大地测量控制点坐标转换技术规程

1、范围

本规程规定了各种坐标系控制点坐标转换到2000国家大地坐标系时控制点选取、坐标转换模型、转换方法、精度评价等方面应遵循的原则、适用范围和精度要求。

本规程适用于大地测量控制点坐标转换过程中的重合点选取、模型选择和转换方法。

2、规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 17159-2009 大地测量术语

GB/T 18314-2009 全球定位系统(GPS)测量规范

GB/T 19391-2003 全球定位系统(GPS)术语及定义

GB/T 22021-2008 国家大地测量基本技术规定

GB/T 28588-2012 全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范

CH/T 1004-2005 测绘技术设计规定

2010(第三版) 测绘学名词

3、术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1 控制点

以一定精度测定其位置为其他测绘工作提供依据的固定点。

3.2 地球椭球

近似表示地球的形状和大小，并且其表面为等位面的旋转椭球。

3.3 参考椭球

最符合一定区域的大地水准面，具有一定大小和定位参数的旋转地球椭球。

3.4 国际地球参考系统

由国际地球自转服务(IERS)给出的地球坐标系统的定义和大地测量常数。

3.5 国际地球参考框架

国际地球参考系统(ITRS)的实现。由国际地球自转服务局(IERS)根据空间大地测量技术，包括甚长基线干涉测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、多里斯系统(DORIS)、全球定位系统(GPS)等，所确定的地面点的坐标所构成的集合。

3.6 大地坐标系

以地球椭球中心为原点、起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。

3.7 1954年北京坐标系

将我国大地控制网与苏联1942普尔科沃大地坐标系联结后建立的我国过渡性大地坐标系。

3.8 1980西安坐标系

采用IAG 1975国际椭球，以JYD1968.0系统为椭球定向基准，大地原点设在陕西泾阳县永乐镇，采用多点定位所建立的大地坐标系。

3.9 地心坐标系

原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ的平面构成右手坐标系。

3.10 1984世界大地坐标系

美国军用大地坐标系统，坐标系定义和国际地球参考系统(ITRS)一致。

3.11 2000国家大地坐标系

原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴为国际地球自转局(IERS)定义的参考极方向，X轴为参考子午面与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。

3.12 坐标转换

包含坐标系变换和椭球基准变换两层含义。在测量数据处理过程中，采用适用的转换模型和转换方法，空间点从某一参考椭球基准下的坐标转换到另一坐标系统下的坐标。坐标转换过程就是转换参数的求解过程。

3.13 坐标系变换

同一椭球基准下，空间点的不同坐标表示形式间进行变换。包括大地坐标系和空间直角坐标系的互相转换、空间直角坐标系与站心坐标系间的转换和高斯投影坐标正反算。

3.14 椭球变换

空间点在不同的参考椭球间的坐标变换。

3.15 重合点

同时拥有不同坐标系坐标的控制点。

3.16 平移参数

两坐标系转换时，新坐标系原点在原坐标系中的坐标分量。

3.17 旋转参数

两坐标系转换时，把原坐标系中的各坐标轴左旋转到与新坐标系相应的坐标轴重合或平行时坐标系各轴依次转过的角度。

3.18 尺度参数

两坐标系转换时引入的两坐标系中长度变化参数。

3.19 连续运行基准站

连续接收和发送本站坐标及其变化，GNSS星历，星钟差等信息的地面固定站。

3.20 国际GNSS服务

提供全球导航卫星系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO等卫星星历，卫星钟差以及相应卫星系统的地面基准站坐标等方面信息的国际组织。

