河源市已有坐标基准向CGCS2000转换实现

谢卫华

（河源市国土资源测绘院，河源517000）

1 引言

我国目前常用的坐标系有1954年北京坐标系，1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，简称CGCS2000）三种坐标系以及众多的地方独立坐标系。根据《国土资源部国家测绘地理信息局关于加快使用2000 国家大地坐标系的通知》（国土资发〔2017〕30 号）要求，2018年6月底前完成全系统各类国土资源空间数据向2000 国家大地坐标系转换，2018年7月1日起全面使用2000国家大地坐标系。

由于历史原因，河源市原住建部门和原国土部门之间坐标基准不统一，同一地区存在不同坐标基准下的测绘成果重复、图件与数据无法拼接等现象。采用不同的坐标基准，造成了测绘成果无法统一共享使用以及重复建设和巨大的浪费，也给社会各部门应用带来诸多不便，容易引发质量安全问题，客观上影响了全市经济社会建设和城市建设，已逐渐成为限制河源市数字城市建设可持续发展的瓶颈问题。

为解决好这一难题，河源市于2016 至2018年间完成了全市范围CGCS2000 坐标框架网（B 级GNSS 网，19 点）、基本网（C 级GNSS 网，111 点）建设，建立了河源市现代测绘基准体系［1］。按照广东省自然资源厅统一要求，河源市需要建立一套全市统一的2000 国家大地坐标框架，完成全市已有基础地理信息数据向CGCS2000 转换统一，全面开始使用CGCS2000。在已有坐标基准控制网成果分析基础上，通过外业联测，利用公共点成果，建立了已有坐标基准向CGCS2000 的转换联系及高精度坐标转换系统，在较短的时间内解决了原来坐标基准不统一所带来的相关问题，实现真正全面应用2000国家大地坐标系［2］。

本文主要讨论河源市范围整体1980 西安坐标系到CGCS2000 坐标系和市辖区市测绘院及住建部门已有坐标系到CGCS2000 坐标系的转换建立与应用。

2 转换参数计算流程与模型

2.1 转换参数计算流程

总体上，转换参数计算按以下步骤进行［3］：

a）按转换区域选取适当的转换模型；

b）按重合点选取原则选择重合点；

c）将重合点代入转换模型，利用最小二乘法计算转换参数；

d）用得到的转换参数计算重合点坐标残差；

e）剔除残差大于3倍点位中误差的重合点；

f）重复上述b）到e）的计算过程，直至重合点坐标残差均小于3倍点位中误差；

g）最终用于计算转换参数的重合点数量与转换区域大小有关，但不得少于6个；

h）根据最终确定的重合点，利用最小二乘法计算转换参数。

当然，为了进一步确保坐标转换参数的可靠性、精确性，通常在开展测绘成果转换前还可进行外业实地点位观测检验工作。

2.2 坐标转换模型

建立相对独立的平面坐标系统与2000 国家大地坐标系联系时，坐标转换模型一般采用平面四参数转换模型，重合点较多时多项式拟合模型［4］，如下。

2.2.1 二维四参数转换模型

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。坐标单位为米。

2.2.2 多项式拟合模型

式中：x1、y1，原平面直角坐标；x2、y2，目标平面直角坐标；Δx、Δy，坐标转换改正量，用下式计算；

其中a0...a5为系数，i为重合点序号，通过最小二乘求解。

2.3 坐标转换精度估计

（1）重合点残差V V=重合点转换坐标值-重合点已知坐标值。

（2）平面点位中误差

式中：Mx，平面坐标x残差中误差；My，平面坐标y残差中误差；n为点位个数。

3 转换参数确定

3.1 已有坐标基准分析

通过对河源市局（包括市测绘院）及住建部门调研，收集到已有测绘基准下的相关控制网成果，包括点位图、联测图、原始观测数据、解算过程资料和最终成果等。已有坐标基准总体情况如表1所示。

表1 河源市及市辖区已有坐标基准统计表

从表1 可知，河源市局及市测绘院主要采用1980 西安坐标系，住建部门主要采用基于1954年北京坐标系的独立坐标系。其中，河源市局使用的1980 西安坐标系全市范围覆盖、使用较多、应用面广，市测绘院使用的1980 西安坐标系主要运用于市区平时地籍测量，住建部门使用的独立坐标系为住建部门日常发证使用。由于三个坐标基准控制网分批在不同年代建设，相互间未建立转换联系。

因此，为保障已有存量成果的坐标基准的统一与应用，需分别建立到CGCS2000 的转换关系，并完成相应坐标基准下已有测绘成果数据向CGCS2000 的转换。为后文方便叙述，河源市局坐标基准称为坐标基准一、市测绘院坐标基准称为坐标基准二、住建部门坐标基准称为坐标基准三。

