常用坐标系转换及坐标转换软件

常用坐标转换方法程鹏飞中国测绘科学研究院2010年６月10日坐标系基本概念一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六

内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围

四一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六

内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围

四坐标系基本概念1、地球的形状地球的大地水准面地球看做球形地球看做椭球地球为椭球大地水准面全球一致的总椭球参考椭球地心坐标系－坐标原点位于地球质心2、地心坐标系与参心坐标系参心坐标系－坐标原点不位于地球质心地心坐标系和参心坐标系的特点地心坐标系适合于全球用途的应用参心坐标系适合于局部用途的应用有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好保持国家坐标系的稳定有利于坐标系的保密参心坐标系原点与轴指向由给定点定义基于国家或局部参考椭球在国家内部进行平差参考系为水平坐标系LocalellipsoidGeoidLocalareaofinterestEastingNorthing原点地球质量中心Z-轴地球平均旋转轴X-轴平均格林尼治子午面,垂直于Z轴P(X,Y,Z)格林尼治平均旋转轴平均赤道面O平均格林尼治子午面地心坐标系全球椭球大地水准面WGS-84坐标系3、常用坐标系国际地球参考框架(ITRF)1954年北京坐标系1980西安坐标系新1954北京坐标系2000国家大地坐标系我国大地基准参心坐标系地心坐标系存在的问题：（1）椭球参数有较大误差。（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倾斜。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。3.11954年北京坐标系1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。3.21980年国家大地坐标系（GDZ80）特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（3）定向明确。（4）大地原点地处我国中部。（5）大地高程基准采用1956年黄海高程。

新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。3.3新1954年北京坐标系（BJ54新）

BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。3.3

新1954年北京坐标系（BJ54新）（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。

WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数3.4WGS-84坐标系WGS-84的定义：原点在地球质心

Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向

X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点

Y轴和Z、X轴构成右手坐标系.

它是一个地固坐标系。长半径：

a=6378137±2（m）；地球引力常数：

GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；正常化二阶带谐系数：

C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自转角速度：

ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-13.4WGS-84坐标系国务院批准，2008年7月1日起正式实施地心坐标系，原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向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,该历元的指向由国际时间局给定的历元1984.0推算得到Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。2000国家大地坐标系采用的地球椭球的参数为：长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.257222101

3.52000国家大地坐标系3.6独立坐标系统大多数建立在上个世纪五六十年代控制网普遍采用传统的三角导线测量方法布测以城市或测区中心设立中央子午线，为了满足每公里长度变形小于2.5厘米限差要求；基于2000国家大地坐标系建立的独立坐标系统，称为2000独立坐标系。建立方法与常用独立坐标系建立方法基本相同。3.7坐标系各参数比较坐标系统坐标系类型椭球a长半轴（米）扁率1954年北京坐标系参心坐标系克拉索夫斯基63782451/298.31980西安坐标系参心坐标系IAG-7563781401/298.257WGS-84世界坐标系地心坐标系WGS-8463781371/298.2572235632000国家大地坐标系地心坐标系CGCS200063781371/298.257222101独立坐标系参心坐标系同国家或自定义3.8国际地球参考架（ITRF）国际地球参考架(ITRF)是IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成–IGS精密星历

–Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持.

–提供站坐标及速度场信息

ITRF序列观测技术及板块运动模型

序列ITRF观测技术参考历元启用时间板块运动模型88VLBI,SLR,LLR1988.01989AM0-2,AM1-289VLBI,SLR,LLR1988.01990AM0-2,AM1-290VLBI,SLR,LLR1988.01991AM0-2,AM1-291VLBI,SLR,LLR,GPS1988.01992AM0-2,NNR-NUVEL192VLBI,SLR,LLR,GPS1988.01994AM0-2,NNR-NUVEL193VLBI,SLR,GPS1993.01995NNR-NUVEL1A94VLBI,SLR,GPS1993.01996NNR-NUVEL1A96VLBI,SLR,GPS,DORIS1997.01998NNR-NUVEL1A97VLBI,SLR,GPS,DORIS1997.01999NNR-NUVEL1A2000VLBI,SLR,GPS,DORIS,LLR1997.02001NNR-NUVEL1A最新的是ITRF2005坐标系基本概念一二软件功能与界面五框架转换实例六

内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围

四框架间的关系与比较ITRF和IGS(卫星轨道)的关系—ITRF91

1992年至1993年底;—ITRF92

1994年期间;—ITRF93

1995年初至1996年中期;—ITRF94

1996年中期至1998年3月;—ITRF96

1998年3月至1999年7月—

ITRF971999年8月至2000年6月—IGS972000年6月至2001年12月—IGS002001年12月至2004年1月—IGS00b2004年1月至2006年10月—IGS052006年11月至今ITRF和IGS的关系IGS精密星历,轨道约束，则测站坐标与IGS精密星历所采用的ITRF框架一致。采用ITRF中的测站坐标,并对测站进行约束，则必需采用最新的参考框架并将它转换至观测历元。如果测站框架ITRFzz比IGS星历框架ITRFyy新。修正过程为,在自由网或最小约束分析方案中利用星历轨道计算;在观测历元采用近似转换参数将测站坐标从ITRFyy转换至ITRFzz;在ITRFzz中加测站约束;ITRF和IGS的关系４)如果采用GPS广播星历（WGS84）,则测站坐标同任一ITRFyy的一致性在1米以内,利用精化了的WGS84(G1150)星历,则两者的一致性在1厘米以内。

