地質(zhì)工作中常用的坐標(biāo)系

1、地質(zhì)工作中常用的坐標(biāo)系地質(zhì)工作中常用的坐標(biāo)系坐標(biāo)是表達(dá)地面位置的重要參數(shù)，從事地質(zhì)勘查工作的人時(shí)時(shí)刻刻都在與坐標(biāo)打交 道，一切地質(zhì)工作都建立在坐標(biāo)定位之上，是地質(zhì)工作的基礎(chǔ)。地球是一個(gè)球體， 球面上的位置， 是以經(jīng)緯度來(lái)表示， 我們把它稱為 “球面坐標(biāo)系統(tǒng)” 或“地理坐標(biāo)系統(tǒng)”。 在球面上計(jì)算角度距離十分麻煩，而且地圖是印刷在平面紙張上， 要將球面上的物體畫到紙上，就必須展平，這種將球面轉(zhuǎn)化為平面的過(guò)程，稱為“投影”。 經(jīng)由投影的過(guò)程，把球面坐標(biāo)換算為平面直角坐標(biāo)。 1.1 地理坐標(biāo)系統(tǒng)地質(zhì)工作常用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)有 北京 54 坐標(biāo)系 、西安 80 坐標(biāo)系 、美國(guó) WGS84 坐標(biāo) ， 目前在

2、全國(guó)第二次土地調(diào)查中使用的 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系 ，在地勘行業(yè)中不常用。一個(gè)完整的坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)系和基準(zhǔn) 2 個(gè)方面要素所構(gòu)成的。下面主要介紹WGS-84 大地坐標(biāo)系、 1954 年北京坐標(biāo)系和 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系、 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系 4 種坐標(biāo)系統(tǒng)及其參考橢球的基本常數(shù)（基準(zhǔn) ） 及手持 GPS 接收機(jī) WGS-84 、1954 年北京坐標(biāo)系和 1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算。一、WGS-84 大地坐標(biāo)系WGS 84 （ World Geodetic System ， 1984 年）是美國(guó)國(guó)防部研制確定的大地 坐標(biāo)系， 其坐標(biāo)系的幾何定義是： 原點(diǎn)在地球質(zhì)心，

3、z 軸指向 BIHl984.0 定義的協(xié)議地球 極 （CTP） 方向， x 軸指向 BIHl984.0 的零子午面和 CTP 赤道的交點(diǎn)， Y 軸與 x 軸和 z 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。該橢球的參數(shù)為：長(zhǎng)半軸： a=6378137m ；第一偏心率： e2=0.00669437999013 ；第二偏心率： e ” =0.006739496742227 ；扁率： F=1/298.25223563 。二、1954 年北京坐標(biāo)系 （BJ 一 54） 建國(guó)前，我國(guó)沒(méi)有統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系統(tǒng)，建國(guó)初期，在蘇聯(lián)專家的建議下，我國(guó)根據(jù) 當(dāng)時(shí)的具體情況，建立起了全國(guó)統(tǒng)一的 1954 年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以 格拉索夫斯

4、基橢 球?yàn)榛A(chǔ)，經(jīng)局部平差后產(chǎn)生的坐標(biāo)系，與蘇聯(lián) 1942 年建立的以普爾科夫天文臺(tái)為原點(diǎn)的 大地坐標(biāo)系統(tǒng)相聯(lián)系，相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球，該橢球的參數(shù)為：長(zhǎng)半軸： a=6378245 m ；第一偏心率： e2=0.00669342162297 ：第二偏心率： e ” =0.00673852541468 ：扁率： F=1/298.2 。高程采用 1956 黃海高程 ，系以青島驗(yàn)潮站 19501956 年驗(yàn)潮資料算得的平均海面為 零的高程系統(tǒng)。 原點(diǎn)設(shè)在青島市觀象山。 該原點(diǎn)以“ 1956 年黃海高程系” 計(jì)算的高程為 72.289 米。該坐標(biāo)系統(tǒng)的大地點(diǎn)坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)局部分區(qū)平差得到的，因此存

