坐标转换软件(毕业论文.doc
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摘要
坐标转换已经不是一个新的课题了，随着与人们生活密切相关的测绘事业的迅速发展，全球一体化的形成，越来越多的要求全球测绘资料形成统一规范，尤其是坐标系统的统一。
由于各测量单位工作目的不同，所选择的椭球参考系也会有所不同，出现了许多不同形式的坐标系，例如WGS-84坐标系、国家80坐标系、北京54坐标系、独立地方坐标及各种城建坐标。
在同一坐标系下坐标的表示方式又有空间直角坐标、大地坐标、平面坐标。
根据不同的测绘需求，需要将不同的坐标系下的坐标进行相互转换，在这些坐标转换的过程中既会运用到同一坐标系下的坐标转换模型，又会用到不同参考系下各坐标系间的坐标转换模型。
本文研究了各坐标系之间坐标转换的方法，包括同一坐标系下不同坐标（大地坐标，空间直角坐标，平面坐标）之间的相互转换和不同参考系下各坐标系（WGS84坐标系，北京54坐标系，国家80坐标系）之间的相互转换。
深入研究了GPS的WGS84坐标系及中国常用的1954年北京坐标系和1980年国家坐标系三种坐标系之间的大地坐标、空间直角坐标及平面坐标的转换模型，并根据不同的转换模型研究了多种转换参数的计算方法。
基于这些理论并结合相关的转换模型及算法编程实现了坐标转换系统，用实例对该坐标转换系统进行了测试，分析了实测数据和坐标转换系统一致计算数据之间差异原因，并提出了适当的避免办法。
测试结果与预期，符合需求分析的要求。
最后总结了该系统的特点和不足，并提出了下一步研究的方向。
关键词:
地球椭球体,坐标转换模型,布尔沙-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型,莫洛金斯基模型
经济增长：
在优化结构、提高效益和降低消耗的基础上，“十一五”期市GDP年均增长12%以上（现14%以上），2010年达到650亿元以上，人均GDP力争1000美元；财政收入达到80亿元；规模以上工业销售达到550亿以上；全社会固定资产投资年均长20%，五年累计1000亿元；社会消费品销售额260亿元，年均增长20%，外贸进口总额2.5亿美元，年均增长15%；五年累计招商引资突破500亿元，力争达到600亿元3
Abstract
Coordinateconversionisnotanewsubject.Withtherapiddevelopmentofsurveyingandtheformationofglobalintegration,Increasingdemandfortheformationofastandardizedglobalmappingdata,Especiallyintherespectofcoordinatesystem.Sincethedifferentpurposeofthedifferentunitsofmeasurement,TheChoiceofellipsoidalreferencesystemwillbedifferenttoo.
Thereweremanydifferentformsofcoordinatesystem.Forexample,WGS84coordinatesystem,Xian80coordinatesystem,Beijing54coordinatesystem,localcoordinatesetc.Therearealsohavethreeformstorepresentationcoordinatesinthesamecoordinatesystem,likerectangularspacecoordinates,geodeticcoordinates,planecoordinates.Dependingonthedifferentmappingneeds,thereneedstocoordinateconversion
Thencoordinatesystemtransformationmethodisresearched.Especialtransformationmethodofdifferentcoordinatesystems,GeocentricCartesiancoordinatesofthesamecoordinatesystemanditGeodeticSystem,GeocentricCartesiancoordinatesofthedifferentearthmodels,GeodeticSystemandmapareresearched.ThesimplemodelsandthecomputingmethodoftransformationParameterwithGeoentricCartesiancoordinatesandGeodeticsystemamongWGS-84，XiAn80andBeiJing54coordinatesystemsarestudied.AlsothetransformationalgorithmbetweenItstudiedthereliabilityoftransformationaldataindifferentcoordinatesystemandsamecoordinatesystem.ThesystemtestresultsConsistentwiththeexpected,italsomeettherequirementsofdemandanalysis.Finally,thispapersumupthecharacteristicsandthelackofthissystem,alsoproposefurtherresearchdirections.
