大地测量控制点坐标转换技术规程

'大地测量控制点坐标转换技术规程国家测绘地理信息局2013年6月 目录1范围752规范性引用文件753术语和定义754控制点类型794.1控制点分类794.2控制点精度804.3控制点用途805控制点坐标转换模型及适用范围815.1总则815.2转换模型815.3适用范围825.4模型选取836控制点坐标转换836.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算836.2省市级卫星大地控制网点坐标转换856.3其他控制点坐标转换857精度评定867.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算精度评定867.2其他控制点坐标转换精度评定86附录A87附录B89附录C95附录D98附录E100 大地测量控制点坐标转换技术规程1范围 本规程规定了各种坐标系控制点坐标转换到2000国家大地坐标系时控制点选取、坐标转换模型、转换方法、精度评价等方面应遵循的原则、适用范围和精度要求。本规程适用于大地测量控制点坐标转换过程中的重合点选取、模型选择和转换方法。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T17159－2009大地测量术语GB/T18314－2009全球定位系统（GPS）测量规范GB/T19391－2003全球定位系统（GPS）术语及定义GB/T22021－2008国家大地测量基本技术规定GB/T28588－2012全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范CH/T1004－2005测绘技术设计规定2010（第三版）测绘学名词3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1控制点controlpoint以一定精度测定其位置为其他测绘工作提供依据的固定点。3.2地球椭球earthellipsoid 近似表示地球的形状和大小，并且其表面为等位面的旋转椭球。3.3参考椭球referenceellipsoid最符合一定区域的大地水准面，具有一定大小和定位参数的旋转地球椭球。3.4国际地球参考系统InternationalTerrestrialReferenceSystem，ITRS由国际地球自转服务（IERS）给出的地球坐标系统的定义和大地测量常数。3.5国际地球参考框架InternationalTerrestrialReferenceFrame,ITRF国际地球参考系统（ITRS）的实现。由国际地球自转服务局（IERS）根据空间大地测量技术，包括甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、多里斯系统（DORIS）、全球定位系统（GPS）等，所确定的地面点的坐标所构成的集合。3.6大地坐标系geodeticcoordinatesystem以地球椭球中心为原点、起始子午面和赤道面为基准面的地球坐标系。3.71954年北京坐标系BeijingGeodeticCoordinateSystem1954将我国大地控制网与苏联1942普尔科沃大地坐标系联结后建立的我国过渡性大地坐标系。 3.81980西安坐标系XianGeodeticCoordinateSystem1980采用IAG1975国际椭球，以JYD1968.0系统为椭球定向基准，大地原点设在陕西泾阳县永乐镇，采用多点定位所建立的大地坐标系。3.9地心坐标系geocentriccoordinatesystem原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ的平面构成右手坐标系。3.101984世界大地坐标系WorldGeodeticSystem1984,WGS84美国军用大地坐标系统，坐标系定义和国际地球参考系统（ITRS）一致。3.112000国家大地坐标系ChinaGeodeticCoordinateSystem2000,CGCS2000原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴为国际地球自转局（IERS）定义的参考极方向，X轴为参考子午面与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴和X轴构成右手正交坐标系。3.12坐标转换coordinatetransformation包含坐标系变换和椭球基准变换两层含义。在测量数据处理过程中，采用适用的转换模型和转换方法，空间点从某一参考椭球基准下的坐标转换到另一坐标系统下的坐标。坐标转换过程就是转换参数的求解过程。 3.13坐标系变换coordinateconversion同一椭球基准下，空间点的不同坐标表示形式间进行变换。包括大地坐标系和空间直角坐标系的互相转换、空间直角坐标系与站心坐标系间的转换和高斯投影坐标正反算。3.14椭球变换ellipsoidconversion空间点在不同的参考椭球间的坐标变换。3.15重合点superpositionpoint同时拥有不同坐标系坐标的控制点。3.16平移参数translationparameters两坐标系转换时，新坐标系原点在原坐标系中的坐标分量。