坐标系基础知识及控制点转换方法2018年国土资源部河北培训班

中国测绘科学研究院2018.4.17成英燕主要内容1测量坐标系定义和表达2转换产品的形成和应用3点数据坐标转换4GPS采集实时数据转换* 地球椭球分类 总地球椭球:与全球范围内的大地水准面最佳拟合 参考椭球:与某个区域的大地水准面最佳拟合 参考椭球定位 单点定位 多点定位1.1地球形状和大小*坐标系定义 原点、尺度、轴指向 表达到椭球面上还需在定义椭球大小 椭球的位置和轴指向1.2测量坐标系定义和表达大地坐标系空间直角坐标系大地坐标系空间直角坐标系 测量常用坐标系平面直角坐标系1.2测量坐标系定义和表达 我国常用坐标系 同一地面点在不同大地坐标系中具有不同的坐标值1.2测量坐标系定义和表达* 参心系 地心坐标系1954年北京坐标系1980西安坐标系地方独立坐标系ITRSWGS-84CGCS2000ITRF88-ITRF2014WGS-84（G730）（G873)（G1150)（G1674） 我国常用坐标系的实现—坐标框架一～四等天文大地网点坐标系实现框架*1.2测量坐标系定义和表达ITRF88为100站，22共置站，到ITRF2014观测站为1576站* 参心坐标系是各个国家选择和局部区域的大地水准面最为密合的椭球作为参考椭球建立的坐标系。 “参心”意指参考椭球的中心。由于参考椭球的中心一般和地球的质心不一致，因而参心坐标系又称非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系。1.3参心坐标系-局部坐标系 1954年北京坐标系 椭球定位采用了前苏联的定位 定位的椭球面与我国的大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部的高程异常达到60多米。 1980西安坐标系 在全国范围内，参考椭球面和大地水准面符合很好 高程异常为零的两条等值线穿过我国东部和西部 大部分地区高程异常在20m以内，它对距离的影响小于1/30万1.3参心坐标系-局部坐标系我国天文大地网整体图形结构坚强，起始数据均匀。整体平差方案先进，归算严格，成果精度较好。框架点数：全国天文大地网成果约5万点，全国三四等三角网平差成果约8万点。点位精度：平差点位误差一般与离大地原点的距离有关，距大地原点越远误差越大。全网按照不同结构强度、观测精度、分布选取了101点计算点位中误差92％的一、二等点点位中误差在0.7m以内78％的三等点的点位中误差在0.8m以内 大于1m的两点位于西藏与青海交接处和塔里木盆地南缘，分别为三等单三角锁和三等单导线点，一个距大地原地1800公里，一个距大地原地2500公里。距离大地原点最远点（3200公里）的点位误差为±0.9m。1980西安坐标系坐标框架1.3参心坐标系-局部坐标系 WGS-84（世界大地坐标系）WGS-84是美国国防部建立的、GPS卫星定位采用的坐标系统。2000国家大地坐标坐标系CGCS2000参考椭球a=6378137mf=1/298.257222101坐标原点：地球质心启用时间：2008年7月1日1.4地心坐标系-全球坐标系 作为测制地形图的基础，大地坐标系的改变对地形图要素产生的位置变化。局部坐标系的原点偏离地心较大(接近200m) *1.5参心坐标系与CGCS2000的坐标差异* 以一定精度测定其位置为其他测绘工作提供依据的固定点。 有实际点位 没有实际点位*2.1控制点*国家级GNSS连续运行基准站点2000国家GPS大地控制网点国家一、二、三、四等天文大地点 省级GNSS连续运行基准站点 省市卫星大地控制网C级点、D级点 其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的控制点。*2.2控制点分类GPS技术测定的纳入CGCS2000系的控制点*2000国家GPS大地控制网点336个国家一、二等天文大地点48919个国家三、四等天文大地点74723个中东部地区16个省市完成省级大地水准面精化项目时获得的GPSC级点1097个2000国家大地坐标系与1980坐标系下的重合点共125075个点*GPS技术测定的纳入CGCS2000系的控制点*由三个层次框架点组成。 第一层次：连续运行参考站， 28个点，CGCS2000基本骨架。 精度mm级。 第二层次：“2000国家GPS大地 控制网”。精度cm级。 第三层次：全国天文大地网， 约5万个点。大地经纬度精度： 0.11m。 