广州市萝岗区“三规合一”中坐标统一转换的研究和实现

白航+李利番

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.046

摘 要：该文基于萝岗区“三规合一”统一坐标系研究项目，重点探讨萝岗区“三规合一”统一坐标系的技术理论可行性，确定了CGCS2000坐标系为萝岗区统一坐标系管理和发布的坐标基准，并研究确定了与广州现有坐标系之间的转换关系，即特别注意考虑不同部门所属点位之间的兼容性，采用分别计算、分别转换的方法，建立两类转换参数进行应用，以实现高精度的坐标转换工作；另外，可建立统一的全区域总体转换参数，解决不同区域参数转换引起的差异问题。

关键词：CGCS2000 坐标转换 统一坐标系

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0046-03

坐标系统是用来确定点的空间位置的参照系统，不仅是一切测绘工作的基础，所有测量成果都是建立在其之上的，因此，对于城乡规划建设、城市管理、土地管理、环境监测、城市应急决策等工作举足轻重。当前各地仍在使用的坐标系统有很多种，主要包括独立坐标系、1954北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系等。如果坐标系统选取不当，或坐标系统本身存在缺陷，由此而衍生的一切成果数据的精度和可靠性就无法得到保障。为此，坐标统一不仅需解决原有已应用坐标系的控制网框架内部的精度不高、精度不均匀等问题，也必须要解决原有各部门、系统之间的相互转换问题。该研究基于广州市萝岗区“三规合一”统一坐标系工作需求，以选择区域统一坐标系管理和发布的坐标基准为主要目标，开展先期实验及比较分析论证，探讨区域统一坐标系的技术理论及可行性，同时兼容独立坐标系和其他国家坐标系，以满足区域“三规合一”等实际应用中的坐标系统一的需求。

1 坐标基准

1.1 统一坐标基准的重要性

（1）不同部门对坐标系统的差异性选择。在该文的研究实例中，国土部门使用的国土GPS控制网地方坐标系，与规划部门使用的独立坐标系存在系统偏差。（2）不同的坐标系统由于采用不同的基准及定位参数，从而使得不同坐标系中的坐标数值差距较大。若缺乏统一的坐标系统，一切都会变得混乱。因此，要消除坐标系统不同对测绘成果的影响，必须在统一的坐标系统下对测绘成果进行管理，并计算精确的坐标系统之间的转换参数，以保证对其他相关坐标系统的兼容。

1.2 坐标基准的选取

坐标基准的选取原则就是要能够较好地解决各坐标系统之间的差异，满足实际工作中的具体应用需求。空间技术的发展成熟与广泛应用迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。为此，我国建立了具有较高精度的最新最权威的CGCS2000坐标系。

2 坐标统一的技术流程

统一坐标系研究工作的技术流程包括：点位普查和技术调研、坐标系参考框架建立、坐标系转换、精度分析等四个步骤。具体技术工作流程图如图1所示。

2.1 前期准备

前期可行性研究主要包括了资料收集、点位普查和技术调研。具體工作内容见图1。

2.2 坐标系参考框架建立

以CGCS2000坐标系参考框架的建立为例，具体包括以下几个步骤。

（1）点位联测。对普查到的高等级控制点进行测量，求取其CGCS2000坐标系成果并进行坐标转换；利用广东省连续运行卫星定位服务系统（简称GDCORS）参考站，进行控制点联测，求取控制点的CGCS2000坐标系成果，利用GDCORS提供的网络RTK服务进行坐标系转换成果的外业检测；利用普查到的GPS-C、D、E级网中的现有控制点进行坐标系转换，并对转换后成果开展外业检测。（2）平差计算。GDCORS基准站为起算基准，进行了框架网CGCS2000坐标系下的平差计算。选取确定参与平差计算的控制点、环检验的基线和GDCORS基准站。（3）GPS控制点观测。务必做好观测前准备，严格遵守观测作业相关要求，GPS控制网观测基本技术规定要符合相关网点要求。（4）数据处理。具体包括基线解算、GPS测量控制网的平差计算和坐标转换计算等。利用GDCORS基准站在CGCS2000坐标系与西安坐标系、北京坐标系、本地坐标系成果的转换关系，按坐标转换方法转换得到各点在此坐标系中的成果。

2.3 坐标系转换

现有各类坐标要分别建立与基准坐标系之间的转换模型。一般而言，空间直角坐标之间的转换多采用三维七参数转换模型实现；平面坐标间的转换则视转换区域的大小，区域较小时可选用平面转换四参数模型进行，区域较大时可采用基于大地坐标的二维七参数转换模型实现。

2.4 精度分析

CGCS2000坐标框架的准确性检测可通过网络RTK成果与平差计算的CGCS2000坐标框架成果进行比对分析获得；转换参数计算精度检测可通过将网络RTK的CGCS2000坐标系成果利用已经求得的转换关系得到西安坐标系成果，与已知的成果进行比对分析获得。其中，检测点数量少于20时，以误差的算术平均值代替中误差；大于20时，中误差计算按下式执行：