Keywords:
Earthellipsoid,Coordinatetransformationmodel,Bursa-Wolfmodel,Molodenskymodel
目录
摘要 1
Abstract 2
1绪论 1
1.1研究的背景及意义 1
1.2坐标系间转化的研究现状 2
1.3研究的发展方向 3
2地球椭球与坐标系之基本理论 4
2.1基本概念 4
2.2三种常用坐标系 12
2.3基准 16
2.4常用的坐标系统 17
3坐标转换的理论与方法 24
3.1坐标系偏移量及转换方法 25
3.2坐标转换模型 28
3.3大地坐标与空间直角坐标之间的转换 34
3.4大地坐标与平面坐标之间的转换 36
4坐标转换系统程序设计及其实现 37
4.1VisualBasic简介 37
4.2程序设计思路 38
4.3本章小结 39
5检测实例与数据分析 44
5.1参数求解 44
5.2精度评定 45
6结论及展望 45
参考文献 49
致谢 51
附录 52
山东科技大学泰山科技学院学生毕业设计（论文）
1绪论
1.1研究的背景及意义
坐标转换已经不是一个新的课题了，随着与人们生活密切相关的测绘事业的迅速发展，全球一体化的形成，越来越多的全球测绘资料形成规范统一，尤其是坐标系统的统一方面。
原始的大地测量主要是通过光学仪器进行，这样不可避免的会受到近地面大气和地球曲率的影响，，在通视条件下也受到很大的限制，从而对全球测绘资料的一体化产生了一定的约束。
另外，由于每一个国家的大地坐标系的建立和发展具有它特殊的历史特性，使得目前仅常用的大地坐标系就超过150个。
即使是在同一个国家，在不同的历史时期由于经济的发展变化或习惯的改变也会采用不同的坐标系统。
例如：
在我国建国之初，为了让尽快搞好基础建设，我国采用了克拉索椭球与我国的实际情况相结合产生了北京54坐标系；而随着测绘事业的发展北京54坐标系的缺陷也随之被表露的越来越明显，因此我国开始研究并使用80坐标系。
在实际生活中，由于国家建设的急需在一些地方还来不及布设国家级的大地控制网，而是先建立局部的独立坐标系，然后再将这些独立坐标系转换到国家统一的大地控制网中，而这些坐标系的变换都离不开坐标转换。
在国际上，随着第一代卫星导航系统——NNSS于1964年在美国研制成功，测绘资料的全球一体化不再是一个梦想。
经美国国防部批准，第二代卫星导航系统的开发研究工作于1972年开始，即现在所说的GPS。
这套卫星导航系统满足全球范围、全天候、连续实时以及三维导航和定位的要求。
正是由于这套卫星导航系统的这些特点，它就很快被广大测绘工作者所接受。
但由于坐标系统的不同，对GPS技术的推广使用造成一定的障碍。
这样坐标转换的问题再一次被提到了很重要的位置。
未来描述卫星运动，处理观测数据和表示测站位置，需要建立与之相应的坐标系统，及协议天球坐标系和协议地球坐标系。
其中协议地球坐标系采用的是1984年大地坐标系（WordGeodeticSystem1984——WGS）该坐标系统的重要参数为：
长半轴a=；扁率f=1：
298.。
而我国采用的坐标系并不是WGS—84坐标系，而是BJ—54坐标系和西安—80坐标系以及地方独立坐标系，这些坐标系是与前苏联的1942年普尔科沃坐标系相关联的，这些坐标系的主要参数都为：
长半轴a=；扁率f=1：
298.3。
这就使得同一点的坐标值因所在坐标系不同而不同，使得测绘资料在我国的适用范围受到很大的限制，并且对GPS系统在我国的广泛使用造成了一定的约束性，对测绘事业在我国的发展极为不利。
为了解决这个问题，测绘工作者做了大量的研究工作，并且已经有许多使用的商品化坐标转换软件投入市场，其中以七参数法用的最为普遍。
但是由于此方法中参数较多，对于一部分精度要求不高的GPS用户来说不容易获得足够的已知点进行参数和坐标求解。
而且国内现在所使用的坐标转换系统大多是国外软件，出了成本较高以外，也不利于广泛使用，为了方便我国的测绘工作者并解决好这些问题，提出了坐标转换这个课题。
1.2坐标系间转化的研究现状
目前，GPS定位技术已经被生活中各个领域广泛使用，GPS观测值是基于以地球的质心为原点的空间直角坐标系，对于采用北京54坐标、西安80坐标或者其他地方独立坐标而言，就需要解决这些不同椭球参考系下的坐标转换问题。
