黃永軍

（天津海事局海測大隊，天津 300222）

為了更好地闡明地球上各種地理和物理現(xiàn)象，特別是空間物體的運動，需要與之相適應的參照物。經(jīng)過我國測繪工作者多年的艱苦細致的工作，將我國具有三維地心坐標、精度高和現(xiàn)勢性好的2000國家GPS大地網(wǎng)與點位分布較為稠密的全國天文大地網(wǎng)進行了聯(lián)合平差，建立起了2000國家大地坐標系［1］。國家測繪地理信息局宣布：我國自2008－07－01起，啟用2000國家大地坐標系［2］?，F(xiàn)有海洋測繪資料大部分是基于1954北京坐標系。因此，2000國家大地坐標系的啟用是否會對原有海洋測繪成果帶來影響，以及如何在海洋測繪中采用2000國家大地坐標系是一個值得關注的問題。

1 海洋測繪中常用坐標系

1.1 1954北京坐標系

1954北京坐標系是采用三角鎖聯(lián)測的方法將起始坐標從前蘇聯(lián)普爾科沃天文臺的大地基點傳遞過來的，經(jīng)各局部外業(yè)逐步聯(lián)測并分別平差后，得到全國三角點的平差結果。這些坐標所依據(jù)的坐標系定名為1954北京坐標系［3］。由于1954北京坐標系的原點在前蘇聯(lián)普爾科沃，遠離我國疆域，再加之技術手段的落后，造成了1954北京坐標系存在以下缺點［4］：①橢球參數(shù)有較大誤差；②參考橢球與我國大地水準面存在自西向東明顯的系統(tǒng)性傾斜，在東北地區(qū)大地水準面差異高達＋68m；③幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統(tǒng)一；④定向不明確。我國過去出版的海圖坐標系采用了1954北京坐標系。

1.2 WGS84坐標系

WGS84坐標系的定義為：原點為地球質(zhì)心M；Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應的赤道的交點；Y軸垂直于XMZ平面，且與Z軸、X軸構成右手坐標系［3］，見圖1。

圖1 WGS84坐標系

1.3 2000國家大地坐標系（CGCS2000）

文獻［3］給出了2000國家大地坐標系的定義為：原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心；Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)；X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點；Y軸與Z軸、X軸構成右手正交坐標系。

2 海洋測繪中的坐標系轉(zhuǎn)換

2.1 坐標系轉(zhuǎn)換的常用方法

2.1.1 空間三維直角坐標系間的轉(zhuǎn)換方法

空間三維直角坐標系的轉(zhuǎn)換方法有多種，最常用的方法為七參數(shù)法。將某一坐標系下的空間三維坐標（XS，YS，ZS）T轉(zhuǎn)換成另一坐標系下的空間三維坐標（XT，YT，ZT）T，其轉(zhuǎn)換公式為［3］

式中：（ΔX0，ΔY0，ΔZ0）T為兩坐標系原點間的3個平移參數(shù)；（εX，εY，εZ）T為兩坐標系坐標軸間的3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度變化參數(shù)。為了求得這7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少需要3個已知公共點。利用3個以上公共點，按照最小二乘法求得7個參數(shù)。

2.1.2 平面坐標系間的轉(zhuǎn)換方法

在實際測量工作中，坐標轉(zhuǎn)換通常是在2個平面坐標系統(tǒng)間進行：將某一坐標系下的平面坐標（XS，YS）T轉(zhuǎn)換成另一坐標系下的平面坐標（XT，YT）T，其轉(zhuǎn)換模型一般寫成

式中：（XO，YO）T為舊坐標系原點在新坐標系中的坐標；α為兩坐標系坐標軸間的旋轉(zhuǎn)參數(shù)；m為尺度變化參數(shù)。實際計算時，通常設cx＝XO；cy＝YO；kx＝m·cosα；ky＝m·sinsα。則式（2）可以簡化為

式（3）為線性方程。從理論上講，只要已知2個公共點分別在2套坐標系中的坐標就可求出式（3）中的4個參數(shù)cx，cy，kx，ky，但由于不可避免地存在測量誤差，通常是取3個以上的公共點，列出誤差方程，按最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.2 海圖坐標系與WGS84坐標系的轉(zhuǎn)換

