基于不同算法模型的大地坐标系转换研究

白杰

【摘 要】近些年来，经济建设、国防建设以及社会科学的发展对大地坐标系统提出了新的要求。我国现存大地坐标系统种类多，为方便科研工作，不同坐标系统之间往往需要进行转换。针对此，本文介绍了我国常用大地坐标系，进行了不同算法和转换模型下的坐标系统转换，并以传统坐标系——1954年北京坐标系、1980西安坐标系到最新2000国家大地坐标系的变换为例进行了研究。

【关键词】坐标系；大地坐标系统；算法；转换模型

【Abstract】In recent years， the development of economic construction， national defense construction and social sciences have put forward new requirements to the geodetic coordinate system. There are so many types of China's geodetic coordinate system， and in order to facilitate scientific research work， different coordinate systems often need to be converted to others. In this paper， the commonly used geodetic coordinate systems are introduced， and the coordinate system transformation under different algorithms and conversion models is carried out. Taking the traditional coordinate systems - 1954 Beijing coordinate system， 1980 Xi'an coordinate system converted to the latest CGCS2000 as an example to have a research.

【Key words】Coordinate system；Geodetic coordinate system；Algorithm；Transformation model

0 引言

在不同的测量环境和应用场合，为了描述不同地物点的空间位置及其几何关系，通常需要建立不同坐标系。在科学研究中，经常面临各种坐标系的转换问题，概括起来可以分为三类：（1）同一坐标系统下不同坐标形式的转换，如地心坐标系下的空间直角坐标系和大地坐标系统之间的转换；（2）同一类坐标系统不同实现之间的转换，如参心坐标系下的1954年北京坐标系和1980西安坐标系之间的转换；（3）不同坐标系统之间的转换，如参心坐标系下的1980西安坐标系和地心坐标系下的2000国家大地坐标系之间的转换。

全国天文大地网整体平差以后，我国形成了三种坐标系[1]：北京54坐标系，西安80坐标系以及后来的2000国家大地坐标系。经国务院批准，自2008年7月1日起我国启用新的地心坐标系——2000国家大地坐标系（CGCS2000），要求2008年7月1日后新生产的各类测绘成果和建立的地理信息系统应采用2000国家大地坐标系，并用10年时间，完成现有的各类基础测绘成果和基础地理信息数据库的坐标系向2000国家大地坐标系的过渡和转换[2]。大量数据整理工作涉及到坐标系变换的问题，不同的专家学者提出了不同的方法，甚至进行了简单初步的系统开发[3-5]。

本文简单介绍了我国常用大地坐标系，给出了不同算法和转换模型下的坐标系统转换方法，并以传统坐标系——1954北京坐标系、1980西安坐标系以及最新2000国家大地坐标系之间的转换为例进行了研究。

1 坐标系定义及分类

坐标系是衡量地面点位置的一套数学和物理模型，其包括定义原点、坐标轴指向、基本平面等。根据原点位置，可以分为参心坐标系、地心坐标系和站心坐标系，本文研究涉及地心坐标系和参心坐标系。

1.1 地心坐标系

地心坐标系是以地球质心为原点的坐标系，其椭球中心与地球中心重合，且椭球面与全球大地水准面最为密合。通常，地心坐标系分为两类，即地心空间直角坐标系和地心大地坐标系。

地心空间直角坐标系的定义为：原点O与地心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向本初子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ面，构成右手直角坐标系。地心大地坐标系的定义为：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为地面点椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为地面点子午面与本初子午面的夹角，大地高H为椭球法线上自椭球面至地面点的距离。

1.2 参心坐标系

参心坐标系统的坐标原点位于参考椭球中心，Z轴与地球自转轴平行，X轴位于参考椭球的赤道面，平行于天文起始子午面，Y轴垂直于XOZ平面，构成右手直角坐标系。建立参心坐标系统需要确定8个参数，其中2个参数用于确定参考椭球的大小和扁率，6个参数用于椭球的定位与定向，并在大地原点测定天文经纬度，确定大地水准面差距和垂线偏差。

参心坐标系统分为两类，即参心大地坐标系和参心空间直角坐标系。在参心大地坐标系中，地面点的位置也用大地纬度B、大地经度L和大地高H表示。

1.3 国家大地坐标系

1.3.1 1954年北京坐标系

20世纪50年代，在我国天文大地网建立初期，鉴于当时的历史条件，采用了克拉索夫斯基椭球元素，参考椭球a=6378245m，扁率α=1/298.3，并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系，属于参心坐标系。

1.3.2 1980西安坐标系

4 结语

2000国家大地坐标系提出启用之后，既有测绘地理成果要经历长时间序列的坐标转换过程，因此，如何选择一个较好的算法模型进行转换，减少误差，高精度地解决问题是需要不断探索发现的。同时，基于不同直角坐标系和大地坐标系的多种数据源应用也成为一个趋势，正确理解并掌握本研究算法模型，掌握我国大地坐标系构成，根据实际精度要求和现有条件解算，那么再复杂的问题也能迎刃而解，再纷杂的数据也万变不离其宗！

【参考文献】

[1]陈士银，孙文福.多种坐标系统转换方法的研制与精度分析[J].测绘科技通讯，1997（01）：20-24.

[2]程鹏飞，成英燕.2000国家大地坐标系实用宝典[M].北京：测绘出版社.2008.

[3]高新国.基于MLS的大地坐标转换算法及实现[J].舰船电子对抗，2015（03）：59-61+69.

[4]謝艳玲，夏正清.基于ArcGIS的1980西安坐标系到2000国家坐标系的转换研究[J].测绘与空间地理信息，2014（12）：220-224.

[5]蔡习文，刘谊，王晓庆.大地测量坐标转换算法研究及系统开发[J].矿山测量，2009（03）：73-75.

[6]李朝阳，邵国防.传统坐标系到2000国家大地坐标系的转换[J].中国西部科技，2011（10）：9-10.

[责任编辑：朱丽娜]