5、在著一定的缺陷。三、1980 年國(guó)家大地坐標(biāo)系 （C 一 80）1978 年，我國(guó)決定重新對(duì)全國(guó)天文大地網(wǎng)施行整體平差，并且建立新的國(guó)家大地坐 標(biāo)系統(tǒng)，其大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。該坐標(biāo)系是 參心坐標(biāo) 系，橢球的短軸 z 軸平行于地球的自轉(zhuǎn)軸 （ 由地球質(zhì)心指向 1968.0JYD 地極原點(diǎn)方 向 ） ，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，x 軸在大地起始子午面內(nèi)與 z 軸垂直 指向經(jīng)度零方向； Y 軸與 z、x 軸成右手坐標(biāo)系。 該坐標(biāo)系統(tǒng)所采用的地球橢球參數(shù)的 4 個(gè) 幾何和物理參數(shù)采用了 IAGl975 年的推薦值，其橢球的參數(shù)為：長(zhǎng)半軸： a=6378140

6、 m ；第一偏心率： e2=0.006694384999588 ：第二偏心率： e ” =0.006739501819473 ：扁率： F=1 298.257223563 。高程采用 1985 國(guó)家高程基準(zhǔn) 。由于 1956 黃海高程系計(jì)算基面所依據(jù)的青島驗(yàn)潮站的資料系列觀測(cè)時(shí)間較短等原 因（ 1950 年 1956 年），中國(guó)測(cè)繪主管部門決定重新計(jì)算黃海平均海面，以青島驗(yàn)潮 站 1952 年 1979 年的潮汐觀測(cè)資料為計(jì)算依據(jù)，并用精密水準(zhǔn)測(cè)量接測(cè)位于青島的中 華人民共和國(guó)水準(zhǔn)原點(diǎn)，得出 1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)高程和 1956 年黃海高程的關(guān)系為：1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)高程 =1956

7、 年黃海高程 -0.029m 。1985 年國(guó)家高程基準(zhǔn)已于 1987 年 5 月開(kāi)始啟用， 1956 年黃海高程系同時(shí)廢止。四、2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系 國(guó)家大地坐標(biāo)系的定義包括坐標(biāo)系的原點(diǎn)、三個(gè)坐標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的 4 個(gè)基本參數(shù)的定義。 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系的原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量 中心； 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系的 Z 軸由原點(diǎn)指向歷元 2000.0 的地球參考極的方向，該歷 元的指向由國(guó)際時(shí)間局給定的歷元為 1984.0 的初始指向推算， 定向的時(shí)間演化保證相對(duì)于 地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)， X 軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元 2000

8、.0 ）的交點(diǎn)， Y 軸與 Z 軸、 X 軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。采用廣義相對(duì)論意義下的 尺度。 2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)的數(shù)值為：長(zhǎng)半軸： a 6378137m第一偏心率： e2=0.00669438002290第二偏心率： e ” =0.00673949677548扁率： f=1/298.257222101 高程仍采用無(wú)潮汐系統(tǒng)。 該坐標(biāo)系目前 尚未 在地質(zhì)勘查工作中使用。 1.2 平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)平面直角坐標(biāo)系是由地理坐標(biāo)系統(tǒng)投影而得的，目前國(guó)際間普遍采用的一種投影，是 橫軸墨卡托投影（ Transverse Mecator Projection ），又稱為 高斯 - 克

