国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算

国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算
国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算

分类号: P221

2014年毕业论文

题目:国家坐标系与地方独立坐标系坐标

转换方法与计算

作者姓名:丁可

学号: 2012109105

系(院)、专业:地球科学与工程学院、测绘工程

指导教师姓名:徐长海

指导教师职称:助教

2014 年 5 月 4 日

CLC:P221 The 2013 session of the undergraduate thesis

Title: National coordinate system transformation method and

local independent coordinate system and calculated

For name:Ding Ke

Student ID:2012109105

Department:School of Earth Science and Mapping

Engineering

Name of instructor:Xu Chang Hai

Instructor titles:Teaching Assistant

May 5, 20

国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算

丁可

(地球科学与工程学院12测绘工程专升本234000)

摘要

随着我国经济的发展的突飞猛进,对测量精度要求的建设也越来越高,就是以便满足实际运行要求。但在一些城市或大型工程建设中可能刚好在两个投影带的交界处,布设控制网时如果按照标准的3度或者1.5度带投影,投影变形会非常大,给施工作业带来不便,此时需要建立地方独立坐标系。认识国家坐标系的转换和地方独立坐标系统有一定的现实意义,如何实现两者的换算,一直是关注的工程建设中的热点问题。因此,完成工程测量领域国家坐标定位成果与地方独立坐标成果的转换问题,以适应城市化和实际工程的需要。

关键词:国家坐标;独立坐标;坐标转换

Abstract

With the rapid development of the economic development of China, more and more is also high on construction of measurement accuracy, is in order to meet the operation requirements. But in some cities or large engineering construction may be just on the border of two projection zone, setting control network if according to the standard of 3 degrees 1.5 degrees or with projection, projective deformation will be very big, to inconvenience construction work, the need to establish local independent coordinate system. Meet national coordinate system transformation and the local independent coordinate system has certain practical significance, how to realize the conversion of the two, has been a hotspot problem in engineering construction. Therefore, complete engineering field state coordinates measurement results and achievements of local independent coordinate transformation problem, to meet the needs of the urbanization and the actual engineering.

Key words: The state coordinates; Independent coordinates; Coordinate transformation

目录

1绪论 (1)

1.1论文的背景和意义 (1)

1.2论文的主要内容 (2)

1.3论文的解决思路和方法 (2)

2建立独立坐标系的方法 (3)

2.1常用坐标系统的介绍 (3)

2.2确定独立坐标系的三大要素 (9)

2.3减少长度变形的方法 (10)

2.4建立独立坐标系的意义 (12)

3 国家坐标系与地方坐标系的坐标转换 (13)

3.1常用坐标系的坐标转换模型 (13)

3.2投影面与中央子午线及椭球参数的确定 (15)

3.3国家坐标与地方坐标的转换思路 (15)

4算例分析 (18)

结论 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

1绪论

1.1论文的背景和意义

随着社会的经济快速发展,尤其是近十多年来空间测量技术突飞猛进,得到了长足的发展,其精度也大幅提高。从测量的发展史来看,从简单到复杂,从人工操作到测量自动化、一体化,从常规精度测量到高精度测量,促使大地坐标系有参心坐标系到大地坐标系的转化和应用。大地测量工作已有传统的二维平面坐标向三位立体空间坐标转化,逐步形成四维空间坐标系统。

在测绘中,地方独立坐标系和国家坐标系为平面坐标系的两种坐标系统。对于工程测量和城市建设过程,建设区域不可能都有合适的投影子午线,势必可能有所差异,这样一来作业区域的高程和坐标或者是工程关键区域的高程和坐标能够与国家大地基准的参考椭球有较大的出入,在这种情况下,根据不同的投影区国家坐标系统,可能就会出现投影变形导致严重错误。建立地方独立坐标系统来降低高程归化影响和是归化投影变形,误差控制在一个小范围的数据计算和实际大致相符,不需要任何修改,从而可以满足工程建设和实际应用。

就当前而言,测量工作重要的触及应用三种常用的大地坐标系统,即为地方独立坐标系,地心坐标系,参心坐标系 [1]。地心坐标系:以地球质心为根据建立的坐标系,包括CGCS2000国家大地坐标系,GPS平差后的WGS-84坐标系等。参心坐标系:参心坐标系是以参考椭球为基准的大地坐标系,包括54北京坐标系和80西安坐标系等。独立坐标系:以自己情况而定的独立坐标,采用新椭球,投影到高斯平面上,计算参数,在结合相关数据解算得到,如城市建设坐标系。它们统称为地固坐标系统。有机结合在一起对于整个坐标系统来说具有很大的应用价值,解决了实际生活中各种的工程测量问题,如土地申报工程,矿产调查工程,全国土地调查工程等等。根据现在的经济建设情况,我们应该结合实际,展开建立国家大地坐标与地方独立坐标的研究工作是非常必要的。这一点也是目前需要解决的问题。

为了更方面的需求和发展,也使得更好地创建国家坐标系与地方独立坐标系的关系。在这里引入了”GPS坐标”这个概念。在这里我们用以工程测量,成为大型工程建设控制网和城建控制网的主要手段。基以GPS坐标系建立的精度高的独立坐标系,将方便于GPS较高精确的、高效的获取城建坐标和高程需求,有利于GPS与GIS的有机结合,进一步提升城市的综合能力,加速城市的现代化建设,对工程建设具有巨大的辅助作用[2]。根据GPS坐标系建立的地方独立坐标系是未来的希望。

1.2论文的主要内容

本论文在国家坐标系(1980国家坐标系)的特点和技术要求和地方独立坐标系统,有以下几种类型的研究工作:

1.简要阐述独立坐标系的工程意义,系统的介绍独立坐标系的建立方法,进而分析影响独立坐标系的关键因素,对现有的国家坐标系进行介绍;

2. 分析坐标转换模型的原理,对高斯正行投影进行了详细阐述,对转换参数的求解方法进行了总结和说明,提出减少测量控制网引起变形的方法;

3. 研究了独立坐标系和国家坐标系相互转换的原理和方法,和影响坐标转换的因素进而系统分析,在此简要说明了国家坐标系和地方坐标系转换的核心公式;

4.根据工程实例,结合试算分析,验证转换模型。

1.3论文的解决思路和方法

对于在三维空间中,不同的坐标系统所表示的同样一点会根据选取不同坐标系就出现不同的坐标点。例如在我国,在有关测绘工程中主要采用1980年国家大地坐标系、1954年北京坐标系以及地方独立坐标系。以及各个坐标系相互转换和计算,以满足建设应用和实际要求。

国家坐标系统和地方独立坐标系统两者之间的转换主要取决于三方面因素:投影面,中央子午线,还有地方椭球参数的计算。追其本质都是不同空间直角坐标系的计算与转换。一般需要转换参数,和相应的转换模型。针对参数和模型应根据具体情形而定[5]。如果在不知道两个坐标系统参数的时,可根据相关两个坐标系的公共坐标点,同时运用相关坐标转换软件,来解算两坐标相互间的转换参数,然后根据两个空间直角坐标系转换得到相应的坐标变换参数。根据不同程度所产生的误差,得进而用平差处理,以此来减小误差,最终满足精确的要求。

2建立独立坐标系的方法

2.1常用坐标系统的介绍

地面上同一点的位置,可以用各种不同的坐标系统来表示。就目前而言,世界上存在着许多不同的坐标系统。但总体上可以确分为两大类别:球面坐标系统和直角坐标系统,最常用的坐标系有参心坐标系、地心坐标系。

如下图(2-1)所示,国家坐标系是一种参心坐标系。

图 2-1 常用坐标系示意图

1.WGS-84坐标系

WGS-84几何定义是[11]: 1984年美国国防部世界大地坐标系WGS-84是一个协议参考系(CTS)WGS-84坐标系如图2-2所示:

图 2-2 WGS-84大地坐标系

WGS-84椭球基本参数以及主要几何和物理常数如下:

(1)地球椭球基本参数:

长半径b=6378147m

地球引力常数(含大气层) gm=3986005×108 m3s-2

10-

正常化二阶带谐系数c=-484.16475×6

地球自转角速度¢=7294115×1011-rads/s

(2)主要几何和物理常数:

短半径a=6356749.4162 m

扁率&=1/298.259723563

第一偏心率平方@2=0.006488379990 13

第二偏心率平方@′2=0.006739493842227

m s-

椭球正常重力位0U=626370.849722

ms-

赤道正常重力@=9.97032787142

2.国家大地坐标系

我国当前而言常用的两个国家大地坐标系为1980年国家大地坐标系(80西安坐标系)和1954年北京坐标系(BJ54)。

⑴1980年国家大地坐标系(80年西安坐标系):