式中：M为成果中误差；N为检测点个数；为较差。

较差按下式执行：

；；

3 研究实例

该研究实例通过对萝岗区及周边已经建立的国家、省、市级CGCS2000坐标系框架控制网进行调研，开展实验，在建立适应于广州市萝岗区的高精度CGCS2000坐标系参考框架的基础上，通过对萝岗区大地坐标框架的准确性检测和转换参数计算精度检测，采用内外业方法对三种坐标系的控制点位和坐标转换精度、可靠性和兼容性进行了比对分析，论证了采用国家2000大地坐标系统作为萝岗区三规合一坐标统一的坐标基准的技术先进性。具体内容如以下几点。

（1）点位普查。此次实验对萝岗区及周边已有控制点进行了初步普查，普查情况为：69个GPS控制点，其中36个点已破坏，31个点完好且观测条件良好，2个点完好但观测条件已被遮挡。另外广东省已有的2000大地坐标系平差成果也是该研究的重要基础数据。

（2）点位联测。在萝岗区覆盖范围均匀选取了10个已有点位，按C级GPS网的要求与区域及周边的GDCORS基准站进行了联测。外业联测时采用6台GPS接收机进行同步观测，分两个同步网进行，两个同步网重合点为2个。

（3）平差计算。GDCORS基准站为起算基准，进行了框架网CGCS2000坐标系下的平差计算。平差共计算控制点9个，采用通过环检验的基线85条，使用到5个GDCORS基准站。计算时基线解算使用GAMIT软件解算获得，平差计算使用PowerNet软件在三维坐标系下进行平差处理。

（4）基线解算。控制点与GDCORS基准站之间联测的基线采用GAMIT软件，用网解的模式进行基线解算，星历采用快速精密星历，各种模型采用GAMIT缺省要求；控制点之间基线解算可利用随机软件LGO的单基线解算模式。解算成果，应采用双差固定解；个别基线较长时，可取浮点解。从表1统计结果可见，GPS基线解算满足要求。

（5）建立萝岗区CGCS2000坐标框架，精度为±1.5 cm。CGCS2000坐标系的空间直角坐标成果，是以5个GDCORS基准站作为起算点，进行约束平差得到的。CGCS2000坐标系的三维无约束平差其结果相对中误差最弱边为0.37 ppm，点位中误差最大值为±0.52 cm。CGCS2000坐标系的三维约束平差结果相对中误差最弱边为0.39 ppm，点位中误差最大值为±0.50 cm。

（6）坐标转换。萝岗区域范围较小，CGCS2000坐标系与西安坐标系、广州坐标系可采用平面转换四参数模型实现。采用静态联测的9个控制点的CGCS2000坐标系平面坐标成果分别与已知西安坐标系、广州坐标系平面成果组成已知点对，进行了已有坐标系与CGCS2000坐标系转换关系的计算。通过预处理消除国土和市规划局广州坐标系不兼容粗差后，整体坐标转换精度为0.026 m。因此，在CGCS2000坐标系到广州坐标系平面转换时，采取分别转换方式可保证较高坐标转换精度，并消除原有市国土坐标系与市规划局坐标系之间的不兼容问题。

（7）精度分析。此次确定的CGCS2000坐标框架精度高，点位中误差最大值为±0.5 cm，外业网络RTK检测平面中误差为±1.5 cm；确定了CGCS2000坐标系与西安坐标系之间的转换关系，转换参数精度为2.1 cm；确定了CGCS2000坐标系与广州坐标系之间的转换关系，转换参数精度为2.6 cm，外业精度检测2.4 cm。根据萝岗区实验结果，采用此方法進行国家大地坐标系与广州坐标系统一坐标转换精度为±0.024 m。这表明通过建立CGCS2000坐标，采取分别转换方式可保证较高的坐标转换精度。

4 结语

萝岗区“三规合一”统一坐标系技术研究结果表明：一方面，CGCS2000坐标不仅具有显而易见的科学性、先进性和实用性，且其推广使用具有明确的法律法规和政策依据。另一方面，该实验结果分析表明，CGCS2000坐标框架建立精度可达±1.5 cm，转换至西安坐标系和广州坐标系的精度分别达±2.1 cm和±2.4 cm，是更精确的坐标转换和发布的坐标基准。因此，根据“三规合一”后续坐标系统一和坐标转换工作需求，建议以该文研究和实验内容为基础，加快进行国家2000大地坐标系的推广研究和应用，对建立CGCS2000坐标系及进行坐标转换的技术方法、技术路线和工作方案进行深入论证，尽快将现有的参心坐标系下成果转换到CGCS2000坐标系中，推进“三规合一”统一坐标系工作的顺利进行。

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