绝对实用！2000 国家大地坐标系转换常见问题分析

2017-06-09 张训虎，刘晋虎 测绘学报

《测绘学报》

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摘要：在现有成果向 2000 国家大地坐标系转换工作中，各省市都做了很多理论研究和实际转换工作。本文阐述了现有成果向2000国家大地坐标系转换的方法，对不同数据、不同方法转换过程中常见的问题进行汇总、整理，并分析问题产生的原因及对成果的影响，为今后现有成果向 2000 国家大地坐标系转换工作提供参考和建议，以确保成果转换的质量。

关键词:CGCS2000;坐标转换;大地控制点;基础地理信息数据;GNSS基准站;三角点;4D产品

　　自 2008 年 7 月 1 日起，我国启用 2000 国家大地坐标系( CGCS2000) ，各地有关部门开展了现有各类测绘信息成果到 CGCS2000 的转换工作，积极推进 CGCS2000 的推广使用。为做好启用 CGCS2000 的实施工作，国家测绘地理信息局于 2008 年 7 月组织编制了《启用 2000 国家大地坐标系实施方案》和《现有测绘成果转换到 2000 国家大地坐标系技术指南》。为加快 CGCS2000 推广使用工作，进一步指导各部门、各单位顺利完成原有坐标系成果向 CGCS2000 转换，确保转换技术方法正确，国家测绘地理信息局于 2013 年 6 月组织编制了《2000 国家大地坐标系推广使用技术指南》和《大地测量控制点坐标转换技术规程》。CGCS2000 转换涉及的测绘地理信息成果主要包括大地控制点类成果( GNSS 基准站、GNSS 控制点、三角点) 和基础地理信息数据成果( DLG、DOM、DEM、DRG) 。文献[1—2]从总体上介绍了 CGCS2000 的构建、精化、维持和更新，以及可用于转换工作的国家级成果。文献[3—11] 研究了 GNSS 基准站、大地控制点、4D 产品的转换方法。文献[12] 探讨了转换的检查方法。本文对省级坐标转换中存在的常见问题进行梳理和分析。

一坐标转换方法

　　1. 大地控制点类成果

　　( 1) 坐标归算

　　本方法适用于非 CGCS2000 的省级 GNSS 基准站和卫星大地控制点坐标向 CGCS2000 的坐标转换。即对拟转换点采用与周边稳定的 IGS 站及国家级的 GNSS 连续运行基准站进行联测的方法，获得各站点在现 ITRF 框架、观测历元下的位置，经过历元归算、板块运动改正、框架转换[13]3 个步骤进行坐标计算。用这种方法进行转换必须要知道网中各站的速度场。

　　( 2) 参数转换

　　本方法适用于未联测已知点的卫星大地控制点和三角点坐标向 CGCS2000 的坐标转换。即按照转换区域选取适当的转换模型( 布尔莎模型、三维七参数模型、二维七参数模型、三维四参数模型、二维四参数模型、多项式拟合模型等) ，选择重合点，经粗差剔除后计算转换参数，进行坐标转换。

　　2. 基础地理信息数据成果

　　基础地理信息数据成果转换针对分幅数据或数据库实体数据，采用不同的坐标转换方法。比例尺大于 1 ∶ 1 万的 DLG、DEM 数据一般采用高分辨率的格网坐标改正量进行逐要素点转换的方法完成转换; DOM、DRG 数据一般采用平移或纠正的方法完成转换，转换参数一般采用高分辨率的格网坐标改正量进行表达。

二常见问题及分析

　　1. 大地控制点类成果

　　( 1) 坐标归算

　　采用坐标归算方法进行坐标转换的关键工序主要有: 基准控制点( IGS 站、国家级 GNSS 基准站、国家 GNSS 大地控制点) 的选取、高精度数据处理、板块运动改正、框架转换等。坐标归算常见问题主要集中在基准控制点的选取和板块运动改正两个方面。

　　①起算点坐标非国家测绘行政主管部门权威发布的 CGCS2000 坐标部分省建立基础控制网采用的 GCS2000 起算点坐标非国家测绘行政主管部门权威发布，或不能量值溯源到国家测绘行政主管部门权威数据。

　　表 1 为某省 C 级控制网建立时采用的 IGS 站或国家级 GNSS 基准站的 CGCS2000 坐标与国家权威数据的较差统计值，这一差异导致转换数据整体出现系统性偏差。