我國出版的海圖大部分是基于1954北京坐標系的墨卡托投影，其他國家的海圖也采用了本國所規(guī)定的坐標系和投影方式。這樣遠航船員在大海上航行時，有時會使用不同坐標系下的航海圖。文獻［5］指出：若前后兩張海圖采用的坐標系不同，就會使前后兩張海圖上的定位點出現(xiàn)偏差，產(chǎn)生海圖坐標系誤差，即在兩張海圖上船位相對于物標、航行障礙物等的相互位置不一致，從而給航行造成困難，甚至會危及航行安全。

在海上航行時，當前所采用的絕大部分定位儀器都是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），其中美國全球定位系統(tǒng)（GPS）輸出的成果就是采用WGS84坐標系。這樣就會出現(xiàn)海圖坐標系與定位儀器輸出成果坐標系不一致的問題。關于如何將海圖坐標系即1954北京坐標系轉(zhuǎn)換成WGS84的問題，文獻［4］利用式（1）對我國沿海地區(qū)各地港口的WGS84坐標系與1954北京坐標系下的坐標差值進行計算，結果表明其并不顯著，從北向南差值在70～95m之間。為此文獻［4］給出了解決方案：對于大比例尺海圖，才需要顧及這種坐標差；但對于比例尺小于1∶20萬小比例尺海圖，這種坐標差值幾乎在海圖上反映不出來，可忽略不計。對于1∶5 000或1∶10 000等大比例尺海圖，則需要進行如下處理：在需要區(qū)域的海圖上均勻選擇一些點（稱為虛擬控制點），并在紙質(zhì)海圖或電子海圖上量取這些虛擬控制點坐標值，然后采用帶七參數(shù)的坐標系轉(zhuǎn)換軟件進行轉(zhuǎn)換，得到這些虛擬控制點的WGS84坐標值，再計算各虛擬控制點的坐標值之差，取坐標值之差的平均值，最后根據(jù)平均值將1954北京坐標系進行強制平移改正到WGS84坐標系。

2.3 WGS84與CGCS2000坐標系的轉(zhuǎn)換

文獻［3］及 文 獻［6］均 指 出：同 一 點 在CGCS2000橢球和WGS－84橢球下經(jīng)度相同，緯度的差值為從0mm（赤道和兩極）至0.105mm（B＝45°），在當前的測量精度（坐標測量精度1mm）條件下，WGS84與CGCS2000坐標系之間的坐標差異可以忽略不計。

2.4 地方獨立坐標系與CGCS2000坐標系的轉(zhuǎn)換［7］

地方獨立坐標系是我國在建立與推廣應用1954北京坐標系和1980西安坐標系2個國家大地坐標系的同時，為滿足經(jīng)濟建設等各方面的需要，部分地區(qū)或行業(yè)利用傳統(tǒng)大地測量手段建立起來的區(qū)域性的地方獨立坐標系，沒有具體規(guī)范，存在著復雜性和多樣性，具有濃郁的區(qū)域性特點。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國約有千余套地方坐標系或獨立坐標系，有的城市存在多套地方獨立坐標系統(tǒng)，大多數(shù)地方獨立坐標系統(tǒng)都是以國家參心坐標系（1954北京坐標系和1980西安坐標系）為基礎建立的，保留的時間也很長久。

地方獨立坐標系向CGCS2000坐標系的轉(zhuǎn)換，主要是根據(jù)地方獨立坐標系的建立方式，通過選取合理的坐標轉(zhuǎn)換模型，采用2個不同坐標系下的重合點，計算坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換，并通過坐標轉(zhuǎn)換精度評定對坐標轉(zhuǎn)換質(zhì)量進行評價。同時，為精確求解坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要有分布均勻、點位穩(wěn)定且具有一定密度的兩種坐標系的重合點。

3 基于CGCS2000坐標系的海圖測繪

在我國當前的海洋地形測繪作業(yè)中，依據(jù)的技術標準為《海道測量規(guī)范》［8］。當測圖比例尺大于1∶5 000時，文獻［8］規(guī)定水深測量定位點的點位精度應不低于圖上距離1.0mm。即要求實際的水深測量定位點的點位精度高于5.0m。為了達到這樣的技術要求，針對不同的測區(qū)可以采用不同的技術方案。

