10.1建立大地坐标系的基本原理建立大地坐标系的基本原理（重点）（重点） 1、椭球定位、定向的概念、椭球定位、定向的概念 大地坐标系大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系，这里所说的大地基准空间位置及其相对关系的数学参照系，这里所说的大地基准是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。定向。 椭球定位椭球定位是指确定椭球中心的位置是指确定椭球中心的位置,可分为两类可分为两类:局部定位和局部定位和地心定位地心定位。局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面。局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合有最佳的符合,而对椭球的中心位置无特殊要求；地心定位要而对椭球的中心位置无特殊要求；地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合,同时要求同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。椭球中心与地球质心一致或最为接近。椭球定向椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向是指确定椭球旋转轴的方向,不论是局部定位还是不论是局部定位还是地心定位地心定位,都应满足两个平行条件都应满足两个平行条件:椭球短轴平行于地球自转轴椭球短轴平行于地球自转轴;大地起始子午面平行于天文起始子午面大地起始子午面平行于天文起始子午面 具有确定参数具有确定参数(长半径长半径a和扁率和扁率),经过局部经过局部定位和定向定位和定向,同某一地区大地水准面最佳拟同某一地区大地水准面最佳拟合合的地球椭球的地球椭球,叫做叫做参考椭球参考椭球。除了满足地心定位和双平行条件外除了满足地心定位和双平行条件外,在确定在确定椭球参数时能使它椭球参数时能使它在全球范围内与大地体在全球范围内与大地体最密合最密合的地球椭球的地球椭球,叫做叫做总地球椭球总地球椭球。2、坐标系的类型、坐标系的类型 无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系两种直角坐标系和大地坐标系两种,它们都与地球体固连它们都与地球体固连在一起在一起,与地球同步运动与地球同步运动,因而又称为因而又称为地固坐标系地固坐标系,以以地心为原点的地固坐标系则称地心为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系地心地固坐标系，主，主要用于描述地面点的相对位置；另一类是空间固定要用于描述地面点的相对位置；另一类是空间固定坐标系与地球自转无关，称为坐标系与地球自转无关，称为天文坐标系或天球坐天文坐标系或天球坐标系或惯性坐标系标系或惯性坐标系，主要用于描述卫星和地球的运，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。在这里，我们研究地固坐标系。行位置和状态。在这里，我们研究地固坐标系。参心坐标系参心坐标系:以参考椭球为基准的坐标系以参考椭球为基准的坐标系地心坐标系地心坐标系:以总地球椭球为基准的坐标系。以总地球椭球为基准的坐标系。10.2（地球）参心坐标系（地球）参心坐标系（了解）（了解）10.2.1参考椭球定位与定向的实现方法参考椭球定位与定向的实现方法建立（地球）参心坐标系，需进行下面几个工作：建立（地球）参心坐标系，需进行下面几个工作： 选择或求定椭球的几何参数（长短半径）；选择或求定椭球的几何参数（长短半径）； 确定椭球中心位置（定位）；确定椭球中心位置（定位）； 确定椭球短轴的指向（定向）；确定椭球短轴的指向（定向）； 建立大地原点。建立大地原点。椭球中椭球中心心O相相对于地对于地心的平心的平移参数移参数 三个绕坐标三个绕坐标轴的旋转参轴的旋转参数（表示参数（表示参考椭球定向）考椭球定向） 参考椭球的定位与定向参考椭球的定位与定向 参考椭球定位定向方法参考椭球定位定向方法 选定某一适宜的点选定某一适宜的点K作为大地原点，在该点上实施精密的天文作为大地原点，在该点上实施精密的天文测量和高程测量，由此得到该点的天文经度测量和高程测量，由此得到该点的天文经度 ，天文纬度，天文纬度 ，至某一相邻点的天文方位角，至某一相邻点的天文方位角 和正高和正高 得到得到K点相应的大地经度点相应的大地经度 ，大地纬度，大地纬度 ，至某一，至某一相邻点的大地方位角相邻点的大地方位角 和大地高和大地高 大地原点垂线偏差的大地原点垂线偏差的子午圈分量和卯酉子午圈分量和卯酉圈分量及该点的大地圈分量及该点的大地水准面差距水准面差距 天文坐标天文坐标大地坐标大地坐标一点定位一点定位 表明在大地原点表明在大地原点K处，椭球的法线方处，椭球的法线方向和铅垂线方向重向和铅垂线方向重合，椭球面和大地合，椭球面和大地水准面相切水准面相切 确定椭球的定位确定椭球的定位和定向和定向多点定位多点定位一点定位的结果在较大范围内往往难以使椭球面与大地水准一点定位的结果在较大范围内往往难以使椭球面与大地水准面有较好的密合。所以在国家或地区的天文大地测量工作进面有较好的密合。