河源市已有坐標基準向CGCS2000轉換實現

謝衛華

（河源市國土資源測繪院，河源517000）

1 引言

我國目前常用的坐標系有1954年北京坐標系，1980 西安坐標系和2000 國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，簡稱CGCS2000）三種坐標系以及眾多的地方獨立坐標系。根據《國土資源部國家測繪地理信息局關于加快使用2000 國家大地坐標系的通知》（國土資發〔2017〕30 號）要求，2018年6月底前完成全系統各類國土資源空間數據向2000 國家大地坐標系轉換，2018年7月1日起全面使用2000國家大地坐標系。

由于歷史原因，河源市原住建部門和原國土部門之間坐標基準不統一，同一地區存在不同坐標基準下的測繪成果重復、圖件與數據無法拼接等現象。采用不同的坐標基準，造成了測繪成果無法統一共享使用以及重復建設和巨大的浪費，也給社會各部門應用帶來諸多不便，容易引發質量安全問題，客觀上影響了全市經濟社會建設和城市建設，已逐漸成為限制河源市數字城市建設可持續發展的瓶頸問題。

為解決好這一難題，河源市于2016 至2018年間完成了全市范圍CGCS2000 坐標框架網（B 級GNSS 網，19 點）、基本網（C 級GNSS 網，111 點）建設，建立了河源市現代測繪基準體系［1］。按照廣東省自然資源廳統一要求，河源市需要建立一套全市統一的2000 國家大地坐標框架，完成全市已有基礎地理信息數據向CGCS2000 轉換統一，全面開始使用CGCS2000。在已有坐標基準控制網成果分析基礎上，通過外業聯測，利用公共點成果，建立了已有坐標基準向CGCS2000 的轉換聯系及高精度坐標轉換系統，在較短的時間內解決了原來坐標基準不統一所帶來的相關問題，實現真正全面應用2000國家大地坐標系［2］。

本文主要討論河源市范圍整體1980 西安坐標系到CGCS2000 坐標系和市轄區市測繪院及住建部門已有坐標系到CGCS2000 坐標系的轉換建立與應用。

2 轉換參數計算流程與模型

2.1 轉換參數計算流程

總體上，轉換參數計算按以下步驟進行［3］：

a）按轉換區域選取適當的轉換模型；

b）按重合點選取原則選擇重合點；

c）將重合點代入轉換模型，利用最小二乘法計算轉換參數；

d）用得到的轉換參數計算重合點坐標殘差；

e）剔除殘差大于3倍點位中誤差的重合點；

f）重復上述b）到e）的計算過程，直至重合點坐標殘差均小于3倍點位中誤差；

g）最終用于計算轉換參數的重合點數量與轉換區域大小有關，但不得少于6個；

h）根據最終確定的重合點，利用最小二乘法計算轉換參數。

當然，為了進一步確保坐標轉換參數的可靠性、精確性，通常在開展測繪成果轉換前還可進行外業實地點位觀測檢驗工作。

2.2 坐標轉換模型

建立相對獨立的平面坐標系統與2000 國家大地坐標系聯系時，坐標轉換模型一般采用平面四參數轉換模型，重合點較多時多項式擬合模型［4］，如下。

2.2.1 二維四參數轉換模型

其中，x0，y0為平移參數，α為旋轉參數，m為尺度參數。x2，y2為2000 國家大地坐標系下的平面直角坐標，x1，y1為原坐標系下平面直角坐標。坐標單位為米。

2.2.2 多項式擬合模型

式中：x1、y1，原平面直角坐標；x2、y2，目標平面直角坐標；Δx、Δy，坐標轉換改正量，用下式計算；

其中a0...a5為系數，i為重合點序號，通過最小二乘求解。

2.3 坐標轉換精度估計

（1）重合點殘差V V=重合點轉換坐標值-重合點已知坐標值。

（2）平面點位中誤差

式中：Mx，平面坐標x殘差中誤差；My，平面坐標y殘差中誤差；n為點位個數。

3 轉換參數確定

3.1 已有坐標基準分析

通過對河源市局（包括市測繪院）及住建部門調研，收集到已有測繪基準下的相關控制網成果，包括點位圖、聯測圖、原始觀測數據、解算過程資料和最終成果等。已有坐標基準總體情況如表1所示。

表1 河源市及市轄區已有坐標基準統計表

從表1 可知，河源市局及市測繪院主要采用1980 西安坐標系，住建部門主要采用基于1954年北京坐標系的獨立坐標系。其中，河源市局使用的1980 西安坐標系全市范圍覆蓋、使用較多、應用面廣，市測繪院使用的1980 西安坐標系主要運用于市區平時地籍測量，住建部門使用的獨立坐標系為住建部門日常發證使用。由于三個坐標基準控制網分批在不同年代建設，相互間未建立轉換聯系。

因此，為保障已有存量成果的坐標基準的統一與應用，需分別建立到CGCS2000 的轉換關系，并完成相應坐標基準下已有測繪成果數據向CGCS2000 的轉換。為后文方便敘述，河源市局坐標基準稱為坐標基準一、市測繪院坐標基準稱為坐標基準二、住建部門坐標基準稱為坐標基準三。

