摘要：本文对国内常见大地坐标系(1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系)的基础理论和转换方法进行了初步整理及分析，并利用实际数据通过布尔莎七参数转换法实现了北京54坐标和西安80坐标间的相互转换，为后期进行坐标基础地理信息数据的批量转换提供参考。
关键词：大地坐标系；1954北京坐标系；1980西安坐标系；2000国家大地坐标系；
1 引言
大地坐标系是大地测量的基础，按其原点与地球质心的相对位置，可分为局部坐标系和地心坐标系。其中，局部坐标系以经典测量技术为基础，其原点偏离地心可能达几十到几百米；地心坐标系以卫星大地测量为基础，其原点在理论上与地心重合。在卫星大地测量发展尚未发展起来之前，各国各地区运用独立的局部坐标系，自成体系。近年来随着空间测量技术的发展，国民经济建设、工程控制、地球物理勘探、地震形变监测和地学研究的需要促使地心坐标系兴起，并得到不断发展。
2 研究现状
20世纪70年代以来，我国对大地坐标系相关理论进行了卓有成效的研究。陈俊勇[1-6]提出要建立现代大地坐标系统和高程系统，需满足高精度、涵盖全部国土、三维、地心、动态和国际接轨六方面要素，进而为用户测定高精度坐标和高程提供可靠的地理空间基础框架；并对我国采用地心三维坐标系进行了必要性和可行性方面的论证；魏子卿[7]提出我国大地坐标系应由局部坐标系更新为地心坐标系，并针对地心坐标系的定义、参考椭球常数和正常重力公式等问题进行了探讨；陈俊勇、党亚民[8]讨论了全球导航卫星连续运行站网及其服务系统的构成和作用，提出建立全球导航卫星地面连续运行站系统，并制定相应国家级技术规范和标准；陈俊勇、李健成等[9]结合高分辨率DTM和相关重力资料对我国局域大地水准面进行推算，并和GPS水准所构成的高程异常控制网进行拟合，得出其具有分米级精度，满足高精度、高分辨率要求；程鹏飞[10]根据2000国家大地坐标系的定义及基本椭球参数，对其他的主要几何物理参数进行推导，进而与GRS80及WGS84椭球相应参数进行比较，分析出三者正常重力值的差异。
前人在理论研究的基础上，对大地坐标系间的转换方法也进行了系列探讨。黎舒、胡圣武[11]分析了1980西安坐标系到2000国家坐标系之间的基础理论和方法；乔连军、韩雪培[12]提出了一种基于国家地形图新旧坐标改正值的双线性插值法，并用VC开发了1954北京坐标系到1980西安坐标系的转换程序；顾秀梅、杨斌等[13]运用Delphi编程工具设计开发了一套基于不同坐标系下控制点坐标求取七参数的软件，并通过ArcGIS平台探讨1954北京坐标系到1980西安坐标系的投影转换流程；彭小强、高井祥[14]等对如何将WGS84参考框架下的WGS84坐标转换为ITRF国际地球参考框架下的国家2000坐标系进行了实例计算和分析；何林[15]根据坐标系建立的原理提出一种适用于1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系等平面坐标系之间转换的模型；祁玉杰[16]利用实际数据，分析了在公共点无高程信息时常用的大地坐标系间坐标转换的4种方法(四参数法、多项式拟合法、高程迭代法和改化坐标法)在转换精度和其他方面的优劣。
目前我国多种坐标系统共存，而不同坐标系统下的大地点成果、地形图、地籍图、地方坐标系成果和地球空间数据基础数据等方面的测绘成果在实际使用中经常会遇到坐标转换问题，因此如何实现坐标的高精度转换需要深入研究。
本文以1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系为例，从基础理论和坐标转换层面进行相关探讨。
3 常见大地坐标系的现状和问题
3.1 1954北京坐标系
3.1.1 概况
1954北京坐标系是我国第一代大地坐标系，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。
3.1.2 特点
1) 属参心大地坐标系；
2) 采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；
3) 大地原点在原苏联的普尔科沃；
4) 采用多点定位法进行椭球定位；
5) 高程基准为1954年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；
6) 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，按我国天文水准路线推算而得； 3.1.3 存在问题
1) 椭球参数有较大误差。克拉索夫斯基椭球差数与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m；
2) 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达60m，这影响到大比例尺地图反映地面的精度；
3) 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900～1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，与克拉索夫斯基椭球不一致；
4) 没有严格的地心引力常数和自转角速度等物理参数。
3.2 1980西安坐标系
3.2.1 概况
1978年4月在西安召开的全国天文大地网平差会议，建立了我国新的坐标系，即1980年西安大地坐标系，为我国第二代大地坐标系。该坐标系采用的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。大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，基准面采用1985国家高程基准。
3.2.2 特点
1) 椭球参数与克拉索夫斯基椭球相比精度高；