所以在国家或地区的天文大地测量工作进行到一定的时候或基本完成后，利用许多拉普拉斯点（即测行到一定的时候或基本完成后，利用许多拉普拉斯点（即测定了天文经度、天文纬度和天文方位角的大地点）的测量成定了天文经度、天文纬度和天文方位角的大地点）的测量成果和已有的椭球参数，按照广义弧度测量方程按果和已有的椭球参数，按照广义弧度测量方程按 =最小最小（或（或 =最小）这一条件，通过计算进行新的定位和定最小）这一条件，通过计算进行新的定位和定向，从而建立新的参心大地坐标系。按这种方法进行参考椭向，从而建立新的参心大地坐标系。按这种方法进行参考椭球的定位和定向，由于包含了许多拉普拉斯点，因此通常称球的定位和定向，由于包含了许多拉普拉斯点，因此通常称为为多点定位法多点定位法。多点定位的结果使椭球面在大地原点不再同大地水准面相多点定位的结果使椭球面在大地原点不再同大地水准面相切，但在所使用的天文大地网资料的范围内，椭球面与大切，但在所使用的天文大地网资料的范围内，椭球面与大地水准面有最佳的密合。地水准面有最佳的密合。10.2.2大地原点和大地起算数据大地原点和大地起算数据大地测量基准，也叫大地测量基准，也叫大地测量起算数据大地测量起算数据 一定的参考椭球和一定的大地原点起算数据，一定的参考椭球和一定的大地原点起算数据，确定了一定的坐标系。通常就是用参考椭球确定了一定的坐标系。通常就是用参考椭球和大地原点上的起算数据的确立作为一个和大地原点上的起算数据的确立作为一个参参心大地坐标系建成的标志。心大地坐标系建成的标志。10.3我国大地坐标系我国大地坐标系1954年北京坐标系年北京坐标系 建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。因此，年北京坐标系。因此，P54可归结可归结为：为：a属参心大地坐标系；属参心大地坐标系；b采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；c. 大地原点在原苏联的普尔科沃；大地原点在原苏联的普尔科沃；d采用多点定位法进行椭球定位；采用多点定位法进行椭球定位；e高程基准为高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；年青岛验潮站求出的黄海平均海水面； f高程异常以原苏联高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起年大地水准面重新平差结果为起 算数据。按我国天文水准路线推算而得算数据。按我国天文水准路线推算而得 。BJ54坐标系的缺点：坐标系的缺点：椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m；参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大地区大地水准面差距最大+68m。使得大比例尺地图反映地面的精度受到影。使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响，也对观测元素的归算提出了严格要求；响，也对观测元素的归算提出了严格要求；几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特时采用赫尔默特1900年年1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球不一致，给实际工作带来麻烦；特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球不一致，给实际工作带来麻烦；定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议（习用）定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议（习用）原点原点CIO（Conventional International Origin）,也不是我国地极原点；起也不是我国地极原点；起始大地子午面也不是国际时间局始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面，所定义的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。从而给坐标换算带来一些不便和误差。另外，监于该坐标系是按局部平差逐步提供大地点成果的，因而不可避免地另外，监于该坐标系是按局部平差逐步提供大地点成果的，因而不可避免地出现一些矛盾和不够合理的地方。出现一些矛盾和不够合理的地方。1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 C80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。