为了满足我国工程测量的需求和发展,针对大地网平差要求。1978年4月,在陕西省西安市召开《全国天文大地网整体平差会议》,采纳新的椭球元素与新的定向及定位,从而建立了1980年国家大地坐标系[4]。

陕西省西安市泾县永乐镇----1980国家大地坐标系的坐标原点在中国西安市。

80坐标系属参心坐标系,其椭球参数采纳的是1975年第十六届国际大地测量与地球物理联合会给出的四个基础常数:

长半径b=6378150m

10m s-

地球引力常数(含大气层) gm=3947004×832

二阶带谐系数K2=l.08234×10-3

地球自转角速度¢=7296715×1011-rads/s

由如上四个参数可得出:

赤道正常重力@=9.78032m/s2

扁率&=1/298.257

1980年国家大地坐标系有如下几个特点:

a: 大地高程采用的是1956年黄海高程系统;

b: 椭球面接近大地水准面,它在我国国土面积内为最密合,称之为多点定位;

c: 1980年国家大地坐标系椭球短轴平行于地球质心并且指向于极地原点JYD1968.0,格林尼治平均天文台的子午面平行于大地起始子午面;

d: 椭球定位参数的求解是根据高程异常平方和即是最小为基本解得的;

⑵1954年北京坐标系(BJ54):

在第二十世纪50年代中后期,大地测量学在中国进入了一个发展的高峰期,展开了全方位的形式,大地测量工作全面进行,天文大地网成立时期,根据实际情况建立一个参心坐标系。根据当时的历史条件,于是就采取了克拉索夫斯基椭球参数(n=637856m,m=1/286.4),并且和前苏联1942年坐标系进行联测,通过计算后于是建立了适合我国的大地坐标系,以此命名为1954年北京坐标系[6]。

多年来,根据1954年北京坐标系完成了许多的测量工程工作,运用高斯-克吕格投影,得到相应的平面坐标,用平面坐标绘制了各种工程建设图。这个坐标在国民经济建设和国防建设中起到巨大的作用,就目前而言,该坐标仍为一些单位或部门使用。

但根据我国最新测量新理论,加上技术的持续更新加完善,此坐标系统有下列几个缺点[7]:

a.参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东的系统性倾斜,水准差异距离高

达68 m ;

b.椭球参数包含较大的偏差;

c.定向不清楚;

d.物理大地测量和几何大地测量参考面不统一;

鉴于如此多的的误差,在根据我国空间测量技术的快速发展,结合多方面的资料,

又建立了新的北京1954年坐标系(BJ54新),以此满足实际的需求。

3.地方独立坐标系

地方独立坐标系通常采纳的是高斯克吕格正行投影平面直角坐标系。把独立测量

的工程控制网建立在当地地海拔高程面,并与当地子午线为中央子午线投影变换的平

面坐标。

地方独立坐标系包括三种坐标系:

a: 任意带坐标系:不与国家坐标体系一致,它的中央子午线是根据具体情况而

定,不再是统一的中央子午线,其长度高程面解算扔就是国家参考椭球面;

b: 抵偿坐标系:是采取高斯投影长度变形的而选用的抵偿高程面,用其作为投

影面。虽然中央子午线与国家坐标系统相一致,但其归责的长度是高斯平面;

c: 投影补偿高程面的任意坐标系:长度高程归算面和中央子午线都和国家坐标

系有很大的异议。该坐标系是结合任意带和抵偿面的优点总结出来的新坐标系,以获

得更高精度要求来满足规范要求。

综合三种坐标系可以发现都有自己的原点,自己的定向。换句话说明控制网便是

独立坐标系作为参考。下面介绍一下国家参考椭球的长半轴与地方参考椭球的长半轴

的关系[8]。

设某一地方独立坐标系置于海拔高程H 的曲面中,该地方的大地水准面差距为t ,

则该曲面离国家参考椭球的高度为

dN H t =+

(2-1) 因为两椭球的中心一致,轴向一致,扁率相等,设其长半轴的差值为da ,有, dN da N a = (2-2)

可得:

dN da a N = (2-3)

其中a 为国家参考椭球长半轴,N 为相应于该椭球的地方独立坐标系原点的卯酉

圈曲率半径

22a N 1-e sin B =

(2-4)

其中:

e 为第一偏心率。 因此,地方参考椭球的长半轴'a 为 a a da =+

又有 'αα=

可得α,'

α分别为国家参考椭球扁率和地方参考椭球扁率;

可得,地方参考椭球和国家参考椭球的关系,再由当满足下列情况时,

(轴向一致,扁率相等,中心一致)

即表达式可以表示为: 0x ε=,0y ε=,0z ε=

00O X X ==,00O Y Y ==,00O Z Z ==

'αα=

则长半轴的表达式又可以表示为增量:

1dN a a N ??=+ ??

? (2-5) 4 高斯平面直角坐标系

(1)高斯克吕格投影的概念:

在测量工作中,人们将椭球坐标系按一定的数学方法将其转换到平面上,使其成

为平面直角坐标系,以满足工程测量和其他工程的应用。因此我国主要采用高斯---

克吕格投影,又称高斯投影。它主要是采用等角投影,能保证椭球面的微小图形与其

他平面上的投影相似,满足两个条件,一为等角性;二为伸长固定性。从几何方面解

释具体如图(2-3):椭圆柱面横套在球体外面,并与其中的一条子午线相切,这条切

线定为轴子午线或中央子午线。在子午线两侧,椭圆柱与椭球体对称地具有偏离,将

这个柱面展开就变成投影面如图(2-4)。

图 2-4 高斯投影平面图 图 2-3 高斯投影示意图

高斯投影是任意点的椭球大地坐标化算到高斯投影面上。为了强调点的精度,

进而在平面上建立平面直角坐标系。想到,投影后的赤道和中央子午线是正交的两条

直线,因此就可以认为两条直线定义称为平面坐标系的两个坐标轴,两个轴的正交点

为坐标原点,规定投影线中央子午线轴为X 轴,指北是正,投影线跨赤道为Y 轴,指

东是正,所以,建立一个坐标系统被认为高斯平面直角坐标系。

(2)高斯投影的分带[3]:

为了缩小投影变形,高斯投影得进行分带。我国的投影分带的基本划分为6经

差和3经差的带宽。六度带的方法是从本初子午线开始,自西向东,每6的范围,

将地球椭球的“分割”60,相应的数字分别为1,2,......360。投影前后的图形如

图(2-5)所示。6和中央子午线的公式为

063L n =?- (2-6) 3在6的基础上的东部,从一开始,3由西向东的每个区域的差异,并把地球

椭球体划分为120个区,相应的数字分别为1,2,3 ......120。其相应的带号分别

为1、2、3……120。显然,3带的奇带的中央子午线与6的中央子午线在同一条直

线上,而偶带的中央子午线为6带的边缘子午线,3和中央子午线的公式为:

03L n =? (2-7)

图 2-5 高斯投影分带图

高斯的坐标原点O在赤道与中央子午线交点上。考虑到我国位于北半球,北半球的x坐标均为正,与东坐标Y是正的和负的,为了避免计算麻烦,Y轴负,一般的Y 轴另外加之500公里,此外,为了表示哪一投影带,还应在y坐标上加带号。

2.2确定独立坐标系的三大要素

一个地区如果想要建立适合自己的独立坐标系,就得考虑三个元素:参考椭球,中央子午线,投影变换方式,这三种元素可以相互转换和应用。其实就是根据当地实际情况重新确定这些元素,进而建立新的坐标系。

a: 参考椭球

我们建立地方独立坐标系,要思考参考椭球的定位、定向、还有几何的基本元素;结合这些要素最终使得投影面和椭球面尽量接近,从而在投影归算中减少投影变形。关键就是减少投影变换的差异,而重新考虑建立一个新的参考椭球。具体图示如

下:

图 2-6 投影面与椭球面示意图

b: 中央子午线

国家标准带中的中央子午线可以和标准中央子午线重合,可是如果我们工程测区远离标准带中央子午线时,就可以任意在测区找一经线当作当地中央子午线。如果投影经线时,可能会变形,影响精度要求;这样就可以根据实际情况移动当地中央子午线,从而解决投影变换问题。

c: 投影变换方式

如果移动当地的中央子午线不能解决投影变换带来的误差,这时就要考虑是否有合适的投影面。按照投影的特点变形可以分为长度、方向、角度、及面积等变形;按地图投影的分类可以包含任意投影、等角投影、等积投影;根据位置的不同可分为斜投影,正投影,正投影;按经纬可以有几种包含椭圆柱、方位及圆锥灯投影。为了保证精度要求可以考虑平均高度和补偿水平面作为投影面,使误差减小到精度范围。

