張訓(xùn)虎，劉晉虎，何 川，邱 博，楊緒峰，李 淼

(國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830)

2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換常見問題分析

張訓(xùn)虎，劉晉虎，何 川，邱 博，楊緒峰，李 淼

(國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京 100830)

在現(xiàn)有成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作中，各省市都做了很多理論研究和實際轉(zhuǎn)換工作。本文闡述了現(xiàn)有成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法，對不同數(shù)據(jù)、不同方法轉(zhuǎn)換過程中常見的問題進(jìn)行匯總、整理，并分析問題產(chǎn)生的原因及對成果的影響，為今后現(xiàn)有成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作提供參考和建議，以確保成果轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。

CGCS2000；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；大地控制點；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；GNSS基準(zhǔn)站；三角點；4D產(chǎn)品

自2008年7月1日起，我國啟用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)，各地有關(guān)部門開展了現(xiàn)有各類測繪信息成果到CGCS2000的轉(zhuǎn)換工作，積極推進(jìn)CGCS2000的推廣使用。為做好啟用CGCS2000的實施工作，國家測繪地理信息局于2008年7月組織編制了《啟用2000國家大地坐標(biāo)系實施方案》和《現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系技術(shù)指南》。為加快CGCS2000推廣使用工作，進(jìn)一步指導(dǎo)各部門、各單位順利完成原有坐標(biāo)系成果向CGCS2000轉(zhuǎn)換，確保轉(zhuǎn)換技術(shù)方法正確，國家測繪地理信息局于2013年6月組織編制了《2000國家大地坐標(biāo)系推廣使用技術(shù)指南》和《大地測量控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)程》。CGCS2000轉(zhuǎn)換涉及的測繪地理信息成果主要包括大地控制點類成果(GNSS基準(zhǔn)站、GNSS控制點、三角點)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果(DLG、DOM、DEM、DRG)。文獻(xiàn)[1—2]從總體上介紹了CGCS2000的構(gòu)建、精化、維持和更新，以及可用于轉(zhuǎn)換工作的國家級成果。文獻(xiàn)[3—11]研究了GNSS基準(zhǔn)站、大地控制點、4D產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換方法。文獻(xiàn)[12] 探討了轉(zhuǎn)換的檢查方法。本文對省級坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中存在的常見問題進(jìn)行梳理和分析。

一、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

1. 大地控制點類成果

(1) 坐標(biāo)歸算

本方法適用于非CGCS2000的省級GNSS基準(zhǔn)站和衛(wèi)星大地控制點坐標(biāo)向CGCS2000的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。即對擬轉(zhuǎn)換點采用與周邊穩(wěn)定的IGS站及國家級的GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測的方法，獲得各站點在現(xiàn)ITRF框架、觀測歷元下的位置，經(jīng)過歷元歸算、板塊運動改正、框架轉(zhuǎn)換[13]3個步驟進(jìn)行坐標(biāo)計算。用這種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換必須要知道網(wǎng)中各站的速度場。

(2) 參數(shù)轉(zhuǎn)換

本方法適用于未聯(lián)測已知點的衛(wèi)星大地控制點和三角點坐標(biāo)向CGCS2000的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。即按照轉(zhuǎn)換區(qū)域選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換模型(布爾莎模型、三維七參數(shù)模型、二維七參數(shù)模型、三維四參數(shù)模型、二維四參數(shù)模型、多項式擬合模型等)，選擇重合點，經(jīng)粗差剔除后計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換針對分幅數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫實體數(shù)據(jù)，采用不同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。比例尺大于1∶1萬的DLG、DEM數(shù)據(jù)一般采用高分辨率的格網(wǎng)坐標(biāo)改正量進(jìn)行逐要素點轉(zhuǎn)換的方法完成轉(zhuǎn)換；DOM、DRG數(shù)據(jù)一般采用平移或糾正的方法完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換參數(shù)一般采用高分辨率的格網(wǎng)坐標(biāo)改正量進(jìn)行表達(dá)。

二、常見問題及分析

1. 大地控制點類成果

(1) 坐標(biāo)歸算

采用坐標(biāo)歸算方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序主要有：基準(zhǔn)控制點(IGS站、國家級GNSS基準(zhǔn)站、國家GNSS大地控制點)的選取、高精度數(shù)據(jù)處理、板塊運動改正、框架轉(zhuǎn)換等。坐標(biāo)歸算常見問題主要集中在基準(zhǔn)控制點的選取和板塊運動改正兩個方面。