3.2 联测点选取

选取相对独立的平面坐标系统与2000 国家大地坐标系的重合点的原则如下：择优选取地方控制网的起算点、高精度控制点、周围国家高精度的控制点，大中城市至少选取5 个重合点（城外4个，市内中心1个）；小城市在城市外围至少选取4个重合点，重合点要分布均匀，包围城市区域，并在城市内部至少6个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核［2］。

三个控制网建设年代时间较长，加之河源市城市建设发展迅速，各控制网多数控制点已破坏，通过对已有控制点进行普查，选择点位保存完好的全部已有坐标基准控制点作为联测点，按C 级GNSS 控制网纳入河源市CGCS2000 坐标基准基本网进行了统一联测。坐标基准一、坐标基准二、坐标基准三联测点位分布分别如图1—3所示。

图1 坐标基准一联测点分布

3.3 转换参数计算

本次需确定的转换参数包括1954年北京坐标系到2000 国家大地坐标系的转换参数和1980 西安坐标系到2000 国家大地坐标系的转换参数。已有坐标基准均为平面直角坐标系，利用已有两种坐标系的重合点，本次坐标转换采用平面四参数、多项式拟合模型，按照转换参数计算流程完成了转换参数的计算分析［5-7］。

通过计算分析，三个坐标基准具体转换公共点选择情况见下图1—3，其最终选用的转换模型、转换精度见表2所示。

图2 坐标基准二联测点分布

图3 坐标基准三联测点分布

表2 不同转换模型下的精度分析表

3.4 外业精度检核

通过在坐标基准应用范围内，从已有地形图数据中均匀选取明显地物点，对已选取的地物检测点通过河源市连续运行卫星定位服务系统（HYCORS）网络RTK 实测得到其2000 国家大地坐标成果。地物检测点按网络RTK 图根要求测量，在每个观测点使用三脚架或对中杆架设仪器且量取仪器高两次，开机前后各一次；每个检测点每次初始化观测历元不少于20 个；观测结果取两次观测所有历元成果的平均值［8］。

提取转换后地形图对应地物点的2000 国家大地坐标作为转换坐标值，与外业实测的2000 国家大地坐标进行精度对比，三个坐标基准转换精度情况如表3所示。

表3 转换精度对比表单位：cm

通过外业检测后可得出：计算的各转换参数可靠，可应用于实际转换工作。

4 转换参数应用

4.1 坐标转换平台设计与开发

坐标转换平台目标是实现多种格式矢量、栅格数据在1954年北京坐标系、1980 西安坐标系、2000 国家大地坐标系以及众多地方独立坐标系之间的高精度无损坐标转换，并且保证转换后测量成果数据的完整性，从而达到测绘成果坐标基准统一的目的，有利于地理空间信息资源共享，减少重复测绘和资源浪费，提高城市建设管理水平［9-10］。

坐标转换平台功能分为权限管理、控制点查询、转换模块设计、单点转换、矢量/栅格转换、高程转换等功能，主要功能与关系如图4所示。

图4 坐标转换平台功能与关系图

平台采用SQLserver 数据库管理现有全部转换参数，以加密乱码形式存储。通过权限管理模块，管理和分配系统登录权限，包括可查看转换模型关系、自定义坐标系等功能的管理员和只能调用现有参数的普通用户，保证转换参数的保密性。

控制点管理和转换模块设计两部分，支持用户对现有控制成果进行管理，并自选公共点坐标求取所需转换参数，并自动存储在平台内，方便后期调用。

单点转换、矢量/栅格转换等坐标转换模块支持现有主流形式数据使用参数模板转换和同椭球基准投影换带计算两个功能。操作流程只需选定原始数据和转换数据路径，勾选所对应转换参数即可完成转换。操作过程简便清晰。

4.2 转换参数应用

坐标转换平台开发完成后对现有数据进了行转换，运行数据为河源市市本级基础数据，数据总量约1.2T，数据格式包括dwg、shp、gdb、tif、asc、adf等。

由于原有各比例尺数据线画图数据量较大，主要工作量为数据整理工作，整个工作持续约1个月时间；坐标转换平台能适应河源市各单位现有测绘成果文件格式与规范下完成坐标转换，并且能够保证转换后图形要素及属性完整，满足河源市统一测绘基准应用需求。

5 结束语

河源市统一测绘基准工作的重点是转换参数的精度和转换平台的无损高效。通过对已有成果资料分析、点位普查及高精度的统一联测，保证了转换参数的全覆盖和高精度。通过构建坐标转换平台，实现了主流数据格式统一转换。相信随着统一测绘基准工作的进一步推进，河源市能在较短的时间内解决原来坐标基准不统一所带来的问题，实现真正全面应用2000 国家大地坐标系，从而有利于城市建设和开发纳入一个统一的地理空间定位管理体系，实现测绘图件与地理信息数据在全市范围的无缝拼接；有利于为大型基础设施建设、权属测量等各项工作提供强有力的测绘保障；有利于数字城市建设地理空间信息资源共享，减少重复测绘和资源浪费，提高城市建设管理水平。