最初WGS84与ITRF的关系WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS-84与ITRF的关系WGS84与ITRF的转换关系WGS-84与ITRF的关系精化后差别越来越小，最新实现差别在毫米量级WGS84与CGCS2000的比较WGS84与CGCS2000的比较从定义上CGCS2000与WGS84是一致的，即关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。参考椭球非常相近，在4个椭球常数ａ、ｆ、GM、ω中，唯有扁率ｆ有微小差异：WGS84与CGCS2000的比较１）df不引起大地经度变化；２）df引起大地纬度的变化范围为0～0.105mm；３）df引起大地高的变化范围为0～0.105mm；在当前的测量精度水平,即坐标测量精度1mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS84和CGCS2000坐标系内的坐标变化可以忽略。结论:CGCS2000和WGS84（G1150）在坐标系的实现精度范围内，两者的坐标是一致的。坐标系基本概念一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六

内容三转换模型及适用范围

四常用坐标系之间的转换坐标类型空间直角坐标-XYZ大地坐标BLH对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：直角坐标系与大地坐标系参数间的转换直接算法大地坐标系与空间直角坐标系变换由空间直角坐标系变换至大地坐标系采用迭代法

两个坐标系三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数国家大地坐标系之间及与国际上坐标系之间的转换布尔莎七参数模型布尔莎七参数模型

大地微分公式－椭球面上的转换

三维七参数坐标转换模型大地微分公式－椭球面上的转换

二维七参数转换模型用于大地高的精度较低的转换三维四参数转换若不考虑两者尺度的差异只顾及两个坐标系原点及起始定向的差异进行空间坐标转换时这4个参数可以是3个坐标平移参数和1个旋转参数平面四参数转换模型平面相似变换模型考虑两个方向不同尺度Sx，Sy独立坐标系建立方法

地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

城市独立坐标系一般是以国家坐标系坐标为基础建立的，独立坐标系建立方法大致归类为以下三种类型或它们的组合：（1）高斯正形投影于参考椭球面上任意带平面直角坐标系；（2）高斯正形投影于低偿高程面的任意带平面直角坐标系；（3）以中心点坐标平移或者坐标加常数和旋转。建立城市独立坐标系模型1）椭球膨缩法独立坐标系投影面即可高出CGCS2000椭球面，也可降低。建立高斯投影于抵偿高程面上任意带平面直角坐标系，可采用椭球膨缩法。2）椭球平移法地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

（1）高斯正形投影于参考椭球面上任意带平面直角坐标系这种类型通常采用用高斯投影计算方法，将独立坐标变换到相应椭球的国家平面坐标。（2）高斯正形投影于低偿高程面的任意带平面直角坐标系这种类型通常采用椭球变换法或比例缩放法进行变换。①椭球变换法在不改变扁率（偏心率）的前提下，改变椭球的长半轴，使改变后的椭球面与区域平均高程面重合，然后在改变参数后的椭球基础上进行投影。地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

转换步骤地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

②比例缩放法

比例缩放法1：通常在一定的精度和范围内进行不同投影归算面的坐标换算，可视为是长度元素进行一次按比例的缩放。转换步骤地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

比例缩放法2：在测区中央选择一个中心点，保持其它各点与中心点的方位不变，对各点与中心点的距离乘以一个变形系数K后得到零变形距离，然后根据零变形距离与方位角计算各点的坐标改正量，从而得到各点的新坐标（地方坐标）。

转换步骤地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

③算法比较比例缩放法：适用在小区域范围，算法上只考虑两个投影归算面简单近似的平面缩放关系，没有考虑由于归算面的变化而产生的椭球面变化问题。而且需要选择一个重合点，选择不同重合点换算后坐标也会有差异，其优点换算后坐标值与原坐标值较接近，便于展到原地形图上。椭球变换法：通过改变椭球参数来确定新椭球面，换算后坐标值具有唯一值，适用换算区域范围更大，精度较高，但是，换算后坐标值与原坐标值相差较大，不便于展到原坐标地形图上。地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

（3）以中心点坐标平移或者坐标加常数和旋转

①以中心点进行平移

以城市或测区中央某个控制点为中心点，将所有原控制点坐标以中心点进行平移，从而获得独立坐标系坐标。

地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

（3）以中心点坐标平移或者坐标加常数和旋转（续）

②以中心点进行平移，再按某角度进行旋转

以城市或测区中央某个控制点为中心点，将先所有原控制点坐标以中心点基准进行平移，然后按某角度进行旋转，最后获得独立坐标系坐标。原独立坐标系向2000系独立坐标系转换