3.17旋转参数rotationparameters两坐标系转换时，把原坐标系中的各坐标轴左旋转到与新坐标系相应的坐标轴重合或平行时坐标系各轴依次转过的角度。3.18尺度参数scaleparameter两坐标系转换时引入的两坐标系中长度变化参数。3.19连续运行基准站ContinuouslyOperatingReferenceStation，CORS连续接收和发送本站坐标及其变化，GNSS星历，星钟差等信息的地面固定站。3.20国际GNSS服务InternationalGNSSService，IGS提供全球导航卫星系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO 等卫星星历，卫星钟差以及相应卫星系统的地面基准站坐标等方面信息的国际组织。3.21参考历元referenceepoch在天文学上，历元是为指定天球坐标或轨道参数而规定的某一特定时刻。在天文学和卫星定位中，所获数据对应的时刻也称为历元。3.22观测历元observationepoch为比较不同时刻的观测结果，需要注明观测资料所对应的观测时刻，称之为观测历元。3.23板块tectonicplate板块是指岩石圈板块，即地壳和软流圈以上的地幔顶部。3.242000国家GPS大地控制网NationalGPSGeodeticControlNetwork20002000国家GPS大地控制网由A、B级网、GPS一、二级网以及中国地壳运动观测网联合平差后，得到的以CGCS2000三维地心坐标为特征的高精度全国性大地控制网。3.25最小二乘法leastsquaremethod在残差满足VTPV为最小的条件下解算测量估值或参数估值并进行精度估算的方法，其中V为残差向量，P为其权阵。4控制点类型4.1控制点分类a）国家级GNSS连续运行基准站点。b）2000国家GPS大地控制网点。c）国家一、二、三、四等天文大地点。 d）省级GNSS连续运行基准站点。e）省市卫星大地控制网C级点、D级点。f）其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的控制点。上述控制点中，a）、b）、c）三类控制点已有2000国家大地坐标系坐标；d）、e）两类控制点需要归算到2000国家大地坐标系；f）类控制点需转换到2000国家大地坐标系。4.2控制点精度表1控制点的2000国家大地坐标系坐标精度要求点位类型点位坐标精度GNSS连续运行基准站点国家级GNSS连续运行基准站点0.005m省级GNSS连续运行基准站点0.01m2000国家GPS大地控制网点0.03m国家天文大地点一、二等点0.11m三、四等点0.20m省市级卫星大地控制网点C级点内符精度0.01mD级点内符精度0.02m4.3控制点用途高等级控制点可用于低等级控制网的外部控制；可用于1954年北京坐标系、1980西安坐标系坐标成果转换为2000国家大地坐标系坐标成果时计算坐标转换参数。a）国家级GNSS连续运行基准站点：可作为省级连续运行基准站网建设的控制点。b）2000国家GPS大地控制网点：可作为天文大地点控制点及相对独立的平面坐标系建立控制点。c）国家一、二等天文大地点：可作为三、四等天文大地点的控制点使用。d） 国家三、四等天文大地点：可作为测图控制点使用；三等及以上天文大地点坐标成果可作为像控点的起算点。e）省级GNSS连续运行基准站点：点位坐标归算到2000国家大地坐标系后，可作为省级、市、县城市基础建设控制网点。f）省市卫星大地控制网C级点、D级点：点位坐标归算到2000国家大地坐标系后，可作为建立相对独立的平面坐标系的控制点。g）其他大地测量控制点：点位坐标转换到2000国家大地坐标系后，可作为建立相对独立的平面坐标系的控制点。5控制点坐标转换模型及适用范围5.1总则在控制点坐标转换过程中，控制点所在坐标系涉及到1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系，上述坐标系的参考椭球基准及参数参见附录A。5.2转换模型a）布尔沙模型：用于不同地球椭球基准下的空间直角坐标系间的点位坐标转换。涉及七个参数，即三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数。b）三维七参数转换模型：用于不同地球椭球基准下的大地坐标系间的点位坐标转换，涉及三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数，同时需顾及两种大地坐标系所对应的两个地球椭球长半轴和扁率差。c ）二维七参数转换模型：用于不同地球椭球基准下的地心坐标系向大地坐标系的点位坐标转换，涉及三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数。d）三维四参数转换模型：用于局部区域内、不同地球椭球基准下的地心坐标系向大地坐标系间的坐标转换，涉及三个平移参数和一个旋转参数。e）二维四参数转换模型：用于局部区域内、不同高斯投影平面坐标转换，涉及两个平移参数，一个旋转参数和一个尺度参数。对于三维坐标，需将坐标通过高斯投影变换得到平面坐标，再计算转换参数。f）多项式拟合模型：不同范围的坐标转换均可用多项式拟合。有椭球面和平面两种形式。椭球面上多项式拟合模型适用于全国或大范围的拟合；平面拟合多用于相对独立的平面坐标系统转换。