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[资料] GCS2000坐标转换问题的思考

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发表于 2019-7-18 15:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
CGCS2000坐标转换问题的思考背景:按照自然资源部要求,2018年7月1日后,自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系;自2019年1月1日起,全面停止向社会提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果。

CGCS2000定义示意图


作者通过两年多的培训班授课,与一线从业人员做了大量交流和研讨,总结了CGCS2000坐标转换的若干重点问题与解决方法,基本涵盖了生产实践中的具体问题。
现将一些思考和心得记叙如下:

1、不是一个软件就能解决问题
测绘相关行业的从业人员涉及到的专业主要包括:大地测量、工程测量、导航、遥感、GIS,甚至计算机专业。当前,遥感和GIS专业很实用、很热门。但是,无论如何,大地测量专业都是测绘行业的基石。了解和掌握一些大地测量基础知识,可以在生产实践中做到心中有数。
与遥感和GIS专业偏重于软件应用和开发不同,大地测量是一门科学。而大地测量最重要、最基础、最难的内容就是基准,以及基准转换问题。主要包括:坐标基准、高程基准、重力基准。遥感和GIS专业的一线从业人员习惯于用软件解决问题。学习CGCS2000坐标转换的目的也很直接,就是获得一个软件,并学会使用。
软件我们当然会拷贝给学员,而且是永久性的免费使用。然而,与以往不同。由空间测量技术实现的高精度地心坐标必须考虑板块运动影响,同时也大幅度增加了坐标转换的复杂性。在实践中会遇到各种各样的具体情况,并不是一个软件就能解决问题的。必须深入理解,才能做到举一反三。
在测绘行业中,大地测量理论难度最大,但无法回避。对于不同专业背景的从业人员,学习大地测量知识,可以侧重于知识体系的构建,避免纠缠于具体公式。采用总结、归纳、分类、比较的方式,尽量做到打消神秘感、理解原理、理顺逻辑、解决困惑、掌握应用。

2、行业内的两极分化现象
当前,行业内存在明显的两极分化现象。一方面,大量专家做着高精尖的科研项目;另一方面,一线从业人员满足于采用固定的工作流程完成项目。这两极存在较严重的隔离现象。
例如坐标转换问题,我们有很多研究成果,实际上并不实用。这样说可能有失偏颇,但是,最起码这些程序没有给大家推广使用,只是发表了一些文章。而很多一线从业人员仅仅就知道个七参数转换、四参数转换,能完成任务就行。《技术规范》给出了8个经典模型,每个都有自己的特点和适用条件。我们也应该有所取舍,不能一个七参数模型走遍天下。

控制点转换到2000国家大地坐标系的坐标转换模型选取


市面上有很多坐标系方面的书籍和教材,很难找到一本能站在一线从业人员的角度来详细描述的。一是,大家的很多困惑和问题,专家们并不了解。二是,解决这些问题不出成果,不能显示水平。三是,在专家们的意识里,这根本就不是问题,不值得探讨。你怎么会连这些都不懂呢?
如果不是在授课中与大量一线从业人员的广泛交流和探讨,作者也不可能想象出这么多的实际存在的、具有普遍性的问题。事实上,经过两年多的坐标系主题授课,作者发现,要把CGCS2000坐标转换讲透彻,并不是一件容易的事。其中牵扯到各个专业、各种情况、方方面面。具体的问题都可以单独解决,但要系统化、条理化,让人听得懂,能灵活运用,还真的是剪不断、理还乱。为了能清晰表达,还不得不定义了一些新的名词。这些名词虽然还没有得到官方认可,但是随着作者的推广,以及大家的普遍使用,也将会成为约定俗成的说法。
当然,也有一些培训班会把《技术指南》或《技术要求》照本宣科一遍,这是极不负责任的态度。无论机构或者个人,口碑是最重要的。