3.1 有RBN－DGPS差分信號的情況

為適應國民經(jīng)濟、國際貿(mào)易和社會發(fā)展的需要，滿足航行在我國主要港口、重要水道和沿岸的海上公眾用戶、國防、海洋測繪、海洋石油開發(fā)、海洋漁業(yè)、海洋資源調(diào)查、海上交通安全管理、疏浚、引航等和其它需要高精度導航服務的用戶需求，中國海事局結合我國國情，于1995年制定了中國沿海RBN/DGPS系統(tǒng)建設規(guī)劃。截止2000年底，中國沿海20個RBN/DGPS基準臺站已全部建成，并于2002－01－01零時起全面開通，正式向公共用戶無償提供服務。根據(jù)對RBN/DGPS系統(tǒng)的性能測試結果表明，在信號覆蓋范圍內(nèi)，亞米級導航型接收機的定位精度優(yōu)于5m（2倍標準差）［9］。這樣的定位精度完全可以滿足比例尺低于1∶2 000的海圖測繪。因此，在有RBN/DGPS差分信號的區(qū)域進行海圖測繪時，可以直接采用衛(wèi)星接收機接收RBN/DGPS差分信號，實現(xiàn)實時定位。而且衛(wèi)星接收機接收輸出的是WGS－84坐標系下的定位坐標成果，依據(jù)本文2.3節(jié)可知，WGS－84坐標系下的定位坐標成果可以等同于CGCS2000坐標系，不需要作任何轉(zhuǎn)換。

3.2 無RBN－DGPS差分信號的情況

當測區(qū)內(nèi)無RBN/DGPS差分信號時（例如在內(nèi)河或內(nèi)陸水庫進行水下地形測繪），則需要單獨建立測圖需要的差分信號基準站，可以采用GPSRTK實時動態(tài)差分測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基準站和流動站組成。測量實施時，在已知控制點上設置基準站，基準站按照一定頻率不間斷地發(fā)射差分信號，流動站通過與基準站的通訊系統(tǒng)（一般為電臺或GSM網(wǎng)絡）實時接收差分信號，并實時修正其測量采集的單點定位坐標，得到目標坐標系下的高精度定位坐標，其定位精度與起算點的平面精度相關，一般可達到厘米級，可以滿足所有比例尺的海圖測繪的平面定位要求。

使用GPS－RTK實時動態(tài)差分測量系統(tǒng)實施基于CGCS2000坐標系的海圖測繪時，需要在基準站輸入將坐標系換算至CGCS2000坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。如果測區(qū)沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)，則需要3個以上的已知CGCS2000坐標系下的平面控制點，在某個控制點上架設基準站，采用流動站實測其它控制點，根據(jù)控制點的CGCS2000坐標和實測坐標，采用GPSRTK的隨機軟件按照式（1）求取坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)；當測區(qū)有轉(zhuǎn)換參數(shù)時，則在已知控制點上架設基準站，設置基準站并輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，這樣，用于海圖測繪導航定位作業(yè)的流動站就可以實時輸出CGCS2000坐標系的坐標。

4 結束語

更新一個國家的坐標系統(tǒng)是一項非常復雜的問題，它涉及到點位新坐標的獲取及與地理信息有關的圖件資料的更改等問題。對于基于1954北京坐標系出版的大比例尺海圖，需要顧及1954北京坐標系與CGCS2000坐標系之間的坐標差；對于基于WGS84坐標系的海圖，則可直接過渡到CGCS2000坐標系。

［1］陳俊勇，楊元喜，王敏，等.2000國家大地控制網(wǎng)的構建和它的技術進步［J］.測繪學報，2007，36（1）：1－8.

［2］國家測繪局國土司.國家測繪局2008年第2號公告［EB/OL］2008－06－27［2012－11－05］.http://www.sbsm.gov.cn/article//tzgg/201010/20101000073234.shtml.

［3］程鵬飛，成英燕，文漢江，等.2000國家大地坐標系實用寶典［M］.北京：測繪出版社，2008.

［4］張彥昌.我國海圖坐標差值分析及“海圖小改正”探討［J］.海洋技術，2009，28（2）：105－107.

［5］邢向輝，東昉.海圖坐標系問題的研究［J］.大連海事大學學報，1999，25（4）：31－35.

［6］魏子卿.2000中國大地坐標系及其與WGS84的比較［J］.大地測量與地球動力學，2008，28（5）：1－4.

［7］耿曉燕.地方獨立坐標系向2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換研究［D］.西安：西安科技大學，2010：3－30.

［8］國家質(zhì)量技術監(jiān)督局.GB12327－1998海道測量規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，1999：2－3.

［9］中國沿海無線電指向標－差分全球定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）介紹［EB/OL］2008－01－27［2012－11－05］.http://www.aton.gov.cn/oldImg/361.pdf.