大地測量控制點坐標轉換技術規程

1、范圍

本規程規定了各種坐標系控制點坐標轉換到2000國家大地坐標系時控制點選取、坐標轉換模型、轉換方法、精度評價等方面應遵循的原則、適用范圍和精度要求。

本規程適用于大地測量控制點坐標轉換過程中的重合點選取、模型選擇和轉換方法。

2、規范性引用文件

下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。

GB/T 17159-2009 大地測量術語

GB/T 18314-2009 全球定位系統(GPS)測量規范

GB/T 19391-2003 全球定位系統(GPS)術語及定義

GB/T 22021-2008 國家大地測量基本技術規定

GB/T 28588-2012 全球導航衛星系統連續運行基準站網技術規范

CH/T 1004-2005 測繪技術設計規定

2010(第三版) 測繪學名詞

3、術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1 控制點

以一定精度測定其位置為其他測繪工作提供依據的固定點。

3.2 地球橢球

近似表示地球的形狀和大小，并且其表面為等位面的旋轉橢球。

3.3 參考橢球

最符合一定區域的大地水準面，具有一定大小和定位參數的旋轉地球橢球。

3.4 國際地球參考系統

由國際地球自轉服務(IERS)給出的地球坐標系統的定義和大地測量常數。

3.5 國際地球參考框架

國際地球參考系統(ITRS)的實現。由國際地球自轉服務局(IERS)根據空間大地測量技術，包括甚長基線干涉測量(VLBI)、衛星激光測距(SLR)、多里斯系統(DORIS)、全球定位系統(GPS)等，所確定的地面點的坐標所構成的集合。

3.6 大地坐標系

以地球橢球中心為原點、起始子午面和赤道面為基準面的地球坐標系。

3.7 1954年北京坐標系

將我國大地控制網與蘇聯1942普爾科沃大地坐標系聯結后建立的我國過渡性大地坐標系。

3.8 1980西安坐標系

采用IAG 1975國際橢球，以JYD1968.0系統為橢球定向基準，大地原點設在陜西涇陽縣永樂鎮，采用多點定位所建立的大地坐標系。

3.9 地心坐標系

原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點E，Y軸垂直于XOZ的平面構成右手坐標系。

3.10 1984世界大地坐標系

美國軍用大地坐標系統，坐標系定義和國際地球參考系統(ITRS)一致。

3.11 2000國家大地坐標系

原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心。Z軸為國際地球自轉局(IERS)定義的參考極方向，X軸為參考子午面與垂直于Z軸的赤道面的交線，Y軸與Z軸和X軸構成右手正交坐標系。

3.12 坐標轉換

包含坐標系變換和橢球基準變換兩層含義。在測量數據處理過程中，采用適用的轉換模型和轉換方法，空間點從某一參考橢球基準下的坐標轉換到另一坐標系統下的坐標。坐標轉換過程就是轉換參數的求解過程。