①起算點坐標(biāo)非國家測繪行政主管部門權(quán)威發(fā)布的CGCS2000坐標(biāo)

部分省建立基礎(chǔ)控制網(wǎng)采用的CGCS2000起算點坐標(biāo)非國家測繪行政主管部門權(quán)威發(fā)布，或不能量值溯源到國家測繪行政主管部門權(quán)威數(shù)據(jù)。

表1為某省C級控制網(wǎng)建立時采用的IGS站或國家級GNSS基準(zhǔn)站的CGCS2000坐標(biāo)與國家權(quán)威數(shù)據(jù)的較差統(tǒng)計值，這一差異導(dǎo)致轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)整體出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差。

表1 起算點坐標(biāo)較差統(tǒng)計 m

②起算點精度等級達(dá)不到相應(yīng)等級控制點要求

部分省市坐標(biāo)基準(zhǔn)框架或基礎(chǔ)控制網(wǎng)的建立未與IGS站或國家級GNSS基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測，僅與本省市及周邊省市2000國家GPS大地控制網(wǎng)(三網(wǎng)平差)控制點進(jìn)行聯(lián)測，經(jīng)約束平差獲得CGCS2000坐標(biāo)。這種方法在對C、D級GPS控制點進(jìn)行轉(zhuǎn)換時確保了成果與本省區(qū)域內(nèi)的其他成果的一致性。省級GNSS基準(zhǔn)站作為省級大地基準(zhǔn)的骨干和主要支撐，采用這種方法在當(dāng)時歷史條件下和過渡期內(nèi)實現(xiàn)了CGCS2000在省級的快速推廣使用，但在現(xiàn)階段不利于維持省級三維、動態(tài)地心坐標(biāo)系統(tǒng)，不利于保證大地控制網(wǎng)點位三維地心坐標(biāo)的精度、現(xiàn)勢性及全國的統(tǒng)一。

表2為某省采用坐標(biāo)歸算方法以A、B級點為基準(zhǔn)建立的56個省級GNSS基準(zhǔn)站CGCS2000坐標(biāo)的外符合精度情況統(tǒng)計，可以明顯看出在空間三維方向上均存在一定的誤差，并且均具有系統(tǒng)性偏差。這些誤差已經(jīng)對GNSS基準(zhǔn)站的服務(wù)造成了一定影響。

表2 某省級GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)外符合精度統(tǒng)計 m

③未考慮框架不同歷元間由于板塊運動引起的坐標(biāo)變化值

部分省在進(jìn)行歷元歸算后，未考慮計算框架所對應(yīng)歷元下坐標(biāo)從觀測歷元到需轉(zhuǎn)換歷元之間，由于板塊運動引起的坐標(biāo)變化值，把坐標(biāo)變化值帶入到轉(zhuǎn)換成果中，引起轉(zhuǎn)換成果誤差。

ITRF 2005轉(zhuǎn)換到ITRF 2000框架時站的速度場起主要作用，因此若所確定的速度場不準(zhǔn)確對轉(zhuǎn)換結(jié)果有很大的影響。而從ITRF 2000轉(zhuǎn)換到ITRF 97框架下起主要作用的是框架之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對所需轉(zhuǎn)換的站的速度場要求不是很高[13]。

表3為部分點不同年代觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合平差時，因板塊運動而引起的坐標(biāo)變化值無法消除，最終轉(zhuǎn)換成果產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

表3 不同年代同名點坐標(biāo)差異 m

(2) 參數(shù)轉(zhuǎn)換

采用參數(shù)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵工序主要有：轉(zhuǎn)換分區(qū)、轉(zhuǎn)換模型的選取、重合點的選擇和剔除、轉(zhuǎn)換參數(shù)計算、外部檢核等。參數(shù)轉(zhuǎn)換常見問題主要集中在轉(zhuǎn)換分區(qū)、重合點覆蓋范圍、重合點的剔除、檢核點分布4個方面。

1) 由于1954北京坐標(biāo)系的坐標(biāo)是采用逐級控制分區(qū)平差的方法推算的，存在明顯的平差變形，甚至個別地區(qū)在分區(qū)或鎖網(wǎng)接合部點出現(xiàn)了成果不一致或產(chǎn)生了裂縫[14]，因此在這類地區(qū)不宜采用一個分區(qū)和一套轉(zhuǎn)換參數(shù)，以避免產(chǎn)生較大誤差。

