第二章2测量坐标系(统).

第二章2.测量坐标系（统）——测量坐标系统——坐标系的转换上一讲应掌握的内容1、常用的地面点位的表示空间直角坐标系（X，Y，Z）；大地坐标系（L，B，H）；高斯平面直角坐标系（x，y)2、地球的运转地球的公转满足开普勒三大运动定律；地球的自转即地球绕地轴由西向东旋转；地球转动的特征：•地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）•地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）•地球自转速度变化（日长变化）春分点每年向西移动50.3″，26000年移动一圈；振幅为9.21″，18.6年为周期上一讲应掌握的内容3、地球形状的表述•大地水准面——具有物理意义的地球形状的一种几何表述•参考椭球面——最佳拟合于区域性大地水准面的旋转椭球面•总地球椭球面（简称地球椭球）——最佳拟合于全球大地水准面且为正常位面的旋转椭球面。地球大地基准常数是：a-椭球长半径，fM-引力常数与地球质量的乘积，J2-地球重力场二阶带球谐系数，ω-地球自转角速度。上一讲应掌握的内容4、建立测量坐标系的有关概念•椭球定位与定向的意义和条件•实现定位的方法：依据天文测量和高程测量来实现一点定位；多点定位：椭球面在大地原点处不一定与和大地水准面相切•建立地球参心坐标系的工作,,,KKKKKKKKLBAHH正min)min(22新新或NⅡ.测量坐标系（统）一、测量坐标系统的有关概念1、大地基准所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长、短半轴），以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准等.2、测量坐标系地面和空间点位的确定总是要参照于某一给定的坐标系。狭义的坐标系是指点位表示方法（3种），广义的坐标系是由坐标原点、坐标轴的指向和尺度所定义的。一、测量坐标系统的有关概念（续）3、大地测量坐标参考系统•基准和坐标系两方面要素构成了完整的测量坐标参考系统•不同基准的坐标系它们的点位坐标是不同的。4、地固坐标系•测量坐标参考系统分为天球坐标系和地球坐标系（亦称地固坐标系）。•天球坐标系主要用于研究天体和人造卫星的定位与运动；地球坐标系主要用于研究地球上物体的定位与运动。•确定地球表面点的空间位置采用地固坐标系更为方便。•根据坐标系原点位置的不同，地固坐标系分为地心地固坐标系（原点与地球质心重合）和参心地固坐标系（原点与参考椭球中心重合），前者以总地球椭球为基准，后者以参考椭球为基准。一、测量坐标系统的有关概念（续）5、大地测量参考架——固定在地面上的控制网坐标参考架，高程参考架，重力参考架。6、建立地固坐标系统必须解决的问题(复习)•确定椭球的形状和大小（长半径a和扁率α等）；•确定椭球中心的位置（椭球定位）；•确定椭球短轴的指向（椭球定向）；•建立大地原点（）。,,,KKKKLBAH二、我国采用的测量坐标系统（参心坐标系）（一）1954年北京坐标系•1954年北京坐标系是我国广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科沃坐标系。•该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。这是一个只有几何量表示的椭球，其椭球的参数为：a=6378245mα=1︰298.3•该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是直接由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的。（一）1954年北京坐标系(续)•1954年北京坐标系存在缺点：⑴克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。⑵椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面自西向东明显的系统性倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。⑶该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，即没有进行整体平差。区与区之间存在较大的隙距。在不同区的坐标值相差1-2米。（二）1980年国家大地坐标系•1980年国家大地坐标系(亦称1980西安坐标系)是1978年我国决定建立新的国家大地坐标系统，对全国天文大地网施行整体平差。•采用国际大地测量协会1975年推荐的参考椭球IAG-75国际椭球，其四个几何和物理参数值为：①椭球长半径a=6378140m②引力常数与地球质量的乘积GM=3.986005×1014m3／s2③地球重力场二阶带球谐系数J2=108263×10-8④地球自转角速度ω=7.292115×10-5rad／s导出：地球椭球扁率：α=1/298.257赤道的正常重力值γ0=9.78032m/s2（二）1980年国家大地坐标系•椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面。按照椭球面与似大地水准面在我国境内符合最好的约束条件进行定位（多点定位），并将大地原点确定在我国中部——陕西省泾阳县永乐镇。•高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准•在1980年国家大地坐标系中的大地点成果与原1945年北京坐标系中的大地点成果是不同的。这个差异除了因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差以外，主要还由于它们各属于不同椭球与不同的椭球定位、定向。（三）新1954年北京坐标系•新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标系（GDZ80）转换得来。•BJ54新是在GDZ80的基础上改变GDZ80相对应的75国际椭球的几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点（椭球中心）平移，使坐标轴保持平行而建立起来的。