參考橢球定位與坐標轉換課件

參考橢球定位和不同坐標系之間的轉換1ppt課件.（一）建立大地坐標系的基本原理（重點）

1、橢球定位、定向的概念

大地坐標系是建立在一定的大地基準上的用于表達地球表面空間位置及其相對關系的數(shù)學參照系，這里所說的大地基準是指能夠最佳擬合地球形狀的地球橢球的參數(shù)及橢球定位和定向。橢球定位是指確定橢球中心的位置,可分為兩類:局部定位和地心定位。局部定位要求在一定范圍內橢球面與大地水準面有最佳的符合,而對橢球的中心位置無特殊要求；地心定位要求在全球范圍內橢球面與大地水準面有最佳的符合,同時要求橢球中心與地球質心一致或最為接近。橢球定向是指確定橢球旋轉軸的方向,不論是局部定位還是地心定位,都應滿足兩個平行條件:①橢球短軸平行于地球自轉軸;②大地起始子午面平行于天文起始子午面

2ppt課件.具有確定參數(shù)(長半徑a和扁率α),經(jīng)過局部定位和定向,同某一地區(qū)大地水準面最佳擬合的地球橢球,叫做參考橢球。除了滿足地心定位和雙平行條件外,在確定橢球參數(shù)時能使它在全球范圍內與大地體最密合的地球橢球,叫做總地球橢球。要正確區(qū)分的兩個概念3ppt課件.2、坐標系的類型

無論參心坐標系還是地心坐標系均可分為空間直角坐標系和大地坐標系兩種,它們都與地球體固連在一起,與地球同步運動,因而又稱為地固坐標系,以地心為原點的地固坐標系則稱地心地固坐標系，主要用于描述地面點的相對位置；另一類是空間固定坐標系與地球自轉無關，稱為天文坐標系或天球坐標系或慣性坐標系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運行位置和狀態(tài)。在這里，我們研究地固坐標系。參心坐標系:以參考橢球為基準的坐標系地心坐標系:以總地球橢球為基準的坐標系。4ppt課件.（二）（地球）參心坐標系（了解）1、參考橢球定位與定向的實現(xiàn)方法建立（地球）參心坐標系，需進行下面幾個工作：①選擇或求定橢球的幾何參數(shù)（長短半徑）；②確定橢球中心位置（定位）；③確定橢球短軸的指向（定向）；④建立大地原點。5ppt課件.橢球中心O相對于地心的平移參數(shù)

三個繞坐標軸的旋轉參數(shù)（表示參考橢球定向）

參考橢球的定位與定向

6ppt課件.參考橢球定位定向方法

選定某一適宜的點K作為大地原點，在該點上實施精密的天文測量和高程測量，由此得到該點的天文經(jīng)度，天文緯度，至某一相鄰點的天文方位角和正高

得到K點相應的大地經(jīng)度，大地緯度，至某一相鄰點的大地方位角和大地高大地原點垂線偏差的子午圈分量和卯酉圈分量及該點的大地水準面差距

天文坐標大地坐標07ppt課件.一點定位

表明在大地原點K處，橢球的法線方向和鉛垂線方向重合，橢球面和大地水準面相切確定橢球的定位和定向8ppt課件.多點定位一點定位的結果在較大范圍內往往難以使橢球面與大地水準面有較好的密合。所以在國家或地區(qū)的天文大地測量工作進行到一定的時候或基本完成后，利用許多拉普拉斯點（即測定了天文經(jīng)度、天文緯度和天文方位角的大地點）的測量成果和已有的橢球參數(shù)，按照廣義弧度測量方程按=最小（或=最?。┻@一條件，通過計算進行新的定位和定向，從而建立新的參心大地坐標系。按這種方法進行參考橢球的定位和定向，由于包含了許多拉普拉斯點，因此通常稱為多點定位法。多點定位的結果使橢球面在大地原點不再同大地水準面相切，但在所使用的天文大地網(wǎng)資料的范圍內，橢球面與大地水準面有最佳的密合。9ppt課件.（二）大地原點和大地起算數(shù)據(jù)大地測量基準，也叫大地測量起算數(shù)據(jù)一定的參考橢球和一定的大地原點起算數(shù)據(jù)，確定了一定的坐標系。通常就是用參考橢球和大地原點上的起算數(shù)據(jù)的確立作為一個參心大地坐標系建成的標志。10ppt課件.（三）我國大地坐標系1954年北京坐標系

建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業(yè)，鑒于當時的實際情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠東一等鎖相連接，然后以連接處呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴大邊端點的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系的坐標為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標系就定名為1954年北京坐標系。因此，P54可歸結為：

a．屬參心大地坐標系；

b．采用克拉索夫斯基橢球的兩個幾何參數(shù)；

c.大地原點在原蘇聯(lián)的普爾科沃；

d．采用多點定位法進行橢球定位；

e．高程基準為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面；

f．高程異常以原蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差結果為起算數(shù)據(jù)。按我國天文水準路線推算而得。

11ppt課件.BJ54坐標系的缺點：①橢球參數(shù)有較大誤差。與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)相比，長半軸約大109m；②參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜，東部地區(qū)大地水準面差距最大+68m。使得大比例尺地圖反映地面的精度受到影響，也對觀測元素的歸算提出了嚴格要求；③幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統(tǒng)一。我國在處理重力數(shù)據(jù)時采用赫爾默特1900年—1909年正常重力公式，與這個公式相應的赫爾默特扁球不是旋轉橢球，它與克拉索夫斯基橢球不一致，給實際工作帶來麻煩；④定向不明確。橢球短軸的指向既不是國際上較普遍采用的國際協(xié)議（習用）原點CIO（ConventionalInternationalOrigin）,也不是我國地極原點；起始大地子午面也不是國際時間局BIH所定義的格林尼治平均天文臺子午面，從而給坐標換算帶來一些不便和誤差。另外，監(jiān)于該坐標系是按局部平差逐步提供大地點成果的，因而不可避免地出現(xiàn)一些矛盾和不夠合理的地方。12ppt課件.1980年國家大地坐標系

