gnss坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換研究

1、gnss坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換研究 摘要： 本文通過對gnss坐標(biāo)系統(tǒng)變換中的橢球變換、平面變換與高程變換，描述從wgs84大地坐標(biāo)到地方獨(dú)立坐標(biāo)的全過程，其中包括橢球變換、投影變換、四參數(shù)變換、高程異常計(jì)算等，最終獨(dú)立地方坐標(biāo)直接為工程建設(shè)所應(yīng)用。 關(guān)鍵字： gnss2000中國大地坐標(biāo)系(cgcs2000)坐標(biāo)系統(tǒng)變換 橢球變換地圖投影水準(zhǔn)模型 中圖分類號：p286+.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼： a 文章編號： 1、前言 隨著美國的gps全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、俄羅斯的glonass全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的galileo系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強(qiáng)系統(tǒng)compass也不甘示弱，目前實(shí)現(xiàn)中國及其周邊海域的區(qū)

2、域覆蓋，精度可完全與gps相當(dāng)，形成具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ娜蛐l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，英文全稱為global navigation satellite system，簡稱為gnss。隨著gnss技術(shù)日益完善，gnss測量正廣泛應(yīng)用于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，如：gis前端數(shù)據(jù)采集、國土巡查、電力巡檢、特種車輛的監(jiān)控等行業(yè)，但由于gnss設(shè)置輸出wgs84地心坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)b、l、h，而實(shí)際工作應(yīng)用中會(huì)使用參心坐標(biāo)系北京54、西安80的投影直角坐標(biāo)x,y,h甚至地方獨(dú)立坐標(biāo)，如何將wgs84大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成參心坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)或地方獨(dú)立坐標(biāo)成為一種必須要解決的問題，本文通過從平面與高程兩個(gè)方面研究坐標(biāo)系統(tǒng)變換過程

3、。 2、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型 本文主要研究從wgs84坐標(biāo)系到地方獨(dú)立坐標(biāo)系要經(jīng)過如下變換： 將wgs84坐標(biāo)系大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)橢球系大地坐標(biāo)。（本文以北京54坐標(biāo)系為例） 將北京54參心大地坐標(biāo)，利用投影算法（本文以高斯投影為例），高斯投影對高程無影響。 利用已知點(diǎn)的兩種平面坐標(biāo)及,求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)：兩個(gè)平移參數(shù)，一個(gè)尺度因子，一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。 利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將轉(zhuǎn)換為獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)（xy）local 利用高程擬合參數(shù)，或大地水準(zhǔn)模型精化，將gps測量的大地高h(yuǎn)轉(zhuǎn)換為似大地水準(zhǔn)地面高程h，即正常高。 2.1 橢球變換 gnss設(shè)備直接提供的坐標(biāo)（b,l,h）是1984年世界大地坐標(biāo)系，而在實(shí)際應(yīng)用

4、中，我國地圖采用的是1954北京坐標(biāo)系或者1980西安坐標(biāo)系下的高斯投影坐標(biāo)（x,y,），高程一般為海拔高度h。wgs-84坐標(biāo)系是美國國防部研制確定的大地坐標(biāo)系，是一種協(xié)議地球坐標(biāo)系。采用的兩個(gè)常用基本幾何參數(shù)：長半軸a=6378137m；扁率f=1:298.257223563。1954北京坐標(biāo)系是屬于參心大地坐標(biāo)系，采用了前蘇聯(lián)的克拉索夫斯基橢球體。其長半軸 a=6378245，扁率 f=1/298.3。 首先是橢球變換，wgs84大地坐標(biāo)系blh轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)系xyz，然后要把wgs84下的空間直角坐標(biāo)系通過7參數(shù)轉(zhuǎn)換成為目標(biāo)橢球下的空間直角坐標(biāo)。傳統(tǒng)橢球變換采用布爾莎7參數(shù)模型（b

5、模型），局部地區(qū)使用莫洛堅(jiān)斯基模型（m模型），莫洛堅(jiān)斯基模型在7參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加了旋轉(zhuǎn)原點(diǎn)，我國的澳門地區(qū)使用莫洛堅(jiān)7參數(shù)模型。通常環(huán)境下，兩種模型基本等價(jià)，大范圍區(qū)域建議使用b模型。 布爾莎7參數(shù)（b模型）模型： =+(1+k) 模型中參數(shù)如下： 三個(gè)坐標(biāo)平移量（x，y，z），即兩個(gè)空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)之間坐標(biāo)差值； 三個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度（，）。 尺度因子k，即兩個(gè)空間坐標(biāo)系內(nèi)的同一段直線的長度比值。通常k值幾乎等于1. 在小范圍之內(nèi)有三參數(shù)，即只有只有三個(gè)平移參數(shù)（x，y，z），在一些手持機(jī)軟件中使用五參數(shù)，在三參數(shù)的基礎(chǔ)上，增加與wgs84長半軸與扁率倒數(shù)之差。對于布爾莎模型，7參數(shù)模

6、型相對于3參數(shù)模型更嚴(yán)密，但存在局部區(qū)域內(nèi)參數(shù)不穩(wěn)定且難于確保參數(shù)在控制點(diǎn)外圍區(qū)域的轉(zhuǎn)換精度，因此，7參數(shù)模型和3參數(shù)模型有各自的應(yīng)用區(qū)域大小。 2.2 投影變換 目標(biāo)橢球系(北京54)的經(jīng)緯度坐標(biāo)blh經(jīng)地圖投影，我國從1952年開始采用高斯投影，高斯投影是等角投影，也是正形投影的一種，保證在有限的范圍內(nèi)使地圖上圖形與橢球 上的圖形保持相似。高斯投影屬于橫軸墨卡托投影，包含的參數(shù)中央子午線lo,投影高）,北加常數(shù),東加常數(shù)（500km），k比例系數(shù) 。 2.3 地方坐標(biāo)變換 經(jīng)過投影后生成投影的平面直角坐標(biāo)，經(jīng)四參數(shù)變換，即兩個(gè)平移參數(shù)(_ )_()(&) (_ )_ 2.4 高程變換 橢球

