不同，对投影长度变形的影响也不同。

一般土石方工程施工测量放样精度要求低些，而混凝土工程施工测量放样精度要求较高，金属结构安装工程施工测量放样精度要求更高。

重要工程的施工控制网点测量，则需要专门设计独立坐标系统，在特定的工程投影面上进行施工和安全监测变形测量。

3.2 工程项目测绘坐标系统选择分析

工程项目坐标系统选择的关键是：使根据测量控制点坐标反算或地形图量算的边长与实量边长尽可能相符，即长度变形限制在一定数值内，才能满足1：500比例尺测图和施工放样的需要。

在工程项目测绘坐标系统选择前，应收集工程前期和已有国家地形图、控制点资料，对工程项目各种情况综合分析，进行投影长度变形测算。

工程项目应尽量选择国家统一坐标系统3°带高斯投影，高程投影面为参考椭球面或平均海水面。采用国家统一坐标系时，必须同时具备：①水利水电工程项目位于3°带中央子午线附近不超过60km范围内，其他工程项目位于3°带中央子午线附近不超过45km范围内。②水利水电工程平均高程面海拔不超过300m，其它工程项目平均高程面海拔不超过160m，且范围内地形起伏高差较小。③工程项目范围内已有国家高等级测量控制点资料，或工程项目平均高程面与抵偿高程面正好重合时，也可采用国家统一坐标系统。

工程项目投影长度变形超过精度要求，不具备采用国家统一坐标系统条件时，坐标系统可选择以下工程独立坐标系统：①抵偿高程面上的高斯正形投影平面直角坐标系统；②高斯正形投影任意带平面直角坐标系统；③挂靠平面直角坐标系统；④假定平面直角坐标系统。

3.2.1 投影长度变形估算

投影长度变形估算方法有：按中心一点估算、按多点估算、按已有控制点估算等。应根据测区范围大小、地形等情况，选择合理的估算方法。投影长度变形估算步骤：

（1）利用已有资料确定工程项目经纬度范围、高程范围及平均高程；

（2）根据工程项目平均纬度计算测区地球曲率半径；

（3）根据工程项目专业性质等，确定投影长度变形允许值和分带方式；

（4）根据工程项目经纬度范围，确定距最近中央子午线经度；

（5）利用经度范围或已有控制点Y值，计算距最近中央子午线最近及最远距离；

（6）选择的投影长度变形估算方法，详细全面计算高程归算及高斯投影变形值。

每公里边长归算改正值：每公里边长最大及最小高斯变形值：

（7）根据投影长度变形估算情况，并综合工程其它情况，确定测绘坐标系统、高程投影面，进行必要验证。

3.2.2 工程项目测绘坐标系统选择的特殊情况

（1）狭长区域工程项目。

一般工程项目东西区域不大，选定坐标系统即可满足工程测绘、设计需要，对于东西超长狭长区域工程项目，如长距离铁路、高速公路、引水工程等，则要选择一种以上坐标系统才能满足要求。必须对投影变形值进行全面估算，为保证工程项目线路的连续性,坐标系统之间应至少有两个控制点重合。

（2）远离标准中央子午线工程项目。

远离标准中央子午线工程项目的坐标系统选择，高斯投影所带来的长度变形较大，除高原地区能与抵偿高程面正好重合外，一般应选择高斯正形投影任意带平面直角坐标系统。

（3）高原地区工程项目。

高原地区的长度变形主要是以高程归化为主，坐标系统选择应首先考虑抵偿高程面上的高斯正形投影3°平面直角坐标系统。随着高程的增加，抵偿范围会逐渐减少，应注意测算满足长度变形要求的投影带宽和位置。如果东西跨度太大，则应考虑建立具有抵偿面的任意带独立坐标系。

（4）地面高差大工程项目。

一般工程项目，如果测区高程变化不大,很容易找到合适的中央子午线及抵偿高程面。但对于地形高程变化较大的工程项目，选择合适的中央子午线及投影面相对比较困难。一般可考虑确定中央子午线选择一个以上高程投影面。

（5）农村地籍测绘项目。

农村地籍测绘不同于一般工程项目，县市区范围较大，有的东西可达百余公里，山区项目高程变化大，又要考虑和前期地籍测绘项目的一致和衔接，选择合适的中央子午线及投影面相对比较困难。一般不宜采用投影于抵偿高程面上的平面直角坐标系统，因为这种坐标系统满足长度变形要求的投影带宽较窄。

3.3 工程项目测绘坐标系统转换

为保障工程项目各阶段的测绘坐标系统的统一和相互衔接，工程项目各种比例尺地形图坐标系统的统一和衔接，常常需要对工程项目测绘坐标系统进行相互转换。

（1）不同坐标系统（如 1954、1980、2000、WGS-84之间）的转换，需要收集三个以上测量控制点的不同坐标系成果，通过计算四参数、七参数等，才能进行二维或三维坐标转换。一般委托国家测绘专业部门进行坐标转换。

（2） 同坐标系统（如 1954、1980、2000、WGS-84、独立坐标）内变换中央子午线、高程投影面及坐标形式等转换，可以采用相关商用软件进行相互转换，但需经两种以上软件校核验证。

（3）进行工程独立坐标系之间的转换时，应特别注意中央子午线和高程投影面的正确转换关系。挂靠测区某一点进行高程面投影，只适合较小区域工程项目。

（4）工程项目地形图的坐标系统转换较为复杂，不但要对应地图要素位置点进行坐标系统转换，还要对要素的图层、线型、符号及属性等进行处理。一般由测绘专业高级技术人员进行特殊程序处理。

4 工程项目测绘坐标系统选择流程

根据以上工程项目测绘坐标系统选择过程的分析、探讨，总结归纳出其流程如图1。

图1 工程项目测绘坐标系统选择流程图

5 结语

（1）测绘坐标系统选择是工程项目勘测、规划、设计的测量数学基础和重要技术保障，应根据工程项目的各种情况综合分析，进行投影长度变形测算，统筹做出准确的选择。

（2）测绘坐标系统选择和工程项目的专业性质、测图比例尺、工程地理位置等因素密切相关。工程独立坐标系的设计应进行认真测算和验证。

（3）应特别注意几种特殊情况工程项目的测绘坐标系统选择和工程项目不同时期测绘坐标系统的转换问题。

（4）工程项目中若出现平面高程系统使用有误，将会影响到工程项目规划、设计、施工成果及整体工作进展。陕西水利