全国天文大地控制网 约50000点 2000国家GPS大地控制网2500多点 IGS站和永久跟踪站 28点 2dm3cm 3mmCGCS2000坐标框架点参心坐标成果向CGCS2000转换*控制点的选取、分析与确定（1）控制点选取原则：2）控制点分析及确定：异常点411个控制点及异常点分布示意图控制点的选取、分析与确定确定最终用于计算全国高分辨率格网点转换改正量的一二三四等控制点124664个 在椭球上将转换区域划分成高分辨率格网（示意图） 以格网点为中心，采用一定的距离为半径画圆，形成一个搜索范围 选择该范围内的控制点，求取各控制点的大地坐标改正量 采用适当的模型计算各个格网点的1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换的坐标改正量（DB，DL）格网改正量的内符合精度优于±0.2m。全国陆地范围内413288幅1：1万图幅80系向2000系转换改正量优点：①转换为无缝转换，不需要重新接边；②转换不受比例尺及范围的限制，不同比例尺上同一个要素点其坐标转换结果一样；③不受GIS软件平台的限制，可从底层开发软件实现转换。④全国采用统一一套“控制点成果”保证各省各地区转换结果的唯一性和无缝拼接。参心坐标成果向CGCS2000转换 不同空间直角坐标之间的变换 布尔萨模型 莫洛金斯基模型 三维四参数 不同大地坐标系的变换 三维七参数 二维七参数 椭球面多项式拟合 平面坐标系之间的变换 二维四参数 平面多项式拟合3.1坐标转换模型参心坐标成果向CGCS2000转换（1）不同空间直角坐标系转换布尔莎七参数转换模型旋转-缩放-平移*参心坐标成果向CGCS2000转换三维七参数模型：（2）不同大地坐标系转换参心坐标成果向CGCS2000转换（2）不同大地坐标系转换*参心坐标成果向CGCS2000转换二维七参数转换精度比三维七参数提高2-3倍模型比较（2）不同大地坐标系转换*参心坐标成果向CGCS2000转换步骤：（1）按转换区域选取适当的转换模型（2）重合点选择（3）重合点分析（4）坐标转换（5）外部检核3.2转换方法参心坐标成果向CGCS2000转换（1）按转换区域选取适当的转换模型2转换方法参心坐标成果向CGCS2000转换 控制点 转换模型 适用区域范围 所属坐标系 坐标类型 1980西安坐标系1954年北京坐标系 大地坐标 三维七参数 椭球面经纬差＞3区域及省级和全国范围 二维七参数 椭球面多项式拟合 空间直角坐标 布尔沙模型 全国及省级范围 莫洛金斯基模型 省级以下范围 三维四参数 ＜2×2局部区域 平面坐标 二维四参数 局部小区域 相对独立的平面坐标系 平面坐标 二维四参数 局部小区域 平面多项式拟合 局部小区域（2）重合点选择 选取原则：尽量选取足够的高等级、高精度且分布均匀的点作为坐标转换的重合点。重合点的分布要覆盖整个转换区域且尽量分布均匀。（3）重合点分析根据用所计算的转换参数计算的重合点坐标残差；剔除残差大于3倍中误差的重合点；重新计算坐标转换参数，直到满足精度要求为止；计算转换参数的重合点数量与采用模型及转换区域有关，一般七参数不少于6个，四参数不少于4个。3.2转换方法*参心坐标成果向CGCS2000转换*4.1地心坐标系之间的关系比较**CGCS20002000历元**板块运动除太平洋板块几乎全为海洋外，其余五个板块既包括大陆又包括海洋。在板块中还可以分出若干次一级的小板块开始的板块是一个整体后来划分为六大板块；太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度板块（包括澳洲）和南极板*德国气象学家，同时又是地质学家魏格纳发现，地球原始大陆并非生来就有了，开始大陆连成整体，随时间推移，由于受到地球内部的作用，使海底大陆升起浮露出海面，后来又因为重心不均衡而摇摆、颤动、撕裂分离。形成了六大板块；太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度板块（包括澳洲）和南极板。* 由于站点位置会随所在板块一起运动，因此空间技术实现的参考框架一般是动态框架。 站点的位置应表示为四维，即包括测站的位置和历元，或站坐标和速度。