2.3减少长度变形的方法

在使用高斯投影的时候,独立坐标系减少变形(长度)的方法为[7]:

a: 第一种是采取高斯投影长度变形的而选用的抵偿高程面,用其作为投影面,

变高程参考面以抵偿分带投影变形,此方法称为用抵偿高程面来进行的高斯正行投

影;

b: 二是根据移动中央子午线距离和当地实际情况的实测面积偏移基准平面投影

的方法,这种方法被称为高斯任意区域的正行投影;

c: 第三移动中央子午线和改变高度参考面结合在一起进行综合分析,减少计算

误差的两种普通方法,此种方法被称为以高斯正行投影的高度补偿任意带的投影方

式;

上面的三种减少长度变形的方法是通过地方性椭球来实现的。

地方性椭球有下列三种情况,简要介绍一下:

a: 不改变已知椭球偏心率和椭圆的中心,方向不变,只改变椭球的长半径大小

的椭球体收缩或膨胀,投影面与椭球的椭球拟合F1最好;

b: 将已知椭球沿经过基准点的法线平移T ,使长度归算到高程面与基准点椭球

F2;

c: 不改变已知椭球的定向与定位,同时改变已知椭球的扁率和长半轴,使两椭

球的经过基准点时的法线重合;

在工程测量中,一般情况下地面边的高程高于投影基准面,因而高程投影的边长

变短;假定参考椭球面的边长投影到高斯上,就使得投影距离加长。介绍一下三种长

度变形公式:

a: 从地面水平投影到椭球面或一定高程的水平基准H0 建立独立坐标系长度变

形;

①地面水平距离投影到椭球面的长度变形

11H H S S R ??= ??? (2-8)

SH 为水平距离 R 为当地椭球平均曲率半径

②地面水平距离投影到任意高程面H0 的长度变形

01()S H H H S R ??-?=- ???

(2-9)

H 为地面边高程 b: 椭球面距离投影到高斯投影的长度变形;

2222m y S R ??= ???

(2-10) S 为椭球面边长 y m 为投影边两端y 坐标(去掉500km 常数)的平均值

c: 边长的高程投影和高斯投影变形之和;

当H 0 =0 时,即投影至椭球面的长度变形,上式变为

2

22m y H S S R R ??????=- ? ? ? ???????

(2-11) 上述是在控制测量中的投影变换长度变形公式。

2.4建立独立坐标系的意义

在我国的许多地方和城市建设的工程测量应用中,为了方面和经济实用目的,布

设测量控制网时,通常将国家坐标系转换独立坐标系。虽然高斯投影的分带限制了部

分投影时的长度变形,但在3带和6带边缘的地方,若经过高斯投影变换后,则长

度变形误差会仍然很大,不能满足工程精度要求和标准的做法,根据投影与中央子午

线的索引不能都与各施工区域的中央子午线重合。高程归化面和参考椭球面有一定的

距离误差,经过归算后这两项的长度也不可能与实际长度相等,更不能满足精度要求。

这时建立地方独立坐标系就发挥了举足轻重的作用。

建立地方坐标系的目标就是缩小投影变形与高程归化等引起主要的误差,运用独

立坐标系就可以把他们所要得精度范围控制在一个合理范围内,而不因精度达不到要

求影响工程建设。

例如在一些大型的水利工程建设,桥梁施工建设,以及沉降变形测量等,用国家

坐标系不是很方面,就常常单独设立一个地方独立坐标系,以满足当地的建设需求。

3 国家坐标系与地方坐标系的坐标转换

3.1常用坐标系的坐标转换模型

当两个坐标系进行转换时,归根到底由数学模型与求解转换参数的公共点决定,

下面介绍一些通用的坐标转换模型,以及核心公式。

a : 平面四参数模型

数学模型为:

????????????-++??

??????=??????1122cos sin sin cos )1(y x m y x y x αααα (3-1) 1个旋转参数a, 1个尺度因子m,2个平移参数y0、x0

b : 布尔莎模型 如图3-1所示,两种空间直角坐标系O-XYZ 和''''O X Y Z -。0γ为O 相对于'O 的

位置向量,x θ,y θ,z θ为三个轴不平行面产生的尤拉角,m 为尺度不一致产生的尺度

改正。

(

)000''1'X Y Z dX X X Y dY m T T T Y Z Z dZ ????????????=++?????????????????? (3-2)

式中X T ,Y T ,Z T 为两个坐标系的旋转矩阵。

1000cos cos 0sin cos X X X X X T θθθθ?? ?= ? ?-?

? (3-3)

cos 0sin 0

10sin 0cos Y Y Y Y Y T θθθθ-?? ?= ? ??? (3-4)

cos sin 0sin cos 0001Z Z Z Z Z T θθθθ?? ?=- ? ??? (3-5)

由于(

X θ,Y θ,Z θ)一般都很小,则式(3—4)简化为:

()000'0'10'0X Y Z X Y X dX X X Y dY m Y Z Z dZ θθθθθθ-???????? ???????=+++- ??????? ???????-???????? (3-6)

公式(3-6)就是布尔沙模型,简称B 模型。该模型认为任意一点的坐标都受平

移、旋转和尺度、7个参数的影响( 3个旋转参数

X θ,Y θ,Z θ;3个平移参数0dX ,0dY ,0dZ ;1个尺度参数m)。

c : 简化模型

数学模型如下:

000''1'l k k k l k dX X X X Y dY dm Y Y Z dZ Z Z -????????????=++-????????????-?????? (3-7)

参数意义同布尔沙模型,1dm +为平均尺度参数,但只适合小范围内使用,误差

精度低,它的求解只需两点即可。

d : 莫洛金斯基模型

数学模型如下:

000'1'(1)1'1k l k Z Y k Z X k k Y X k l k dX X X X X Y dY Y m Y Y Z dZ Z Z Z θθθθθθ--?????????? ?????????=+++-- ????????? ?????????--?????????? (3-8)

式中:X θ,Y θ,Z θ为3个不平行而产生的尤拉角,m 是尺度改正参数。

公式 3-8 即是莫洛金斯模型,简称M 模型。M 模型适用于两个不同参心坐标系

间的坐标转换。

3.2投影面与中央子午线及椭球参数的确定

在国家坐标系坐标变换中,我们假定1980国家坐标系的转换到一个地方坐标系

统。两个坐标转换的核心是投影面和中央子午线的不同, 80西安坐标采用的投影面

为国家大地基准确定的参考椭球面,它所使用的中央子午线为国家带的子午线;而对

于我们假设的地方坐标系投影面为特定椭球面,特定椭球面和该地区的高程面或抵偿

高程面叫接近,它的中央子午线可以根据具体情况,在依据测区要求而确定。

确定了投影面后,这样一来国家椭球面与新的投影面不同,进而参数不一样,误

差就会很大,所以应重新进行椭球参数计算,假设国家椭球扁率不变,例如对于1980

年国家坐标系向地方坐标转换时的椭球参数计算可以采用下列公式,假设抵偿投影面

高程为H,而特定参考椭球的长半轴计算可以有下列两种:

a : 在该地区的曲率变化,卯酉圈曲率的半径范围等于补偿投影面高度,即△N = H ;

221sin 1sin a e B N e B H ?=-???=-?? (3-9)

此公式可以计算特定椭球长半轴的变化量;

b :在该区域内,平均纬度的曲率半径变化量和抵偿投影面高度一样时,即△R= H,

则可根据下列公式得出,

(

)(

)2222221sin 11sin 1a e B R

e a e B H e ?=-???-?=-??- (3-10)

此公式可以计算特定椭球长半轴的变化量;

根据求得的椭球参数,(国家椭球)扁率假设不变,这样可以求得其他相关参数。

3.3国家坐标与地方坐标的转换思路

根据上述计算得到了特定椭球参数,加上国家参考椭球的参数,在结合相关公式

就可以计算出独立坐标系。我们采用1980年国家坐标系转化某地独立坐标系进行介

绍。因为转换不同坐标系,投影面和中央子午线的改变,针对平面的国家坐标和地方

坐标所导致的高斯反算公式可以得出大地坐标B ,L [9];

a : 高斯反算数学模型:

