3、地理坐标系

地球的形状与大小确定之后，还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系，这项工作称为椭球定位与定向。与大地水准面符合得最好的一个地球椭球体，称为参考椭球体，是地球形体三级逼近。

说到这里，我们需要对这几个词汇做区分：

Ø 球体：小比例尺，视作球体。

Ø 椭球体/旋转椭球体：大比例尺，两个概念不区分。

Ø 地球椭球体：限地球椭球体模型。

Ø 参考椭球体：定位相关，与局部或全局大地水准面最为吻合的椭球体模型。

3.1 大地基准面

大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。ArcGIS中，基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。大地基准面分为地心基准面、区域基准面。

Ø 地心基准面：由卫星数据得到，使用地球的质心作为原点，使用最广泛的是 WGS 1984。

Ø 区域基准面：特定区域内与地球表面吻合，大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点，例如Beijing54、Xian80。

每个国家或地区均有各自的大地基准面。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。相对同一地理位置，不同的大地基准面，它们的经纬度坐标是有差异的。

椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系。因为基准面是在椭球体的基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面。

在目前的GIS商用软件中，大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义，即：            – 三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值。            – 三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时，分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角。            – 最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。

Beijing54、Xian80相对WGS84的转换参数至今也没有公开，实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与WGS84坐标值的转换，在只有一个已知控制点的情况下(往往如此)，用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数，当工作区范围不大时，如青岛市(10654平方公里)，精度也足够了。

3.2 地理坐标系建立

地理坐标系(大地坐标系)是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用经度、纬度、和大地高度表示。大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。

Ø 参心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。

Ø 地心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。

建立地理坐标系的过程如下：

i. 选择一个椭球体：Krasovsky_1940椭球体。

ii. 椭球定位与定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基准面将这个椭球定位。

有了 Spheroid和Datum两个基本条件，就确定了大地基准面，地理坐标系统便也可以确定，即经纬度。

3.3 我国常用地理坐标系

1、北京54坐标系(BJZ54)

北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。

新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，再全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的“一边倒”政治趋向，故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。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。

北京54坐标系，属三心坐标系，长轴6378245m，短轴6356863，扁率1/298.3；

2、西安80坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。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，即IAG75地球椭球体。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，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。

西安80坐标系，属三心坐标系，长轴6378140m

3、WGS－84坐标系

WGS－84坐标系(WorldGeodeticSystem)是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统(ITRS)，是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。

WGS84坐标系，长轴6378137.000m

由于采用的椭球基准不一样，并且由于投影的局限性，使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大，有条件的话，一般都采用GPS联测已知点，应用GPS软件自动完成坐标的转换。当然若条件不许可，且有足够的重合点，也可以进行人工解算。

4、2000国家大地坐标系

英文缩写为CGCS2000。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：

长半轴a=6378137m，，

地心引力常数1014m3s-2

自转角速度ω=7.292l15×10-5rads-1

我国常用高程系

“1956年黄海高程系”，是在1956年确定的。它是根据青岛验潮站1950年到1956年的黄海验潮资料，求出该站验潮井里横按铜丝的高度为3.61米，所以就确定这个钢丝以下3.61米处为黄海平均海水面。从这个平均海水面起，于1956年推算出青岛水准原点的高程为72.289米。

国家85高程基准其实也是黄海高程基准，只不过老的叫“1956年黄海高程系统”，新的叫“1985国家高程基准”，新的比旧的低0.029m

我国于1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面，为中国第一个国家高程系统，从而结束了过去高程系统繁杂的局面。但由于计算这个基面所依据的青岛验潮站的资料系列(1950年～1956年)较短等原因，中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站1952年～1979年的潮汐观测资料为计算依据，并用精密水准测量接测位于青岛的中华人民共和国水准原点，得出1985年国家高程基准高程和1956年黄海高程的关系为：1985年国家高程基准高程=1956年黄海高程-0.029m。1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系同时废止。

各高程系统之间的关系：

56黄海高程基准：+0.000

85高程基准(最新的黄海高程)：56高程基准-0.029

吴淞高程系统：56高程基准+1.688

珠江高程系统：56高程基准-0.586

我国目前通用的高程基准是：85高程基准

兰勃托投影

(1)兰勃托投影性质

兰勃托(Lambert)投影，又名"等角正割圆锥投影”

兰勃托投影采用双标准纬线相割，与采用单标准纬线相切比较，其投影变形小而均匀，兰勃托投影的变形分布规律是：

a)角度无变形，即投影前后对应的微分面积保持图形相似，亦称为正形投影；

b)等变形线和纬线一致，即同一条纬线上的变形处处相等；

c)两条标准纬线上没有任何变形；

d)在同一经线上，两标准纬线外侧为正变形(长度比大于1)，而两标准纬线之间为负变形(长度比小于1)。因此，变形比较均匀，变形绝对值也比较小；

e)同一纬线上等经差的线段长度相等，两条纬线间的经纬线长度处处相等。

我国1：100万地形图采用了兰勃托投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影一致。纬度按纬差4°分带，从南到北共分成15个投影带，每个投影带单独计算坐标，每带两条标准纬线，第一标准纬线为图幅南端纬度加30′的纬线，第二标准纬线为图幅北端纬度减30′的纬线，这样处于同一投影带中的各图幅的坐标成果完全相同，不同带的图幅变形值接近相等，因此每投影带只需计算其中一幅图(纬差4°，经差6°)的投影成果即可。由于是纬差4°分带投影的，所以当沿着纬线方向拼接地图时，不论多少图幅，均不会产生裂隙；但是，当沿着经线方向拼接时，因拼接线分别处于上下不同的投影带，投影后的曲率不同，致使拼接时产生裂隙。

