关于CGCS2000 , 坐标转换看这篇来解惑
一次偶然的机会，因坐标转换方面的问题我们与刘光明老师取得了联系。交流中关于坐标转换的疑惑刘老师一一讲解，真是受益匪浅！坐标问题对于我们来说真是比较头疼的一个问题，所以我们希望刘老师能在我们平台发布一篇关于坐标转换的文章供大家共同学习，刘老师慨然允诺。
以下为刘老师关于坐标转换问题方面的讲解。
本文作者：刘光明（微信号xianlgm）“GIS前沿”邀请我写一篇有关坐标转换的文章。地心坐标转换牵扯的内容很多，不是几篇文章能说清楚的。因此，将这篇“坐标转换概述”献给各位，可以对坐标转换有一个大致地、整体地了解。文中有些名词是为了便于表达而自创的，大家不用考据、较真。
01静态坐标和动态坐标（1）静态坐标
传统大地测量没有考虑板块运动对坐标的影响。虽然板块运动客观存在，但在测量精度不高的情况下，可以假设在局部范围内构造运动为同向平移运动（板块刚性）。那么各点的绝对位置虽然在变化，但点之间的相对位置不变。
图1-1 同向平移运动
1980西安坐标系（以下简称“西安80”）的天文大地点坐标是从大地原点引出的相对坐标。在同向平移假设前提下，坐标不会变化，可以认为是静态坐标。满足了注重相对位置的一般生产需要。
但是，同向平移假设并不严密。因此，还需要定期复测。
（2）动态坐标
现代空间测量技术可以直接获得点位相对于地心的坐标，或者相对于动态框架点的坐标。高精度的地心坐标必须顾及板块运动的影响。我国大陆上的地心坐标每年大约有3~4cm变化，主要体现在空间直角坐标的X分量。
动态坐标——随时间变化的坐标。
瞬时坐标——某历元时刻的坐标，必须标明其历元。
那么动态坐标如何来表达？
①点位在某历元的瞬时坐标。
②点位的速度。
如果知道该点在某历元的瞬时坐标和点位的速度，就可以计算该点在任意历元的坐标。
准确描述一个点的位置，应该具备三个要素：瞬时坐标、历元（框架），以及速度。
瞬时坐标的历元不一致，不方便使用和交流。需要在全国范围内约定一个统一的历元。
CGCS2000是一个动态地心坐标系，CGCS2000坐标如何来表达？
①CGCS2000坐标的参考历元是2000.0，即CGCS2000坐标必须是2000.0历元的瞬时坐标。
②建立全国速度场模型，用来计算国内任意点的速度。
如果知道一个点2000.0历元的瞬时坐标，用速度场模型算出该点的速度，就可以计算该点在任意历元的坐标。反过来说，无论任何历元的坐标都必须用速度场模型归算到2000.0历元，才算是CGCS2000坐标。
同框架同历元坐标——由一组同框架同历元坐标组成。
①点的坐标是瞬时的。
②所有点的坐标都是同一历元的，是统一的。
③一组同框架同历元坐标是静态的。
一组CGCS2000坐标必然是ITRF97框架、2000.0历元的同框架同历元坐标。可以看出，CGCS2000的坐标是静态的，加上全国速度场模型后，才成为一个动态坐标系。
如果一组ITRS或WGS-84坐标是ITRF2014框架、2019.5历元下的坐标，那么也是同框架同历元坐标，也是静态坐标。
注意：北京54、西安80是相对坐标，CGCS2000坐标是瞬时坐标，它们都是静态坐标，不存在每年大约3~4cm变化的情况。
（1）静态转换
两组静态坐标之间的关系，无非就是平移、旋转和尺度变换。因此，通过重合点求转换参数就可以实现坐标的静态转换。
图1-2 静态转换
典型的转换模型为布尔莎七参数模型（还有其他模型，适用条件不同）
也可以用图幅改正量或格网改正量内插坐标改正，实现坐标的静态转换。
（2）动态转换
不同历元、不同版本ITRF框架的动态地心坐标间的转换，分坐标历元归算和框架转换两步。
