施工測量技術(shù)|工程測量中幾種常用坐標系和坐標轉(zhuǎn)換方法
一般來講，GPS直接提供的坐標（B,L,H）是1984年世界大地坐標系(Word Geodetic System 1984即WGS-84)的坐標，其中B為緯度，L為經(jīng)度，H為大地高即是到WGS-84橢球面的高度。而在實際應(yīng)用中，我國地圖采用的是1954北京坐標系或者1980西安坐標系下的高斯投影坐標（x,y,），不過也有一些電子地圖采用1954北京坐標系或者1980西安坐標系下的經(jīng)緯度坐標（B,L），高程一般為海拔高度h。
GPS的測量結(jié)果與我國的54系或80系坐標相差幾十米至一百多米，隨區(qū)域不同，差別也不同，經(jīng)粗落統(tǒng)計，我國西部相差70米左右，東北部140米左右，南部75米左右，中部45米左右?，F(xiàn)就上述幾種坐標系進行簡單介紹，供大家參閱，并提供各坐標系的基本參數(shù)，以便大家在使用過程中自定義坐標系。
1、1984世界大地坐標系
WGS-84坐標系是美國國防部研制確定的大地坐標系，是一種協(xié)議地球坐標系。WGS-84坐標系的定義是：原點是地球的質(zhì)心，空間直角坐標系的Z軸指向BIH（1984.0）定義的地極（CTP）方向，即國際協(xié)議原點CIO，它由IAU和IUGG共同推薦。X軸指向BIH定義的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z，X軸構(gòu)成右手坐標系。WGS-84橢球采用國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會測量常數(shù)推薦值，采用的兩個常用基本幾何參數(shù)：
長半軸a=6378137m；扁率f=1:298.257223563
2、1954北京坐標系
1954北京坐標系是將我國大地控制網(wǎng)與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃大地坐標系相聯(lián)結(jié)后建立的我國過渡性大地坐標系。屬于參心大地坐標系，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。1954年北京坐標系雖然是蘇聯(lián)1942年坐標系的延伸,但也還不能說它們完全相同?！ ?/span>
3、1980西安坐標系
1978年，我國決定建立新的國家大地坐標系統(tǒng),并且在新的大地坐標系統(tǒng)中進行全國天文大地網(wǎng)的整體平差,這個坐標系統(tǒng)定名為1980年西安坐標系。屬參心大地坐標系。1980年西安坐標系Xi'an Geodetic Coordinate System 1980 采用1975國際橢球,以JYD 1968.0系統(tǒng)為橢球定向基準,大地原點設(shè)在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn),采用多點定位所建立的大地坐標系.其橢球參數(shù)采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會推薦值,它們?yōu)?
其長半軸a=6378140m; 扁率f=1/298.257。
4、高斯平面直角坐標系和UTM一般的地圖均為平面圖,其對應(yīng)的也是平面坐標.因此,需要將橢球面上各點的大地坐標,按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)律投影到平面上成為平面直角坐標.目前世界各國采用最廣泛的高斯- 克呂格投影和墨卡托投影(UTM)均是正形投影（等角投影）， 即該投影在小區(qū)域范圍內(nèi)使平面圖形與橢球面上的圖形保持相似。為了限制長度變形,，根據(jù)國際測量協(xié)會規(guī)定,將全球按一定經(jīng)差分成若干帶。我國采用6度帶或3度帶，6度帶是自零度子午線起每隔經(jīng)度。
高斯平面直角坐標系一般以中央經(jīng)線（L0）投影為縱軸X, 赤道投影為橫軸Y，兩軸交點即為各帶的坐標原點。為了避免橫坐標出現(xiàn)負值，在投影中規(guī)定將坐標縱軸西移500公里當作起始軸。為了區(qū)別某一坐標系統(tǒng)屬于哪一帶，通常在橫軸坐標前加上帶號，如(4231898m,21655933m)，其中21即為帶號。城建坐標多采用三度帶的高斯-克呂格投影。同一坐標系下的大地坐標（即經(jīng)緯度坐標B,L）與其對應(yīng)的高斯平面直角坐標（x，y）有嚴格的轉(zhuǎn)換關(guān)系?，F(xiàn)行的測繪的教科書的一般都有。
5、 地方獨立坐標系
在我國許多城市測量與工程測量中，若直接采用國家坐標系下的高斯平面直角坐標，則可能會由于遠離中央子午線，或由于測區(qū)平均高程較大，而導(dǎo)致長度投影變形較大，難以滿足工程上或?qū)嵱蒙系木纫?。另一方面，對于一些特殊的測量,如大橋施工測量，水利水壩測量，滑坡變形監(jiān)測等，采用國家坐標系在實用中也會很不方便。因此，基于限制變形，以及方便實用，科學(xué)的目的，在許多城市和工程測量中,常常會建立適合本地區(qū)的地方獨立坐標系。建立地方獨立坐標系，實際上就是通過一些元素的確定來決定地方參考橢球與投影面.地方參考橢球一般選擇與當?shù)仄骄叱滔鄬?yīng)的參考橢球，該橢球的中心，軸向和扁率與國家參考橢球相同。其橢球半徑α1增大為:α1=α+Δα1,Δα1=Hm+ζ0式中:Hm為當?shù)仄骄０胃叱?ζ0為該地區(qū)的平均高程異常。而地方投影面的確定中,選取過測區(qū)中心的經(jīng)線或某個起算點的經(jīng)線作為獨立中央子午線.以某個特定方便使用的點和方位為地方獨立坐標系的起算原點和方位,并選取當?shù)仄骄叱堂鍴m為投影面。
既然說到了不同的坐標系，就存在坐標轉(zhuǎn)換的問題。關(guān)于坐標轉(zhuǎn)換，首先要搞清楚轉(zhuǎn)換的嚴密性問題，即在同一個橢球里的坐標轉(zhuǎn)換都是嚴密的，而在不同的橢球之間的轉(zhuǎn)換這時不嚴密的。例如，由1954北京坐標系的大地坐標轉(zhuǎn)換到954北京坐標系的高斯平面直角坐標是在同一參考橢球體范疇內(nèi)的坐標轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換過程是嚴密的。由1954北京坐標系的大地坐標轉(zhuǎn)換到WGS-84的大地坐標，就屬于不同橢球體間的轉(zhuǎn)換。
不同橢球體間的坐標轉(zhuǎn)換在局部地區(qū)的采用的常用辦法是相似變換法，即利用部分分布相對合理高等級公共點求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。一般而言，比較嚴密的是用七參數(shù)的相似變換法，即X平移，Y平移，Z平移，X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K。要求得七參數(shù)就需要在一個地區(qū)需要3個以上的已知點，如果區(qū)域范圍不大，最遠點間的距離不大于30Km(經(jīng)驗值)，這可以用三參數(shù)，即X平移，Y平移，Z平移，而將X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)，尺度變化K視為0，所以三參數(shù)只是七參數(shù)的一種特例。
如果不考慮高程的影響，對于不同橢球體下的高斯平面直角坐標可采用四參數(shù)的相似變換法，即四參數(shù)（x平移，y平移，尺度變化m，旋轉(zhuǎn)角度α）。如果用戶要求的精度低于20米，在一定范圍（2＇＊2＇）內(nèi)，就直接可以用二參數(shù)法（ΔB，ΔL）或（Δx，Δy）修正。但在實際操作中，這也取決于選取的公共點是否合理，并保證其足夠的精度。
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