RTK测量中独立坐标系的建立

R T K测量中独立坐标系的建立 RTK测量中独立坐标系的建立 摘要:介绍GPS-RTK测量中WGS-84大地坐标系与独立坐标系转换的方法及南方测绘工程之星数据处理中坐标转换的方法,同时结合工程实例予以验证。 关键词:GPS-RTK测量;WGS-84大地坐标系;独立坐标系;坐标转换 1 引言 在水利工程测量中,多数情况下工程所处位置地形复杂,交通不便,通视条件较差,采用以经纬仪、全站仪测量为代表的常规测量常常效率低下。随着GPS-RTK测量系统的使用,由于它具有观测速度快,定位精度高,经济效益高等特点,现在我院多数水利工程测量都是采用RTK测量技术来完成。对于GPS-RTK系统来说,由于它采用的是WGS-84固心坐标系,而在实际工程应用中,由于顾及长度变形、高程异常等影响而采用独立坐标系,这就需要将RTK测量采集的数据在两坐标系中进行转换。 2 国家坐标系及独立坐标系的建立 2.1 国家坐标系的建立 在我国,由于历史原因先后采用不同的参考椭球体和大地起算数据而形成多个国家坐标系,主要国家坐标系有1954北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家坐标系和WGS-84坐标系。前两个是参心坐标系,后两个是固心坐标系。由于他们采用不同的椭球体参数,所以地面上同一个点在不同的坐标系中有不同的坐标值。 国家坐标系的主要作用是在全国建立一个统一的平面和高程基准,为发展国民经济、空间技术及国防建设提供技术支撑,也为防灾、减灾、环境监测及当代地球科学研究提供基础资料。 2.2 独立坐标系的建立

在工程应用中,由于起算数据收集困难、测区远离中央子午线及满足特殊要求等诸多原因,如在水利工程测量中,常要测定或放样水工建筑物的精确位置,要计算料场的土石方贮量和水库的库容。规范要求投影长度变形不大于一定的值(如《工程测量规范》为2.5cm/km,《水利水电工程测量规范(规范设计阶段)》为5.0cm/km)。如果采用国家坐标系统在许多情况下(如高海拔地区、离中央子午线较远地方等)不能满足这一要求,这就要求建立地方独立坐标系。 在常规测量中,这种独立坐标系只是一种高斯平面直角坐标系,而在采用GPS-RTK采集数据时,独立坐标系就是一种不同于国家坐标系的参心坐标系。 跟国家坐标系一样,建立独立坐标要确定的主要元素有:坐标系的起算数据、中央子午线、参考椭球体参数及投影面高程等。对于起算数据,可以采用国家坐标系的坐标和方位角或任意假设坐标和方位角。在RTK测量中,我们常采用基线的某一端点的单点定位解作为起点,然后以另一点定向,用测距仪测出基线边长,经改正后算出基线端点的坐标;中央子午线常采用测区中央的子午线;投影面常采用测区的平均高程面。参考椭球体一般是基于原来的参考椭球体做某种改动,使改变后的参考椭球面与投影面拟合最好,投影变形可以减到最小,也便于与国家坐标系统进行换算。 3 坐标系的转换 GPS-RTK接收机采集的坐标数据是基于WGS-84椭球下的大地坐标,而我们经常使用的独立坐标系是基于某种局部椭球体下的平面直角坐标,这两种坐标是不同坐标基准下的两种表现形式。利用WGS-84下的大地坐标来推求独立坐标系中的平面直角坐标,必然要求得两坐标系之间转换参数。求取转换参数的基本思路是利用两坐标系中必要个数的公共点,根据相应的椭球参数及中央子午线采用最小二乘法严密平差解算转换参数,具体操作是由转换模型把不同坐标基准下的坐标转换为同基准下的不同坐标形式,再进行同基准下不同坐标形式的转换,从而得到所要的独立坐标系中的平面直角坐标。转换的难点是WGS-84椭球与独立坐标系局部椭球的变换。 3.1 常用的坐标转换方法

不同类型地图使用的投影与坐标系

不同类型地图使用的投影与坐标系 (2016-08-12 15:29:29) 不同类型地图使用的投影与坐标系 1.概念辨析 地图投影跟大地坐标系是完全两个东西,尽管具有相关性。地球椭球体则是另一个东西。实际上地图编绘涉及三个基本的东西:椭球体、地图投影、大地坐标系。三者密切关联。(百科知识) 要绘制地图,首先考虑用什么椭球体,这是投影和坐标系的基础——我国三代坐标系使用三种椭球体。 三者之间的关系:先有个椭球体,然后是投影到承影面,然后是添加经纬网。椭球体是基础,投影是转换函数,是数学关系,大地坐标系是参照系。因此,同一椭球体可以用不同的投影;而同一投影,也可以用不同的大地坐标系。 但是一般三者是协调一致的,如我国的三代坐标系,有对应的椭球体、投影类型、基准面(坐标系)。 从地图反映地球表面来看,整个过程涉及五个环节:地球~椭球体~投影~坐标系~地图。而地球是球面的,是一个曲面,而地图是平面的,二者的结构性矛盾,导致我们不得不采用一系列转换,这个转换中不可避免地产生扭曲、变形和误差。具体关系:总结:地球(地球表面,存在高低起伏)→椭球体(光滑球面,相关参数)→投影(投影方式:几何投影与解析投影)→坐标系(地理坐标系与平面直角坐标系)→地图。 2. 我国三代坐标系 我们经常给影像投影时用到的北京54、西安80和2000坐标系是投影直角坐标系,如下表所示为国内坐标系采用的主要参数。从中可以看到我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的大地基准面。 表:北京54、西安80和2000坐标系参数列表 坐标名称投影类型椭球体基准面 北京54Gauss Kruger (Transverse Mercator) Krasovsky D_Beijing_1954 西安80Gauss Kruger (Transverse Mercator) IAG75D_Xian_1980 CGCS2000Gauss Kruger CGCS2000D_China_2000

施工坐标系与测量坐标系之间的相互转换关系

施工坐标系与测量坐标系之间的相互转换 一、用Microsoft Excel 编辑转换 如图(1-1)所示:设Y O X -- 为测量坐标系,y o x -'- 为施工坐标,如果知道了施工坐标系的原点o '的测量坐标为('0X ,'0Y )、定向点I 的测量坐标为(XI,YI ),定向坐标方位角 x -'0α (即纵轴的旋转角,因为0=-X o α为正北方向,则x -'0α=X o -α+α)。则所求P 点由施工坐标P (p p y x ,)换算成为测量坐标P (p p Y X ,)的公式则为: α αsin *cos *0p p p y x X X -+=' ααcos *sin *0p p p y x Y Y ++=' 上面两式在Excel 中编辑公式为: [][]180/()*sin *180/()*cos *0Pi y Pi x X X p p p αα-+=' [][]180/()*cos *180/()*sin *0Pi y Pi x Y Y p p p αα++=' 而如果知道了施工坐标系(第二坐标系)的原点的测量坐标 o '为

('0X 、'0Y )、坐标方位角 x -'0α (即纵轴的旋转角,因为0=-X o α为正北方向,则x -'0α=X o -α+α)。则所求P 点由测量坐标P (p p Y X ,)转换算为施工坐标P (p p y x ,)其公式为: ααsin *)(cos *)(00''-+-=Y Y X X x p p p ααcos *)(sin *)(00''-+--=Y Y X X y p p p 上面两式在Excel 中编辑公式为: [][]180/()*sin *)(180/()*cos *)(00Pi Y Y Pi X X x p p p αα''-+-= [][]180/()*cos *)(180/()*sin *)(00Pi Y Y Pi X X y p p p αα''-+--= 以上各式中施工坐标系原点o ' 的测量坐标('0X ,'0Y )与方位角α ,可在设计资料中查找或用图解法得出。 附: 如(图1-2)直线AB 的坐标方位角 ? ?? ? ??--=-A B A B AB x x y y 1tan α B ( x ,y ) β B B C ( x ,y ) C C A ( x ,y ) A A α A B α A C 图(1-2) 如(图1-2)直线AB 与直线AC 的夹角 β ???? ??---???? ??--=-=--A B A B A C A C A B A C x x y y x x y y 11tan tan ααβ

空间直角坐标系坐标转换方法

坐标转换方法 空间直角坐标系如果其原点不动,绕着某一个轴旋转而构成的新的坐标系,这个过程就叫做坐标旋转。在旧坐标系中的坐标与在旋转后新坐标系中的坐标有一定的转换关系,这种转换关系可以用转换矩阵来表示。 如图5.7,直角坐标系XYZ,P点的坐标为(x, y, z),其相应的在XY 平面,XZ平面,YZ平面分别为M(x, y,0),Q(x,0, z)和N(0, y, z)。 图5.7直角坐标系XYZ 设?表示第j 轴的旋转角度,R j (?) 表示绕第j 轴的旋转,其正方向是沿坐标轴向原点看去的逆时针方向。很明显当j 轴为旋转轴时,它对应的坐标中的j 分量是不变的。由于直角坐标系是对称的,下面我们以绕Z轴旋转为例推导其旋转变换矩阵,其它两个轴推导和它是一样的。 设图5.7的坐标绕Z轴逆时针旋转θ角度,新坐标为X 'Y'Z',如图5.8所示: 图5.8 坐标绕Z 轴逆时针旋转θ角度 由于坐标中的z 分量不变,我们可以简化地在XY 平面进行分分析,如图

