大地测量坐标系统转换问题的研究

    赵晓琳

    

    

    

    摘要：本文对坐标转换的历史、发展和现状进行了分析研究；分析了大地测量坐标参考系的定义和内容，阐述了地球椭球、大地水准面、空间定位基准，大地测量坐标参考系等基本概念的内容及相互关系；归纳了坐标转换的基本概念，对基本公式和模型算法进行了研究；讨论了我国所使用的大地测量坐标参考系的内容、传承历史、变换参数等，包括我国的国家基准，以及在基准之上建立的各种投影平面直角坐标参考系等；运用C#对地理空间坐标参考系引擎进行了开发，组合和组织了有关控件，对大地测量坐标转换进行了计算，并给出了大地测量坐标转换的具体步骤，根据精度等转换规则对转换操作进行限制；实现了将离散点数据进行不同基准不同坐标系之间转换的过程。

    关键词：大地测量坐标参考系；空间定位基准；投影变换；基准；坐标转换

    引言：随着测绘科学技术的发展，坐标系的更新、精化以及坐标基准的变化，坐标系统的转换不可避免，我国曾先后使用过1954北京坐标系，新54北京坐标系和1980西安坐标系，由于空间技术的发展，我国建立了2000国家大地坐标系。目前，我国大量的测绘成果大都采用1954北京坐标系，把1954北京坐标系或者1980西安坐标系成果转换到2000国家大地坐标系是一个漫长的积累、更替过程，这个积累、更替的过程是逐步地进行的，并且很难彻底更替。

    1同一大地坐标转换

    1.1同一大地测量坐标基准转换

    1）大地坐标和空间直角坐标系转换

    空间大地直角坐标和大地坐标是椭球面上同一点的不同表现形式，空间直角坐标系是一种以地球质心为原点的右手直角坐标系，一般用X、Y、Z表示点的位置。如下图所示

    根据两坐标的关系，P点的位置用空间大地直角坐标（X，Y，Z）表示，其相应的大地坐标为（B，L），将该图与右图比较，右图中的子午椭圆平面相当于下图的中的OyP平面，如下图所示：

    2不同大地坐标转换

    2.1空间直角坐标转换

    2.2大地坐标转换

    不同的大地坐标系之间的换算，与参考椭球是密切相关的，因此，除了包含3个平移参数、3个旋转参数、和一个尺度参数外，还包括2个椭球参数。

    根据广义大地坐标微分公式的两套大地坐标值，可列出9个以上的方程，采用最小二乘法可求出八个转换参数。

    2.3平面直角坐标转换

    多项式转换模型，取其常数项、一次项，即采用仿射转换模型公式进行。

    3空间坐标参考系引擎设计及实践

    3.1引擎设计

    本文以windows xp 32位系统为开发环境，以C#为平台，Microsoft visual studio 2010为编译器完成了空间坐标参考系引擎的开发。引擎包含多个模块：地图投影转换模块、坐标换带模块、坐标转换模块。其中坐标转换模块设计思路下图所示：

    结论：C#对地理空间坐标系引擎开发充分采用了C#的OOP特点，引擎不仅可以直接应用，可以作为基类进行二次开发。引擎融合了多种类型的地理空间数据进行多种坐标系之间的转换、显示输出和管理等功能，主要实现了不同平面直角坐标系之间的转换、空间直角坐标系向大地坐标的转换、不同大地坐标之间的转换、不同高斯平面直角坐标系之间的转换和不同坐标投影带之间的转换。