上述转换模型参见附录B。5.3适用范围a）布尔沙模型：适用于省级及全国范围的控制点空间直角坐标转换。b）三维七参数转换模型：适用于椭球面3°及以上的省级及全国范围的控制点坐标转换。c）二维七参数转换模型：适用于椭球面3°及以上的省级及全国范围控制点坐标转换。d）三维四参数转换模型：适用于2°以内局部范围的控制点坐标转换。e）二维四参数转换模型：适用于小范围的控制点平面坐标转换、相对独立的平面坐标系统与2000 国家大地坐标系的联系。f）多项式拟合模型：椭球面多项式拟合适用于全国或大范围的大地坐标拟合；平面拟合多用于相对独立的平面坐标系统转换。5.4模型选取表2控制点转换到2000国家大地坐标系的坐标转换模型选取控制点转换模型适用区域范围所属坐标系坐标类型1980西安坐标系大地坐标三维七参数椭球面3°及以上的省级及全国范围二维七参数椭球面多项式拟合空间直角坐标布尔沙全国及省级范围三维四参数2°以内局部区域平面坐标二维四参数局部区域1954年北京坐标系大地坐标三维七参数椭球面3°及以上的省级及全国范围二维七参数椭球面多项式拟合空间直角坐标布尔沙全国及省级范围三维四参数2°以内局部区域平面坐标二维四参数局部区域相对独立的平面坐标系平面坐标二维四参数局部区域平面多项式拟合局部区域6控制点坐标转换6.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算本方法适用于非2000国家大地坐标系下的省级GNSS连续运行基准站点坐标向2000国家大地坐标系的归算。6.1.1基准控制点选取选取我国周边稳定的IGS站、国内IGS站及国家级GNSS连续运行基准站至少10个作为省级GNSS连续运行基准站的最高级基准控制站。选取原则有：a）连续性：测站连续观测近3年(或以上)； b）稳定性：站点坐标时序稳定性好，具有稳定、可知的点位速度；c）高精度：速度场精度优于3mm/y；d）多种解：至少3个不同分析中心的速度场残差优于3mm/y；e）平衡性：站点尽量全球分布；f）精度一致性：站点位置和速度的精度应当一致。6.1.2数据处理采用国内外成熟的高精度数据处理软件对GNSS连续运行基准站观测数据进行处理与平差，获得各站点在现ITRF框架、观测历元下的位置和基线向量。省级GNSS连续运行基准站作为省级2000国家大地坐标系框架基准，需将相邻省份的相邻GNSS连续运行基准站纳入本省GNSS连续运行基准站一同处理。6.1.3框架转换GNSS连续运行基准站点获得的观测历元的坐标转换为2000国家大地坐标系的坐标成果，需经历元归算、板块运动改正、框架转换三个步骤。a）历元归算。不同ITRF框架对应的历元不同，需将不同ITRF框架下各参数（参见附录C）归算到同一历元下。框架间如无直接转换关系，可按间接方法转换；b）板块运动改正。计算框架点坐标从观测历元到需转换历元期间，由于板块运动引起的坐标变化值；c）框架转换。利用框架转换公式进行基准站坐标计算。 框架转换公式参见附录D。6.2省市级卫星大地控制网点坐标转换省市级卫星大地控制网C级点坐标、D级点坐标转换到2000国家大地坐标系的方法参见6.1。6.3其他控制点坐标转换本方法适用于除上述控制点类型外的、其他1954年北京坐标系、1980西安坐标系及相对独立的平面坐标系下的大地测量控制点坐标向2000国家大地坐标系的转换。6.3.1重合点选取原则选用具有原坐标系坐标和2000国家大地坐标系坐标的控制点作为重合点。重合点选取的基本原则为：等级高、精度高、分布均匀、覆盖整个转换区域、局部变形小。6.3.2转换参数计算转换参数计算按以下步骤进行：a）按转换区域选取适当的转换模型；b）按重合点选取原则选择重合点；c）将重合点代入转换模型，利用最小二乘法计算转换参数；d）用得到的转换参数计算重合点坐标残差；e）剔除残差大于3倍点位中误差的重合点；f）重复上述b）到e）的计算过程，直至重合点坐标残差均小于3倍点位中误差；g）最终用于计算转换参数的重合点数量与转换区域大小有关，但不得少于6个； h）根据最终确定的重合点，利用最小二乘法计算转换参数。6.3.3坐标转换利用计算得到的转换参数，进行坐标转换，求得各控制点在2000国家大地坐标系下的坐标。6.3.4外部检核点数量要求利用未参与计算转换参数的重合点作为外部检核点，其点数不少于6个且均匀分布；7精度评定7.1省级GNSS连续运行基准站点坐标归算精度评定省级GNSS连续运行基准站点坐标归算后坐标精度在平面3cm以内。7.2其他控制点坐标转换精度评定采用内符合精度和外符合精度评定，依据计算转换参数的重合点残差中误差评估坐标转换精度，残差小于3倍点位中误差的点位精度满足要求。内符合精度计算公式参见附录E。附录A （资料性附录）常用坐标系椭球基准及参数A1WGS84大地坐标系的地球椭球基本参数A1.1地球椭球基本参数长半径a=6378137m扁率f=1/298.257223563地球引力常数（含大气层）GM=3986005×1014m3s－2正常化二阶带谐系数C2.0=－484.16685×10－6地球自转角速度ω=7292115×10－5rad.s－1A1.2WGS84（G730）大地坐标系，其他地球椭球基本参数A1.1同规定。