地质勘探测量中坐标系的选择及转换方法分析

高绍杰

摘要：针对坐标系及其坐标转换在地质勘探测量工作中的重要意义，介绍几种典型坐标系，为坐标系选择提供参考，并详细分析了一种坐标转换方法。

关键词：地质勘探测量；坐标系选择；坐标转换

地质勘探不同时期可能会用到不同的坐标系，而不同坐标系间坐标能否快速准确的转换决定了勘探工作质量。但由于受到外界因素的影响，使得地质勘探测量在坐标转换方面离预期还有一定差距，因此有必要对坐标系选择和坐标转换进行分析，从而为地质勘探测量工作的发展积累经验与方法。

1.地质勘探测量坐标系选择

1.1“1954北京坐标系”

该坐标系出现后，很快在国内得到普及，并在一段时间后成为我国大地坐标系。为适应当时的测绘事业发展需要，借助该坐标系十分重要。该坐标系对我国大地坐标进行了统一，在国家建设方面，贡献巨大。然而，因受到历史条件等因素的制约，该坐标系也存在一些问题和缺陷，表现为：第一，参数误差偏大，相比目前的精确值，在长半轴上大了近100m，且扁率倒数也相差近5×10^-2。第二，目前的地球椭球同时具备四种参数，除基本的几何参数外，还包含物理参数，但是该坐标系只有两个参数，而且都是几何参数，难以满足当前的测量基本要求。第三，由椭球定位确定出的椭球面无法和似大地水准面良好吻合，在西向东方向上有一定系统倾斜，最大倾斜值可达60m以上。第四，椭球短半轴无法正确指向，这和目前的地球极无法匹配；第五，精度已不满足要求。

因该坐标系所有坐标的计算都采用平差法，以逐级控制分区为基础，所以对天文大地网而言，其精度会受到等三角锁直接影响，这限制了有较高精度且结构坚强的二等全面网作用发挥。在完成平差后，一等锁网和二等锁网的结合点，大部分二等网观测方向对应的改正数可能会超出最大误差。通过对1.5万个点的平差结果统计，并借助目前具有较高精度的GPS网检验大地网实际成果，发现采用以上方法所得成果有一定平差变形。局部地区在锁网的结合点产生了裂缝。

1.2“1980西安坐标系”

在1980年我國建立了大地坐标系之后，将其称之为1980西安坐标系。通过归纳和总结，该坐标系主要具有以下特点：第一，相比1954北京坐标系，它具有更高的精度；第二，椭球参数完整，在确定几何形状的基础上，还能分析描述物理特征，实现了大地重力和大地测量的参数结合目标；第三，该坐标系的椭球参数和1984年由IAU提出的常数系统有关参数保持高度一致；第四，相较于1954北京坐标系，无论是参考基本面还是轴系，都十分明确；第五，在椭球定位的支持下，其参考椭球和目前国内的似大地水准能良好吻合，在我国东、西部分别穿过两个高程异常等值线，绝大部分地区的高程异常都处在+20m～20m范围内；第六，这一坐标系是充分利用我国近三十年积累的三角测量、天文及重力相关专业资料而建立的符合我国国情与特色的专属坐标系。

13“2000国家大地坐标系”

该坐标系将地球质量中心作为原点；Z轴从原点指向历元为2000.0的地球参考极，这一指向将国际时间局提出的初始指向作为依据进行计算，由于时间演化具有定向性，所以能确保地壳不会产生残余旋转；x轴从原点指向赤道面和子午线的相交点，如图1所示。

该坐标系的应用具有重要科学意义，主要表现在以下几个方面：在经济社会快速进步的今天，无论是航天、气象，还是建设、规划，所有领域的科研工作都要得到一个统一坐标系的支持，以此对信息进行处理；推动国民经济建设，提高社会效益，比如为防灾、应急系统构建提供基础支撑；加速国内应用遥感技术，充分发挥在生态及资源监测等领域具有的重要作用；满足运输业安全需要，采用车载定位可以获取三维坐标，反映出具体的地理位置，同时在导航地图的帮助下，选取最佳的运输路径，规避障碍和危险。