9、呂格投影 （ Gauss-Kruger Projection ），是地球通過(guò)外切 “ 中央經(jīng)線 ” 橫躺的圓柱體進(jìn)行投影， 在中央經(jīng)線上，投影面與地球完全密合，因此圖形沒(méi)有變形；由中央經(jīng)線往東西兩側(cè)延伸， 地表圖形會(huì)被逐漸放大，變形也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重 （ 圖 1-1） 。為了保持投影精度在可接受范圍內(nèi)，每次只能取中央經(jīng)線兩側(cè)附近地區(qū)來(lái)投影，因此 必須切割為許多投影帶，將地球沿南北子午線方向，如切西瓜一般，以 6 度或 3 度分帶 切割為若干帶狀，再展成平面，每一個(gè)分帶構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，投影帶中央 經(jīng)線投影后的直線為 X 軸（縱軸，緯度方向），赤道投影后為 Y 軸（橫軸，經(jīng)度方向）， 為

10、了防止經(jīng)度方向的坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，規(guī)定每帶的 中央經(jīng)線西移 500 公里 ，即東偽偏移值為 500 公里，由于高斯 - 克呂格投影每一個(gè)投影帶的坐標(biāo)都是對(duì)本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)值，所 以各帶的坐標(biāo)完全相同， 因此規(guī)定在橫軸坐標(biāo)前加上帶號(hào)， 如 （5003560,14519660） 其中 14 即為帶號(hào)，同樣所定義的東偽偏移值也需要加上帶號(hào)，如 14 帶的東偽偏移值為 14500000 米。圖 1-1 坐標(biāo)系統(tǒng)橫軸投影示意圖 在地質(zhì)勘查工作中，六度帶多用于中小比例尺（1:25000 1:10000 ）測(cè)圖， 帶號(hào) 計(jì)算公式為 n=L/6（ 取整 ）+1 （ n- 帶號(hào)， L- 經(jīng)度坐標(biāo)） ， 中央子午線

11、 為 6n-3 ；三度帶 多用于大比例尺（ 1:10000 以下）測(cè)圖，帶號(hào)計(jì)算公式為 n=L/3（ 取整 ）+1 ，中央子午線 為 3n 。目前世界各國(guó) 軍用地圖 所采用的 UTM 坐標(biāo)系統(tǒng) （Universal Transverse Mecator Projection System） ，也是橫軸投影 6 度帶的一種，將全球共分為 60 個(gè)投影帶。 1.3 手持 GPS 接收機(jī)、羅盤的調(diào)校在地質(zhì)勘查工作中通常用到手持 GPS 接收機(jī)及羅盤等定位工具，工作區(qū)域不同，其 參數(shù)也不同，使用之前是要進(jìn)行調(diào)校的。一 、手持 GPS 接收機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)校正 由于現(xiàn)在我國(guó)民用衛(wèi)星定位系統(tǒng)尚未健全，地勘工作中

12、使用的手持 GPS 接收機(jī)均使 用的是美國(guó)衛(wèi)星信號(hào)，用的美國(guó) WS-84 坐標(biāo)系，其與我國(guó)應(yīng)用的坐標(biāo)系統(tǒng)之間存在著約 80 100 米的誤差，因而使用前必須用參數(shù)將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 BJ-54 或 C-80 坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換 后的絕對(duì)定位精度可提高到 5 10 米， 可以滿足中小比例尺 （小于 1:10000 ）地質(zhì)測(cè)圖 用。1 、位置格式設(shè)定選擇“ User UTM Grid ”格式，調(diào)整六度帶中央子午線，投影比例選 1 ，東西偏 差為 500000 ，南北偏差為 0 。2 、地圖基準(zhǔn)設(shè)定選擇“ User ”模式輸入 DX 、 DY 、 DZ 、 DA 、 DF 參數(shù)。其中 DA=-108 DF=0.