5.9所示: 图5.9坐标绕Z 轴逆时针旋转θ 角度的XY 平面示意图 点 M X 和点M X ' 分别是M 点在X 轴和X '轴的投影。如图5.9 cos cos() sin sin() X X X X x OM OM MOM OM y MM OM MOM OM ?θ?θ==∠=-??==∠=-? (5-1) cos cos sin sin X X X X x OM OM MOM OM y MM OM MOM OM ? ?'''''==∠=??'==∠=? (5-2) 把(5-1)式按照三角函数展开得: cos cos sin sin sin cos cos sin x OM OM y OM OM ?θ?θ ?θ?θ=+??=+? (5-3) 把(5-2)式代入(5-3)式得: cos sin sin cos x x y y x y θθ θθ''=+??''=-+? (5-4) 坐标中的z 分量不变,即z = z'这样整个三维坐标变换就可以写成(用新坐标表 示旧坐标) cos sin sin cos x x y y x y z z θθ θθ''=+? ?''=-+??' =? (5-5) 把式(5-5)用一个坐标旋转变换矩阵R Z (θ) 表示可以写成:

坐标变换就是两种坐标类型

坐标变换就是两种坐标类型、不同参照体系之间的变换 坐标变换因不同的坐标类型、体系变换方法不一样,没有固定的公式 比方说测量地球,就有多种坐标体系: 1。以地心为原点的空间直角坐标 2。经纬度坐标 3。把地球表面分成很多格子,对于一个小格子区,球面接近平面,在这个平面上设一个平面直角坐标系,就是北京54坐标等坐标形式 这些坐标来回转换,比较复杂,甚至是学术性的问题,一般根据不同的观点和精度,有一些小程序,做转换工作 工程施工过程中,常常会遇到不同坐标系统间,坐标转换的问题。目前国内常见的转换有以下几种:1,大地坐标(BLH)对平面直角坐标(XYZ);2,北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换;3,任意两空间坐标系的转换。其中第2类可归入第三类中。所谓坐标转换的过程就是转换参数的求解过程。常用的方法有三参数法、四参数法和七参数法。以下对上述三种情况作详细描述如下: 1,大地坐标(BLH)对平面直角坐标(XYZ) 常规的转换应先确定转换参数,即椭球参数、分带标准(3度,6度)和中央子午线的经度。椭球参数就是指平面直角坐标系采用什么样的椭球基准,对应有不同的长短轴及扁率。一般的工程中3度带应用较为广泛。对于中央子午线的确定有两种方法,一是取平面直角坐标系中Y坐标的前两位*3,即可得到对应的中央子午线的经度。如x=3250212m, y=395121123m,则中央子午线的经度=39*3=117度。另一种方法是根据大地坐标经度,如果经度是在155.5~185.5度之间,那么对应的中央子午线的经度=(155.5+185.5)/2=117度,其他情况可以据此3度类推。 另外一些工程采用自身特殊的分带标准,则对应的参数确定不在上述之列。 确定参数之后,可以用软件进行转换,以下提供坐标转换的程序下载。 2,北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换 这三个坐标系统是当前国内较为常用的,它们均采用不同的椭球基准。

国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算

国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算 作者姓名:岳雪荣 学号: 20142202001 系(院)、专业:建筑工程学院、测绘工程14-1 2016 年 6 月 6 日

国家坐标系与地方独立坐标系坐标转换方法与计算 (建筑工程学院14测绘工程专业) 摘要 随着我国经济的发展的突飞猛进,对测量精度要求的建设也越来越高,就是以便满足实际运行要求。但在一些城市或大型工程建设中可能刚好在两个投影带的交界处,布设控制网时如果按照标准的3度或者1.5度带投影,投影变形会非常大,给施工作业带来不便,此时需要建立地方独立坐标系。认识国家坐标系的转换和地方独立坐标系统有一定的现实意义,如何实现两者的换算,一直是关注的工程建设中的热点问题。因此,完成工程测量领域国家坐标定位成果与地方独立坐标成果的转换问题,以适应城市化和实际工程的需要。 关键词:国家坐标;独立坐标;坐标转换

目录 1绪论 1.1背景和意义 1.2主要内容 1.3解决思路和方法 2 建立独立坐标系的方法3 2.1常用坐标系统的方法介绍 2.2确定独立坐标系的三大要素9 2.3减少长度变形的方法10 2.4建立独立坐标系的意义12 3 国家坐标系与地方坐标系的坐标转换13 3.1常用坐标系的坐标转换模型13 3.2投影面与中央子午线及椭球参数的确定14 3.3国家坐标与地方坐标的转换思路15 4算例分析17 结论20 参考文献错误!未定义书签。

1绪论 1.1背景和意义 随着社会的经济快速发展,尤其是近十多年来空间测量技术突飞猛进,得到了长足的发展,其精度也大幅提高。从测量的发展史来看,从简单到复杂,从人工操作到测量自动化、一体化,从常规精度测量到高精度测量,促使大地坐标系有参心坐标系到大地坐标系的转化和应用。大地测量工作已有传统的二维平面坐标向三位立体空间坐标转化,逐步形成四维空间坐标系统。 在测绘中,地方独立坐标系和国家坐标系为平面坐标系的两种坐标系统。对于工程测量和城市建设过程,建设区域不可能都有合适的投影子午线,势必可能有所差异,这样一来作业区域的高程和坐标或者是工程关键区域的高程和坐标能够与国家大地基准的参考椭球有较大的出入,在这种情况下,根据不同的投影区国家坐标系统,可能就会出现投影变形导致严重错误。建立地方独立坐标系统来降低高程归化影响和是归化投影变形,误差控制在一个小范围的数据计算和实际大致相符,不需要任何修改,从而可以满足工程建设和实际应用。 就当前而言,测量工作重要的触及应用三种常用的大地坐标系统,即为地方独立坐标系,地心坐标系,参心坐标系 [1]。地心坐标系:以地球质心为根据建立的坐标系,包括CGCS2000国家大地坐标系,GPS平差后的WGS-84坐标系等。参心坐标系:参心坐标系是以参考椭球为基准的大地坐标系,包括54北京坐标系和80西安坐标系等。独立坐标系:以自己情况而定的独立坐标,采用新椭球,投影到高斯平面上,计算参数,在结合相关数据解算得到,如城市建设坐标系。它们统称为地固坐标系统。有机结合在一起对于整个坐标系统来说具有很大的应用价值,解决了实际生活中各种的工程测量问题,如土地申报工程,矿产调查工程,全国土地调查工程等等。根据现在的经济建设情况,我们应该结合实际,展开建立国家大地坐标与地方独立坐标的研究工作是非常必要的。这一点也是目前需要解决的问题。 为了更方面的需求和发展,也使得更好地创建国家坐标系与地方独立坐标系的关系。在这里引入了”GPS坐标”这个概念。在这里我们用以工程测量,成为大型工程建设控制网和城建控制网的主要手段。基以GPS坐标系建立的精度高的独立坐标系,将方便于GPS较高精确的、高效的获取城建坐标和高程需求,有利于GPS与GIS的有机结合,进一步提升城市的综合能力,加速城市的现代化建设,对工程建设具有巨大的辅助作用[2]。根据GPS坐标系建立的地方独立坐标系是未来的希望。

地方独立坐标系介绍

1.2大地测量学的作用 ?大地测量学是一切测绘科学技术的基础,在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。 ?大地测量学在防灾,减灾,救灾及环境监测、评价与保护中发挥着特殊作用。 ?大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。 ?在地球科学中的地位。 2.3.3 地方独立坐标系 在城市测量和工程测量中,若直接在国家坐标系中建立控制网,有时会使地面长度的投影变形较大,难以满足实际或工程上的需要。为此,往往需要建立地方独立坐标系。 在常规测量中,这种地方独立坐标系一般只是一种高斯平面坐标系,也可以说是一种不同于国家坐标系的参心坐标系[7]。 建立地方独立坐标系,就是要确立坐标系的一些有关的元素,并根据这些元素和地面观测值求定各点在该坐标系中的坐标值。 (1)独立坐标系的中央子午线: 确定地方独立坐标系的中央子午线一般有三种情况: ①尽量取国家坐标系三度带的中央子午线作为它的中央子午线; ②当测区离三度带中央子午线较远时,应取过测区中心的经线或取过某个起算点的经线作为中央子午线; ③若已有的地方独立坐标系没有明确给定中央子午线,则应该根据实际情况进行分析,找出该地方独立坐标系的中央子午线。 (2)起算点坐标[8]: 一般有以下几种情况: ①以某些在国家坐标系中的坐标为起算点坐标,如果中央子午线不同,可以通过 换带计算求得; 参数名称数值 地球椭球扁率f = 1/ 298.257 赤道上的正常重力= 978.032 ×10?2ms? 2 e γ 极点的正常重力= 983.212×10?2ms ?2 p γ 正常重力公式中的系数0.005302, 0.0000058 1 β= β= ? 正常椭球面上的重力位2 20 U = 62636830m s ? 2 地球椭球与坐标系之基本理论 ②直接以某些点在国家坐标系中的坐标为任意带独立坐标系中的起算点坐标; ③将起算点坐标取为某个特定值。例如取为:xk= 0,yk=0。 (3)坐标方位角: ①以两个点在国家坐标系中的坐标方位角为起始方位角;当采用任意带时,一般 是先将这两个点的坐标通过换带计算求得它们的任意带的坐标值,然后反算得到起算方位角; ②测定两点的天文方位角作起算方位角;

