空间大地坐标系与平面直角坐标系转换公式之欧阳德创编.docx
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空间大地坐标系与平面直角坐标系转换公式之欧阳德创编
§2.3.1坐标系的分类
时间：
2021.03.07
创作：
欧阳德
正如前面所提及的,所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式,即采用什么方法来表示空间位置。
人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。
在测量中常用的坐标系有以下几种：
一、空间直角坐标系
空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上且按右手系与X轴呈90°夹角。
某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。
空间直角坐标系可用图2-3来表示：
图2-3空间直角坐标系
二、空间大地坐标系
空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。
纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。
空间大地坐标系可用图2-4来表示：
图2-4空间大地坐标系
三、平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标空间直角坐标或空间大地坐标通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。
投影变换的方法有很多，如横轴墨卡托投影、UTM投影、兰勃特投影等。
在我国采用的是高斯-克吕格投影也称为高斯投影。
UTM投影和高斯投影都是横轴墨卡托投影的特例，只是投影的个别参数不同而已。
高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。
从几何意义上讲，是一种横轴椭圆柱正切投影。
如图左侧所示，设想有一个椭圆柱面横套在椭球外面，并与某一子午线相切（此子午线称为中央子午线或轴子午线），椭球轴的中心轴CC’通过椭球中心而与地轴垂直。
高斯投影满足以下两个条件：
1、它是正形投影；
2、中央子午线投影后应为x轴，且长度保持不变。
将中央子午线东西各一定经差（一般为6度或3度）范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面沿某一棱线展开，便构成了高斯平面直角坐标系，如下图２－５右侧所示。
图2-5高斯投影
x方向指北，y方向指东。
可见，高斯投影存在长度变形，为使其在测图和用图时影响很小，应相隔一定的地区，另立中央子午线，采取分带投影的办法。
我国国家测量规定采用六度带和三度带两种分带方法。
六度带和三度带与中央子午线存在如下关系：
；
其中，N、n分别为6度带和3度带的带号。
另外，为了避免y出现负号，规定y值认为地加上500000m；又为了区别不同投影带，前面还要冠以带号，如第20号六度带中，y=-200.25m，则成果表中写为y假定＝20499799.75m。
x值在北半球总显正值，就无需改变其观测值了。
1、空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换
图２－６表示了空间直角坐标系与空间大地坐标系之间的关系。
图2-6 地球空间直角坐标系与大地坐标系
在相同的基准下空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换公式为：
（2-1）
式中，
，
为椭球的长半轴，
为椭球的卯酉圈曲率半径
=6378.137km
，
为椭球的第一偏心率，
为椭球的短半轴
=6356.7523141km
在相同的基准下空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换公式为
（2-2）
式中
2、空间坐标系与平面直角坐标系间的转换
空间坐标系与平面直角坐标系间的转换采用的是投影变换的方法。
在我国一般采用的是高斯投影。
因为高斯投影和UTM投影都是横轴墨卡托的特例，因此，高斯投影和UTM投影都可以套用横轴墨卡托投影的投影公式。
横轴墨卡托投影的投影的正反算公式可参见有关资料，它们的区别在于轴子午线投影到平面上后，其长度的系数，对于高斯投影，系数为1，对于UTM投影，其系数为0.9996。
3、变动高程归化面的影响
用户在建立地方独立坐标系时，有时变动高程归化面，这将产生一个新椭球，这就必须计算新常数，新椭球常数按下列方法和步骤进行：
1）新椭球是在国家坐标系的参考椭球上扩大形成的，它的扁率应与国家坐标系参考椭球的扁率相等，即
。
2）计算该坐标系中央地区的新椭球平均曲率半径和新椭球长半轴。
新椭球平均曲率半径为：
（2.10）
式中
───该地区平均大地高；
───该地区的平均纬度。
新椭球的长半轴按下式计算：
（2.11）
将新的椭球参数代入，就可以进行投影的正反计算了。
二、坐标系统的转换方法
不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，不同基准间的转换方法有很多，其中最为常用的有布尔沙模型，又称为七参数转换法。
七参数转换法是：
设两空间直角坐标系间有七个转换参数：
3个平移参数
、3个旋转参数
和1个尺度参数
。
比如，由空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B可采用下面的公式：
§2.3.4GPS测量中常用的坐标系统
一、世界大地坐标系WGS-84
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数和历书参数等都是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐标系-84）,它是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为现在GPS所使用的坐标系统。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
WGS-84系所采用椭球参数为见表2.1。
二、1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。
该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。
该椭球的参数见表2.1。
遗憾的是该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
由于当时条件的限制1954年北京坐标系存在着很多缺点主要表现在以下几个方面：
1.克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。
2.椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。
参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。
3.该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的。
因此全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。
三、1980年西安大地坐标系
1978年我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统。
整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。
1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值，见表2.1中的西安80。
椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。
四、几种常用的坐标系统的几何和物理参数
下表列出了几种常用的坐标系统的几何和物理参数，用户需要时可以查阅：
表2.1GPS测量中常用的坐标系统的几何和物理参数
坐标系
WGS-84
北京54
西安80
（m）
6378137
6378245
6378140
（或
）
-484.16685×10-6
（或1/298.257223563）
---
（或1/298.3）
---
（或1/298.257）
J2
---
---
1.08263×10-3
ω（rad·s-1）
7.292115×10-5
---
7.292115×10-5
GM（m3·s-2）
3.986005×1014
---
3.986005×1014
§2.4GPS高程系统
在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。
§2.4.1大地高系统
大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。
大地高也称为椭球高。
大地高一般用符号H表示。
大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点在不同的基准下具有不同的大地高。
通常，GPS接收机单点定位得到的高程为WGS-84下的大地高。
§2.4.2正高系统
正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统，某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。
正高用符号Hg表示。
§2.4.3正常高
正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hγ表示。
§2.4.4高程系统之间的转换关系
大地水准面到参考椭球面的距离称为大地水准面差距，记为hg，大地高与正高之间的关系可以表示为：
正高：
似大地水准面到参考椭球面的距离，称为高程异常，记为
。
大地高与正常高之间的关系可以表示为：
正常高：
高程之间的相互关系可以用下图2-7来表示：
图2-7高程系统间的相互关系
时间：
2021.03.07
创作：
欧阳德
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