1954北京坐标系向CGCS2000坐标系的转换探讨

  [摘要] 探讨了我国1954北京坐标系和国家2000坐标系的定义、特点和用途以及相互之间的区别与联系，如何将1954北京坐标系（BJ54）下的平面坐标转换到2000中国大地坐标系（CGCS2000）的转换方法，同时对转换后的精度进行分析研究，验证了该方法的有效性和可行性。 
　　[关键词] 1954北京坐标系 CGCS国家大地坐标系 WGS84坐标系 布尔莎模型 

　　[作者] 高杰 [中图分类号] P2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-6-274-2 

1 前言 

　　我国曾经采用过1954北京坐标系和1980西安坐标系作为国家大地坐标系，秦皇岛市目前采用的是BJ54，为了迎接21世纪经济的持续发展，为信息化社会发展提供一个基础地理平台，更科学的描述动态的地球，特别是随着全球定位系统等空间大地测量技术的不断发展和完善，世界各国都在更新和完善各自的大地坐标系统和它相应的坐标框架。经过我国科学家多年的努力，建立了国家地心大地坐标系，即CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000）。 

2 坐标系统 

　　2.1 1954北京坐标系 

　　1954北京坐标系，属于参心坐标系，是我国第一代大地坐标系，采用苏联克拉索夫斯基椭球体，实质上是由原苏联普尔科沃为原点的1942年坐标系的延伸。其原点位于俄罗斯境内的普尔科沃，基本参数如下：长半轴 a=6378245m，短半轴b=6356 863.0188m 扁率f=1/298.257223563 

　　2.2 CGCS2000国家大地坐标系 

　　CGCS2000国家大地坐标系是地心坐标系，坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。 
　　CGCS2000将Z轴由原点指向历元2000.0的方向作为地球参考及方向，在推算改历元的时候以国际时间局给定1984.0历元作为初始指向，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。此坐标采用地球椭球的主要参数为：长半轴a=6378137m，扁率f=l/298.257222101。

 
　　2.3 WGS84坐标系 

　　WGS84坐标系是一个协议地球坐标系，坐标系的原点也为包括海洋和大气的整个地球的质量中心，z轴指向为1984年定义的协议地球极点方向，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系，属地心坐标系。此坐标系采用地球椭球的主要参数为：长半轴a=6378137m，扁率f=l/298.257223563。

　　2.4 各坐标系之间的关系分析 

　　从CGCS2000与1954北京坐标系的定义和相关参数对比可以看出，原有坐标系存在一些问题。主要包括：与现代精确的椭球参数相比存在误差，1954北京坐标系的椭球与CGCS2000椭球长轴差约109m；采用的原点类似地球的几何中心，而CGCS2000坐标系采用地球质心作为椭球中心；采用结合水准高程作为基准，在表达式上，以平面直角坐标表达为主，而CGCS2000坐标系不再结合水准高程制定基准，可以椭球面作为起算面，空间坐标采用三维坐标系表达。可以看出，原有椭球坐标系原点和参数与CGCS2000定义完全不同，由于原心和椭球参数定义不同，在地球上，除了某单条线（椭球坐标数学模型重合线）之外，所有的点在不同定义的坐标系内，其经纬度值是不同的，不能直接采用平面坐标转经纬度的方法进行坐标转换。而必须采用不同椭球面的参数拟合实现坐标转换。

　　从CGCS2000与WGS84坐标系的定义和相关参数对比可以看出，除扁率略有不同外，其他参数完全一样。根据中国测绘科学研究院程鹏飞等人以及西安测绘研究所魏子卿的研究结果，地球上同一点在CGCS2000椭球和WGS 84椭球下，经度值相同，纬度的最大差值约为3.6×10-6″ ，相当于0.11mm。

　　一般情况下，地面同一点在不同坐标系里的坐标是不同的。 
　　这里主要是指椭球参数的不同而引起的同一点经纬度的差异，给定点位在某一框架和某一历元下的空间直角坐标，投影到CGCS2000椭球和WGS 84椭球上所得的纬度的最大差异相当于0.11mm。 
　　因此，除了地球动力研究板块运动监测点和高等级控制点（A、B、C级控制点）之外的各类基础地理信息数据，从其他坐标转换到CGCS2000坐标系统，其转换参数可以采用其他坐标系统到WGS 84坐标系统的转换参数。

　　3 1954北京坐标系到CGCS2000坐标系的坐标转换实现 

　　秦皇岛市在2009年通过整体改造二、三等GPS控制网和水准网获得均匀分布在整个秦皇岛市的168个二、三等GPS控制点的WGS84坐标（B、L、H）和中央子午线120度的1954北京坐标系的高斯投影坐标（x、y、h），为地方坐标转化到CGCS2000坐标系创造了有利条件。

　　不同的坐标系统之间，由于椭球参数不同，两个椭球之间没有一种统一的方法实现坐标转换。但是，在两个椭球所指的同一区域内，由于椭球面弯曲度较小，该区域同名点在不同的椭球系上存在一定的曲面数学关系，因此可以通过区域转换模型进行坐标转换，一般常用的转换方法是布尔莎七参数转换法。

　　现如今转换参数更多直接采用解算软件获得，有很多的解算软件通过公式的捏合和整改提供任何可能的表示格式，方便客户应用，笔者运用中海达公司的坐标转换软件通过以下步骤实现1954北京坐标系到CGCS2000国家大地坐标系的转换。 

　　（1）在转换区域选择均匀覆盖整个区域的11个拥有1954北京坐标系和WGS84坐标系坐标的二、三等GPS控制点。 
　　（2）利用软件求取布尔莎模型转换七参数。 
　　（3）分析坐标转换残差，内符合精度达到±1.7cm，检查区域内其它点，符合精度均不超过±2cm。 
　　（4）用布尔莎模型将原有坐标系统数据转换到WGS84＼CGCS2000坐标系统内。 

　　4 结束语 

　　通过地方坐标系和WGS 84的控制点计算获得的坐标转换布尔莎七参数，实现从地方坐标系到CGCS2000坐标系的坐标转换。采用该方法，可以实现原有地方坐标基础地理信息数据的批量转换，逐渐实现从原有坐标到CGCS2000坐标系的统一。 

   　参考文献 
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来源：万方数据 略有修改