•BJ54新和GDZ80的空间直角坐标的关系：0GDZ80BJ540GDZ80BJ540GDZ80BJ54ZZZYYYXXX新新新两坐标系的控制点的高斯平面坐标，其差值在全国80%地区内小于5m。新1954年北京坐标系的特点1.采用克拉索夫斯基椭球参数。2.是综合BJ54和GDZ80建立起来的参心坐标系。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，坐标轴平行与GDZ80相平行，椭球短轴平行于地球质心指向1968.0JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面。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年黄海系。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。BJ54旧的坐标是局部平差的结果，而BJ54新是GDZ80整体平差结果的转换值。三、地心（地固）坐标系原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极点的变动将引起坐标轴方向的变化。基准指向点的指向不同，可分为瞬时地心坐标系与协议地心坐标系。在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原点CIO为指向点。（一）地心地固坐标系的建立方法直接法:通过一定的观测资料(如天文、重力资料、卫星观测资料等)，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。间接法:通过一定的资料(包括地心系统和参心系统的资料)，求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法。（二）WGS-84世界大地坐标系•WGS-84是美国国防部1984年为GPS系统建立的一个协议地球参考系。坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0CTP方向，X轴指向BIH1984.0零子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。4个基本参数·a=6378137m·GM=3986005×108m3s-2·C2,0=-484.16685×10-6·ω=7292115×10-11rad/sWGS-84世界大地坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS卫星所发布的广播星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系.WGS-84坐标系与国际地球参考系（ITRS，最精密的地心地固坐标系）很接近，差异在2cm以内。（三）ITRS与ITRF•国际地球参考系统(ITRS)ITRS是一种协议地球参考系统(CTRS),定义为CTRS的原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；CTRS的长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；CTRS的定向Z轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；X轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系；CTRS的定向的随时演变满足地壳无整体旋转NNR条件的板块运动模型，（三）ITRS与ITRF•国际地球参考框架(ITRF)ITRF是ITRS的具体实现，是由IERS（国际地球自转服务）利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。自1988年起，IERS已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球参考框架。ITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。(四)我国的地心坐标系统--CGCS2000•2000国家大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，简称CGCS2000）。其定义为：•原点：包括海洋和大气的整个地球的质量中心；•定向：初始定向由1984.0时BIH（国际时间局）定向给定；Z轴为国际地球旋转局（IERS）参考极（IRP）方向，X轴为IERS的参考子午面（IRM）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。•参考椭球采用2000参考椭球，其定义常数是：•长半轴：a=6378137ｍ•地球引力常数：GM=3.986004418×1014m3s-2•地球动力形状因子：J2=0.001082629832258•地球旋转速度：ω=7.292115×10-5rads-1我国的地心坐标系统(续)•正常椭球与参考椭球一致。•2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系统。•国家平面坐标系统采用高斯－克吕格投影建立全国统一的平面坐标系统，并采用经度差6度或3度分带。•2000国家大地坐标系的坐标框架则是GPS2000网，2003年起已面向全国提供其三维地心坐标，各省份也已据此加密建立了全省GPSC级网。四、站心坐标系•以测站为原点，测站上的法线(垂线)为Z轴方向的坐标系就称为法线(或垂线)站心坐标系。常用来描述参照于测站点的相对空间位置关系，或者作为坐标转换的过渡坐标系。工程上在小范围内有时也直接采用站心坐标系。垂线站心坐标系亦称：站心天文坐标系法线站心坐标系亦称：站心大地坐标系总结:按坐标原点的不同分类参心坐标系统如我国采用的坐标系（参心空间直角坐标系、参心大地坐标系)地心坐标系统如GPS采用的坐标系（地心空间直角坐标系、地心大地坐标系)站心坐标系统如GPS观测时采用的坐标系（站心直角坐标系、站心极坐标系）五、坐标系换算（一）为什么要进行坐标转换（换算）？1、三个原因：1）同一基准坐标系变化了（表示点位方法）；2）不同基准坐标系变化了（椭球参数，椭球定位定向）；