ArcGIS中这4个地理坐标系的定义如下：

    3.4 我国常用高程系

大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置，这种位置包括两个方面：一是点在地球椭球面上的平面位置，即经度和纬度；二是确定点到大地水准面的高度，即高程。

高程控制网的建立，必须规定一个统一的高程基准面。我国利用青岛验潮站1950～1956年的观测记录，确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面，并在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统，统称“1956年黄海高程系”。

1987年，因多年观测资料显示，黄海平均海平面发生了微小的变化，由原来的72.289m变为72.260m，国家决定启用新的高程基准面，即“1985年国家高程基准”。高程控制点的高程也发生微小的变化，但对已成图上的等高线的影响则可忽略不计。

国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统。按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为416619．1公里。

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试看：CGCS2000坐标系转换技术

推荐理由

2018年7月1日，按照国土资源部发布的《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》要求，即日起自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系。为此，国土资源部信息中心已将全部存量数据转换为2000坐标系。

01   课程简介 

   51GIS学院特邀了该方面的权威专家西安光明老师，为大家做CGCS2000坐标转换的全方位系列教程，此教程为50多期线下培训课程精华汇总，课程涉及案例分析部分，均为老师实战解答。

02  课程收益

(一).坐标转换概述

1.掌握历元和框架的概念。

2.理解静态坐标、动态坐标、瞬时坐标、同框架同历元坐标的区别和联系。

3.理解静态转换和动态转换的区别和联系。理解布尔莎七参数转换和参考框架转换的关系。

4.掌握参心坐标和地心坐标转换到CGCS2000的方法和特殊情况处理。

(二).参心坐标系和高程基准

1.了解天文坐标系和天文观测，了解北京54和西安80坐标系建立原理及其与地心坐标系建立方法的区别。

2.深入理解椭球的作用、椭球的变换。理解椭球在参心坐标系和地心坐标系中的作用差异。

3.深入理解基准与坐标系的关系。

4.了解高斯投影，横墨卡托投影，正墨卡托投影，web墨卡托投影。了解城市独立坐标系建立原理。了解火星坐标系和百度坐标系。

5.理解高程归化改正中的椭球膨胀、椭球平移与椭球变换的区别。

6.了解高程基准及不同高程系统的区别和联系，掌握大地高和正常高互相转换软件的应用，掌握高程独立拟合软件的应用。

(三).技术规范的静态转换部分

1.掌握规范中的布尔莎、二维四参数等六种坐标转换模型及格网改正模型的原理和软件的使用。

2.理解物理模型和数学模型的特点和适用范围。掌握如何选择合适的转换模型以及如何合理的分区转换。

3.重点掌握平面坐标，城市独立坐标的转换，理解平面坐标转换的局限性与大地坐标转换的优势，掌握高斯投影和独立坐标系投影软件的使用。

4.理解54坐标转换到CGCS2000为何分两步走，以及如何具体实现。

5.理解GPS测量中常用的一步法和点校正原理。

6.了解数字地图的几种转换方法和局限性，掌握加密重合点配准技巧。

7.掌握重合点的获取、重合点的优选，及内附精度、外附精度的计算原理及软件的使用。

8.掌握坐标转换的一些常见问题处理。

(四).现代坐标系

1.了解ITRS坐标系建立，重点理解ITRF框架的建立，及其与IGS，WGS84，CGCS2000的关系。

2.深入理解天基参考框架与地基参考框架的区别，相对定位与绝对定位的区别，观测历元与参考历元的区别，及其对坐标精度和坐标系属性的决定性因素。

3.深入理解WGS84的历元问题与精度问题，深入理解WGS84与CGCS2000的关系。

4.了解北斗坐标系及其坐标转换方法。

(五).CGCS2000坐标系

1.了解CGCS2000坐标系的定义，及其参考框架的建立与构成。

2.理解54、80坐标转换到CGCS2000后对坐标、边长、面积的影响。

3.理解速度场模型的建立与应用，掌握点位速度计算软件的使用。

(六).技术规范的动态转换部分

1.深入理解点位坐标的坐标系或框架、历元与观测仪器无关，而是由起算数据决定的。例如，gps可以测参心坐标，全站仪可以测地心坐标。

2.掌握如何根据各种不同的观测模式和平差约束条件来判断一个坐标的框架和历元。掌握网络RTK、精密单点定位、形变监测等观测模式下，坐标框架、历元的判定。

3.理解GNSS数据处理中的历元选择，在观测历元平差精度更高。

4.深入理解转换参数的时变性，及其与坐标历元的一致性。重合点和控制点的历元、框架或坐标系要统一。

5.重点理解和掌握WGS84与CGCS2000的转换。

6.掌握坐标动态转换软件的使用，包括计算点位速度，坐标历元归算，框架转换三步。

7.掌握静态转换和动态转换结合使用方法。

03 课程大纲

1、CGCS2000-坐标系转换

2、CGCS2000-高程系统

3、CGCS2000-参心坐标系

4、CGCS2000-平面坐标系

5、CGCS2000-静态转换

6、CGCS2000-现代坐标系

7、CGCS2000-CGCS2000

8、CGCS2000-动态转换

04  讲师简介

刘光明老师 开展CGCS2000坐标转换报告80余次的资深研究员 擅长领域：空间大地测量，包括：坐标系与高程基准、CORS站建设管理与数据处理、卫星导航定位、甚长基线干涉测量 原西安测绘研究所及地理信息工程国家重点实验室研究员。擅长CGCS2000坐标系转换技术(参心坐标系和高程基准、布尔莎、二维四参数等六种坐标转换模型、北斗坐标系及其坐标转换方法等)。专业方向为空间大地测量，近年来主要研究空间基准等相关项目，并出版专业书籍《CGCS2000坐标转换》。