3.2 聯測點選取

選取相對獨立的平面坐標系統與2000 國家大地坐標系的重合點的原則如下：擇優選取地方控制網的起算點、高精度控制點、周圍國家高精度的控制點，大中城市至少選取5 個重合點（城外4個，市內中心1個）；小城市在城市外圍至少選取4個重合點，重合點要分布均勻，包圍城市區域，并在城市內部至少6個均勻分布的重合點對坐標轉換精度進行檢核［2］。

三個控制網建設年代時間較長，加之河源市城市建設發展迅速，各控制網多數控制點已破壞，通過對已有控制點進行普查，選擇點位保存完好的全部已有坐標基準控制點作為聯測點，按C 級GNSS 控制網納入河源市CGCS2000 坐標基準基本網進行了統一聯測。坐標基準一、坐標基準二、坐標基準三聯測點位分布分別如圖1—3所示。

圖1 坐標基準一聯測點分布

3.3 轉換參數計算

本次需確定的轉換參數包括1954年北京坐標系到2000 國家大地坐標系的轉換參數和1980 西安坐標系到2000 國家大地坐標系的轉換參數。已有坐標基準均為平面直角坐標系，利用已有兩種坐標系的重合點，本次坐標轉換采用平面四參數、多項式擬合模型，按照轉換參數計算流程完成了轉換參數的計算分析［5-7］。

通過計算分析，三個坐標基準具體轉換公共點選擇情況見下圖1—3，其最終選用的轉換模型、轉換精度見表2所示。

圖2 坐標基準二聯測點分布

圖3 坐標基準三聯測點分布

表2 不同轉換模型下的精度分析表

3.4 外業精度檢核

通過在坐標基準應用范圍內，從已有地形圖數據中均勻選取明顯地物點，對已選取的地物檢測點通過河源市連續運行衛星定位服務系統（HYCORS）網絡RTK 實測得到其2000 國家大地坐標成果。地物檢測點按網絡RTK 圖根要求測量，在每個觀測點使用三腳架或對中桿架設儀器且量取儀器高兩次，開機前后各一次；每個檢測點每次初始化觀測歷元不少于20 個；觀測結果取兩次觀測所有歷元成果的平均值［8］。

提取轉換后地形圖對應地物點的2000 國家大地坐標作為轉換坐標值，與外業實測的2000 國家大地坐標進行精度對比，三個坐標基準轉換精度情況如表3所示。

表3 轉換精度對比表單位：cm

通過外業檢測后可得出：計算的各轉換參數可靠，可應用于實際轉換工作。

4 轉換參數應用

4.1 坐標轉換平臺設計與開發

坐標轉換平臺目標是實現多種格式矢量、柵格數據在1954年北京坐標系、1980 西安坐標系、2000 國家大地坐標系以及眾多地方獨立坐標系之間的高精度無損坐標轉換，并且保證轉換后測量成果數據的完整性，從而達到測繪成果坐標基準統一的目的，有利于地理空間信息資源共享，減少重復測繪和資源浪費，提高城市建設管理水平［9-10］。

坐標轉換平臺功能分為權限管理、控制點查詢、轉換模塊設計、單點轉換、矢量/柵格轉換、高程轉換等功能，主要功能與關系如圖4所示。

圖4 坐標轉換平臺功能與關系圖

平臺采用SQLserver 數據庫管理現有全部轉換參數，以加密亂碼形式存儲。通過權限管理模塊，管理和分配系統登錄權限，包括可查看轉換模型關系、自定義坐標系等功能的管理員和只能調用現有參數的普通用戶，保證轉換參數的保密性。

控制點管理和轉換模塊設計兩部分，支持用戶對現有控制成果進行管理，并自選公共點坐標求取所需轉換參數，并自動存儲在平臺內，方便后期調用。

單點轉換、矢量/柵格轉換等坐標轉換模塊支持現有主流形式數據使用參數模板轉換和同橢球基準投影換帶計算兩個功能。操作流程只需選定原始數據和轉換數據路徑，勾選所對應轉換參數即可完成轉換。操作過程簡便清晰。

4.2 轉換參數應用

坐標轉換平臺開發完成后對現有數據進了行轉換，運行數據為河源市市本級基礎數據，數據總量約1.2T，數據格式包括dwg、shp、gdb、tif、asc、adf等。

由于原有各比例尺數據線畫圖數據量較大，主要工作量為數據整理工作，整個工作持續約1個月時間；坐標轉換平臺能適應河源市各單位現有測繪成果文件格式與規范下完成坐標轉換，并且能夠保證轉換后圖形要素及屬性完整，滿足河源市統一測繪基準應用需求。

5 結束語

河源市統一測繪基準工作的重點是轉換參數的精度和轉換平臺的無損高效。通過對已有成果資料分析、點位普查及高精度的統一聯測，保證了轉換參數的全覆蓋和高精度。通過構建坐標轉換平臺，實現了主流數據格式統一轉換。相信隨著統一測繪基準工作的進一步推進，河源市能在較短的時間內解決原來坐標基準不統一所帶來的問題，實現真正全面應用2000 國家大地坐標系，從而有利于城市建設和開發納入一個統一的地理空間定位管理體系，實現測繪圖件與地理信息數據在全市范圍的無縫拼接；有利于為大型基礎設施建設、權屬測量等各項工作提供強有力的測繪保障；有利于數字城市建設地理空間信息資源共享，減少重復測繪和資源浪費，提高城市建設管理水平。