经典的七参数法是现在坐标转换中常用的坐标转换方法，其数学模型一般为Mondensky模型、Bursa模型等，这些转换模型已经广泛应用在各种工程测绘中，但在高程系统、坐标精度、公共点的图形数量以及强度上均有缺陷，还需针对不同的转换要求采用不同精度的参数经行坐标转换运算。
1.3研究的发展方向
关于坐标系的相关课题研究将随着各方面研究的投入和加大而逐渐深入，在我国国防建设、国民经济等方面实际生产中发挥巨大的作用。
（1）大地基准现代化是当前大地测量的根本任务，涉及到大地测量中当前所有学科的基础理论及其应用。
我国已经建设成新一代的地心坐标系统和相应的大地基准控制网，并使得大地基准与多个学科交叉使用和发展，大地基准现代化的研究与发展将决定我国测绘学科的综合发展水平，也直接影响我国空间技术的发展水平和国防建设的发展水平。
（2）随着大地测量技术的融合，对于基准中的几何量和物理量能够通过不同的模型有机的结合起来，而不是目前分类描述：
比如利用全球参考框架建立了高精度的物理高程基础。
在将来全球所中地面观测体系的支撑下，将会实现真正意义的全球统一物理几何基准。
（3）将我国不同部门、不同时期施测的多个平面和高程分离的大地控制网通过空间大地测量和数据处理技术，科学的整合为全国统一的整体的国家三位控制网，将原来大地测量中所采用分离的几何与物理参数，进行科学的统一的整合；将我国非地心大地坐标框架整体的科学的转换为地心大地坐标框架；提高我国大地坐标框架的地心坐标精度和我国重力基本点的精度；提高还俩昂数据的处理技术，研究现代数据处理技术，提高成果的精度和可靠性。
2地球椭球与坐标系之基本理论
2.1基本概念
讨论与地球相关的坐标转换问题是离不开地球，人们对地球形状和大小的认识，经过了一个相当长的历史过程。
地球的自然表面的形状非常复杂的，有高山和深谷，崎岖不平。
从整个地球外表来看，由于地球的体积较大，地球表面的高低与整个地球比较起来，显得非常小。
同时地球表面上海洋的面积约占地球总面积的3/4，而且比较平坦，所以讨论地球形状时并不是指地球自然表面的形状，而是指有假想的大地水准面所包围的大地球体的形状。
所谓大地水准面，它是一个假想的、与平均海面相吻合的水准面。
如果将它向大陆延伸，并且使这一延伸面始终保持在任何地方都与该地的铅垂线正交，则这一连续的、无痕迹的、无棱角的闭合水准面，叫做大地水准面，被大地水准面所围成的几何体，是理想的地球形状，叫做大地球体。
2.1.1地球椭球
无论是参考椭球抑或是总地球椭球，从几何上来说都是旋转椭球，亦即由长半轴为a、短半轴为b的椭圆绕其短轴而成的几何形体，如图2.1所示：
图2.1地球椭球
椭球体与地球形体非常接近，椭球面是一个现状规则的数学表面。
在其上可以做严密的计算，而且推算出的元素同大地水准面上的相应元素非常接近。
（1）总地球椭球与参考椭球
总地球椭球：
在全球范围内与大地体最为密合的椭球。
理论上总地球椭球应该只有一个，但是因为各国地理位置不同、即采用不同的资料，会得到不同的参数，也就会得到不同的总地球椭球和地心坐标系。
参考椭球：
为了大地测量的实际需要，各个国家和地区只根据局部的天文、大地和重力测量资料，研究局部大地水准面的情况，确定一个与总椭球接近的椭球，以表示地球的大小，作为处理大地测量成果的依据。
这样的椭球只能较好地接近局部地区的大地水准面，不能反应大地体的情况。
（2）椭球的定位和定向
椭球的定位定向的实现包括以下几个方面的内容：
确定椭球的现状和大小及其物理特性，及四个基本参数；
确定椭球的中心位置，即参考椭球的定位；
确定以椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的指向，及参考椭球的定向；
确定大地原点。
椭球定位：
就是确定椭球中心的位置。
分为两类：
局部定位和地心定位。
局部定位：
要求在一定范围内与欧球面与大地水准面最佳密合对椭球中心位置无特殊要求；
地心定位：
要求在全球范围内椭球面和大地水准面最佳符合，同时要求椭球中心与地心重合或最为接近。
无论局部还是地心定位，都不需满足两个平行条件；
椭球短半轴平行于地球自转轴；
大地起始子午面平行于起始子午面。
定位又分为一点定位和多点定位。
椭球定向：
实质是指椭球旋转轴的指向。
2.1.2坐标系
