知识 | 《CGCS2000坐标转换》1.1坐标转换概述

第一章 坐标转换概述

第一节 概述

空间测量技术实现的高精度地心坐标必须考虑板块运动影响，同时也增加了坐标转换的复杂性。实践中会遇到各种各样的具体情况，不是一个软件就能解决问题的，必须深入理解，才能做到举一反三。同时，了解和掌握一些大地基准知识，在生产实践中可以做到心中有数。

本书侧重于知识体系构建，尽量避免纠缠于公式，采用总结、归纳、分类、比较的方式，力图能使不同专业背景的读者理解原理、理顺逻辑、解决困惑、掌握应用。

一、背景

“2000国家大地坐标系”，英译为“China Geodetic Coordinate System 2000”，缩写为CGCS2000。在不致误解的场合，又称“2000中国大地坐标系”。

经国务院批准，我国于2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。根据《国家测绘局启用2000国家大地坐标系公告》（2008年第2号）和《关于印发启用2000国家坐标系实施方案的通知》（国测国字〔2008〕24号），从2008年起我国用8~10年时间完成向2000国家大地坐标系的过渡和转换。

按照《国土资源部国家测绘地理信息局关于加快使用2000国家大地坐标系的通知》（国土资发〔2017〕30号）要求，原国土资源部（现自然资源部）确定，2018年6月底前完成全系统各类国土资源空间数据向2000国家大地坐标系转换，2018年7月1日后，自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系。涉及空间坐标的报部审查和备案项目，全部采用2000国家大地坐标系。2018年7月1日起不再接受非2000国家大地坐标系上报的项目报件。

自然资源部2018年发布的第55号公告《自然资源部关于停止提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果的公告》确定，按照全面推行使用2000国家大地坐标系的要求，决定自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。

二、免费软件

本书提供了作者开发的“CGCS2000坐标转换软件包”。软件基于Windows操作系统和标准C语言编程，包括23类程序，按需组合能满足常规的坐标转换需求。待本书正式出版后，读者可联系测绘出版社客服信箱[e-mail]免费索取。

该软件需要用户向测绘地理信息主管部门申请重合点，或图幅改正量来完成椭球间的坐标转换工作。没有这些数据支持，任何软件都不可能做到“智能化”转换。

图1-1 软件演示

软件精度为：

1）同椭球，不同坐标形式间转换精度：

①BLH ↔ XYZ，BL ↔ xy，精度为1mm；

②XYZ ↔ BLH，xy ↔ BL，精度为0.0001″。

2）不同椭球间，同坐标形式转换精度：

精度取决于重合点的个数、分布和精度，用内符合精度、外符合精度来评价。参见第五章第三节。

3）大地高与正常高转换精度：

①绝对高程算法精度为0.5m；

②相对高程算法精度为0.1m。

4）速度计算精度为3mm/a。

图1-2 软件包功能

三、预备知识

（1）CGCS2000的要点

首先应该对CGCS2000有个大致的了解。

CGCS2000——对准ITRF97框架，参考历元是2000.0。

ITRF——全球分布的一千多个具有可靠坐标和速度的台站，通过下载其GPS（美国的全球定位系统）观测数据可与测量点组成同步观测网。

年积日——从当年1月1日开始到当前的累积日期。例如，1月1日的年积日为1，7月1日（平年）的年积日为182，12月31日（平年）的年积日为365。

历元——就是时刻。整数部分为年份，小数部分为年积日减去1，然后除以365（平年）或366（闰年）。由于板块运动的量级较小，在坐标转换时，历元精确到“天”，也就是取3位小数即可。

示例：

2000年1月1日↔ 2000.000历元；

2018年7月1日 ↔ 2018.496历元；

2020年12月31日↔2020.997历元。

注意：

①CGCS2000坐标的历元是2000.0，如果坐标的历元不是2000.0，那就不是CGCS2000坐标。不存在2015年的CGCS2000坐标、今年的CGCS2000坐标这些说法。

②CGCS2000的参考历元是2000.0，是由计算CGCS2000框架点坐标和速度的观测数据时段决定的，与协议天球参考系使用的标准历元J2000.0没有相关关系。

观测历元——GNSS观测数据对应的时刻，一般选观测时段中间时刻。

参考历元——点位坐标对应的时刻。点位随板块运动，一个坐标必然是某时刻的坐标。

卫星星历——每天更新，其参考历元就是观测历元。

地面控制点坐标——很少更新，其参考历元早于观测历元。

（2）历元的概念

历元是地心坐标转换中最基础、最重要的概念。

1）历元的来历

“历”指历法，“元”意为“首”。顾名思义，历元就是历法之元，是我国古代历法推算的起算时刻。

人类根据太阳、月球及地球运转的周期推算年、月、日的长度以及它们之间的关系，进而制订时间顺序的法则就叫历法。

我国现行的农历集阴、阳两历的特点于一身，属于阴阳合历。一方面以月相变化周期为“月”的长度，与阴历原则相同；另一方面加入二十四节气成分，并参考太阳回归年为“年”的长度，与阳历原则相同。通过设置闰月来调整某一具体年份的长度，使得若干年间的一年平均长度尽量接近一个回归年的长度。

历元的本质是约定了某一天文、地理运动的起算时刻。中国古人把“夜半”作为一日的开始，“朔日”作为一月的开始，“冬至”作为一年的开始。一般以“朔日”和“冬至”恰好在同一天的“夜半”为历元。若又逢“甲子日”则更为理想。

“朔日”指农历的每月初一。此时月亮运行到太阳和地球之间，月亮的暗面对着地球；如果月亮的本影区恰好落在地球上的某地区，就可以在该地区观察到日全食现象。

“冬至”是二十四节气之一，时间在每年的公历12月21—23日。冬至这天，太阳几乎直射南回归线，阳光对北半球最为倾斜。据记载，东周王室颁行的历书规定以包含冬至的月份为岁首，也就是现行农历的十一月。

“甲子日”是中国干支历法纪日的第一天。“十天干”和“十二地支”按固定的顺序互相组合，组成了干支纪年、纪日法。干支纪日的起算日未知，但和西方的60进位计时法不谋而合。

根据国家标准GB/T 33661—2017《农历的编算和颁行》：“干支纪日的循环参考时间：对应于北京时间公历1949年10月1日的农历日为甲子日。”“干支纪年的循环参考时间：对应于北京时间公历1984年2月2日0时起到1985年2月19日24时截止的农历年为甲子年。”

2）历元的现代含义

历元，在天文学中是一些天文变量的参考时刻。例如，协议天球参考系使用的标准历元是J2000.0，也就是说，约定协议天球参考系的Z轴指向为2000年1月1日12:00（地球时）这一瞬间的地球自转轴指向。

历元除了指历法的起算时刻和天文变量的参考时刻以外，在很多场合就是时刻的意思。

再例如，用RTK采集10个历元的数据，意思是以确定的采样率采集10次数据，或者说在以采样率为时间间隔的连续10个时刻采集数据。

在采样率确定的前提下，这里的“10个历元”也有时段的含义。这些习惯性的说法并不严谨，也容易引起概念混淆。