浅谈2000国家大地坐标系转换方法

曹东方

（兰考县国土资源局，河南 兰考 475300）

1 2000国家大地坐标系概述

2000国家大地坐标系（CGCS2000）是以包括海洋和大气的整个地球的质量中心为原点建立的三维地心大地坐标系，通常分为地心空间直角坐标系(以X、Y、Z为其坐标元素)和地心大地坐标系(以B、L、H为其坐标元素)。其Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，与地球旋转轴重合,向北为正；X轴与首子午面和赤道面的交线重合,向东为正；Y轴与XZ平面垂直，与Z轴、X轴构成右手正交坐标系[1]。

CGCS2000的坐标框架由三个层次框架点组成。第一层次：国家级连续运行参考站，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，2500多个点，精度cm级。第三层次：国家高精度大地控制网（全国天文大地网），约5万个点，精度dm级。

CGCS2000有以下特征：（1）采用的椭球参数及物理参数与国际上公认的数据一致，能与国际接轨。（2）具有更高的精度。（3）有利于对空间物体的位置描述和表达，因为它是一个三维、动态的大地测量基准。（4）CGCS2000是一个地心坐标系。

2 地方独立坐标系的建立

在城市测量和工程测量中，如果控制网直接建立在国家坐标系中，有时地面长度的投影变形会很大，难以满足实际需要。为此，有必要建立一个本地独立坐标系，减少投影变形和高程归一化引起的主要误差。在传统测量中，这个局部独立坐标系通常只是高斯平面坐标系，也可以说是不同于国家坐标系的参考中心坐标系。使用本地独立坐标系可以将精度控制在合理范围，不会因为精度达不到要求而影响项目建设。

3 存量数据向CGCS2000转换的技术方法

3.1 转换的工作步骤

①确定坐标转换的数据内容、比例尺、类型、格式 ；②进行区域内不同比例尺的转换参数、改正量计算；③利用转换参数或改正量开发转换工具；④按照类型整理数据；⑤坐标转换；⑥进行转换精度与质量检查。

3.2 转换的主要方法

3.2.1 坐标转换参数计算

根据不同比例尺和转换区域选择转换模型，基本转换模型包括布尔沙模型、三维七参数转换模型、二维七参数转换模型、二维四参数转换模型及多项式拟合模型等，选取两个坐标系下重合点（可选用CGCS2000国家大地控制网点、国家大地测量控制点）计算模型转换参数，根据模型残差进行精度评估和检核[2]。

3.2.2 改正量计算

根据不同的比例尺，按照不同的分区，计算各分区的转换参数，并利用确定的转换方法与转换模型分别计算一定比例尺下格网点两种坐标系下对应点的差。

3.2.3 坐标点转换

根据确定的转换模型和解算出的转换参数，计算该点转换后的值。或根据该点对应区域四个角点的改正量，通过插值法计算该点的改正量，相加后得出转换后的值。

3.2.4 图形数据坐标转换

读出图形要素的点位坐标，按照坐标点转换方法一一转换完成后，再写回原图形要素。或者采用符合要求的已知点进行配准的方法进行转换。

3.3 各种比例尺数据的转换

以河南为例，需转换的存量国土资源空间数据包括基础地理数据、土地调查成果、土地资源管理成果、矿产地质数据等，涵盖遥感影像、土地利用现状、耕地后备资源、土地利用总体规划、矿产资源总体规划、土地整治规划、农用地分等、基本农田，土地资源批、供、用、补，矿产资源勘查、开发，基础地质、区域地质、地球物理、地球化学等。数据的类型有矢量数据、栅格数据等，组织形式有管理单元和空间数据库。数据分为省级、省辖市级、市本级、县（市、区）级等。

3.3.1 坐标转换的原则

（1）部、省、市、县四级备份相同的数据：对于国土资源部实施转换的涉及河南省的数据，由省国土资源厅统一申领、分发、存储和使用；对于省国土资源厅实施转换的涉及地市的数据，由省辖市、省直管县（市）国土资源主管部门统一申领、分发、存储和使用。上一级转换的相同的数据，本级不重复转换。

（2）转换前后成果的格式、比例尺或分辨率、内部的拓扑关系、属性结构和属性值保持不变，要素不丢漏。

（3）分幅数据转换后重新生成方里格网，修改图廓点及方里格网标注坐标，不进行数据内容的重新分幅裁切和整饰处理。

（4）数据转换后应同步开展质量检查，并按照不同的比例尺类别统计转换精度。

3.3.2 坐标转换的要求

（1）1∶5万及以小比例尺数据，利用全国1∶5万比例尺图幅改正量，点位坐标按双线性内插方法逐点转换。1∶1万以小比例尺数据，利用全国1∶1万比例尺图幅改正量，点位坐标按双线性内插方法逐点转换。1∶5000及以小比例尺数据，利用全国高精度高分辨率格网（3″×3″）改正量，点位坐标按双线性内插方法逐点转换[3]。

（2）1∶5000及以大比例尺数据，转换前应选取数据对应的起算控制点进行分析、开展普查和联测，统一转换至河南省卫星导航定位基准站网2000国家大地坐标系框架下。利用起算控制点分析或联测平差结果，按照点位坐标的转换方法计算转换参数，开展数据转换。

（3）1954北京坐标系下的数据转换步骤为：计算1954北京坐标系向1980西安坐标系转换改正数；计算1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换改正数；将两改正数叠加形成1954北京坐标系向2000国家大地坐标系转换改正数。

（4）采用系列比例尺图幅改正量或格网改正量完成转换成果，将河南省卫星导航定位基准站点、分析转换或联测平差后的数据起算控制点作为检核点进行精度评估与检核；采用点位坐标转换法完成转换成果，利用参数计算时多余的控制点进行精度评估与检核。转换区域应选定至少6个均匀分布的重合点对精度进行检核。

4 转换方法

第一种方法是利用公共点求解两套坐标系统间的转换参数实现转换。当建立与2000国家大地坐标系相联系的相对独立的平面坐标系时，坐标转换模型应适用于地方控制点的转换和城市数字地图的转换，通常采用平面四参数转换模型，当有许多重合点时，采用多元回归模型。当相对独立的平面坐标系和数字地图的控制点都是三维地心坐标时，采用BLASA七参数转换模型。坐标转换的误差应小于0.05米[4]。重合点应选择本地控制网的起点和高精度控制点以及周边国家的高精度控制点，大中型城市至少选择5个重合点，重合点应均匀分布。

第二种是通过与具有2000国家大地坐标系的高等级点联测实现对低等级GPS网进行约束平差实现转换。当GPS控制网周围有足够的2000国家大地坐标系控制点时，以高水平控制点为约束条件，将低水平GPS网与高水平点连接或使用原始联合测量数据，在WGS-84椭球下进行三维约束调整，结果属于2000国家大地坐标系。如果联测GPS网络和周围具有2000国家大地坐标系的高等级点，数据会被移交并保存为原始观测数据。

5 结束语

上述方法可实现从系列标度库存数据的原始坐标系到CGCS2000的转换，空间信息成果坐标系和大地基准统一，推动空间规划体系建设与监督实施、自然资源开发利用与保护监管，促进CGCS2000在城建、规划、房产、农业、水利等领域的推广，推进部门间的信息共享，为一带一路、新型城镇化与信息化建设、乡村振兴等重大战略实施提供保障。