A22000国家大地坐标系的地球椭球基本参数长半径a=6378137m扁率f=1/298.257222101地球引力常数（含大气层）GM=3.986004418×1014m3s-2正常化二阶带谐系数J2=1.082629832258×10-3地球自转角速度ω=7.292115×10－5rad/sA31980西安坐标系的参考椭球基本参数长半径a=6378140m扁率f=1/298.257地球引力常数（含大气层）GM=3.986005×1014m3s-2二阶带谐系数J2=1.08263×10-3 地球自转角速度ω=7.292115×10－5rad/sA41954年北京坐标系参考椭球基本参数长半径a=6378245m扁率f=1/298.3附录B （规范性附录）坐标转换模型B1布尔沙模型………………（B.1）式中：，，——原坐标系坐标，，——目标坐标系坐标，，，，，，——七参数B2三维七参数转换模型…（B.2）式中：——第一偏心率的平方,无量纲——地球椭球子午圈曲率半径，单位为米， ——地球椭球卯酉圈曲率半径，单位为米，，，——点位纬度、经度、大地高，经纬度单位为弧度，大地高单位为米，，——点位在两个坐标系下纬度差、经度差、大地高差。经纬度差值单位为弧度秒，大地高差值单位为米——角度与弧度间转换量，单位弧度秒，，——椭球长半轴和长半轴差，单位为米，——椭球扁率和扁率差，无量纲，，——平移参数，单位为米，，——旋转参数，单位为弧度秒——尺度参数，无量纲B3二维七参数转换模型…（B.3）式中：——第一偏心率的平方,无量纲，——子午圈和卯酉圈的曲率半径，单位为米，，，——点位纬度、经度，及其在两个坐标系下的纬度差、经度差。经纬度单位为弧度，其差值单位为弧度秒——角度与弧度间转换量，单位弧度秒，，——椭球长半轴和长半轴差，单位为米，——椭球扁率和扁率差，无量纲，，——平移参数，单位为米 ，，——旋转参数，单位为弧度秒——尺度参数，无量纲B4三维四参数转换模型坐标转换模型实质上是采用，，3个坐标平移量和1个控制网水平定向旋转量作为参数。是以区域中心P0点法线为旋转轴的控制网水平定向旋转量，顾及1954年北京坐标系或1980西安坐标系平面坐标由于起始定向与2000国家大地坐标系的差异引起的坐标变化。………（B.4）式中：——2000国家大地坐标系下的坐标，单位为米，——区域中心P0点的大地经、纬度，单位为弧度——大地坐标系（1954年北京坐标系或1980西安坐标系）坐标，单位为米，，——坐标平移量，单位为米——为旋转参数，单位为弧度B5二维四参数转换模型…………………（B.5）式中：,——原坐标系下平面直角坐标，单位为米,——2000国家大地坐标系下的平面直角坐标，单位为米,——为平移参数，单位为米——为旋转参数，单位为弧度——尺度参数，无量纲 B6多项式拟合模型椭球面上拟合公式：………………（B.6）式中：，——纬度、经度，单位为弧度，——多项式拟合系数，通过最小二乘求解。平面拟合公式……………………………………………………（B.7）式中：、——原平面直角坐标、——目标平面直角坐标、——坐标转换改正量，用下式计算；其中为系数，通过最小二乘求解。B7高斯投影正算公式……………………………………（B.8）式中符号含义及计算方法参见B8高斯投影反算公式。B8高斯投影反算公式 ………………………………………（B.9）式中：——第一偏心率的平方,，，，——第二偏心率，，，——计算中间过程变量，，——计算中间过程变量，——子午圈曲率半径，——卯酉圈曲率半径，——子午线弧长。设有子午线上两点p1和p2，p1在赤道上，p2纬度为B，p1、p2间的子午线弧长X计算公式式中：底点纬度迭代公式： 直到小于某一指定数值，即可停止迭代。式中 附录C（资料性附录）ITRF框架转换参数及其速率C1转换参数符号表示及单位表C.1转换参数符号表示及单位转换参数平移参数尺度参数旋转参数参考历元符号表示t0计量单位毫米（mm）10-9(ppb)毫角秒（mas，0.001"）速率符号计量单位毫米/年（mm/y）10-9/年(ppb/y)毫角秒/年(0.001"/y)C2从ITRF2000转换到ITRFyy的转换参数与速率表C.2从ITRF2000转换到ITRFyy的转换参数与速率ITRFyyt0速率(rates)ITRF976.76.1-18.51.550.000.000.001997.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF966.76.1-18.51.550.000.000.001997.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF946.76.1-18.51.550.000.000.001997.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF9312.76.5-20.91.95-0.390.80-1.141988.0rates-2.9-0.2-0.60.01-0.11-0.190.07ITRF9214.713.5-13.90.750.000.00-0.181988.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02 ITRF9126.727.5-19.92.150.000.00-0.181988.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF9024.723.5-35.92.450.000.00-0.181988.