3.13 坐標系變換

同一橢球基準下，空間點的不同坐標表示形式間進行變換。包括大地坐標系和空間直角坐標系的互相轉換、空間直角坐標系與站心坐標系間的轉換和高斯投影坐標正反算。

3.14 橢球變換

空間點在不同的參考橢球間的坐標變換。

3.15 重合點

同時擁有不同坐標系坐標的控制點。

3.16 平移參數

兩坐標系轉換時，新坐標系原點在原坐標系中的坐標分量。

3.17 旋轉參數

兩坐標系轉換時，把原坐標系中的各坐標軸左旋轉到與新坐標系相應的坐標軸重合或平行時坐標系各軸依次轉過的角度。

3.18 尺度參數

兩坐標系轉換時引入的兩坐標系中長度變化參數。

3.19 連續運行基準站

連續接收和發送本站坐標及其變化，GNSS星歷，星鐘差等信息的地面固定站。

3.20 國際GNSS服務

提供全球導航衛星系統，包括GPS、GLONASS、GALILEO等衛星星歷，衛星鐘差以及相應衛星系統的地面基準站坐標等方面信息的國際組織。

3.21 參考歷元reference epoch

在天文學上，歷元是為指定天球坐標或軌道參數而規定的某一特定時刻。在天文學和衛星定位中，所獲數據對應的時刻也稱為歷元。

3.22 觀測歷元

為比較不同時刻的觀測結果，需要注明觀測資料所對應的觀測時刻，稱之為觀測歷元。

3.23 板塊

板塊是指巖石圈板塊，即地殼和軟流圈以上的地幔頂部。

3.24 2000國家GPS大地控制網

2000國家GPS大地控制網由A、B級網、GPS一、二級網以及中國地殼運動觀測網聯合平差后，得到的以CGCS2000三維地心坐標為特征的高精度全國性大地控制網。

3.25 最小二乘法

在殘差滿足VTPV為最小的條件下解算測量估值或參數估值并進行精度估算的方法，其中V為殘差向量，P為其權陣。

4、控制點類型

4.1控制點分類

a)國家級GNSS連續運行基準站點。

b)2000國家GPS大地控制網點。

c)國家一、二、三、四等天文大地點。

d)省級GNSS連續運行基準站點。

e)省市衛星大地控制網C級點、D級點。

f)其他1954年北京坐標系、1980西安坐標系及相對獨立的平面坐標系下的控制點。

上述控制點中，a)、b)、c)三類控制點已有2000國家大地坐標系坐標;d)、e)兩類控制點需要歸算到2000國家大地坐標系;f)類控制點需轉換到2000國家大地坐標系。

4.2控制點精度

表1 控制點的2000國家大地坐標系坐標精度要求

4.3控制點用途

高等級控制點可用于低等級控制網的外部控制;可用于1954年北京坐標系、1980西安坐標系坐標成果轉換為2000國家大地坐標系坐標成果時計算坐標轉換參數。

a)國家級GNSS連續運行基準站點：可作為省級連續運行基準站網建設的控制點。

b)2000國家GPS大地控制網點：可作為天文大地點控制點及相對獨立的平面坐標系建立控制點。

c)國家一、二等天文大地點：可作為三、四等天文大地點的控制點使用。

d)國家三、四等天文大地點：可作為測圖控制點使用;三等及以上天文大地點坐標成果可作為像控點的起算點。

e)省級GNSS連續運行基準站點：點位坐標歸算到2000國家大地坐標系后，可作為省級、市、縣城市基礎建設控制網點。

f)省市衛星大地控制網C級點、D級點：點位坐標歸算到2000國家大地坐標系后，可作為建立相對獨立的平面坐標系的控制點。

g)其他大地測量控制點：點位坐標轉換到2000國家大地坐標系后，可作為建立相對獨立的平面坐標系的控制點。

5、控制點坐標轉換模型及適用范圍

5.1總則

在控制點坐標轉換過程中，控制點所在坐標系涉及到1954年北京坐標系、1980西安坐標系、2000國家大地坐標系，上述坐標系的參考橢球基準及參數參見附錄A。

5.2轉換模型

a)布爾沙模型：用于不同地球橢球基準下的空間直角坐標系間的點位坐標轉換。涉及七個參數，即三個平移參數，三個旋轉參數和一個尺度變化參數。

b)三維七參數轉換模型：用于不同地球橢球基準下的大地坐標系間的點位坐標轉換，涉及三個平移參數，三個旋轉參數和一個尺度變化參數，同時需顧及兩種大地坐標系所對應的兩個地球橢球長半軸和扁率差。

c)二維七參數轉換模型：用于不同地球橢球基準下的地心坐標系向大地坐標系的點位坐標轉換，涉及三個平移參數，三個旋轉參數和一個尺度變化參數。

d)三維四參數轉換模型：用于局部區域內、不同地球橢球基準下的地心坐標系向大地坐標系間的坐標轉換，涉及三個平移參數和一個旋轉參數。

e)二維四參數轉換模型：用于局部區域內、不同高斯投影平面坐標轉換，涉及兩個平移參數，一個旋轉參數和一個尺度參數。對于三維坐標，需將坐標通過高斯投影變換得到平面坐標，再計算轉換參數。

f)多項式擬合模型：不同范圍的坐標轉換均可用多項式擬合。有橢球面和平面兩種形式。橢球面上多項式擬合模型適用于全國或大范圍的擬合;平面擬合多用于相對獨立的平面坐標系統轉換。