C80是為了進行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球定位的基本原理，在建立C80坐標系時有以下先決條件：

（1）大地原點在我國中部，具體地點是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)；

（2）C80坐標系是參心坐標系，橢球短軸Z軸平行于地球質心指向地極原點方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面；X軸在大地起始子午面內與Z軸垂直指向經(jīng)度0方向；Y軸與Z、X軸成右手坐標系；

（3）橢球參數(shù)采用IUG1975年大會推薦的參數(shù)

因而可得C80橢球兩個最常用的幾何參數(shù)為：

長軸：6378140±5（m）；扁率：1：298.257

（4）多點定位；橢球定位時按我國范圍內高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)

（5）大地高程以1956年青島驗潮站求出的黃海平均水面為基準

13ppt課件.新1954北京坐標系將1980國家大地坐標系的空間直角坐標經(jīng)過三個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心，橢球參數(shù)保持與1954年北京坐標系相同。14ppt課件.不同坐標系之間的變換歐勒角對于二維直角坐標，如圖所示，有：15ppt課件.在三維空間直角坐標系中，具有相同原點的兩坐標系間的變換一般需要在三個坐標平面上，通過三次旋轉才能完成。如圖所示，設旋轉次序為：為三維空間直角坐標變換的三個旋轉角，也稱歐勒角

16ppt課件.不同空間直角坐標之間的變換

當兩個空間直角坐標系的坐標換算既有旋轉又有平移時，則存在三個平移參數(shù)和三個旋轉參數(shù)，再顧及兩個坐標系尺度不盡一致，從而還有一個尺度變化參數(shù)，共計有七個參數(shù)相應的坐標變換公式為：

上式為兩個不同空間直角坐標之間的轉換模型(布爾莎模型)，其中含有7個轉換參數(shù)，為了求得7個轉換參數(shù)，至少需要3個公共點，當多于3個公共點時，可按最小二乘法求得7個參數(shù)的最或是值。17ppt課件.不同大地坐標系的變換

對于不同大地坐標系的換算，除包含三個平移參數(shù)、三個旋轉參數(shù)和一個尺度變化參數(shù)外，還包括兩個地球橢球元素變化參數(shù)又稱為廣義大地坐標微分公式或廣義變換橢球微分公式。顧及全部7參數(shù)和橢球大小變化的轉化公式(布爾莎模型P147):18ppt課件.（五）地心坐標系

地心地固空間直角坐標系

原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平均子午面與赤道的交點，Y軸垂直于XOZ平面構成右手坐標系。地心地固大地坐標系

地球橢球的中心與地球質心重合，橢球面與大地水準面在全球范圍內最佳符合，橢球短軸與地球自轉軸重合（過地球質心并指向北極），大地緯度，大地經(jīng)度，大地高。地球北極是地心地固坐標系的基準指向點，地球北極的變動將引起坐標軸方向的變化。19ppt課件.以協(xié)議地極CIP(ConventionalTerrestrialPole)為指向點的地球坐標系稱為協(xié)議地球坐標系CTS(ConventionalTerrestrialSystem),而以瞬時極為指向點的地球坐標系稱為瞬時地球坐標系。在大地測量中采用的地心地固坐標系大多采用協(xié)議地極原點CIO(國際協(xié)議原點)為指向點,因而也是協(xié)議地球坐標系,一般情況下協(xié)議地球坐標系和地心地固坐標系代表相同的含義。補充知識20ppt課件.建立地心坐標系的方法

直接法

所謂直接法，就是通過一定的觀測資料，直接求得點的地心坐標的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動力法。

間接法

所謂間接法就是通過一定的資料，求得地心坐標系和參心坐標系間的轉換參數(shù)，而后按其轉換參數(shù)和參心坐標，間接求得點的地心坐標的方法，如應用全球天文大地水準面差距法以及利用衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)重合點的兩套坐標建立地心坐標轉換參數(shù)等方法。21ppt課件.

20世紀60年代以來，美蘇等國家利用衛(wèi)星觀測等資料開展了建立地心坐標系的工作。美國國防部(DOD)曾先后建立過世界大地坐標系（WorldGeodeticSystem,簡稱WGS）WGS-60，WGS-66，WGS-72，并于1984年開始，經(jīng)過多年修正和完善，建立起更為精確的地心坐標系統(tǒng)，稱為WGS-84。22ppt課件.WGS-84世界大地坐標系該坐標系是一個協(xié)議地球參考系CTS（ConventionalTerrestrialSystem）,其原點是地球的質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極CTP（ConventionalTerrestrialPole）方向，X軸指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構成右手坐標系。WGS-84橢球采用國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值23ppt課件.自1987年1月10日之后，GPS衛(wèi)星星歷均采用WGS-84坐標系統(tǒng)。因此GPS網(wǎng)的測站坐標及測站之間的坐標差均屬于WGS-84系統(tǒng)。為了求得GPS測站點在地面坐標系（屬于參心坐標系）中的坐標，就必須進行坐標系的轉換。24ppt課件.（六）站心坐標系

以測站為原點，測站的法線（或垂線）為Z軸方向的坐標系稱為法線（或垂線）站心坐標系。垂線站心直角坐標系以測站P為原點，P點的垂線為z軸（指向天頂為正），子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x,z軸垂直（向東為正）構成左手