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF8929.747.5-73.95.850.000.00-0.181988.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02ITRF8824.711.5-97.98.950.100.00-0.181988.0rates0.0-0.6-1.40.010.000.000.02C3ITRF2005到ITRF2000的转换参数及其速率表C.3ITRF2005到ITRF2000的转换参数及其速率转换参数t0速率(rates)0.1-0.8-5.80.400.0000.0000.0002000.0+/-0.30.30.30.050.0120.0120.012rates-0.20.1-1.80.080.0000.0000.000+/-0.30.30.30.050.0120.0120.012C4ITRF2008到ITRFyy的转换参数及其速率表C.4ITRF2008到ITRFyy的转换参数及其速率ITRFyyt0速率(rates)ITRF2005-2.0-0.9-4.70.940.000.000.002000.0rates0.30.00.00.000.000.000.00ITRF2000-1.9-1.7-10.51.340.000.000.002000.0rates0.10.1-1.80.080.000.000.00ITRF974.82.6-33.22.920.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF964.82.6-33.22.920.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF944.82.6-33.22.920.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF93-24.02.4-38.63.41-1.71-1.48-0.302000.0rates-2.8-0.1-2.40.09-0.11-0.190.07 ITRF9212.84.6-41.22.210.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF9124.818.6-47.23.610.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF9022.814.6-63.23.910.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF8927.838.6-101.27.310.000.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02ITRF8822.82.6-125.210.410.100.000.062000.0rates0.1-0.5-3.20.090.000.000.02 附录D（规范性附录）ITRF框架与2000国家大地坐标系框架间转换D1历元归算ITRF框架对应的转换关系是定义在具体历元基础上，参见附录C。ITRF2000与之前框架的转换关系为历元1997.0或1988.0，将附录C中参数转换归算到同一历元（2000.0）。首先将框架的参考历元t0（1997.0或1988.0）历元转换为t（2000.0）历元。转换公式：（D.1）式中：由毫弧秒(mas)到弧度的转换因子。D2框架间转换的间接方法如果框架间没有直接关系，可采用间接方法进行转换。例如将基于ITRF2005框架、当前历元的坐标成果转换到2000国家大地坐标系（ITRF97框架、2000.0历元）下坐标时，框架间的转换可采用如下方法：ITRF2005->ITRF97=ITRF2005->ITRF2000+ ITRF2000->ITRF97即：分两步进行转换，首先从ITRF2005框架、当前历元转换到ITRF2000框架、2000.0历元；然后再从ITRF2000框架、2000.0历元转换到ITRF97框架、2000.0历元。D3板块运动改正不同框架、不同历元下的成果转换到2000国家大地坐标系所在的ITRF97框架和2000.0历元下，方法如下：根据IGS站速度值和观测历元与需转换历元的历元差，求出框架所对应历元下的坐标由于板块运动引起的坐标变化值，将观测历元转换为转换公式为………………………………（D.2）式中：——观测历元——需转换历元，，——历元时的坐标，，——观测历元时的坐标，，——IGS站速度值D4框架点坐标计算根据框架间转换关系进行转换…（D.3）式中：——ITRFyy框架下坐标——2000国家大地坐标系下坐标，，，，，，——七参数 附录E（规范性附录）精度评定公式E1重合点残差VV=重合点转换坐标值-重合点已知坐标值……………………（E.1）E2点位中误差…………………………（E.2）式中：——空间直角坐标X残差中误差，——空间直角坐标Y残差中误差，——空间直角坐标Z残差中误差，n为点位个数E3平面点位中误差………………………………（E.3）式中：——平面坐标x残差中误差——平面坐标y残差中误差n为点位个数'