工程測量中不同坐標(biāo)系變換與精度分析

摘要；對于坐標(biāo)系的變換來說，在我們平時的生活中并不常見，但是在我國的一些高科技領(lǐng)域卻十分普及，并且做好坐標(biāo)系的變換以及精度分析能夠推動我國相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，所以我們應(yīng)該熟知不同坐標(biāo)系變換的基本方法，并且為我國的科技發(fā)展提供技術(shù)上的支持，下面我們將簡要介紹幾種不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法以及如何進(jìn)行精度分析。

關(guān)鍵詞；工程測量；坐標(biāo)系變換；精度分析

一、前言

北京54坐標(biāo)系的來源是前蘇聯(lián)1942坐標(biāo)系的延伸，但是該坐標(biāo)系的不足就是誤差比較大并且定位的偏斜也大，后來建立了西安80坐標(biāo)系以及基于GPS技術(shù)建立的2000國家坐標(biāo)系。隨著我國科技的不斷發(fā)展，科學(xué)家越來越重視不同坐標(biāo)系變換的方法以及精度分析的研究，并且該方法能夠在研究的過程中提供有力的支持以及數(shù)據(jù)的保障，下面首先我們簡要介紹幾種基本的方法，然后再對精度進(jìn)行科學(xué)的分析，為往后我國在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)，并且通過循序漸進(jìn)的方法來使我國在該領(lǐng)域能夠平穩(wěn)地進(jìn)行過渡。

二、簡述坐標(biāo)系的類型和常見的變換方法

由我國在不同坐標(biāo)系變換的領(lǐng)域可知我國目前最常用的幾種方法就是大地坐標(biāo)對平面直角坐標(biāo)，北京54、西安80以及2000國家坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，任意兩空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換以及十進(jìn)制角度和度、分、秒格式之間的相互轉(zhuǎn)換。并且隨著科技的不斷發(fā)展，在該領(lǐng)域出現(xiàn)了越來越多新型的方法。這對于坐標(biāo)系變換的發(fā)展極其有利，首先我們介紹大地坐標(biāo)對平面直角坐標(biāo)的方法，第一步就是先按照普遍的方法來找到變換的參數(shù)，主要的參數(shù)有橢球參數(shù)以及分帶標(biāo)準(zhǔn)和中央子午線的經(jīng)度等，并且將我們求得的參數(shù)輸入到軟件當(dāng)中，這樣就能以最快的速度并且準(zhǔn)確地實現(xiàn)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。接著就是北京54西安80以及2000國家坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，通常都是將地球的質(zhì)心作為坐標(biāo)的原點，也就是地心坐標(biāo)系，Z軸為世界時間確定的地球極的方向，X軸就是零子午面以及赤道的交點，三個坐標(biāo)系構(gòu)成了右手坐標(biāo)系，并且這個系統(tǒng)使用起來十分方便，還因為使用的基準(zhǔn)是橢圓的，跟國內(nèi)的使用原則十分相似，所以在國內(nèi)十分受歡迎。然后就是任意兩空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，我們可知不同的坐標(biāo)系的標(biāo)準(zhǔn)以及基準(zhǔn)都不一樣，但是有些通用的標(biāo)準(zhǔn)肯定是相似的，就是確定至少三個重合點，因為知道三個重合點并且代入布爾莎公式求解起來十分簡便。最后就是十進(jìn)制的方法，如果要使用這種方法，往往數(shù)據(jù)都比較多并且難以處理，人工的操作不多，所以要使用這種方法一般都會用到軟件，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入，等待軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。

三、如何確定不同坐標(biāo)系的變換的精度測量

由我國現(xiàn)狀可知，我國目前應(yīng)用最廣泛的一種變換技術(shù)就是GPS技術(shù)，主要是因為其準(zhǔn)確度高并且靈活以及工作效率非常高，并且?guī)椭芏喑鞘泄こ踢M(jìn)行高精度的測量以及計算，并且其在進(jìn)行測量的時候并不需要大面積的空地，這樣就降低了儀器對于地面情況的依賴性，并且在一定程度上避免了不必要的人力以及物力，還縮短了工作的時間從而減少投入的資金，并且轉(zhuǎn)變的效率也比以前的方法更高，所以該技術(shù)十分普遍，雖然話說該技術(shù)的精確度高，但是絕對來說并沒有那么準(zhǔn)確，因為科技水平有限，坐標(biāo)系變換的多種方法中每一種方法都有自己的不足，GPS其實就是一個衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，我國只是將其和坐標(biāo)系變換有機(jī)結(jié)合在了一起，就是用GPS技術(shù)來實現(xiàn)坐標(biāo)的變換，首先就是確定兩者的交點，并且根據(jù)兩個坐標(biāo)系的參數(shù)保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確以及迅速，但是這種方法之所以會使最終的測量以及變換與實際值出現(xiàn)一定程度的偏差以及精度不高的原因就是其有的局限性，并且在求某些參數(shù)以及公共點和三維坐標(biāo)的時候都不能準(zhǔn)確算出或者找出，但是相信隨著在該方面科技的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)會有一個質(zhì)的飛躍。