3、软件和硬件傻瓜化,人不能傻瓜化
现在的软件和硬件越来越智能化,也可以称为傻瓜化。软件和硬件的傻瓜化,也会直接导致人的傻瓜化。
例如,以前测地形图,需要布设控制网、测量图根点,还需要测量每个细部,然后还要内业数据处理、成图。现在只需要用RTK和无人机就可以很方便的完成任务。一个没有学过测量的人,也完全可以胜任大部分工作。遥感和GIS专业也存在这种问题,经过短时间培训就能熟练使用软件,懂不懂测绘好像也无关紧要。这些从很多学员提的外行问题中可以明确感觉到。
这就导致很多公司不愿意花更多的成本聘请专业人员。他们把CGCS2000坐标转换也看作是一个软件的问题。花钱报个培训班,派两个熟练工,学两天就要回去解决问题。这是不可能的,也不利于长远发展,对整个行业也是一种伤害。
再例如,很多软件可以直接用重合点的xyH坐标(平面坐标和高程)来求布尔莎七参数。但实际上用xyH坐标是不能直接求出布尔莎七参数的。在后台,软件用中央子午线将xyH坐标变成了BLH或XYZ坐标,然后才求出布尔莎七参数。但是这样就会给大家带来误解,在求七参数时产生很多困惑。这是一个非常普遍的问题。
因此,软件和硬件可以傻瓜化,人不能傻瓜化。应该保持对专业的尊重,重视对原理的理解。

4、一些容易混淆的概念
在我们的教材和课堂中,还在给大家讲着CIO和格林尼治天文台这些古典概念。事实上,我国从来没有使用过CIO。现代的地心坐标系使用的是IERS参考极IRP和IERS参考子午线IRM。
还有坐标系的尺度问题。为什么ITRF使用的是地球时TT,而CGCS2000使用的是地心坐标时TCG?尺度为什么由时间来定义?
CGCS2000的参考历元是2000.0,这个2000.0怎么来的?如何计算?和J2000.0有关系吗?

历元归算与框架转换


这些概念在很多书中只是简单罗列了一下概念,并没有给出明确和易于理解解释。看起来都很熟悉,其实不知道是怎么回事。
就连动态坐标系中最基础、最重要的历元和速度场的概念,大部分从业人员甚至都没听说过。
还有一个,我们现在关心的和迫切要解决的是生产中的坐标转换问题。但是很多培训班一上来就给大家讲天球参考系,又是岁差,又是章动的。我们做的是地球上的坐标转换,天球参考系是研究卫星轨道时才用的。要说拓展知识面吧,关键是很多人对地球参考系还稀里糊涂的,他会把天球参考系和地球参考系的概念混淆。就不止一个人问过我,地心坐标的历元归算是不是岁差引起的?
况且,天球参考系也是一个过时的、古典的概念。现在使用的是与地球本体无关的四维时空参考系,其定义与天极、赤道、黄道都无关。

5、西部地区的特殊性
很多理论和方法在东部地区可以很好的实现,但是到了西部地区就会出问题。除了自然条件以外,往往不是人的水平问题,高程因素是一个重要原因。
例如独立坐标系投影,用不同软件投影出来的平面坐标不同,差异随抵偿高程面的增加而变大,在西藏甚至差10米。
另外,在西藏,在中央子午线一致的前提下,加了抵偿高程面和没加抵偿高程面的平面坐标x值相差接近3公里。
再例如,在ArcGIS的布尔莎七参数坐标转换过程中,转换精度和测区平均大地高相关。西藏地区仅因大地高而引起的平面坐标转换误差就可能超过10cm。
这些都是客观存在的问题。我们首先应该承认它,直面这些问题,给出理论解释,提出解决方案。虽不能改变现状,但能打消大家的疑惑,做到心中有数,进而灵活处理问题。

6、常常被忽视的高程转换
遥感和GIS专业更多的处理的是平面地图,对于高程经常是一知半解,甚至认为XYZ坐标中的Z值就是高程!
高程具有区域性和复杂性特点。有不同的高程系统,还有不同的基准。85基准高程还有"99水准网"和"15水准网"两种不同的实现版本。不了解这些概念的话,就会出现诸如:为什么千寻测出的高程差好几米?这样的问题。

高程具有区域性和复杂性特点


高程转换的复杂程度并不比坐标系少。如果精度要求不高,就不需要测水准,直接用程序计算高程异常。

7、莫名其妙的54坐标系转换
按照《技术要求》,北京54坐标转换到CGCS2000坐标分两步走:北京54坐标先转换为西安80坐标,再把西安80坐标转换为CGCS2000坐标。
按照《技术指南》,北京54坐标转换到西安80坐标也需要分两步:首先计算大地坐标改正量,然后计算平差改正量。用这两个改正量就可以将北京54坐标转换到西安80坐标。