7、高、水準(zhǔn)高、高程異常關(guān)系如下圖所示： 圖中，橢球高（h）為地球表面到參考橢球面的高程，也稱為大地高;水準(zhǔn)高（h）為地球表面到似大地水準(zhǔn)面的高程，也叫正常高;高程異常（）為似大地水準(zhǔn)面與橢球面的高程差。 高程的轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)有兩種方式：高程擬合方式與大地水準(zhǔn)面精化，高程擬合方式采用投影后的坐標(biāo)、正高、已知水準(zhǔn)高（正常高），通過平面擬合或曲面擬合的方式，計(jì)算擬合參數(shù)，根據(jù)參數(shù)方程計(jì)算高程異常；采用高程擬合方式，一般采用二次曲面擬合的方式f ( x , y ) = a0 + a1x + a2 y + a3xy + a4x2+ a5y2。 gnss設(shè)備測量求得的原始坐標(biāo)是wgs-84坐標(biāo)（b,l,h）。我國

8、水準(zhǔn)測量是采用1985國家高程基準(zhǔn)，以似大地水準(zhǔn)面為起算面，最后是以正常高作為使用的高程。測量原理不同，兩種測量的起算面不同，所以兩種高程值之間存在高程異常，大地水準(zhǔn)面模型精化是利用wgs84坐標(biāo)，計(jì)算高程異常值，從而由gps高程轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高。 在大地水準(zhǔn)面精化模型中，計(jì)算高程異常有三種插值算法：雙線性插值，雙二次插值，雙樣條插值。 如果使用gnss要達(dá)到水準(zhǔn)測量要求的正常高的值，必須提高大地高和高程異常值的精度。rtk測量技術(shù)可獲得高精度的測量成果 ,高程精度能夠達(dá)到四等水準(zhǔn)測量的精度。 2.5其它坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換算法、不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間變換 對于目標(biāo)成果與國家2000坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換， 2000

9、中國大地坐標(biāo)系(china geodetic coordi2nate system2000, cgcs2000),又稱之為2000國家大地坐標(biāo)系,是我國新一代大地坐標(biāo)系長半軸a = 6378137. 0m;扁率f = 1/298. 25722210 。坐標(biāo)變換可以通過聯(lián)合平差實(shí)現(xiàn),而一般通過一定變換模型實(shí)現(xiàn)。對于中等精度要求,可采用7參數(shù)模型;對于低精度要求,可采用4參數(shù)或3參數(shù)模型。 3、結(jié)束語 本人通過編寫gpstool坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具軟件驗(yàn)證了坐標(biāo)系統(tǒng)的整個(gè)流程，包括橢球變換、地圖投影、四參數(shù)計(jì)算、高程擬合、水準(zhǔn)模型高程導(dǎo)常計(jì)算等，通過根據(jù)實(shí)際比較，達(dá)到轉(zhuǎn)換精度，可廣泛應(yīng)用于工程應(yīng)用中，只是

10、算法中沒有考慮無投影無基準(zhǔn)模式，這將在后續(xù)的研究中加以完善，以更加貼近工程實(shí)際。 參考文獻(xiàn)： 孔祥元 郭際明 劉宗全武漢 大地測量學(xué)基礎(chǔ)武漢大學(xué)出版社 ，2011.5 李洪濤 許國昌北京gps應(yīng)用程序設(shè)計(jì)科學(xué)技術(shù)出版社，1999 魏子卿,大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2000中國大地坐標(biāo)系，2008.12 于彩霞，測繪科學(xué)，bursa的3參數(shù)據(jù)模型與7參數(shù)模型適用性研究，2008.3 附：畢業(yè)論文格式1、題目：應(yīng)簡潔、明確、有概括性，字?jǐn)?shù)不宜超過20個(gè)字。2、摘要：要有高度的概括力，語言精練、明確，中文摘要約100200字;3、關(guān)鍵詞：從論文標(biāo)題或正文中挑選35個(gè)最能表達(dá)主要內(nèi)容的詞作為關(guān)鍵詞。4、目錄：寫出目錄，標(biāo)明頁碼。5、正文：專科畢業(yè)論文正文字?jǐn)?shù)一般應(yīng)在3000字以上。畢業(yè)論文正文：包括前言、本論、結(jié)論三個(gè)部分。前言(引言)是論文的開頭部分，主要說明論文寫作的目的、現(xiàn)實(shí)意義、對所研究問題的認(rèn)識，并提出論文的中心論點(diǎn)等。前言要寫得簡明扼要，篇幅不要太長。本論是畢業(yè)論文的主體，包括研究內(nèi)容與方法、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(討論)等。在本部分要運(yùn)用各方面的研究方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析問題，論證觀點(diǎn)，盡量反映出自己的科研能力和學(xué)術(shù)水平。結(jié)論是畢業(yè)論文的收尾部分，是圍繞本論所作的結(jié)束語。其基本的要點(diǎn)就是總結(jié)全文，加深題意。6、謝辭：簡述自己通過做畢