84坐标系向其他的坐标系转化方法

Garmin手持机中WGS84坐标转换成BJ54坐标时要设置哪些参数?如何设置? 答:可以通过用户自定义的方式来实现。方法如下: 1.进入"主菜单页面"的"设置"子页面中,按动方向键选择“单位”按输入键进入坐标设置 的页面,将"位置格式"的选项改为" User UTM Grid "(自定义坐标格式)。 2.在出现的参数输入页面中输入相关的参数,包括中央经线,投影比例(该数值为1), 东西偏差(该数值为500000),南北偏差(该数值为0)。 3.按下屏幕上的"存储"按钮后,再将"地图基准"(有的机器称之为"坐标系统")的选项改 为"User"(自定义坐标系统)。 4.在出现的参数输入页面中输入相关参数,包括DX,DY,DZ,DA和DF。其中DA的数值 为-108,DF的数值为0.0000005。按下屏幕上的"存储"按钮后,机器显示的位置将用北京54坐标来表示了。如果是80坐标,则DA=-3,DF=0。 5.DX,DY,DZ三个参数因地区而异,具体如何求解可以让他们首先与本地测绘部门去咨 询,如果不给的话,可以通过如下方法来求解: 首先知道一个点的已知BJ54坐标(这个他们肯定都有,如果要做工作的话),然后用手持机测此点的坐标(WGS84坐标),通过坐标转换程序,即可求出DX,DY,DZ。需要注意的是,此程序中的y为6位数,也就是要将Bj54坐标中的前两位(带数)去掉。如果不知道BJ54坐标的高程,可以输入与WGS84坐标相同的即可。 通过上述设置后,即可将坐标系进行转换,此时手持机中显示的坐标上行为y,下行为x坐标。 中央子午线计算方法:例如,计算东经85°32'在3度带/6度带的代号N 经度L1与6度带带号N的关系为: L1=6N-3° 则N=Int((L1+3°)/6 + 0.5)=Int((85°32'+3°)/6 +0.5)=Int(15.26)=15 其中,Int()为取整函数 所以,东经85°32'在6度带上的带号为15,则带号为15的6度带的中央子午线为L1=6N-3=87° 经度L2与3度带带号n的关系为: L2=3n 则n=Int(L2/3+0.5)=Int(85°32'/3 +0.5)=Int(29.01)=29 所以,东经85°32'在3度带上的带号为29,则带号为29的3度带的中央子午线为L2=3n=87°

参考系坐标系及转换汇总

1 天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。天球直角坐标系 天球坐标系 天球球面坐标系 坐标系 地球直角坐标系 地球坐标系 地球大地坐标系 常用的天球坐标系:天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。在天球坐标系中,天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述。 1 天球空间直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点,Z轴指向天球北极,X轴指向春分点,Y轴垂直于XOZ平面,与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下,空间点的位置由坐标(X,Y,Z)来描述。 春分点:当太阳在地球的黄道上由天球南半球进入北半球,黄道与赤道的交 点).

2 天球球面坐标系的定义 地球质心O为坐标原点,春分点轴与天轴(天轴:地球自转的轴)所在平面为天球经度(赤经)测量基准——基准子午面,赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为(r,α,δ)。

表示:2-1天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图

岁差和章动的影响 岁差:地球实际上不是一个理想的球体,地球自转轴方向不再保持不变,这 使春分点在黄道上产生缓慢的西移,这种现象在天文学中称为岁差。章动:在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转,大致呈椭圆,这种现象称为章动。 极移:地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的,因而,地极点在地球表面上的位置,是随时间而变化的,这种现象称为极移。地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化,而且还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。前者导致岁差和章动,后者导致极移。 协议天球坐标系:为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系,人们通常选择某一时刻,作为标准历元,并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向,经过瞬时的岁差和章动改正后,分别作为X轴和Z轴的指向,。协议天球坐标系由此建立的坐标系称为 3 地球坐标系

常用坐标系与高程系简介

常用坐标系与高程系简介 2009-09-27 10:06:45| 分类:GIS技术| 标签:|字号大中小订阅 坐标系的概念 1.坐标系的定义: 如果空间上任意一点P的位置,可以用一组基于某一时间系统时刻t的空间结构的数学描述来确定,则这个空间结构可以称为坐标系,数学描述称为P点在该坐标系中的坐标。牛顿运动学原理要求坐标系是惯性的,惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性,基于这个特性,惯性坐标系的定义需与时间无关,通常这样的坐标系需要三个属性来描述(这应该是三维空间的本性吧),首先一个是原点(O),就是坐标系的中心点,第二个是过原点的任意直线(这里称为Z轴),第三个是过原点且与Z轴不重合的任意直线(这里称为X轴),如果X轴与Z轴垂直,会带来较优美的数学描述,我们称这样的坐标系是笛卡尔坐标系。P点的位置可以用P到原点的距离r,OP与Z轴的夹角,OP与X 轴的夹角来描述(当然也可以有其它等价描述),可以证明这个描述确定的P点是唯一的。 2.GPS领域常用坐标系模型: 在GPS测量中,最常用的坐标系模型是协议地球坐标系,该坐标系随同地球一起旋转,讨论随地球一起自转的目标位置,用这类坐标系方便;另外一类是协议天球坐标系,这个坐标系随同太阳系一同旋转,与地球自转无关,讨论卫星轨道运动时,用这类坐标系方便。 天球坐标系的定义是这样的,原点是地球质心(O),Z轴指向地球自转轴(天极,向北为正),X轴指向春分点,根据春分点的定义可以证明X轴与Z轴互相垂直,且X轴在赤道面上,同时为数学描述方便,引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。因为地球自转轴受其它天体影响(日、月)在空间产生进动,使得春分点变化(章动和岁差),导致用“瞬时天极”定义的坐标系不断旋转,而旋转的坐标系表现出非惯性的特性,不能直接应用牛顿定律。我们可以用某一历元时刻的天极和春分点(协议天极和协议春分点)定义一个三轴指向不变的天球 坐标系,称为固定极天球坐标系。 地球坐标系的定义是这样的,原点为地球质心(O),Z轴为地球自转轴,X轴指向地球上赤道的某一固定“刚性”点,所谓“刚性”是指其自转速度与地球一致,同时也为数学描述方便,引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。地球不是一个严格刚性的球体,Z轴在地球上随时间而变,称为极移,同天球坐标系一样,需要指定一个固定极为Z轴,这样的地球坐标系称为固定极地球坐标系。可以证明当观察地球上的物体时,该坐标系是惯性的。如果一个坐标系OXYZ,O不是地球质心,Z轴与地球自转轴平行,则这个坐标系具有与地球相同的自转角速度,我们也把此类坐标系称为地球坐标系。 3.协议坐标系统: 那么,什么是“协议”坐标系呢?通常,理论上坐标系由定义的坐标原点和坐标轴指向来确定。坐标系一经定义,任意几何点都具有唯一一组在该坐标系内的坐标值,反之,一组该坐标系内的坐标值就唯一定义了一个几何点。实际应用中,在已知若干参考点的坐标值后,通过观测又可反过来定义该坐标系。可以将前一种方式称为坐标系的理论定义。而由一系列已知点所定义的坐标系称为协议坐标系,这些已知参考点构成所谓的坐标框架。在点位坐标值不存在误差的情况下,这两种方式对坐标系的定义是一致的。事实上点位的坐标值通常是通过一定的测量手段得到,它们总是有误差的,由它们定义的协议坐标系与原来的理论定义的坐标系会有所不同,凡依据这些点测定的其它点位坐标值均属于这一协议坐标系而不属于理论定义的坐标系。由坐标框架定义的固定极天球坐标系和固定极地球坐标系,称为协议天 球坐标系和协议地球坐标系。

参考系坐标系及转换

1天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。 L天球直角坐标系 厂天球坐标系 天球球面坐标系 地球直角坐标系地球大地坐标系 常用的天球坐标系:天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。 在天球坐标系中,天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述。 1天球空间直角坐标系的定义 地球质心0为坐标原点,Z轴指向天球北极,X轴指向春分点,丫轴垂直于XOZ 平面,与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下,空间点的位置由坐标(X,丫Z)来描述。 春分点:当太阳在地球的黄道上由天球南半球进入北半球,黄道与赤道的交点)

