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。

、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。

、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smp@sinomaps.com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。

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