3.21 参考历元reference epoch

在天文学上，历元是为指定天球坐标或轨道参数而规定的某一特定时刻。在天文学和卫星定位中，所获数据对应的时刻也称为历元。

3.22 观测历元

为比较不同时刻的观测结果，需要注明观测资料所对应的观测时刻，称之为观测历元。

3.23 板块

板块是指岩石圈板块，即地壳和软流圈以上的地幔顶部。

3.24 2000国家GPS大地控制网

2000国家GPS大地控制网由A、B级网、GPS一、二级网以及中国地壳运动观测网联合平差后，得到的以CGCS2000三维地心坐标为特征的高精度全国性大地控制网。

3.25 最小二乘法

在残差满足VTPV为最小的条件下解算测量估值或参数估值并进行精度估算的方法，其中V为残差向量，P为其权阵。

4、控制点类型

4.1控制点分类

a)国家级GNSS连续运行基准站点。

b)2000国家GPS大地控制网点。

c)国家一、二、三、四等天文大地点。

d)省级GNSS连续运行基准站点。

e)省市卫星大地控制网C级点、D级点。

f)其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的控制点。

上述控制点中，a)、b)、c)三类控制点已有2000国家大地坐标系坐标;d)、e)两类控制点需要归算到2000国家大地坐标系;f)类控制点需转换到2000国家大地坐标系。

4.2控制点精度

表1 控制点的2000国家大地坐标系坐标精度要求

4.3控制点用途

高等级控制点可用于低等级控制网的外部控制;可用于1954年北京坐标系、1980西安坐标系坐标成果转换为2000国家大地坐标系坐标成果时计算坐标转换参数。

a)国家级GNSS连续运行基准站点：可作为省级连续运行基准站网建设的控制点。

b)2000国家GPS大地控制网点：可作为天文大地点控制点及相对独立的平面坐标系建立控制点。

c)国家一、二等天文大地点：可作为三、四等天文大地点的控制点使用。

d)国家三、四等天文大地点：可作为测图控制点使用;三等及以上天文大地点坐标成果可作为像控点的起算点。

e)省级GNSS连续运行基准站点：点位坐标归算到2000国家大地坐标系后，可作为省级、市、县城市基础建设控制网点。

f)省市卫星大地控制网C级点、D级点：点位坐标归算到2000国家大地坐标系后，可作为建立相对独立的平面坐标系的控制点。

g)其他大地测量控制点：点位坐标转换到2000国家大地坐标系后，可作为建立相对独立的平面坐标系的控制点。

5、控制点坐标转换模型及适用范围

5.1总则

在控制点坐标转换过程中，控制点所在坐标系涉及到1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系，上述坐标系的参考椭球基准及参数参见附录A。

5.2转换模型

a)布尔沙模型：用于不同地球椭球基准下的空间直角坐标系间的点位坐标转换。涉及七个参数，即三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数。

b)三维七参数转换模型：用于不同地球椭球基准下的大地坐标系间的点位坐标转换，涉及三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数，同时需顾及两种大地坐标系所对应的两个地球椭球长半轴和扁率差。

c)二维七参数转换模型：用于不同地球椭球基准下的地心坐标系向大地坐标系的点位坐标转换，涉及三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数。

d)三维四参数转换模型：用于局部区域内、不同地球椭球基准下的地心坐标系向大地坐标系间的坐标转换，涉及三个平移参数和一个旋转参数。

e)二维四参数转换模型：用于局部区域内、不同高斯投影平面坐标转换，涉及两个平移参数，一个旋转参数和一个尺度参数。对于三维坐标，需将坐标通过高斯投影变换得到平面坐标，再计算转换参数。

f)多项式拟合模型：不同范围的坐标转换均可用多项式拟合。有椭球面和平面两种形式。椭球面上多项式拟合模型适用于全国或大范围的拟合;平面拟合多用于相对独立的平面坐标系统转换。