13、0000005 ， DX 、 DY 、 DZ 的確定：1 ）在手持式 GPS 接收機(jī)應(yīng)用的區(qū)域內(nèi) （ 該區(qū)域不宜過(guò)大， 一般應(yīng)小于 50 平方千 米 ） ，從當(dāng)?shù)販y(cè)繪部門收集該區(qū)較均勻分布 3 5 個(gè) GPS “ B ”級(jí)網(wǎng)以上已知點(diǎn)的 北京 BJ-54 或西安 c-80 坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)值 （ B 北緯、 L 東經(jīng)、 h 高程、 x 高程異常） 然后在對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位上讀取 WGS 一 84 坐標(biāo)系的坐標(biāo)值 （ B 北緯、 L 東經(jīng)、 H 高程）2 ）將收集到的坐標(biāo)值根據(jù)不同的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值， 計(jì)算公式如下： X （N+H）cosBcosL Y=（N+H）cosBsinLZ=N（1-

14、e 2） +H sinB* 注： X 、 Y 、 Z 為大地坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo)； N 為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半 徑， N a/（1-e2 sin 2B） 1/2 ， H=h+x 。3 ）利用 WGS84 坐標(biāo)系的 X 、 Y 、 Z 值及 a 、 F 值減去我國(guó)坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)值， 得出 DX 、 DY 、 DZ 、 da 、 DF 五個(gè)參數(shù)，平均后做 GPS 調(diào)整參數(shù)。4 ）參數(shù)計(jì)算之后必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。 驗(yàn)證的方法是： 將計(jì)算出的 dX 、 dY 、 dZ 、 da 、 DF 值輸入 GPS 接收機(jī)。首先在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)設(shè)定 3 5 個(gè)點(diǎn)的大地坐標(biāo)值 （ 即 經(jīng)、緯度 ） ，將其以 “ ddd dd

15、ddd ”的格式分別標(biāo)記在 GPS 手持機(jī)中， 再將 GPS 接 收機(jī)的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為“ UserGrid ”格式，分別讀取已標(biāo)記點(diǎn)的公里網(wǎng)縱、橫坐標(biāo)值，并與 相對(duì)應(yīng)的公里網(wǎng)縱、橫坐標(biāo)理論值 （ 該理論值可以通過(guò)高斯投影轉(zhuǎn)換將大地坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為 公里網(wǎng)縱、橫坐標(biāo)值 ） 進(jìn)行比較，二者相差超過(guò) 5 m 時(shí)要重新計(jì)算或查找出現(xiàn)問(wèn)題的原 因。內(nèi)業(yè)驗(yàn)證符合要求后在應(yīng)用區(qū)域內(nèi)選擇 3 5 個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)值與已知值 相差大于 10 m 時(shí)，要重新計(jì)算或查找出現(xiàn)問(wèn)題的原因。在精度要求不高的異常查證或預(yù)普查階段， 可以采用從工區(qū) 1:5 萬(wàn)或 1:10 萬(wàn)地形 圖上尋找 3 5 個(gè)三角點(diǎn)量取 BJ-54 或

16、 C-80 坐標(biāo)（根據(jù)地形圖上標(biāo)注），再用手持 GPS 接收機(jī)到實(shí)地測(cè)量三角點(diǎn)的 WGS-84 坐標(biāo)，運(yùn)用上述方法進(jìn)行校正，以應(yīng)急操作。二、羅盤的校正 羅盤是地質(zhì)工作中使用最廣泛的定位工具，其在未調(diào)校前讀數(shù)是以磁子午線為參照 的，要通過(guò)地圖定位，則必須調(diào)校成以真子午線為參照定位。具體方法是：1 、收集工作區(qū) 1:5 萬(wàn)或 1:10 萬(wàn)地形圖，其下方有真子午線、座標(biāo)縱線及磁子午線 示意圖（圖 1-2 ），查找其真子午線與磁子午線夾角。圖 1-2 磁偏角示意圖圖 1-3 羅盤調(diào)校示意圖2 、根據(jù)真子午線與磁子午線夾角對(duì)羅盤進(jìn)行調(diào)校。地質(zhì)隊(duì)員常說(shuō)是“東偏順撥，西 偏逆撥”，如圖 1-2 是東偏 4 04 ，用羅盤鑰匙從其后調(diào)整旋紐將羅盤