2) 椭球有4个参数，是一套完整的数值，既确定了几何形状，又表明了地球的基本物理特征，从而将大地测量学与大地重力学的基本参数统一起来；
3) 椭球参数与国际天文学会(IAU)决定从1984年启用的新天文常数系统中的地球椭球参数相一致；
4) 与1954年北京坐标系相比，轴系与参考基本面明确；
5) 通过椭球定位，参考椭球与我国似大地水准符合较好；
6) 该坐标系是综合利用我国30年来天文、重力、三角测量资料建成的我国自己的大地坐标系。 3.2.3 存在问题
1) 二维坐标系统，即任何所考虑对象的三维坐标在1980西安坐标系中只表现为平面的2维坐标；
2) 椭球定位。1980西安坐标系是由(中国)大陆局域高程异常最佳符合方法定位。因此它不仅不是地心定位，而且当时确定定位时也没有考虑到占中国全部国土面积近1／3的海域国土；
3) 随着科学技术的发展，原来用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数已有了更新和改善；
4) 椭球短轴的指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点与国际上通用的地面坐标系如ITRS或与GPS定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向不同。
3.3 2000国家大地坐标系
3.3.1 概况
2000国家大地坐标系采用地球质量中心为原点，为地心坐标系。是经国务院批准使用的新一代大地坐标系，该坐标系于2008年7月1日启用，预计用8-10年时间完成现行国家大地坐标系向2000国家大地坐标系的过渡和转换。该坐标系可分为地心空间直接坐标系(以x、y、z为坐标元素)和地心大地坐标系(B、L、H为坐标元素)。
3.3.2特点
1) 采用地球质量中心作为原点；
2) 为地心坐标系；
3) 该坐标系定义除原点外，还包括3个坐标轴指向、尺度及地球椭球的4个基本常数定义。 3.4 小结
综上所述，随着GPS技术和大地测量技术的迅速发展，我国曾经采用的1954北京坐标系和1980西安坐标系不能适应新时期国民经济和科学发展的需要。国家测绘局于2008年6月宣布自2008年7月1日起正式启用2000国家大地坐标系，以满足我国建设地理空间信息框架即各行业需求。 4 转换方法
4.1 简介
不同的坐标系统之间由于椭球参数的不同，其没有统一的方法实现坐标转换。但在两个椭球所在的同一区域内，由于椭球弯曲度较小，该区域相同的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。一般而言，全国及省级范围的坐标转换选择二维七参数转换模型；省级以下的坐标转换可选择三维四参数模型或平面四参数模型；相对独立的平面坐标系统与2000国家大地坐标系的转换可选择平面四参数模型或多项式回归模型。其中布尔莎七参数转换法也成为综合转换，即在相似变换(七参数转换)的基础上，对空间直角坐标残差进行多项式拟合，进而减小系统误差，使统一后的坐标系框架点坐标具有较好的一致性，提高坐标转换精度。
本文利用坐标转换工具——万能坐标转换9.86正式版，对收集到的某矿控制点坐标进行1954北京坐标系(6度带)和1980西安坐标系(3度带)间的坐标转换，并对转换精度进行了验证。 4.2 换带计算
在实际坐标转换过程中经常会遇到不同坐标系和不同分带下的同名点坐标，为了方便转换，需先将点坐标的分带统一为3度带或6度带。
我国陆地范围内3度带和6度带均有采用。其中，①1：2.5万及1：5万的地形图采用6度分带投影，即经差为6度，从零度子午线开始，自西向东每隔6度为一带，全球共分60个带，用1，2，3，4，5，6......表示，即0～6°E为第一带，其中央经线的经度为3°E;6°E-12°E为第二带，其中央经线的经度为9°E。②1：1万的地形图采用3度带分带，从1.5°E的经线开始，每隔3度为一带，全球共分120个带，用1，2，3......表示，即1.5°E～4.5°E为第一带，其中央经线的经度为3°E；4.5°E～7.5°E为第二带，其中央经线的经度为6°E。地形图上公里网横坐标前2位即为带号，在我国陆地范围内，坐标(Y坐标若为8位数，即前两位是带号)带号在12-23之间的为6度分带，在23-45之间的为3度带(表4.2-1)。 注：中央经线根据坐标带号而定，3度分带38即38*3=114，即中央经线为114°E；6度分带19即19*6-3=111，即中央经线为111°E。
在此基础上，为达成坐标转换目的，需先将其中一个坐标系下的点坐标分带进行统一，即将3度带转换为6度带，或将6度带转换成3度带。
本文以西安80坐标系内的三个点坐标为例，Y坐标为8位数，且前两位数“38”表明该坐标属3度分带，故需要借助坐标转换工具将其转换成6度分带以进行统一，结果如下表所示(表4.2-2)。 4.3 坐标转换参数计算
在“万能坐标转换”工具中选择“北京54—西安80”，利用布尔莎七参数转换模型进行高精度计算，得到参数计算结果(图4.3-1)。 在此基础上，可将北京54坐标系下的控制点坐标通过七参数转换为西安80坐标系下的点坐标(表4.3-1)，反之亦然。 通过对比分析控制点坐标和经过转换得到的点坐标，发现除高程有微小差异外，其他点坐标无变化。而前人研究发现在平面坐标转换过程中高程对平面坐标转换结果的影响很小，在一般情况下可以忽略大地高的影响[15]，进而可以对此次七参数计算精度进行验证。
5 结语
本文对国内常见大地坐标系(1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系)的基础理论和转换方法进行了初步整理及分析，并利用实际数据通过布尔莎七参数转换法实现了北京54坐标和西安80坐标间的相互转换。后期可以采用该方法实现原有地方坐标基础地理信息数据的批量转换，逐渐实现原有坐标到西安80坐标或国家2000大地坐标系的统一。
参考文献
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