空间坐标系简述

Posted 2021-03-21 xiangze

　　不同阶段、不同方式获取的地理信息数据可能采用不同的坐标系。为实现同一区域不同数据成果共享利用，通常需要进行坐标转换。

　　按研究对象的不同，空间坐标系可分为天球坐标系和地球坐标系两大类；按表示方式，地球坐标系又可分为曲线坐标系、空间直角坐标系和平面直角坐标系三种。

1、地心坐标系

　　椭球定位：总地球椭球在全球范围内与大地水准面有最佳的符合，同时椭球中心与地球质心一致或最接近，即满足全球范围内的大地水准面差距的平方和最小。 

　　椭球定向：1）椭球短轴平行于地球自转轴；2）大地起始子午面平行于天文起始子午面。

　　（1）CGCS2000大地坐标系

　　2008年7月1日起，我国全面启用2000国家大地坐标系（CGCS2000，China Geodetic Coordinate System 2000）。CGCS2000实际是ITRF 1997框架在我国的加密和实现，是定义在ITRF 1997框架中的区域性地心坐标框架。通过GPS A、B级网，总参GPS一、二级网，中国地壳运动观测网，地壳运动监测网4个空间网在ITRF 1997框架下联合平差计算站点历元2000.0下的坐标和速度，相对精度达到10^-9。

　　坐标系的原点为地球质心（包括海洋和大气的整个地球的质量中心），Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP方向，X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP对应的赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。

　　4个常用的椭球参数：

长半轴	a = 6378137m
地球扁率	f = 1/298.257222101
地球引力常数	GM = 3.986004418×1014m3s-2
地球自转角速度	ω = 9.292115×10-5rad/s

　　（2）WGS84大地坐标系

　　1984年世界大地坐标系（Word Geodetic System，WGS），由美国建立，是一个协议地球参考系，该坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0（国际时间局）定义的协议地球极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP对应的赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。坐标系采用1979年国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第17届大会上推荐的椭球参数。WGS84由分布于全球的一系列GPS跟踪站的坐标来具体体现，此坐标框架先后经历了几次更新，其坐标参考历元也不断在改变。

　　4个常用的椭球参数：

长半轴	a = 6378137m
地球扁率	f = 1/298.257223563
地球引力常数	GM = 3.986004418×1014m3s-2
地球自转角速度	ω = 9.292115×10-5rad/s

2、参心坐标系

　　椭球定位：参考椭球面在一定范围内与大地水准面有最佳的符合，对椭球中心位置无特殊要求。

　　椭球定向：1）椭球短轴平行于地球自转轴；2）大地起始子午面平行于天文起始子午面。

　　有了定位和定向的参考椭球面就成为一个基准面，根据不同的定位和定向，同一个椭球可对应不同的基准面。

　　西安80、北京54均为参心坐标系。椭球参数略。

3、平面直角坐标系

　　利用一定的数学法则将空间三维坐标变换到二维投影面上，构成平面直角坐标系。

　　（1）高斯平面直角坐标系

　　我国1:100万比例尺地形图采用等角圆锥投影，1:50万及更大比例尺地形图都采用高斯克吕格投影（横轴等角切椭圆柱投影），为了限制长度变形，规定按经差6°和3°进行投影分带，其中1:2.5万—1:50万比例尺地形图上采用6°分带，大于等于1:1万地形图采用3°分带。在投影面上，以中央子午线的投影为纵轴，以赤道的投影为横轴，为了避免出现负的横坐标值，横坐标统一增加500Km。为了区别作业区域属于哪一投影带，可在横坐标的百千米位数前加上带号。例如某点的坐标值为东坐标34425480.3，北坐标4270568.2，其中34为带号。

　　（2）独立平面直角坐标系

　　高斯平面直角坐标系在高海拔地区和距离中央子午线比较远的地方，投影长度的变形会比较大，无法满足城市测量、工程测量中位置精度要求，因此会根据实际情况建立相应的地方独立平面直角坐标系。

　　地方独立平面直角坐标系与高斯平面直角坐标系相比，主要存在以下差异：

　　a.中央子午线选在该区域的中央；

　　b.参考椭球面为该区域的平均高程面；

　　c.人为指定坐标原点和坐标轴指向。

 4、高程系统

　　正高：以大地水准面为高程基准面，地面上任一点的正高高程（简称正高），即该点沿垂线方向至大地水准面的距离。

　　正常高：将正高系统中不能精确测定的重力加速度平均值 用正常重力加速度平均值 代替，得到的一种高程系统，称为正常高。

　　我国规定采用正常高高程系统作为我国高程的统一系统。

　　现行1985国家高程基准：高程基准面根据青岛验潮站1952年至1979年19年间的验潮资料计算确定。（原点高程为72.260m）。

　　大地高：地面点沿椭球面法线方向至椭球面的距离。

　　大地高H与正高 H_正、正常高H_正常 之间的关系：

　　　　H = H_正 + N

   　　　H = H_正常+ ξ

　　N为大地水准面差距， ξ为高程异常。