框架动态维持方法点位归算方法①框架历元归算②板块运动从ITRF2000转换到以前框架的转换参数与速率（历元1998.0）ITRF框架转换关系*（1）框架历元归算（框架间转换参数计算） 转换参数 T1(cm) T2(cm) T3(cm) Sppb R1.001" R2.001" R3.001" ITRF97 0.60 0.56 -2.01 1.40 0.04 -0.001 0.043 转换参数 (cm/y) (cm/y) (cm/y) ppb .001"/y .001"/y .001"/y 速率 -0.04 -0.08 -0.15 0.012 -0.004 0.001 0.03 从ITRF2005到ITRF2000的转换参数及它们的速率（历元2000.0） 转换参数 T1(mm) T2(mm) T3(mm) Sppb R1(mas) R2(mas) R3(mas) ITRF2000 0.1 -0.8 -5.8 0.40 0.000 0.000 0.000 转换参数 (cm/y) (cm/y) (cm/y) ppb/y .001"/y .001"/y .001"/y 速率 -0.2 0.1 -1.8 0.08 0.000 0.000 0.000* 具体的公式为ITRF框架转换关系*（1）框架历元归算 IERS96推荐NNR-NUVEL1A板块运动模型全球板块划分*常采用的方法有两种1.采用欧拉模型 对于刚性板块上的各站点的运动速度可用刚性板块假设条件下的欧拉模型,且模型简单，使用方便。2.实测时间序列确定速度场 建立基于GPS技术的分布合理的CORS网，以高精度获取站点相对于全球参考框架的坐标及速度场进行框架维持。* 板块 σ 阿尔泰 0.000628 -0.001876 0.004746 0.74 阿拉善 0.000410 -0.005542 0.001580 0.82 巴彦喀拉 0.000242 -0.006253 0.002678 2.02 柴达木 0.001663 -0.010674 0.000900 2.86 华南 -0.000936 -0.002695 0.004548 1.67 川滇 0.000616 -0.016341 -0.002104 3.39 滇西南 -0.001726 -0.002290 0.003626 2.38 拉萨 0.002986 -0.006392 0.003822 5.02 鲁东海 -0.001957 -0.000385 0.006133 0.69 羌塘 0.002197 -0.027764 -0.008042 2.48 祁连 0.000247 -0.004865 0.002917 1.94 南海 0.000102 -0.004319 0.003061 1.50 天山 0.000856 -0.002689 0.004057 1.29 中蒙 -0.000743 -0.001777 0.004637 0.88 塔里木 0.000904 -0.009939 -0.002243 1.76 准噶尔 0.000748 -0.000028 0.006592 1.31 中韩 -0.001021 -0.001582 0.004737 0.98 华北 -0.001083 -0.001761 0.005133 0.88 鄂尔多斯 -0.001116 -0.001303 0.005514 0.98 燕山 -0.000773 -0.002084 0.004447 0.81 板块运动改正t1为原参考历元，t2为需转到的参考历元，[VX，VY，VZ]T为控制点的速率。*GPS采集实时数据转换 先将站点空间直角坐标转为大地坐标 由经纬度定位测站所在的格网，测站的速度则由4个格网点速度取平均求得。 SITE位于格网经度为102~103，纬度为32~33内的站点，格网4个角点的速度分别为VE1，VN1、VE2，VN2、VE3，VN3、VE4，VN4，测站SITE东、北方向速度值则为：ITRF2014到ITRF2008转换参数（4.34）ITRF2008到ITRF97转换参数28个省级1800个站数据处理为例。收集数据一个时间段的CORS观测数据。周边基准站同步观测数据观测数据：2014年8月1日至31日共31天转换实例-全国省级CORS站*转换方法： 周边基准站选取 基准框架和历元确定 数据处理策略分析与比较 数据处理 坐标归算到2000系*转换实例-全国省级CORS站国家级：选取全球稳定IGS站作为外部控制站省级框架选取我国周边10个稳定的IGS站国内IGS站及国家级GNSS连续运行基准站*转换实例-全国省级CORS站全球控制站选取94个我国周边及国内IGS及部分国家级CORS站*转换实例-全国省级CORS站区域控制站选取：我国周边10个IGS站ARTU、TIXI、POL2、DAEJ、YSSK、IISC、KIT3、URUM、BJFS、WHUN。*转换实例-全国省级CORS站*—ITRF91　1992年至1993年底;—ITRF92　1994年期间;—ITRF93　1995年初至1996年中期;—ITRF94　1996年中期至1998年3月;—ITRF96　1998年3月至1999年8月;—ITRF971999年8月至2000年10月；—ITRF20002003年10月至2006年10月；—ITRF20052006年10月至2015年5月—ITRF20082015年5月至今。　　　