注意：本书中的坐标历元归算特指地心坐标的板块运动改正，不要和天球坐标的岁差历元归算混淆。
1）坐标历元归算的公式为
图1-3 历元归算
2）参考框架间的转换公式为
需要强调的是：
①历元归算改正量随时间推移越来越大，例如2019.5历元的坐标归算至2000.0历元，改正量约为60cm。
②在2000.0历元，现代ITRF框架与ITRF97间差别约5cm（在2020.0历元可达15 cm）。在精度要求不高或者坐标精度低的情况下，甚至可以不做框架转换。
注意：1954北京大地坐标系（以下简称“北京54”）和西安80这些参心坐标，是相对大地原点的坐标，没有对准ITRF参考框架，也没有考虑坐标的时变。因此，不牵扯历元、框架这些概念。
我国常用坐标转换为CGCS2000可分为两种类型：
（1）参心坐标转换
即参心坐标系和CGCS2000间的坐标转换。
西安80或北京54坐标系是静态的，CGCS2000是一组同框架同历元坐标，也是静态的。两组静态坐标转换采用静态转换模式。
同样，西安80或北京54坐标和一组同框架同历元的ITRS或WGS-84坐标之间，也可以采用静态转换的模式来转换。
（2）地心坐标转换
即ITRS或WGS-84等地心坐标转换为CGCS2000。
1）已知坐标的历元、框架采用动态转换模式。
将不同历元、不同ITRF框架的动态坐标（ITRS或WGS-84）转换为CGCS2000（2000.0历元、ITRF97框架），采用动态转换模式。
如果坐标精度低，可不做框架转换，只做历元归算。
框架转换参数和速度场模型可以在测绘行业标准CH/T 2014—2016 《大地测量控制点坐标转换技术规范》（以下简称“CH/T 2014”）中查到，不需要自己求。
特点：只要明确坐标的历元和框架，单点就可以转换。
2）已知坐标的历元、框架也可以采用静态转换模式。
例如：一组2019.5历元、ITRF2014框架下的坐标（ITRS或WGS-84），同CGCS2000坐标一样，是一组同框架同历元坐标。可以和CGCS2000坐标做静态转换。
实质上是一个静态转换把历元归算和框架转换这两步都吸收了。
之前没有发布速度场模型的时候，用户无法做历元归算，只能采用静态转换模式转换。
注意：静态转换和动态转换中的框架转换都是平移、旋转和尺度变换。区别在于：
①静态转换，用重合点求出的区域性转换参数，转换结果不唯一，不可靠。
②框架转换，用四种空间测量技术实现的全球性转换参数，转换结果唯一，更可靠。
静态转换的好处是，解出的区域性转换参数更有代表性。但是需要找多个重合点，自行解算转换参数。而且由于大范围板块形变不一致，静态转换更适用于小范围转换。
动态转换只要明确坐标的历元和框架，单点就可以转换。不需要和其他点一致，体现了动态特点。但是速度场模型误差的影响会随时间放大，也不能顾及高程变化以及坐标的非线性变化。更适用于历元间隔较短的情况。
3）未知地心坐标的历元、框架，只能采用静态转换模式转换。
长期以来，大家习惯于把GPS测得的坐标都叫做WGS-84坐标，但是没有标明坐标的历元和框架，无法做动态转换。
对于这种未知坐标历元的WGS-84坐标只能采用静态转换模式转换为CGCS2000 。（需要重合点）
虽然不知道这组WGS-84坐标的历元，也应该保证其历元大致相同，或是同一期观测的WGS-84坐标。不同时期的WGS-84坐标不自洽，不能作为重合点使用。
可根据坐标每年约3~4cm的变化量和精度需求来估计历元的一致性要求。
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