2) 重合點選取的基本原則為等級高、精度高、局部變形小、分布均勻及覆蓋整個轉(zhuǎn)換區(qū)域。當(dāng)重合點不能覆蓋整個轉(zhuǎn)換區(qū)域時，不能覆蓋的區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)只能通過外推得到，但轉(zhuǎn)換精度可能隨外推距離放大而急劇損失，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的成果與鄰省成果間存在不接邊的情況。對于從國家申領(lǐng)的具有CGCS2000坐標(biāo)的一、二、三、四等天文大地網(wǎng)點，不加區(qū)別全部用于轉(zhuǎn)換模型的計算，造成了重合點利用的等級和精度不統(tǒng)一，轉(zhuǎn)換精度不高，局部變形較大。

3) 粗差點剔除不嚴(yán)密，不嚴(yán)格按照大于3倍點位中誤差進(jìn)行，易導(dǎo)致局部轉(zhuǎn)換參數(shù)的變形。粗差點的剔除還應(yīng)包括造成重合點分布不均勻的點，如應(yīng)最大限度避免模型中狹長三角形的出現(xiàn)，這種點可作為外部檢核點使用。

4) 利用未參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點作為外部檢核點，其點數(shù)應(yīng)不少于6個且分布均勻。外部檢核點不足時應(yīng)進(jìn)行野外實測檢核，尤其應(yīng)注意對轉(zhuǎn)換區(qū)域邊緣的檢核。

2. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果

(1) DEM轉(zhuǎn)換

由于生產(chǎn)DEM成果的過程數(shù)據(jù)(等高線、特征線、高程點等)一般不存在，DEM轉(zhuǎn)換不能按照相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程構(gòu)造TIN并內(nèi)插重新生成DEM，一般選用高分辨率格網(wǎng)坐標(biāo)改正量并采用平移或雙線性內(nèi)插的方法對圖幅進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，同時參考像素分辨率確定起算坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣，按CGCS2000新的圖廓及重疊像素進(jìn)行圖幅裁切，更改數(shù)據(jù)頭文件中定位坐標(biāo)，修改元數(shù)據(jù)相關(guān)條目。DEM轉(zhuǎn)換常見問題主要有以下幾個方面：

1) 采用平移方法進(jìn)行DEM轉(zhuǎn)換，以圖幅4個角點平移量的平均值作為圖幅左下角點改正量，不進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣，DEM數(shù)據(jù)仍以原坐標(biāo)系圖廓范圍進(jìn)行單幅存儲。

這種方法的圖幅起始點坐標(biāo)為非格網(wǎng)間距的整數(shù)倍，因相鄰圖幅坐標(biāo)平移量不一致導(dǎo)致圖幅不接邊。在后期DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用時，接邊區(qū)域內(nèi)高程仍需處理，并造成重采樣精度損失。

2) 采用平移方法進(jìn)行DEM轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)平移量歸整化為DEM格網(wǎng)間距的整數(shù)倍，不進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣。

這種方法會產(chǎn)生DEM局部相鄰圖幅間相差一排(一列)DEM格網(wǎng)點，導(dǎo)致局部圖幅接邊處格網(wǎng)數(shù)值不唯一，出現(xiàn)少一排(一列)或重合一排(一列)的情況(如圖1所示 )。因坐標(biāo)平移量規(guī)整化為格網(wǎng)點間距整數(shù)倍，導(dǎo)致DEM轉(zhuǎn)換精度損失，進(jìn)而轉(zhuǎn)換精度超限。

圖1 DEM轉(zhuǎn)換相鄰圖幅間差一列

表4為某省不同地形類別區(qū)域的DEM轉(zhuǎn)換精度統(tǒng)計，可見這種方法在山區(qū)容易導(dǎo)致部分圖幅轉(zhuǎn)換精度超限。

表4 1∶1萬DEM轉(zhuǎn)換精度統(tǒng)計

(2) DOM轉(zhuǎn)換

DOM轉(zhuǎn)換一般選用高分辨率格網(wǎng)坐標(biāo)改正量采用平移或糾正的方法對圖幅進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，按CGCS2000規(guī)定的新的圖廓及重疊像素進(jìn)行圖幅裁切，按像素關(guān)系計算移動量(像素數(shù))，更改數(shù)據(jù)頭文件中定位坐標(biāo)，修改元數(shù)據(jù)相關(guān)條目。DOM轉(zhuǎn)換常見問題主要有以下幾個方面。

