CGCS坐标转换问题的思考.docx

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CGCS坐标转换问题的思考

CGCS2000坐标转换问题的思考

背景：

按照自然资源部要求，2018年7月1日后，自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系；自2019年1月1日起，全面停止向社会提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果。

CGCS2000定义示意图

作者通过两年多的培训班授课，与一线从业人员做了大量交流和研讨，总结了CGCS2000坐标转换的若干重点问题与解决方法，基本涵盖了生产实践中的具体问题。

现将一些思考和心得记叙如下：

1、不是一个软件就能解决问题

测绘相关行业的从业人员涉及到的专业主要包括：

大地测量、工程测量、导航、遥感、GIS，甚至计算机专业。

当前，遥感和GIS专业很实用、很热门。

但是，无论如何，大地测量专业都是测绘行业的基石。

了解和掌握一些大地测量基础知识，可以在生产实践中做到心中有数。

与遥感和GIS专业偏重于软件应用和开发不同，大地测量是一门科学。

而大地测量最重要、最基础、最难的内容就是基准，以及基准转换问题。

主要包括：

坐标基准、高程基准、重力基准。

遥感和GIS专业的一线从业人员习惯于用软件解决问题。

学习CGCS2000坐标转换的目的也很直接，就是获得一个软件，并学会使用。

软件我们当然会拷贝给学员，而且是永久性的免费使用。

然而，与以往不同。

由空间测量技术实现的高精度地心坐标必须考虑板块运动影响，同时也大幅度增加了坐标转换的复杂性。

在实践中会遇到各种各样的具体情况，并不是一个软件就能解决问题的。

必须深入理解，才能做到举一反三。

在测绘行业中，大地测量理论难度最大，但无法回避。

对于不同专业背景的从业人员，学习大地测量知识，可以侧重于知识体系的构建，避免纠缠于具体公式。

采用总结、归纳、分类、比较的方式，尽量做到打消神秘感、理解原理、理顺逻辑、解决困惑、掌握应用。

2、行业内的两极分化现象

当前，行业内存在明显的两极分化现象。

一方面，大量专家做着高精尖的科研项目；另一方面，一线从业人员满足于采用固定的工作流程完成项目。

这两极存在较严重的隔离现象。

例如坐标转换问题，我们有很多研究成果，实际上并不实用。

这样说可能有失偏颇，但是，最起码这些程序没有给大家推广使用，只是发表了一些文章。

而很多一线从业人员仅仅就知道个七参数转换、四参数转换，能完成任务就行。

《技术规范》给出了8个经典模型，每个都有自己的特点和适用条件。

我们也应该有所取舍，不能一个七参数模型走遍天下。

控制点转换到2000国家大地坐标系的坐标转换模型选取

市面上有很多坐标系方面的书籍和教材，很难找到一本能站在一线从业人员的角度来详细描述的。

一是，大家的很多困惑和问题，专家们并不了解。

二是，解决这些问题不出成果，不能显示水平。

三是，在专家们的意识里，这根本就不是问题，不值得探讨。

你怎么会连这些都不懂呢？

如果不是在授课中与大量一线从业人员的广泛交流和探讨，作者也不可能想象出这么多的实际存在的、具有普遍性的问题。

事实上，经过两年多的坐标系主题授课，作者发现，要把CGCS2000坐标转换讲透彻，并不是一件容易的事。

其中牵扯到各个专业、各种情况、方方面面。

具体的问题都可以单独解决，但要系统化、条理化，让人听得懂，能灵活运用，还真的是剪不断、理还乱。

为了能清晰表达，还不得不定义了一些新的名词。

这些名词虽然还没有得到官方认可，但是随着作者的推广，以及大家的普遍使用，也将会成为约定俗成的说法。

当然，也有一些培训班会把《技术指南》或《技术要求》照本宣科一遍，这是极不负责任的态度。

无论机构或者个人，口碑是最重要的。

3、软件和硬件傻瓜化，人不能傻瓜化

现在的软件和硬件越来越智能化，也可以称为傻瓜化。