坐标系是定义坐标如何实现的一套理论方法，包括定义原点、基本平面和坐标轴的指向，同时还包括基本的数学和物理模型。
坐标系根据原点位置的不同可分为参心坐标系、地心坐标系、站心坐标系。
这三种坐标系都与地球体固连在一起，与地球同步运动，因而都是地固坐标系。
另外，原点在地心的坐标系称为地心地固坐标系。
与地固坐标系相对应的是与地球自转无关的天球坐标系或惯性坐标系。
坐标系从其表现形式上可以分为空间直角坐标系、空间大地坐标系、站心直角坐标系、极坐标系和曲面坐标系等。
从维数上可分为二维坐标系、三维坐标系、多维坐标系等。
坐标系分类如图2.2所示：
图2.2地球坐标系统分类及相互关系
2.1.3参考系与参考框架
（1）参考系：
参考系是在一定观测时间内有特定类型观测量推到该参考系中点位坐标的理论、方法及采用模型和常数的总成。
一个参考系包括：
一组模型和常数；一套理论和数据处理方法。
坐标参考系统，分为天球坐标系与地球坐标系。
天球坐标系用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系用于研究地球上的物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立起来的坐标系统，分为大地坐标系（图2.3）和空间直角坐标系（图2.4）两种形式。
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图2.3大地坐标系
图2.4空间直角坐标系
（2）参考框架：
参考框架是坐标参考系的实现。
参考系定义明确且紧密，抽象难把握。
需要通过一些具体直观的点来描述或反映某一特定的坐标参考系，这些满足特定坐标参考系的点就是人们通常所说的坐标参考框架。
一般而言，只要涉及与空间位置有关的问题，就会涉及参考系；而涉及参考系就会涉及参考框架。
考虑坐标变化时，还需要一个时间历元，故时间尺度也是坐标参考框架的一部分。
参考框架是通过大地测量手段确定的固定在地面上的控制网所构建的，分为坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。
2.1.4参心坐标系
1980年国家地理坐标系、1954年北京坐标系均是属于参心坐标系。
建立参心坐标系，包括如下几个方面内容了:
（l）确定某一地球椭球体形状和大小。
（2）确定该地球椭球体中心位置，简称定位。
（3）确定该地球椭球体中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的指向，简称定向。
（4）确定大地原点。
各个国家或地区，为了处理大地测量成果，计算点位坐标，测绘地图和进行工程建设，需要建立一个适合本国的地理坐标系。
早期建立的大地坐标系都是利用天文观测、天文大地水准面测量和重力大地水准面高度差测量的方法，设定地面坐标的原点（即大地原点），建立天文大地坐标网，然后通过相对地面坐标原点及天文大地坐标网点进行弧度测量而建立的局部坐标系，它的地球椭球体的定位和定向是依据地面参考点--大地原点来实现的，即相对定位，它使得在一定范围内地球椭球体表面与大地水准面有最佳的符合。
当前，世界上100多个国家和地区己建立200多个参心坐标系。
这些坐标系选用的参考椭球体参数不同，椭球体的实际定位和定向不同。
坐标系原点不同。
它们只能满足各自的需要。
不是全球统一的坐标系，故参心坐标系又称为局部坐标系。
参心坐标系与地心坐标系的关系如图2.5所示：
图2.5：
参心坐标系与地心坐标系的关系
2.1.5地心坐标系
以地球质心为坐标系原点的坐标系，称为地心坐标系。
地心坐标系包括地心大地坐标系和地心直角坐标系。
建立一个地心坐标系的三个条件:
（l）确定地球椭球体。
这个地球椭球体的大小a和形状f要同大地球体最佳吻合。
（2）地心的定位和定向。
坐标系原点建立于地球质心，首子午面与国际时间局（BIH）平均零子午面重合，Z轴同国际协议地极（CIP）的极轴相重合。
（3）尺度。
采用标准的国际米作为测量长度的尺度。
一、地心大地坐标系
大地坐标系又称地理坐标系。
地理坐标系指的是:
由赤道和格林经线为基准圈的球面坐标系。
地球椭球体表面上任意一点的地理坐标，可以用地理纬度、地理经度和大地高H来表示。