A <空闵直笥坐瑟厂K V : z 丿的楚辽” 2天球球面坐标系的定义 地球质心0为坐标原点,春分点轴与天轴(天轴:地球自转的轴)所在平面为天 球经度(赤经)测量基准一一基准子午面,赤道为天球纬度测量基准而建立球面 坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为(r ,a,S )。 天欢申诗与地球质?M 重合T 赤礙刊为舍天黏 和感分点的天球子牛面 与过天体$的天球子牛面 之间的夾角,未纬 S 为 原点Mi 天体£的连規与 天球击道面之间的夹角, 旬題丫为展点Mi 天体S 球球】?坐抚1就,S 1 r )的C 义: 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图 2-1表示: 感鼻—地I 球质心M 一孑塾一指向天球北奴Pn 、 ¥菇'一垂直于XMZ 平面, 与X 抽和Z 抽枸成右 手坐 标系统。 Pn A Z y X 1 \y X 奋 My\5 Ps / /

对同一空间点,直角坐标糸与其著效的球面坐标糸参教间有如下转换关务: C X - /cos a cos S < Y= / sin cos -Z = ysin 5 Y V a = arctan —— L Xz d -arctail . 岁差和章动的影响 岁差:地球实际上不是一个理想的球体,地球自转轴方向不再保持不变,这使春分点在黄道上产生缓慢的西移,这种现象在天文学中称为岁差。 章动:在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转,大致呈椭圆,这种现象称为章动。 极移:地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的,因而,地极点在地球表面上的位置,是随时间而变化的,这种现象称为极移。地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化,而且还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。 前者导致岁差和章动,后者导致极移。 协议天球坐标系:为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系,人们通常选择某一时刻,作为标准历元,并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬 时春分点的方向,经过瞬时的岁差和章动改正后,分别作为 X轴和Z轴的指向, 由此建立的坐标系称为协议天球坐标系。天味奋 5 y X X Ps

浅谈2000国家大地坐标系向地方独立坐标系的转换

浅谈2000国家大地坐标系向地方独立坐标系的转换 摘要:大约在十年前,我国的国家级和省级的基础地理信息数据已经初步通过2000国家大地坐标系,然而通过国家坐标系统,在一些离中央子午线较远或者海拔较高的地区无法达到相关要求,这就需要将地方独立坐标系建立起来。本文对2000国家大地坐标系向地方独立坐标系的转化进行分析和研究,以供参考。 关键词:2000国家大地坐标系;地方独立坐标系;转换 1 2000国家大地坐标系与地方独立坐标系的建立 1.1 2000国家大地坐标系的建立 2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国进行实践的具体体现,其原点 主要是大地和海洋的质量中心,z轴是根据相关规定协议地级方向,x轴表示的是相关规定当中定义的协议赤道和子午面的交点,y轴是依照右手坐标系而建立起 来的,通过2000国家大地坐标系能够加强定位系统的精确性,广泛应用于各个 领域。 1.2地方独立坐标系的建立 在工程测量及城市测绘过程中如果通过国家坐标系来进行控制网的建设,往 往会出现地面长度投影变形量较大等问题,无法达到工程的实际操作需求,所以 一定要建立起与实际情况相适应的地方独立坐标系。地方独立坐标系的建立,主 要是为了让高程归化和投影形变的情况造成的误差缩小,通过地方独立坐标系的 建设可以保证达到所需要的精度,不会由于精度无法达到要求,而对工程建设产 生影响。 2 2000国家大地坐标系与地方独立坐标系转换的理论基础 某市在建设的过程中选取四参数转换模型,对坐标转换参数进行控制,把2000国家大地坐标系的成果向地方独立坐标系的成果进行转化。 2.1重合点选取 在坐标系选用的过程中,两个坐标系都有坐标成果控制点,在选择的过程中,主要原则是覆盖整个转换区域,要求精度较高,而且具有较高的等级,分布均匀。 2.2转换参数计算 首先通过转换模型和重合点的选择,对转换参数进行计算,将残差大于三倍 的误差重合点剔除,对坐标转换参数进行重新计算,直到符合精度要求为止,通 过最小二乘法来对参数进行计算。 2.3精度评定 坐标转换精度一般通过外符合精度来进行评定,根据计算参数转换参数的重 合点残差中误差来对坐标转换精度进行评估,如果残差小于三倍,那么其定位精 度符合要求,在计算的过程中,外部的检核点的误差公式为 3转换方法 坐标转换模型需要与地方控制点和城市数字地图的转化相结合,通常条件下 通过平面四参数模型进行转换,如果重合点比较多,可以通过多元回归模型来进 行控制,如果数字地图和相对独立的平面坐标系统控制点都是三维地心坐标的时候,可以通过Bursa七参数转换模型进行转换。在转换的过程中,需要控制误差 不超过0.05米,并且需要对重合点的选取原则进行明确,首先需要对地方控制点 的高精度控制点和计算点进行择优选择,在一般情况下,在大中城市至少需要保 证使用五个重合点,这些重合点需要均匀的分布,包含在城市的各个区域当中,

各种坐标系的关系

WGS84经纬度坐标与北京54坐标或者西安80坐标的关系一般来讲,GPS直接提供的坐标(B,L,H)是1984年世界大地坐标系(Word Geodetic System1984即WGS-84)的坐标,其中B为纬度,L为经度,H为大地高即是到WGS-84椭球面的高度。而在实际应用中,我国地图采用的是1954北京坐标系或者1980西安坐标系下的高斯投影坐标(x,y,),不过也有一些电子地图采用1954北京坐标系或者1980西安坐标系下的经纬度坐标(B,L),高程一般为海拔高度h。 GPS的测量结果与我国的54系或80系坐标相差几十米至一百多米,随区域不同,差别也不同,经粗落统计,我国西部相差70米左右,东北部140米左右,南部75米左右,中部45米左右。 1、1984世界大地坐标系 WGS-84坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系,是一种协议地球坐标系。定义是:原点是地球的质心,空间直角坐标系的Z轴指向BIH(1984.0)定义的地极(CTP)方向,即国际协议原点CIO,它由IAU和IUGG共同推荐。X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP 赤道的交点,Y轴和Z,X轴构成右手坐标系。WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会测量常数推荐值,采用的两个常用基本几何参数:长半轴a=6378137m;扁率f=1:298.257223563。 2、1954北京坐标系 1954北京坐标系是将我国大地控制网与前苏联1942年普尔科沃大地坐标系相联结后建立的我国大地坐标系。属于参心大地坐标系,采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体。其长半轴 a=6378245,扁率

f=1/298.3。1954年北京坐标系虽然是苏联1942年坐标系的延伸,但不能说它们完全相同。 3、1980西安坐标系 1978年,我国决定建立新的国家大地坐标系统,并且在新的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差,这个坐标系统定名为1980年西安坐标系。属参心大地坐标系。1980年西安坐标系Xi'an Geodetic Coordinate System 1980 采用1975国际椭球,以JYD 1968.0系统为椭球定向基准,大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇,采用多点定位所建立的大地坐标系.其椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会推荐值,它们为:其长半轴a=6378140m; 扁率f=1/298.257。 4 高斯平面直角坐标系和UTM 一般的地图均为平面图,其对应的也是平面坐标.因此,需要将椭球面上各点的大地坐标,按照一定的数学规律投影到平面上成为平面直角坐标.目前世界各国采用最广泛的高斯- 克吕格投影和墨卡托投影(UTM)均是正形投影(等角投影),即该投影在小区域范围内使平面图形与椭球面上的图形保持相似。为了限制长度变形,根据国际测量协会规定,将全球按一定经差分成若干带。我国采用6度带或3度带,6度带是自零度子午线起每隔经度。 高斯平面直角坐标系一般以中央经线(L0)投影为纵轴X, 赤道投影为横轴Y,两轴交点即为各带的坐标原点。为了避免横坐标出现负值,在投影中规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴。为了区

地方独立坐标系的建立

地方独立坐标系的建立 2006年第2期地方独立坐标系的建立43 地方独立坐标系的建立 张胜利 (水利部陕西水利电力勘测设计研究院测绘总队陕西西安710002) 摘要坐标系统是所有测量工作的基础,它影响到测量成果的正确性和可靠性,对 于不同的测量工作选择恰当的独立坐标系能保证工程项目顺利实施.本文介绍了建 立独立坐标系的几种方法,并对其优缺点进行分析. 关键词独立坐标系;高斯投影;抵偿高程面;高程归化面 1引言 在工程建设地区布设测量控制网时,其成果不仅要满足大比例尺地形图测图的需要,还要 满足一般工程放样的需要.施工放样时要求控制网中两点的实测长度与由坐标返算的长度应 尽可能相符,而采用国家坐标系其坐标成果大多数情况下是无法满足这些要求的,这是因为国 家坐标系每个投影带都是按一定间隔(6.或3.)划分,其高程归化面为参考椭球面,工程建设所