四、幾種常見的關(guān)鍵的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法

幾種比較重要的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換就是北京54坐標(biāo)以及西安80坐標(biāo)和2000國家坐標(biāo)三個坐標(biāo)系之間的兩兩互相轉(zhuǎn)換。對于54以及80坐標(biāo)系來說，兩種坐標(biāo)系是在兩個不一樣的橢球，所以要想進(jìn)行變換就要找到兩個橢球的交點，并且將數(shù)據(jù)在鏈各個坐標(biāo)系的相應(yīng)的坐標(biāo)輸入到軟件之中完成變換，其中比較關(guān)鍵的就是四參數(shù)或者七參數(shù)，變換的流程簡述如下：第一步就是將這兩個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系，并且通過四參數(shù)或者七參數(shù)來得到變換參數(shù)，第二步就是根據(jù)實際情況可以將直角坐標(biāo)系變換為大地坐標(biāo)，并且可以利用下述的公式進(jìn)行變換：X=（N+H）cosBcosLY=（N+H）cosBsinLz=[N（1-e2）+H]sinB；L=arctan（YX/）B=arctan{Z（N+H）/[（X2+Y2）1/2（N（1-e2）+H）]}H=Z/sinB-N（1-e2）上述兩個式子中L和B就是大地經(jīng)緯度，H是大地的高程，N就是該點的卯酉圈曲率半徑，a是大地坐標(biāo)系對應(yīng)的橢球的長半軸，e就是大地坐標(biāo)系對應(yīng)的橢球的偏心率。對于54坐標(biāo)系以及2000坐標(biāo)系來說，就是使用布爾莎公式來求得兩個坐標(biāo)系各自的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并且知道相對應(yīng)的坐標(biāo)從而完成坐標(biāo)系之間的變換。對于2000坐標(biāo)系以及80坐標(biāo)系來說，因為80坐標(biāo)系是參心的坐標(biāo)系，而2000坐標(biāo)系是地心的坐標(biāo)系，所以兩個坐標(biāo)系之間沒有比較一樣的變換公式，這就要求我們確定幾個同名點的坐標(biāo)并且計算出相關(guān)的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)坐標(biāo)系之間的變換。由上述我們可知在對各個坐標(biāo)系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)變的過程中，其本質(zhì)是一樣的，就是找到兩個坐標(biāo)系之間的共同點以及求得相關(guān)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將對應(yīng)點的坐標(biāo)在對應(yīng)的坐標(biāo)系中進(jìn)行標(biāo)出，最終要想實現(xiàn)坐標(biāo)系之間的相互變換就要用到專業(yè)的儀器以及測繪工具來完成。

五、如何保證不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的精確度

要想使各個坐標(biāo)系之間的變換更加精確的話，最關(guān)鍵的要點就是在同一個橢圓中進(jìn)行，之所以變換不是在同一個橢圓中不嚴(yán)謹(jǐn)是因為他們分別在不一樣的體系當(dāng)中，并且最終的變換的結(jié)果不是絕對的準(zhǔn)確，例如2000坐標(biāo)系以及54坐標(biāo)系在兩個不一樣的橢圓體系中變換，如果他們本身所確定的變換參數(shù)就不太準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致在相應(yīng)的坐標(biāo)系中求得的各個點的坐標(biāo)也不夠準(zhǔn)確，這種情況下要想實現(xiàn)兩個坐標(biāo)系之間的變換的話就只能通過兩個橢圓體系的交點來進(jìn)行，這樣求得的結(jié)果使得整個坐標(biāo)系中每一個坐標(biāo)點的數(shù)值都不是很準(zhǔn)確，并且坐標(biāo)不準(zhǔn)確的坐標(biāo)點可能還不是一個兩個，所以綜合上述所說，如果我們要想所求得的坐標(biāo)系能夠更加準(zhǔn)確的話，首先就應(yīng)該在政府專業(yè)的測繪部門獲得準(zhǔn)確度比較高的數(shù)據(jù)，接著就是我們在尋找以及計算的過程當(dāng)中多做幾遍以及多記錄幾組數(shù)據(jù)，并且根據(jù)相關(guān)公式求得相應(yīng)的變換參數(shù)，從而在不同的坐標(biāo)系的情況下求得相應(yīng)的坐標(biāo)值，要想變換再準(zhǔn)確一點的話，可以利用求平均值的方法來進(jìn)行計算，并且這種方法通常在使用的情況下對實驗結(jié)果的影響太小，通常我們可以不用考慮其產(chǎn)生的誤差。

六、結(jié)束語

綜上所述我們可知，我們之所以要研究坐標(biāo)系變換以及精度分析是因為其能使變換更加準(zhǔn)確并且增強(qiáng)我國的勘測能力，所以我們應(yīng)該加強(qiáng)變換儀器的準(zhǔn)確以及靈活，是因為環(huán)境是在不斷變化當(dāng)中的，要在最大程度上保障儀器在變換的儀器中也能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，并且我國政府也應(yīng)該加強(qiáng)對測繪的研究，只有技術(shù)以及方法過關(guān)，才能幫助坐標(biāo)系變換以及工程測繪有更好的發(fā)展。

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作者簡介：袁大群，男，43歲，高級工程師，注冊測繪師，河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司