如图2.6所示：
图2.6：
地心坐标系
地面上某点的地理经度是这样确定的:
它是格林子午线和该点子午线之间所截的赤道短弧或此短弧所对的球心角或极角;它以格林子午线为基准，向东或向西，由0°到180°计量，算至该点子午线作为该点的地理经度。
地理经度简称经度。
有格林子午线向东计量的叫东经，缀以“E”，向西计量的叫西经，缀以“W”。
例如:
我国北京的地理经度L=116°28’E。
地面上某点的地理纬度是这样确定的:
它是该点的椭圆子午线的法线与赤道面的交角，作为该点的地理纬度，它以赤道面为基准，向北（极）或向南（极），由0°到90°计量。
地理纬度简称为纬度。
由赤道面向北计量的叫北纬，缀以“N”;向南计量的叫南纬，缀以“S’’。
例如:
我国北京的地理纬度B=39°54’N。
大地高H—是大地点沿椭球法线方向至椭球体面的距离。
从椭球体面起算，向外为正，向内为负。
由于地球模型不同，世界上有过许多种地心坐标系。
如:
WGS－60、WGS－66、WGS－72、WGS－84、PE－90等。
二、地心空间直角坐标系
地心空间直角坐标系定义:
原点O与地球质心重合，z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面并与XZ轴构成右手坐标系，任意一点的位置可用（X、Y、Z）坐标系来表示，它们是与地心大地坐标系相对应的。
2000中国大地坐标系是中国为迎接21世纪经济的持续发展，为信息化发展提供一个基础地理平台，更科学的描述动态的地球，特别是随着全球定位系统等空间大地测量技术的不断发展和完善，而推出的地心三维坐标系。
在下面将具体介绍2000中国大地坐标系。
2.1.6国际地球参考系与国际地球参考框架
（1）国际地球参考系：
国际地球参考系是由国际地球自转服务局定义的一种协议地球坐标参考系统。
它根据一定要求，在地壳表面建立地面观测台站进行空间大地测量，并根据协议地球残系的定义，采用一组国际推荐的模型和常数系统，对观测数据进行处理，解算出各观测台站在某一历元的台站坐标和速度场。
它的定义：
原点位于地球质心，地球质心是包括海洋和大气的整个地球的质量中心；
长度单位为m（SI），是在广义相对论框架下的定义；
坐标轴的初始定向与国际时间局BIH1984.0历元的定义一致；
定向的时间演化相对于地壳不产生残余的全球性旋转，即要满足无净旋转条件。
ITRS是目前国际上最精确、最稳定的全球性地心坐标系。
（2）国际地球参考框架：
国际地球参考系的实现方式是国际地球参考框架，即它是通过一组固定于地球表面而且只作线性运动的大地点的坐标及坐标变化速率组成，这种站点装备有不同的空间大地测量系统并由IERS中心局的地球参考框架部负责建立和维护。
目前的ITRF已有ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005。
常用的有ITRF94、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005。
2.2三种常用坐标
2.2.1空间坐标
过空间点O作三条相互垂直的具有相同单位长度的轴，它们都以O作为原点。
这三条数轴分别称为X轴、Y轴、Z轴，这三条轴统称为坐标轴。
各轴之间的顺序要符合右手法则，即用手握住Z轴，让右手的四指从X轴的正向以90度转向Y轴的正向，这时右手大拇指所指的方向就是Z轴的方向。
这样的三个坐标轴构成了空间直角坐标系。
三条坐标轴中的任意两条都可以确定一个平面，称为坐标面。
它们是：
由X轴及Z轴确定的OXZ平面，由X轴及Y轴确定的OXY平面，由Y轴及Z轴确定的OYZ平面。
空间被这三个相互垂直的坐标面分成了八个部分，每个部分称为一个卦限。
每一卦限位于Z，X，Y轴的正半轴，从第一挂限开始，在OXY平面上方的卦限，按顺时针方向依次称为第一、四、三、二卦限，下方的卦限依次为第五、八、七、六卦限。
设点M为空间的某一定点，过点M分别作为三个平面分别垂直于x、y、z轴，依次交x、y、z轴于P、Q、R，设点P、Q、R在x、y、z轴上的坐标读数分别为x、y、z，那么就得到与点M唯一对应确定的有序实数组（x
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