上述轉換模型參見附錄B。

5.3適用范圍

a)布爾沙模型：適用于省級及全國范圍的控制點空間直角坐標轉換。

b)三維七參數轉換模型：適用于橢球面3°及以上的省級及全國范圍的控制點坐標轉換。

c)二維七參數轉換模型：適用于橢球面3°及以上的省級及全國范圍控制點坐標轉換。

d)三維四參數轉換模型：適用于2°以內局部范圍的控制點坐標轉換。

e)二維四參數轉換模型：適用于小范圍的控制點平面坐標轉換、相對獨立的平面坐標系統與2000國家大地坐標系的聯系。

f)多項式擬合模型：橢球面多項式擬合適用于全國或大范圍的大地坐標擬合;平面擬合多用于相對獨立的平面坐標系統轉換。

5.4模型選取

表2 控制點轉換到2000國家大地坐標系、

坐標轉換模型選取

6、控制點坐標轉換

6.1省級GNSS連續運行基準站點坐標歸算

本方法適用于非2000國家大地坐標系下的省級GNSS連續運行基準站點坐標向2000國家大地坐標系的歸算。

6.1.1基準控制點選取

選取我國周邊穩定的IGS站、國內IGS站及國家級GNSS連續運行基準站至少10個作為省級GNSS連續運行基準站的最高級基準控制站。選取原則有：

a)連續性：測站連續觀測近3年(或以上);

b)穩定性：站點坐標時序穩定性好，具有穩定、可知的點位速度;

c)高精度：速度場精度優于3mm/y;

d)多種解：至少3個不同分析中心的速度場殘差優于3mm/y;

e)平衡性：站點盡量全球分布;

f)精度一致性：站點位置和速度的精度應當一致。

6.1.2數據處理

采用國內外成熟的高精度數據處理軟件對GNSS連續運行基準站觀測數據進行處理與平差，獲得各站點在現ITRF框架、觀測歷元下的位置和基線向量。省級GNSS連續運行基準站作為省級2000國家大地坐標系框架基準，需將相鄰省份的相鄰GNSS連續運行基準站納入本省GNSS連續運行基準站一同處理。

6.1.3框架轉換

GNSS連續運行基準站點獲得的觀測歷元的坐標轉換為2000國家大地坐標系的坐標成果，需經歷元歸算、板塊運動改正、框架轉換三個步驟。

a)歷元歸算。不同ITRF框架對應的歷元不同，需將不同ITRF框架下各參數(參見附錄C)歸算到同一歷元下。框架間如無直接轉換關系，可按間接方法轉換;

b)板塊運動改正。計算框架點坐標從觀測歷元到需轉換歷元期間，由于板塊運動引起的坐標變化值;

c)框架轉換。利用框架轉換公式進行基準站坐標計算。

框架轉換公式參見附錄D。

6.2省市級衛星大地控制網點坐標轉換

省市級衛星大地控制網C級點坐標、D級點坐標轉換到2000國家大地坐標系的方法參見6.1。

6.3其他控制點坐標轉換

本方法適用于除上述控制點類型外的、其他1954年北京坐標系、1980西安坐標系及相對獨立的平面坐標系下的大地測量控制點坐標向2000國家大地坐標系的轉換。

6.3.1重合點選取原則

選用具有原坐標系坐標和2000國家大地坐標系坐標的控制點作為重合點。重合點選取的基本原則為：等級高、精度高、分布均勻、覆蓋整個轉換區域、局部變形小。

6.3.2轉換參數計算

轉換參數計算按以下步驟進行：

a)按轉換區域選取適當的轉換模型;

b)按重合點選取原則選擇重合點;

c)將重合點代入轉換模型，利用最小二乘法計算轉換參數;

d)用得到的轉換參數計算重合點坐標殘差;

e)剔除殘差大于3倍點位中誤差的重合點;

f)重復上述b)到e)的計算過程，直至重合點坐標殘差均小于3倍點位中誤差;

g)最終用于計算轉換參數的重合點數量與轉換區域大小有關，但不得少于6個;

h)根據最終確定的重合點，利用最小二乘法計算轉換參數。

6.3.3坐標轉換

利用計算得到的轉換參數，進行坐標轉換，求得各控制點在2000國家大地坐標系下的坐標。

6.3.4外部檢核點數量要求

利用未參與計算轉換參數的重合點作為外部檢核點，其點數不少于6個且均勻分布;

7、精度評定

7.1省級GNSS連續運行基準站點坐標歸算精度評定

省級GNSS連續運行基準站點坐標歸算后坐標精度在平面3cm以內。

7.2其他控制點坐標轉換精度評定

采用內符合精度和外符合精度評定，依據計算轉換參數的重合點殘差中誤差評估坐標轉換精度，殘差小于3倍點位中誤差的點位精度滿足要求。

內符合精度計算公式參見附錄E。