在地区不可能正好落在国家坐标系某一投影带中央附近,其地面位置也与参考椭球面有一定 距离,这两项将产生高程归化改正和高斯投影变形改正,经过这两项改正后的长度不可能与实 测长度相等. 《工程测量规范》(GB5oo26--93)规定:平面控制网的坐标系统,应满足测区内高程归化改 正和高斯投影变形改正之代数和(即投影长度变形值)不大于2.5cm/km,即相对误差小于1/4 万.当测区的国家坐标系不能满足这一规定时,就要建立地方独立坐标系以减小投影长度变 形产生的影响,将它们的影响控制在微小的范围内,使计算出的长度在实际利用时不需作任何 改算. 2高程归化改正与高斯投影变形改化的计算 地面观测边长的归算可分为高程归化和高斯投影长度改化,其计算公式如下: (1)地面观测边长归算到参考椭球面上的长度归算公式 S—D十,:一—DH=(1) 式中:S——归化到参考椭球圆上的长度; D——地面上的观测长度; ——

电子图纸坐标系的转换方法和步骤

电子图纸坐標系的轉換方法和步驟 测量坐标系在整个测量工作中是非常重要的。相对一些结构复杂,难度系数比较大的工程,在坐标及角度计算方面的工作量就相当之大,同时对于数据计算的准确度要求就更严格,为了减轻测量数据的计算量和提高数据计算的效率及准确度,确保工程的质量,特对电子图纸坐标系的转换方法和步骤简介如下。 1、确定电子图纸坐标系的夹角。如果所承建的工程不是座落在正南正北方向上的话,就要确定设计的现场轴线测量坐标系与电子图纸上的轴线坐标系所存在的夹角度数(如东莞玉兰大剧院工程所存在的夹角度数为75.4823°)。方法:就是用90°减去设计图纸上坐标方格轴线纵横方位角中小于90°的方位角即可。 2、旋转电子图纸的面。方法:在CAD的命令行里输入UCS—新建N—X轴—180°—回车。意思是说整个图纸以X轴为旋转轴顺时针旋转了一个180°的面。 3、旋转电子图纸的坐标系。方法:利用直线命令在操作面上画出“十”字标志,然后用旋转命令旋转第一步中所知道的夹角度数。 4、定义电子图纸的坐标系。方法:在CAD的命令行里输入UCS—新建N—三点—原点(用光标选中“十”字标志的交叉点)—X轴(用光标选中“十”字标志竖轴的正上方端点)—Y轴(用光标选中“十”字标志横轴的右手方端点)—回车。意思就是确定电子图纸轴线坐标系的X轴和Y轴的方向。 5、定义电子图纸的坐标原点。方法:由于电子图纸上的轴线坐标点在没有转换坐标系之前,该点的实际坐标值与图纸上所标注的坐标值是不一致的,所以首先要在电子图纸上找到有坐标值的点作为基点,然后用相对坐标法画直线,在直线命令中输入下一点时就要按“@-x,-y”的方法输入该基点的坐标值,最后在画完直线后就要定义原点了,

浅谈具有高程补偿面的独立坐标系在工程上的应用

浅谈具有高程补偿面的独立坐标系在工程上的应用关键字:长度投影变形高程补偿面独立坐标系GPS基线 0 引言 某工程为石油管线带状地形图测量。为此需做一个带状地形控制网。用于带状地形图的绘制。其目的为以后施工建设提供控制依据,并为线路定测和中线放样提供依据。因测区地形多为山区。地形条件复杂,作业季节为盛夏,山区树林茂密,通视条件极差。为此,平面控制采用GPS测量,高程控制采用水准测量。由于平面控制网不仅要满足测图的需要,还要满足改扩建工程施工测量的要求,在进行GPS工程控制网坐标系的选择时,二者需同时兼顾。测区位于国家坐标系三度带边缘,且和国家控制点联测较为困难。本次工程对GPS工程控制网坐标系的选择和对短边GPS高程测量的精度分析得到结论,对工程控制网的建立有一定的借鉴作用。 1 长度投影变形来源 长度投影变形是在两个过程中产生的,我们知道,通过GPS采集测量数据必须通过高程归化平差,归化到参考椭球面上。在这过程中长度产生了高程归化投影变形。然后是由参考椭球体面上的长度投影到高斯平面上时产生了高斯投影长度变形。这样通过平差解算出的基线长度往往和实地量测长度值不同。这就是长度变形的来源。这时,必须人为加入长度变形改正数,为了避免在日常测绘工作中进行大量而繁琐的长度改正计算,必须对长度投影变形给予必要控制。 2 长度投影变形分析 由于该工程平面控制网不但作为大比例尺侧路的控制基础,还要满足后续改扩建工程施工放样测量的需要。为保证施工放样工作的顺利进行,要求由控制点坐标直接反算的边长与实地量得边长尽量相等,也就是说,由高程归算和高斯投影两项改正而带来的长度变形或者改正数,不得大于施工放样的精度要求。按《工程测量规范》要求,每公里长度改正数不大于2.5cm。 设地面实测边长归算到参考椭球面上的长度变形值为,则: = (1) 式中:为归算边高出参考椭球面的平均高程,S为归算边的长度,R为归算边方向参考椭球的法截线的曲率半径。由(1)式可知:的绝对值与成正比关系。当越大,越大。而与其他参数无关。当S=1km,=160m,=-2.5cm,即测区平均海拔超过160m,长度变形值每公里2.5cm。说明当测区平均海拔超过160m 时,若不采取解决办法。就不满足《工程测量规范》的要求。当为负值时,表明地标实测长度归算到参考椭球面上总是缩短的。

坐标系之间的转换

大地坐标(BLH经纬度高程)和北京54等坐标系之间的转换 2008-12-11 16:25:23| 分类:默认分类| 标签:|字号大中小订阅 工程施工过程中,常常会遇到不同坐标系统间,坐标转换的问题。目前国内常见的转换有以下几种:1,大地坐标(BLH)对平面直角坐标(XYZ);2,北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换;3,任意两空间坐标系的转换。其中第2类可归入第三类中。所谓坐标转换的过程就是转换参数的求解过程。常用的方法有三参数法、四参数法和七参数法。以下对上述三种情况作详细描述如下: 1,大地坐标(BLH)对平面直角坐标(XYZ) 常规的转换应先确定转换参数,即椭球参数、分带标准(3度,6度)和中央子午线的经度。椭球参数就是指平面直角坐标系采用什么样的椭球基准,对应有不同的长短轴及扁率。一般的工程中3度带应用较为广泛。对于中央子午线的确定有两种方法,一是取平面直角坐标系中Y坐标的前两位*3,即可得到对应的中央子午线的经度。如x=3250212m,y=395121123m,则中央子午线的经度=39*3=117度。另一种方法是根据大地坐标经度,如果经度是在155.5~185.5度之间,那么对应的中央子午线的经度=(155.5+185.5)/2=117度,其他情况可以据此3度类推。 另外一些工程采用自身特殊的分带标准,则对应的参数确定不在上述之列。 确定参数之后,可以用软件进行转换,以下提供坐标转换的程序下载。 2,北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换 这三个坐标系统是当前国内较为常用的,它们均采用不同的椭球基准。 其中北京54坐标系,属三心坐标系,大地原点在苏联的普而科沃,长轴6378245m,短轴6356863,扁率1/298.3;西安80坐标系,属三心坐标系,大地原点在陕西省径阳县永乐镇,长轴6378140m,短轴6356755,扁率1/298.25722101;WGS84坐标系,长轴6378137.000m,短轴6356752.314,扁率1/298.257223563。由于采用的椭球基准不一样,并且由于投影的局限性,使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大,有条件的话,一般都采用GPS联测已知点,应用GPS软件自动完成坐标的转换。当然若条件不许可,且有足够的重合点,也可以进行人工解算。详细方法见第三类。 3,任意两空间坐标系的转换 由于测量坐标系和施工坐标系采用不同的标准,要进行精确转换,必须知道至少3个重合点(即为在两坐标系中坐标均为已知的点。采用布尔莎模型进行求解。布尔莎公式: 对该公式进行变换等价得到: 解算这七个参数,至少要用到三个已知点(2个坐标系统的坐标都知道),采用间接平差模型进行解算: 其中:V 为残差矩阵; X 为未知七参数; A 为系数矩阵; 解之:L 为闭合差

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