软件和硬件的傻瓜化，也会直接导致人的傻瓜化。

例如，以前测地形图，需要布设控制网、测量图根点，还需要测量每个细部，然后还要内业数据处理、成图。

现在只需要用RTK和无人机就可以很方便的完成任务。

一个没有学过测量的人，也完全可以胜任大部分工作。

遥感和GIS专业也存在这种问题，经过短时间培训就能熟练使用软件，懂不懂测绘好像也无关紧要。

这些从很多学员提的外行问题中可以明确感觉到。

这就导致很多公司不愿意花更多的成本聘请专业人员。

他们把CGCS2000坐标转换也看作是一个软件的问题。

花钱报个培训班，派两个熟练工，学两天就要回去解决问题。

这是不可能的，也不利于长远发展，对整个行业也是一种伤害。

再例如，很多软件可以直接用重合点的xyH坐标（平面坐标和高程）来求布尔莎七参数。

但实际上用xyH坐标是不能直接求出布尔莎七参数的。

在后台，软件用中央子午线将xyH坐标变成了BLH或XYZ坐标，然后才求出布尔莎七参数。

但是这样就会给大家带来误解，在求七参数时产生很多困惑。

这是一个非常普遍的问题。

因此，软件和硬件可以傻瓜化，人不能傻瓜化。

应该保持对专业的尊重，重视对原理的理解。

4、一些容易混淆的概念

在我们的教材和课堂中，还在给大家讲着CIO和格林尼治天文台这些古典概念。

事实上，我国从来没有使用过CIO。

现代的地心坐标系使用的是IERS参考极IRP和IERS参考子午线IRM。

还有坐标系的尺度问题。

为什么ITRF使用的是地球时TT，而CGCS2000使用的是地心坐标时TCG？

尺度为什么由时间来定义？

CGCS2000的参考历元是2000.0，这个2000.0怎么来的？

如何计算？

和J2000.0有关系吗？

历元归算与框架转换

这些概念在很多书中只是简单罗列了一下概念，并没有给出明确和易于理解解释。

看起来都很熟悉，其实不知道是怎么回事。

就连动态坐标系中最基础、最重要的历元和速度场的概念，大部分从业人员甚至都没听说过。

还有一个，我们现在关心的和迫切要解决的是生产中的坐标转换问题。

但是很多培训班一上来就给大家讲天球参考系，又是岁差，又是章动的。

我们做的是地球上的坐标转换，天球参考系是研究卫星轨道时才用的。

要说拓展知识面吧，关键是很多人对地球参考系还稀里糊涂的，他会把天球参考系和地球参考系的概念混淆。

就不止一个人问过我，地心坐标的历元归算是不是岁差引起的？

况且，天球参考系也是一个过时的、古典的概念。

现在使用的是与地球本体无关的四维时空参考系，其定义与天极、赤道、黄道都无关。

5、西部地区的特殊性

很多理论和方法在东部地区可以很好的实现，但是到了西部地区就会出问题。

除了自然条件以外，往往不是人的水平问题，高程因素是一个重要原因。

例如独立坐标系投影,用不同软件投影出来的平面坐标不同，差异随抵偿高程面的增加而变大，在西藏甚至差10米。

另外，在西藏，在中央子午线一致的前提下，加了抵偿高程面和没加抵偿高程面的平面坐标x值相差接近3公里。

再例如，在ArcGIS的布尔莎七参数坐标转换过程中，转换精度和测区平均大地高相关。

西藏地区仅因大地高而引起的平面坐标转换误差就可能超过10cm。

这些都是客观存在的问题。

我们首先应该承认它，直面这些问题，给出理论解释，提出解决方案。

虽不能改变现状，但能打消大家的疑惑，做到心中有数，进而灵活处理问题。

6、常常被忽视的高程转换

遥感和GIS专业更多的处理的是平面地图，对于高程经常是一知半解，甚至认为XYZ坐标中的Z值就是高程！

高程具有区域性和复杂性特点。

有不同的高程系统，还有不同的基准。

85基准高程还有“99水准网”和“15水准网”两种不同的实现版本。

不了解这些概念的话，就会出现诸如：

为什么千寻测出的高程差好几米？

这样的问题。

高程具有区域性和复杂性特点

高程转换的复杂程度并不比坐标系少。

如果精度要求不高，就不需要测水准，直接用程序计算高程异常。

7、莫名其妙的54坐标系转换

按照《技术要求》，北京54坐标转换到CGCS2000坐标分两步走：