坐系参数


仅依据《技术要求》和《技术指南》根本无法理解这个莫名其妙的转换流程,原因在于这两个文件中都没有提及"1954北京坐标系(整体平差转换值)"这个坐标系。引入这个坐标系以后,整个转换过程就非常清晰了。
明白了原理,解决了困惑,这样还不够。用户往往不具备资源条件,例如现在很难找到诸如平差改正数分布图这些资料了。因此,我们还需要提出可行的解决方案。

8、令人纠结的WGS84坐标系
大量文献中都探讨了WGS84坐标系,并与CGCS2000坐标系做了详细比较。但是于事无补,我们想知道WGS84坐标与CGCS2000坐标到底差多少?关于这个问题,各种说法都有。有些网络RTK给用户既提供WGS84坐标,也提供CGCS2000坐标。有些WGS84坐标与CGCS2000坐标差几十公分,有些则很接近。WGS84坐标与CGCS2000坐标的差异不能一概而论,需要从历元、框架、精度和实现四个方面去比较,就可以得到明确的结论了。
WGS84坐标系与北斗坐标系并没有本质区别,为什么北斗坐标系不存在这些问题呢?这又是一个历史的误会。
过去把GPS测得的坐标都叫做WGS-84坐标,这种观念在早期码伪距单点定位时是正确的。而且由于其十米多的定位精度,也不需要考虑坐标的时变性。后来发展了高精度的相对定位和精密单点定位技术,这时解出的坐标已经不是WGS-84坐标了。但是这种观念和习惯一直延续至今。
WGS-84坐标如何转换到CGCS2000坐标?也不能一概而论,你必须先了解你的WGS-84坐标是如何得到的。或者通过与CGCS2000坐标比较,推断出WGS-84坐标的历元。最起码要保证一组WGS-84坐标是同一时期的坐标。这样才能合理选择采用动态或静态的方法转换。而《技术规范》里关于WGS-84坐标转换的叙述有明显错误。

CGS2000椭球与GRS80和WGS84椭球推导几何参数比较


WGS-84坐标与CGCS2000坐标到底是什么关系?很简单,CGCS2000坐标是约定了历元和框架的ITRS坐标,WGS-84坐标则是没有约定历元和框架的ITRS坐标。同北斗坐标系一样,WGS-84坐标系只是一个卫星导航坐标系。

9、在学习中要有批判精神
现在的一些期刊、教科书,甚至规范中也存在错漏和不合理之处。我们在学习中一定要有批判精神,不能全信。有时候可能并不是你自己的错,但是只有自己搞懂了,才能心中有数、灵活处理。
某些资料中提到,西安80坐标转到CGCS2000坐标,椭球面积每平方公里应该减小0.939平方米。这个结论是用椭球面积公式计算出来的,只考虑了椭球大小变化对面积的影响,没有考虑椭球的径向平移,也没有考虑尺度缩放。因此,没有参考价值。事实上有些地方是每平方公里增加9平方米。这就需要一个更合理的估算公式。
在分丘图、宗地图、房屋平面图的坐标转换中,要求坐标转换到CGCS2000后面积不能改变。但是无论是坐标转换,还是实测CGCS2000坐标,面积必然会改变。那么只能牺牲精度来实现等面积转换了。
按照《技术规范》要求,动态转换时,应该先做历元归算,后做框架转换。对于2020.0历元的坐标,如果先做框架转换,后做历元归算,就会发现两种不同转换顺序得到的坐标差约10cm。从逻辑上看,两个动态转换顺序都没有问题。那么,这10cm差异从哪里来?
速度是用坐标拟合出来的,因此速度也有对应的参考框架。《技术规范》里的速度场模型忽略了速度的参考框架。就会导致这10cm的差异。
结束语:
CGCS2000坐标转换千头万绪,会有各种情况。限于篇幅,这里只能列出一些普遍的共性问题。总之,只有理解原理,才能举一反三。


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发表于 2019-7-18 16:17 | 显示全部楼层
太专业了!
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地信网论坛版规和新人指南
精辟!顶一个!!!!!!!!!!!!!!
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发表于 2019-7-19 08:40 | 显示全部楼层
解释的很清晰,学习了
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发表于 2019-7-19 08:49 | 显示全部楼层
地信网论坛发帖规范—规范发帖,方便你我他!
前前后后看完!太过瘾了!
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发表于 2019-7-19 09:38 | 显示全部楼层
《涉密地质资料管理细则》必读
太专业了,非测量学出生的我感觉看起来好吃力啊!
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快速提高会员级别和总积分的说明与方法
楼主可以出一本书吗?感觉需要学习一下
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