上述转换模型参见附录B。

5.3适用范围

a)布尔沙模型：适用于省级及全国范围的控制点空间直角坐标转换。

b)三维七参数转换模型：适用于椭球面3°及以上的省级及全国范围的控制点坐标转换。

c)二维七参数转换模型：适用于椭球面3°及以上的省级及全国范围控制点坐标转换。

d)三维四参数转换模型：适用于2°以内局部范围的控制点坐标转换。

e)二维四参数转换模型：适用于小范围的控制点平面坐标转换、相对独立的平面坐标系统与2000国家大地坐标系的联系。

f)多项式拟合模型：椭球面多项式拟合适用于全国或大范围的大地坐标拟合;平面拟合多用于相对独立的平面坐标系统转换。

5.4模型选取

表2 控制点转换到2000国家大地坐标系、

坐标转换模型选取

6、控制点坐标转换

6.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算

本方法适用于非2000国家大地坐标系下的省级GNSS连续运行基准站点坐标向2000国家大地坐标系的归算。

6.1.1基准控制点选取

选取我国周边稳定的IGS站、国内IGS站及国家级GNSS连续运行基准站至少10个作为省级GNSS连续运行基准站的最高级基准控制站。选取原则有：

a)连续性：测站连续观测近3年(或以上);

b)稳定性：站点坐标时序稳定性好，具有稳定、可知的点位速度;

c)高精度：速度场精度优于3mm/y;

d)多种解：至少3个不同分析中心的速度场残差优于3mm/y;

e)平衡性：站点尽量全球分布;

f)精度一致性：站点位置和速度的精度应当一致。

6.1.2数据处理

采用国内外成熟的高精度数据处理软件对GNSS连续运行基准站观测数据进行处理与平差，获得各站点在现ITRF框架、观测历元下的位置和基线向量。省级GNSS连续运行基准站作为省级2000国家大地坐标系框架基准，需将相邻省份的相邻GNSS连续运行基准站纳入本省GNSS连续运行基准站一同处理。

6.1.3框架转换

GNSS连续运行基准站点获得的观测历元的坐标转换为2000国家大地坐标系的坐标成果，需经历元归算、板块运动改正、框架转换三个步骤。

a)历元归算。不同ITRF框架对应的历元不同，需将不同ITRF框架下各参数(参见附录C)归算到同一历元下。框架间如无直接转换关系，可按间接方法转换;

b)板块运动改正。计算框架点坐标从观测历元到需转换历元期间，由于板块运动引起的坐标变化值;

c)框架转换。利用框架转换公式进行基准站坐标计算。

框架转换公式参见附录D。

6.2省市级卫星大地控制网点坐标转换

省市级卫星大地控制网C级点坐标、D级点坐标转换到2000国家大地坐标系的方法参见6.1。

6.3其他控制点坐标转换

本方法适用于除上述控制点类型外的、其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的大地测量控制点坐标向2000国家大地坐标系的转换。

6.3.1重合点选取原则

选用具有原坐标系坐标和2000国家大地坐标系坐标的控制点作为重合点。重合点选取的基本原则为：等级高、精度高、分布均匀、覆盖整个转换区域、局部变形小。

6.3.2转换参数计算

转换参数计算按以下步骤进行：

a)按转换区域选取适当的转换模型;

b)按重合点选取原则选择重合点;

c)将重合点代入转换模型，利用最小二乘法计算转换参数;

d)用得到的转换参数计算重合点坐标残差;

e)剔除残差大于3倍点位中误差的重合点;

f)重复上述b)到e)的计算过程，直至重合点坐标残差均小于3倍点位中误差;

g)最终用于计算转换参数的重合点数量与转换区域大小有关，但不得少于6个;

h)根据最终确定的重合点，利用最小二乘法计算转换参数。

6.3.3坐标转换

利用计算得到的转换参数，进行坐标转换，求得各控制点在2000国家大地坐标系下的坐标。

6.3.4外部检核点数量要求

利用未参与计算转换参数的重合点作为外部检核点，其点数不少于6个且均匀分布;

7、精度评定

7.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算精度评定

省级GNSS连续运行基准站点坐标归算后坐标精度在平面3cm以内。

7.2其他控制点坐标转换精度评定

采用内符合精度和外符合精度评定，依据计算转换参数的重合点残差中误差评估坐标转换精度，残差小于3倍点位中误差的点位精度满足要求。

内符合精度计算公式参见附录E。

来源：国家测绘地理信息局

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