地方独立坐标系测绘成果向地心坐标系转换的方法

原独立坐标系成果转换到2000系独立坐标系，通过选择覆盖整个转换区域，且分布均匀，具有一定密度的高精度重合点，采用二维坐标转换模型（二维四参数模型或二维多项式模型）求解转换参数，根据转换参数通过转换获得2000系独立系坐标。

转换模型ITRF框架间的相互转换框架转换步骤框架转换关系建立进行板块运动改正进行框架点坐标计算ITRF框架相互转换第一步:框架转换关系建立若已给定转换参数P，任一历元t的坐标值可从下式中得到

t0是表中指定的历元，t为需转到的目标历元,P’为参数的速率

框架转换关系转换参数T1(cm)T2(cm)T3(cm)SppbR1.001"R2.001"R3.001"ITRF970.600.56-2.011.400.04-0.0010.043转换参数(cm/y)(cm/y)(cm/y)ppb.001"/y.001"/y.001"/y速率-0.04-0.08-0.150.012-0.0040.0010.03从ITRF2005到ITRF2000的转换参数及它们的速率（历元2000.0）转换参数T1(mm)T2(mm)T3(mm)SppbR1(mas)R2(mas)R3(mas)ITRF20000.1-0.8-5.80.400.0000.0000.000转换参数(cm/y)(cm/y)(cm/y)ppb/y.001"/y.001"/y.001"/y速率-0.20.1-1.80.080.0000.0000.000从ITRF2000转换到以前框架的转换参数与速率（历元1998.0）ITRF框架相互转换具体的公式为ITRF框架相互转换第二步:考虑板块运动第三步:进行框架点坐标计算X,Y,Z为在ITRF2000中的坐标，XS,YS,ZS为其它框架中的坐标2000国家大地坐标与ITRF框架坐标转换

首先按已公布的ITRF框架之间的转换关系由参考历元转换到2000.0历元。ITRF2005->ITRF97=ITRF2005->ITRF2000+ITRF2000->ITRF97例如:将ITRF2005坐标转换关系转换为ITRF97，2000历元转换参数(cm)(cm)(cm)S(ppb).001".001".001"ITRF970.53000.3200-2.89001.82700.03200.00100.1030速率-0.0600-0.0700-0.33000.0920-0.00400.00100.03002000国家大地坐标与ITRF框架坐标转换根据测站本身在预转换框架中的速率值及框架本身的变化速率代入公式，转换参数的变化率看作年变率，计算得到测站的实际变化速率。2000国家大地坐标与ITRF框架坐标转换

为控制点的速率，可从ITRF网站（http://itrf.ensg.ign.fr/ITRF）所提供的相应的框架站点坐标文件中获取(例如：ITRF2005_GPS_SSC)。2000国家大地坐标与ITRF框架坐标转换其速度矢量不确定时测站的速度场可通过已公布的动态板块模型近似得到。每个板块的角速度分量是已知值都可从地球物理模型计算得到，因此，测站的速度为：2000国家大地坐标与ITRF框架坐标转换按计算得到的框架之间的转换关系转换得到CGCS2000的坐标坐标系基本概念一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六

内容常用坐标系之间的转换三四转换模型及适用范围Bursa椭球面三维平面七参数七参数四、坐标转换模型及适用范围四参数四参数三参数四、坐标转换模型及适用范围二维七参数转换模型省级以下相对独立的平面坐标系统与CGCS2000的联系全国及省级三维四参数转换模型平面四参数转换模型范围与模型选择多项式回归模型坐标系基本概念一框架间的关系与比较二五框架转换实例六

内容常用坐标系之间的转换三四转换模型及适用范围软件功能与界面五、软件主要功能及界面1不同坐标系之间的转换2ITRF与CGCS2000的转换3三度带、六度带、任意带换带4高斯投影:XY<->BL5同一坐标系下坐标转换:BLH<->XYZ6

强大的编辑功能7

支持单点与批量处理五、软件主要功能及界面1不同坐标系之间的转换23高斯投影:XY<->BL4三度带、六度带、任意带换带5同一坐标系下坐标转换:BLH<->XYZ6

强大的编辑功能7

支持单点与批量处理ITRF与CGCS2000的转换坐标转换计算步骤拟合残差及检核文件输出（二维输出为例）：五、软件主要功能及界面1不同坐标系之间的转换2ITRF与CGCS2000的转换3高斯投影:XY<->BL4三度带、六度带、任意带换带5同一坐标系下坐标转换:BLH<->XYZ6

强大的编辑功能7

支持单点与批量处理ITRF框架与CGCS2000坐标转换五、软件主要功能及界面1不同坐标系之间的转换2ITRF与CGCS2000的转换3高斯投影:XY<->BL4三度带、六度带