北京54坐标先转换为西安80坐标，再把西安80坐标转换为CGCS2000坐标。

按照《技术指南》，北京54坐标转换到西安80坐标也需要分两步：

首先计算大地坐标改正量，然后计算平差改正量。

用这两个改正量就可以将北京54坐标转换到西安80坐标。

坐标系参数

仅依据《技术要求》和《技术指南》根本无法理解这个莫名其妙的转换流程，原因在于这两个文件中都没有提及“1954北京坐标系（整体平差转换值）”这个坐标系。

引入这个坐标系以后，整个转换过程就非常清晰了。

明白了原理，解决了困惑，这样还不够。

用户往往不具备资源条件，例如现在很难找到诸如平差改正数分布图这些资料了。

因此，我们还需要提出可行的解决方案。

8、令人纠结的WGS84坐标系

大量文献中都探讨了WGS84坐标系，并与CGCS2000坐标系做了详细比较。

但是于事无补，我们想知道WGS84坐标与CGCS2000坐标到底差多少？

关于这个问题，各种说法都有。

有些网络RTK给用户既提供WGS84坐标，也提供CGCS2000坐标。

有些WGS84坐标与CGCS2000坐标差几十公分，有些则很接近。

WGS84坐标与CGCS2000坐标的差异不能一概而论，需要从历元、框架、精度和实现四个方面去比较，就可以得到明确的结论了。

WGS84坐标系与北斗坐标系并没有本质区别，为什么北斗坐标系不存在这些问题呢？

这又是一个历史的误会。

过去把GPS测得的坐标都叫做WGS-84坐标，这种观念在早期码伪距单点定位时是正确的。

而且由于其十米多的定位精度，也不需要考虑坐标的时变性。

后来发展了高精度的相对定位和精密单点定位技术，这时解出的坐标已经不是WGS-84坐标了。

但是这种观念和习惯一直延续至今。

WGS-84坐标如何转换到CGCS2000坐标？

也不能一概而论，你必须先了解你的WGS-84坐标是如何得到的。

或者通过与CGCS2000坐标比较，推断出WGS-84坐标的历元。

最起码要保证一组WGS-84坐标是同一时期的坐标。

这样才能合理选择采用动态或静态的方法转换。

而《技术规范》里关于WGS-84坐标转换的叙述有明显错误。

CGCS2000椭球与GRS80和WGS84椭球推导几何参数比较

WGS-84坐标与CGCS2000坐标到底是什么关系？

很简单，CGCS2000坐标是约定了历元和框架的ITRS坐标，WGS-84坐标则是没有约定历元和框架的ITRS坐标。

同北斗坐标系一样，WGS-84坐标系只是一个卫星导航坐标系。

9、在学习中要有批判精神

现在的一些期刊、教科书，甚至规范中也存在错漏和不合理之处。

我们在学习中一定要有批判精神，不能全信。

有时候可能并不是你自己的错，但是只有自己搞懂了，才能心中有数、灵活处理。

某些资料中提到，西安80坐标转到CGCS2000坐标，椭球面积每平方公里应该减小0.939平方米。

这个结论是用椭球面积公式计算出来的，只考虑了椭球大小变化对面积的影响，没有考虑椭球的径向平移，也没有考虑尺度缩放。

因此，没有参考价值。

事实上有些地方是每平方公里增加9平方米。

这就需要一个更合理的估算公式。

在分丘图、宗地图、房屋平面图的坐标转换中，要求坐标转换到CGCS2000后面积不能改变。

但是无论是坐标转换，还是实测CGCS2000坐标，面积必然会改变。

那么只能牺牲精度来实现等面积转换了。

按照《技术规范》要求，动态转换时，应该先做历元归算，后做框架转换。

对于2020.0历元的坐标，如果先做框架转换，后做历元归算，就会发现两种不同转换顺序得到的坐标差约10cm。

从逻辑上看，两个动态转换顺序都没有问题。

那么，这10cm差异从哪里来？

速度是用坐标拟合出来的，因此速度也有对应的参考框架。

《技术规范》里的速度场模型忽略了速度的参考框架。

就会导致这10cm的差异。

结束语：

CGCS2000坐标转换千头万绪，会有各种情况。

限于篇幅，这里只能列出一些普遍的共性问题。

总之，只有理解原理，才能举一反三。