转换实例-全国省级CORS站*观测数据历元的确定 单点定位 连续观测数天历元的确定中间天的年积日 多年观测数据：最末年积日*转换实例-全国省级CORS站分区方法：间距分区法VS传统分区法两种方式：强约束/拟稳基准VS国家级速度场归算转换实例-全国省级CORS站 间距分区法相比传统分区可提高整网解算精度。 对于100km以内的基线解算精度提高30% 100-200km基线解算精度提高48%大型网的间距分区法每区分布图示例转换实例-全国省级CORS站历元的确定 高精度数据处理软件进行处理与平差平差结果： ITRF2008框架， 2014.664历元 位置和基线向量*转换实例-全国省级CORS站计算2000.0时ITRF2008->ITRF97转换参数转换实例-全国省级CORS站*板块运动改正：由SOPAC得到IGS站在ITRF2008历元20140831时的瞬时坐标见下表，各测站的速度为这些测站ITRF2008框架中的速度。转换实例-全国省级CORS站 站名 X(m） Y(m) Z(m) VX VY VZ BJFS -2148744.3929 4426641.2109 4044655.8556 -0.0312 -0.0058 -0.0067 KUNM -1281256.0309 5640746.0676 2682879.8161 -0.0326 0.0023 -0.0153 SHAO -2831733.8017 4675665.8202 3275369.3115 -0.0312 -0.0105 -0.0102 URUM 193030.3230 4606851.2913 4393311.5191 -0.0308 -0.0016 0.0072 WUHN -2267749.7452 5009154.1998 3221290.6112 -0.0320 -0.0082 -0.0093首先根据IGS的速度场计算2000.0历元时由于板块运动引起的点位变化，经改正后得到IGS站的坐标t1为2014年8月31日转换为小数年2014.664，t2为需转换到的历元，这里为CGCS2000所在的历元，即2000.0转换实例-全国省级CORS站*转换实例-全国省级CORS站 站名 X(m） Y(m) Z(m) BJFS -2148744.8592 4426641.1625 4044655.7779 KUNM -1281256.4957 5640746.1189 2682879.6005 SHAO -2831734.2372 4675665.6530 3275369.1355 URUM 193029.8816 4606851.2737 4393311.6276 WUHN -2267750.1822 5009154.0473 3221290.4470转换后与已知框架坐标比较*转换实例-全国省级CORS站 速度场模型 站点 X Y Z CGCS2000 SHAO -2831733.3629 4675666.0142 3275369.4651 ITRF2008 -2831733.3663 4675666.0202 3275369.4653 CGCS2000 WUHN -2267749.263 5009154.311 3221290.709 ITRF2008 -2267749.2913 5009154.3744 3221290.7470 CGCS2000 URUM 193030.8087 4606851.2772 4393311.4185 ITRF2008 193030.7815 4606851.3259 4393311.4009 CGCS2000 BJFS -2148743.9300 4426641.3008 4044655.9187 ITRF2008 -2148743.9261 4426641.2932 4044655.9302 采用参数转换方法（基准站组强制约束） 采用板块（速度场）归算方法得到的坐标差异两种方法坐标差异图两种约束方法的结果比较转换实例-全国省级CORS站***ITRF88为100站，22共置站，到ITRF2014观测站为1576站***GPS技术测定的纳入CGCS2000系的控制点*GPS技术测定的纳入CGCS2000系的控制点***德国气象学家，同时又是地质学家魏格纳发现，地球原始大陆并非生来就有了，开始大陆连成整体，随时间推移，由于受到地球内部的作用，使海底大陆升起浮露出海面，后来又因为重心不均衡而摇摆、颤动、撕裂分离。形成了六大板块；太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度板块（包括澳洲）和南极板。**