　　②起算点精度等级达不到相应等级控制点要求部分省市坐标基准框架或基础控制网的建立未与 IGS 站或国家级 GNSS 基准站进行联测，仅与本省市及周边省市 2000 国家 GPS 大地控制网( 三网平差) 控制点进行联测，经约束平差获得 CGCS2000 坐标。这种方法在对 C、D 级 GPS 控制点进行转换时确保了成果与本省区域内的其他成果的一致性。省级 GNSS 基准站作为省级大地基准的骨干和主要支撑，采用这种方法在当时历史条件下和过渡期内实现了 CGCS2000 在省级的快速推广使用，但在现阶段不利于维持省级三维、动态地心坐标系统，不利于保证大地控制网点位三维地心坐标的精度、现势性及全国的统一。

　　表 2 为某省采用坐标归算方法以 A、B 级点为基准建立的 56 个省级 GNSS 基准站 CGCS2000 坐标的外符合精度情况统计，可以明显看出在空间三维方向上均存在一定的误差，并且均具有系统性偏差。这些误差已经对 GNSS 基准站的服务造成了一定影响。

　　③未考虑框架不同历元间由于板块运动引起的坐标变化值

　　部分省在进行历元归算后，未考虑计算框架所对应历元下坐标从观测历元到需转换历元之间，由于板块运动引起的坐标变化值，把坐标变化值带入到转换成果中，引起转换成果误差。

　　ITRF 2005 转换到 ITRF 2000 框架时站的速度场起主要作用，因此若所确定的速度场不准确对转换结果有很大的影响。而从 ITRF 2000 转换到 ITRF 97 框架下起主要作用的是框架之间的转换关系，对所需转换的站的速度场要求不是很高[13]。

　　表 3 为部分点不同年代观测数据联合平差时，因板块运动而引起的坐标变化值无法消除，最终转换成果产生的系统误差。

　　( 2) 参数转换

　　采用参数转换方法进行坐标转换的关键工序主要有: 转换分区、转换模型的选取、重合点的选择和剔除、转换参数计算、外部检核等。参数转换常见问题主要集中在转换分区、重合点覆盖范围、重合点的剔除、检核点分布 4 个方面。

　　1) 由于 1954 北京坐标系的坐标是采用逐级控制分区平差的方法推算的，存在明显的平差变形，甚至个别地区在分区或锁网接合部点出现了成果不一致或产生了裂缝[14]，因此在这类地区不宜采用一个分区和一套转换参数，以避免产生较大误差。

　　2) 重合点选取的基本原则为等级高、精度高、局部变形小、分布均匀及覆盖整个转换区域。当重合点不能覆盖整个转换区域时，不能覆盖的区域转换参数只能通过外推得到，但转换精度可能随外推距离放大而急剧损失，导致转换后的成果与邻省成果间存在不接边的情况。对于从国家申领的具有 CGCS2000 坐标的一、二、三、四等天文大地网点，不加区别全部用于转换模型的计算，造成了重合点利用的等级和精度不统一，转换精度不高，局部变形较大。

　　3) 粗差点剔除不严密，不严格按照大于 3 倍点位中误差进行，易导致局部转换参数的变形。粗差点的剔除还应包括造成重合点分布不均匀的点，如应最大限度避免模型中狭长三角形的出现，这种点可作为外部检核点使用。

　　4) 利用未参与计算转换参数的重合点作为外部检核点，其点数应不少于 6 个且分布均匀。外部检核点不足时应进行野外实测检核，尤其应注意对转换区域边缘的检核。

　　2. 基础地理信息数据成果

　　( 1) DEM 转换

　　由于生产 DEM 成果的过程数据( 等高线、特征线、高程点等) 一般不存在，DEM 转换不能按照相关生产技术规程构造 TIN 并内插重新生成 DEM，一般选用高分辨率格网坐标改正量并采用平移或双线性内插的方法对图幅进行坐标转换，同时参考像素分辨率确定起算坐标进行数据重采样，按 CGCS2000 新的图廓及重叠像素进行图幅裁切，更改数据头文件中定位坐标，修改元数据相关条目。DEM 转换常见问题主要有以下几个方面:

　　1) 采用平移方法进行 DEM 转换，以图幅 4 个角点平移量的平均值作为图幅左下角点改正量，不进行数据重采样，DEM 数据仍以原坐标系图廓范围进行单幅存储。

　　这种方法的图幅起始点坐标为非格网间距的整数倍，因相邻图幅坐标平移量不一致导致图幅不接边。在后期 DEM 数据应用时，接边区域内高程仍需处理，并造成重采样精度损失。

　　2) 采用平移方法进行 DEM 转换，坐标平移量归整化为 DEM 格网间距的整数倍，不进行数据重采样。

　　这种方法会产生 DEM 局部相邻图幅间相差一排( 一列) DEM 格网点，导致局部图幅接边处格网数值不唯一，出现少一排( 一列) 或重合一排( 一列) 的情况( 如图 1 所示 ) 。因坐标平移量规整化为格网点间距整数倍，导致 DEM 转换精度损失，进而转换精度超限。

　　表 4 为某省不同地形类别区域的 DEM 转换精度统计，可见这种方法在山区容易导致部分图幅转换精度超限。

　　( 2) DOM 转换

　　DOM 转换一般选用高分辨率格网坐标改正量采用平移或纠正的方法对图幅进行坐标转换，按 CGCS2000 规定的新的图廓及重叠像素进行图幅裁切，按像素关系计算移动量( 像素数) ，更改数据头文件中定位坐标，修改元数据相关条目。DOM 转换常见问题主要有以下几个方面。

　　DOM 转换过程中将平移量规整化为 DOM 地面采样间距的整数倍后对整图进行坐标平移，以及局部相邻图幅间相差一排( 一列) DOM 栅格点，导致局部相邻图幅接边区域数值不唯一。这种转换方法虽不会对 DOM 转换精度造成重大影响，但转换工作并未全面完成，宜对接边成果进行重采样处理，完善转换工作。

三建议及措施

　　1. 大地控制点类成果

　　1) 平差计算过程中的起算控制点 CGCS2000 成果不能仅利用向国家申领的 2000 国家 GPS 大地控制网成果( 三网平差成果，地心坐标精度平均优于 3 cm) 中的大地点成果，需要更加充分利用精度更高的 2000 国家 GPS 大地控制网中的 GNSS 连续运行基准站坐标( 坐标精度为毫米级) 。

　　2) 在坐标归算过程中顾及板块运动的特性和不同历元间框架的严格转换关系，充分利用可用于转换工作的国家级最新速度场成果 CGCS2000 板块运动模型 ( China Plate Model-CGCS2000，CPM- CGCS2000) 和 CGCS2000 格网速度场模型。CPM- CGCS2000 是目前国内最精确的相关模型，解决了 CGCS2000 动态维持及我国已有基础测绘成果转换的难题，适用于基于 ITRF 框架非 2000 历元下各类 GNSS 定位成果到 CGCS2000 的转换。

　　3) 各省与邻省进行重合点数据交换，建立参数转换模型的重合点尽可能覆盖全部转换区域; 不能覆盖的转换区域转换参数可通过平滑外推得到，但要加强外部检核工作和邻省的接边工作。

　　4) 采用不同转换模型进行比较分析，绘制点位残差分布图和点位残差等值线图，选择最优模型进行坐标转换。采用多项式拟合模型进行坐标转换，还应参考布尔莎模型、二维七参数转换模型等适合于全国及省级范围的转换模型进行精度分析，剔除残差较大点。

　　2. 基础地理信息数据成果

　　现有成果转换工作量大，且各省现有基础地理信息数据成果为过渡性成果，随着基础测绘工作的持续开展，新的基础地理信息数据成果宜直接采用 CGCS2000 生产，各省市对现有成果的转换工作，以满足实际应用为目的进行，转换过程中应保证转换数据的完整性、一致性、唯一性，确保转换到位、接边到位。

　　加强转换工作技术方案和技术路线的全面质量评估，避免数据转换出现重大质量问题。

四结束语

　　现有成果向 CGCS2000 转换工作是一项系统工作，在转换过程中，尽管各省市结合自身情况，开展了一系列的理论研究和实际转换工作，但是在转换中仍然存在一些问题。本文对检查中发现的转换工作相关问题进行整理分析，旨在为今后的 CGCS2000 转换工作、为 CGCS2000 推广应用中的生产和质量检查工作提供参考，确保成果转换的质量。

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