1.4“WGS-84坐标系”

WGS-84坐标系是在世界范围内应用的地心坐标系统，将地球质心作为原点，z轴从原点指向协议地球极，X轴从原点指向赤道与子午面的相交点。该坐标系是对NSWC9Z-2参考系尺度及原点进行修正后，通过旋转使基于BIH的零度子午面与参考子午面保持一致而获得的新坐标系统，属于地心固连坐标系。

2.地质勘探测量坐标转换

在地质勘探测量工作中，考虑到工作性质和程度存在一定差别，所以通常要先在勘探范围内进行小比例尺勘探，以此确定异常源与具体位置。基于此，选定并建立适宜的坐标系是首要解决的问题，以便后续的工作能够和之前顺利衔接。在搜集勘探区基本资料的基础上（包括各种比例尺的地形图与国家控制点的相应坐标），明确坐标系来源，区分坐标系类型，然后借助GPS对已知点进行校核，在校核时，需要重复多次，得以最大限度地减小误差。如果误差控制在10m之内，则GPS可以满足填图与测网的基本要求。与此同时，根据相关规范的要求，如果填图与测网在1：10000以上，则要利用3。带坐标，对子午线的经度进行输入即可。为更加方便的使用与衔接资料，若测量工作难以跟进，或测网未进行联测，则在规范的要求下，必须埋设不少于3个标石，以便后续进行转换。其他阶段的测量必须跟进，包括普查阶段、详查阶段与开采阶段。为确保各方面工作顺利开展，并适应新的坐标系统，需同时提供其他坐标系。根据传统的方法，在搜集勘探范围内所有控制点后，将其引入测区当中。

在技术装备快速发展的情况下，很多单位配置了双频接收机，利用此接收机，仅需在已知点上连续观测4h，即可向数据中心传输观测数据，引入国家网实施解算，获得以上坐标系的具体坐标值，为测量人员提供了极大的便利。最后再借助转换软件，实现坐标系坐标的计算与转换。

上述坐标系的转换实际上就是对椭球参数进行转换，由于在相同或不同椭球进行转换是完全不同的，所以没有一套通用的转换系数，各地区也不尽相同。这是因为不同地区有其对应的椭球基准。鉴于此，坐标转换需应用Bursa模型，即所谓的七参数转换法。由于每个点都有其对应的坐标与高程，所以必须要有三个及以上的点才可以进行结算，其他的点需要算出最值，当使用不同软件时，可能会得到不同的结果，但差别不会很大，前提是转换模型完全正确。以54系至80系的转换为例进行分析：先将54系坐标转换为该系的高斯平面坐标；然后将这一坐标再转换为直角坐标；利用七参数将直角坐标转换为80系的对应的坐标；将得到的80系直角坐标采用相同的方法转换为高斯平面坐标；最后将其转换为80系坐标。为便于计算，很多软件都具有直接转换功能，不涉及转换和计算的过程，但这并没有得到人们的重视，甚至一部分单位不会使用这种软件，一味使用旧软件或其他软件代替，不仅影响工作效率，还难以保证结果的准确性。因此，有必要提出此类软件的使用方法：打开软件，点击“转换”按钮，找到并点击“坐标转换”按钮，分别选定原、新坐标系，在表格的空白处输入坐标（也可直接传输公用点文件），输入完成后对中央子午线进行设置，点击“计算”按钮，系统自行运算于右侧边框显示结果，提供保存功能，后续再用时无需重复计算，重新选定计算的类型，两侧均选大地坐标，确认下面标题变化正确后，输入转换点坐标，单击“转换”按钮，即可得出转换后坐标。

3.结束语

综上所述，在地质勘探测量中，选择正确的坐标系，并采用适宜的方法进行坐标转换具有重要现实意义，除了与勘探工作效率有密切关系以外，还决定了勘探结果的质量。因此，在实际工作中，要根据规范要求和实际情况选择坐标系，并掌握坐标转换方法，以此高效、准确的完成坐标