DOM轉(zhuǎn)換過程中將平移量規(guī)整化為DOM地面采樣間距的整數(shù)倍后對整圖進(jìn)行坐標(biāo)平移，以及局部相鄰圖幅間相差一排(一列)DOM柵格點，導(dǎo)致局部相鄰圖幅接邊區(qū)域數(shù)值不唯一。這種轉(zhuǎn)換方法雖不會對DOM轉(zhuǎn)換精度造成重大影響，但轉(zhuǎn)換工作并未全面完成，宜對接邊成果進(jìn)行重采樣處理，完善轉(zhuǎn)換工作。

三、建議及措施

1. 大地控制點類成果

1) 平差計算過程中的起算控制點CGCS2000成果不能僅利用向國家申領(lǐng)的2000國家GPS大地控制網(wǎng)成果(三網(wǎng)平差成果，地心坐標(biāo)精度平均優(yōu)于3 cm)中的大地點成果，需要更加充分利用精度更高的2000國家GPS大地控制網(wǎng)中的GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站坐標(biāo)(坐標(biāo)精度為毫米級)。

2) 在坐標(biāo)歸算過程中顧及板塊運動的特性和不同歷元間框架的嚴(yán)格轉(zhuǎn)換關(guān)系，充分利用可用于轉(zhuǎn)換工作的國家級最新速度場成果CGCS2000板塊運動模型(China Plate Model-CGCS2000，CPM-CGCS2000)和CGCS2000格網(wǎng)速度場模型。CPM-CGCS2000是目前國內(nèi)最精確的相關(guān)模型，解決了CGCS2000動態(tài)維持及我國已有基礎(chǔ)測繪成果轉(zhuǎn)換的難題，適用于基于ITRF框架非2000歷元下各類GNSS定位成果到CGCS2000的轉(zhuǎn)換。

3) 各省與鄰省進(jìn)行重合點數(shù)據(jù)交換，建立參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的重合點盡可能覆蓋全部轉(zhuǎn)換區(qū)域；不能覆蓋的轉(zhuǎn)換區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)可通過平滑外推得到，但要加強外部檢核工作和鄰省的接邊工作。

4) 采用不同轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行比較分析，繪制點位殘差分布圖和點位殘差等值線圖，選擇最優(yōu)模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。采用多項式擬合模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還應(yīng)參考布爾莎模型、二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型等適合于全國及省級范圍的轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行精度分析，剔除殘差較大點。

2. 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果

現(xiàn)有成果轉(zhuǎn)換工作量大，且各省現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果為過渡性成果，隨著基礎(chǔ)測繪工作的持續(xù)開展，新的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)成果宜直接采用CGCS2000生產(chǎn)，各省市對現(xiàn)有成果的轉(zhuǎn)換工作，以滿足實際應(yīng)用為目的進(jìn)行，轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保證轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的完整性、一致性、唯一性，確保轉(zhuǎn)換到位、接邊到位。

加強轉(zhuǎn)換工作技術(shù)方案和技術(shù)路線的全面質(zhì)量評估，避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換出現(xiàn)重大質(zhì)量問題。

四、結(jié)束語

現(xiàn)有成果向CGCS2000轉(zhuǎn)換工作是一項系統(tǒng)工作，在轉(zhuǎn)換過程中，盡管各省市結(jié)合自身情況，開展了一系列的理論研究和實際轉(zhuǎn)換工作，但是在轉(zhuǎn)換中仍然存在一些問題。本文對檢查中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換工作相關(guān)問題進(jìn)行整理分析，旨在為今后的CGCS2000轉(zhuǎn)換工作、為CGCS2000推廣應(yīng)用中的生產(chǎn)和質(zhì)量檢查工作提供參考，確保成果轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。

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AnalysisofCommonProblemsinCGCS2000Conversion

ZHANG Xunhu，LIU Jinhu，HE Chuan，QIU Bo，YANG Xufeng，LI Miao

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B

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2015-11-04；

2016-05-24

測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(201512018)

張訓(xùn)虎(1977—)，男，高級工程師，主要從事測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗工作及大地測量、工程測量研究。E-mail：zhangxh@sbsm.gov.cn