溪流笔谈▏再见，北京54坐标系
12月19日，自然资源部发布了《关于停止提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果的公告》，从2019年1月1日起，全面停止向社会提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果，今后统一采用2000国家大地坐标系。自此，北京54坐标系完成了它的历史使命，明年起2000国家大地坐标系正式全面启用。
地理坐标系是使用三维球面来定义地球表面位置的，包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。通过经度和纬度对点的位置进行描述，而经度和纬度是从地心到地球表面上某点连线分别与起始子午线和赤道的夹角，通常以度或百分度为单位来表示该角度。
最早创建坐标系的是法国数学家笛卡尔，在生病卧床时，他反复思考一个问题是，几何图形是直观的，而代数方程则比较抽象，能不能用几何图形来表示方程呢？这里，关键是如何把组成几何的图形的点和满足方程的每一组“数”挂上钩。突然，他看见屋顶角上的一只蜘蛛，拉着丝垂了下来，一会儿，蜘蛛又顺着丝爬上去，并在上边左右拉丝。看到蜘蛛的表演，令笛卡尔豁然醒悟，可以把蜘蛛看做一个点，做上、下、左、右运动，那么，能不能把蜘蛛的每个位置用一组数确定下来呢？
他又想，屋子里相邻的两面墙与地面交出了三条线，如果把地面上的墙角作为起点，把交出来的三条线作为三根数轴，那么空间中任意一点的位置，不是都可以用这三根数轴上找到的有顺序的三个数来表示吗？反过来，任意给一组三个有顺序的数也可以在空间中找出一点P与之对应，同样道理，用一组数（x、y）可以表示平面上的一个点，平面上的一个点也可以有用一组两个有顺序的数来表示，这就是坐标系的雏形。于是，在蜘蛛网的启示下，笛卡尔创建了直角坐标系。直角坐标系的创建，在代数和几何上架起了一座桥梁。它使几何概念得以用代数的方法来描述，几何图形可以通过代数形式来表达，这样便可将先进的代数方法应用于几何学的研究。
笛卡尔坐标系
大地坐标系是一种固定在地球上，随地球一起转动的非惯性坐标系。大地坐标系根据其原点的位置不同，分为地心坐标系和参心坐标系。地心坐标系的原点与地球质心重合，参心坐标系的原点与某一地区或国家所采用的参考椭球中心重合，通常与地球质心不重合。
建国初期，为满足国家经济建设和国防建设的急需，也源于当时“一边倒”政治形势，我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。它是将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。它的大地原点不在北京，而是在前苏联的普尔科沃。
北京54坐标系特点可归结为六大特点：一是属参心大地坐标系，二是采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数，三是大地原点在原苏联的普尔科沃，四是采用多点定位法进行椭球定位，五是高程基准为1954年青岛验潮站求出的黄海平均海水面，六是高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。
北京54坐标系参考椭球
1954年北京坐标系建立后，我国天文大地网采取边布设边平差的方式，获得了约4万点的坐标，从而构成了1954年北京坐标系的基本参考框架。随着测绘新理论、新技术的不断发展，渐渐地人们发现，1954年北京坐标系存在如下的一些缺陷。
一是采用的克拉索夫斯基椭球与现代椭球相比，长半轴大了108m，扁率倒数大了0.04；二是椭球定位定向有较大偏差，与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜，最大倾斜量达65m，椭球短轴的定向也不明确；三是坐标系原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃，因此取名为“北京坐标系”名不符实；四是几何大地测量与物理大地测量采用的椭球也不统一，给实际使用带来不便；五是坐标精度偏低，相对精度为5×10-6左右；六是由于采用了分区局部平差法，系统误差累积明显，导致大地网产生扭曲和变形，区与区之间产生裂隙，七是较低精度的二维大地测量成果与高精度的三维卫星大地测量成果不相匹配，容易引起使用上的麻烦。
为此，我国于1978年4月在西安召开了“全国天文大地网整体平差会议”，确定重新定位，建立我国新的坐标系，即后来的1980西安坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，故称1980年西安坐标系。1980西安坐标系整合了国际坐标系参数标准、消除了54北京坐标系建立时的换算误差、进行了高斯平面整体平差修正量的工作。
1980年西安坐标系大地原点
北京54和西安80是两种不同的大地基准面，不同的参考椭球体，因而两种地图下，同一个点的坐标是不同的，无论是三度带、六度带坐标还是经纬度坐标都是不同的。西安80坐标系与北京54坐标系其实是一种椭球参数的转换，作为这种转换在同一个椭球里的转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换是不严密，因此不存在一套转换参数可以全国通用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准。如此，在北京54和西安80之间的坐标转换会相当麻烦。
随着时代发展和社会的进步，无论是1954北京坐标系还是1980坐标系均存在精度偏低、无法满足新技术要求的缺陷，因此迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。地心坐标系把椭球中心置于地球质心，短轴平行于自转轴，既为空间大地测量技术发展提供基础，又可满足不同应用不断提出的新需求，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，并能提高测图工作效率。
因此，于2008年3月由国土资源部正式上报国务院《关于中国采用2000国家大地坐标系的请示》，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，中国全面启用2000国家大地坐标系，国家测绘局授权组织实施。自2008年起至今，各测绘单位采用2000国家大地坐标系的过渡期已满10年。
2000国家大地坐标系
无论北京54还是西安80坐标系都是经典大地测量成果的归算及其应用，它的表现形式为平面的二维坐标。若仍采用现行的二维、非地心的坐标系，不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用，也无法全面满足当今气象、地震、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求，而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接，因此采用基于地心坐标系的2000国家大地坐标系已势在必行。
随着经济发展和社会的进步，我国航天、海洋、地震、气象、水利、建设、规划、地质调查、国土资源管理等领域的科学研究需要一个以全球参考基准为背景的、全国统一的、协调一致的坐标系统，来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题。于是，2000国家大地坐标系便应运而生，可对国民经济建设、社会发展产生巨大的社会效益，也能发挥其在资源和生态环境动态监测方面等方面的作用。随着我国航空运营能力的不断提高和港口吞吐量的迅速增加，采用2000国家大地坐标系也可保障航空和航海的安全。
虽然如此，北京54坐标系在我国的地理信息舞台上停留了近70年，作为曾经使用最为广泛的坐标系，对我国经济建设的各行各业所产生的影响是深远的。北京54坐标系，尽管名不符实，却也是几代我国测绘人的共同记忆，映射出历史的坐标。历史赋予我们打破时空的画面，让经典定格为永恒，北京54坐标系也注定会成为经典。一旦人们打开旧图，就会找到那种历史感，熟悉的记忆就会扑面而来。
现在停止提供1954年北京坐标系，也是历史的必然，更是时代的呼唤。记得在各类坐标系共处的时代，我们首先必须搞清楚手上的底图是什么坐标系的，它的转换参数、中央子午线、加常数和投影方式等。现在统一采用2000国家大地坐标系，就可以免去这类麻烦，及可能出现的计算偏差。从明年1月1日起，我们终于可以说，再见，北京54坐标系！你好，2000国家大地坐标系！
■参考文献：杨元喜.2000中国大地坐标系.科学通报,2009,54(16).
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