根据椭球根据椭球定位的基本原理，在建立定位的基本原理，在建立C80坐标系时有以下先决条件：坐标系时有以下先决条件：（1）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；（2）C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；午面；X轴在大地起始子午面内与轴在大地起始子午面内与 Z轴垂直指向经度轴垂直指向经度 0方向；方向；Y轴轴与与 Z、X轴成右手坐标系；轴成右手坐标系；（3）椭球参数采用）椭球参数采用IUG 1975年大会推荐的参数年大会推荐的参数因而可得因而可得C80椭球两个最常用的几何参数为：椭球两个最常用的几何参数为：长轴：长轴：63781405（m）；扁率：）；扁率：1：298.257 （4）多点定位；）多点定位；椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数小为原则求解参数 （5）大地高程以）大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准 新新19541954北京坐标系北京坐标系将将1980国家大地坐标系的空间直角坐标经过国家大地坐标系的空间直角坐标经过三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，椭球参数保持与中心，椭球参数保持与1954年北京坐标系相年北京坐标系相同。同。不同坐标系之间的变换不同坐标系之间的变换欧勒角欧勒角对于二维直角坐标，如图所对于二维直角坐标，如图所示，有：示，有：在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标系间的变在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标系间的变换一般需要在三个坐标平面上，通过三次旋转才能完成。如换一般需要在三个坐标平面上，通过三次旋转才能完成。如图所示，设旋转次序为：图所示，设旋转次序为：为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称欧勒角欧勒角 不同空间直角坐标之间的变换不同空间直角坐标之间的变换 当两个空间直角坐标系的坐标换算既有旋转又有平移时，则存当两个空间直角坐标系的坐标换算既有旋转又有平移时，则存在三个平移参数和三个旋转参数，再顾及两个坐标系尺度不尽在三个平移参数和三个旋转参数，再顾及两个坐标系尺度不尽一致，从而还有一个尺度变化参数，共计有七个参数一致，从而还有一个尺度变化参数，共计有七个参数 相应的坐标变换公式为：相应的坐标变换公式为： 上式为两个不同空间直角坐标之间上式为两个不同空间直角坐标之间的转换模型的转换模型(布尔莎模型布尔莎模型)，其中含，其中含有有7个转换参数，为了求得个转换参数，为了求得7个转换个转换参数，至少需要参数，至少需要3个公共点，当多个公共点，当多于于3个公共点时，可按最小二乘法个公共点时，可按最小二乘法求得求得7个参数的最或是值。个参数的最或是值。不同大地坐标系的变换不同大地坐标系的变换 对于不同大地坐标系的换算，除包含三个平对于不同大地坐标系的换算，除包含三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度变化参数移参数、三个旋转参数和一个尺度变化参数外，外，还包括两个地球椭球元素变化参数还包括两个地球椭球元素变化参数 又称为广义大地坐标微分公式或广义变换椭球微又称为广义大地坐标微分公式或广义变换椭球微分公式。分公式。 顾及全部顾及全部7参数和椭球大小变化的转化公式参数和椭球大小变化的转化公式(布尔莎模型布尔莎模型P147):10.5地心坐标系地心坐标系 地心地固空间直角坐标系地心地固空间直角坐标系 原点原点O与地球质心重合，与地球质心重合，Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X轴指向格林尼治轴指向格林尼治平均子午面与赤道的交点，平均子午面与赤道的交点，Y轴垂直于轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。平面构成右手坐标系。地心地固大地坐标系地心地固大地坐标系 地球椭球的中心与地球质心地球椭球的中心与地球质心重合，椭球面与大地水准面在重合，椭球面与大地水准面在全球范围内最佳符合，椭球短全球范围内最佳符合，椭球短轴与地球自转轴重合（过地球轴与地球自转轴重合（过地球质心并指向北极），大地纬度，质心并指向北极），大地纬度，大地经度，大地高。大地经度，大地高。 地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴方地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴方向的变化。向的变化。以协议地极以协议地极CIP(Conventional Terrestrial Pole)为指向点的地球坐标系称为为指向点的地球坐标系称为协议地球坐协议地球坐标系标系CTS(Conventional Terrestrial System),而以瞬时极为指向点的地球坐标系称为而以瞬时极为指向点的地球坐标系称为瞬时地瞬时地球坐标系球坐标系。在大地测量中采用的地心地固坐标。在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原点系大多采用协议地极原点CIO(国际协议原点国际协议原点)为指向点为指向点,因而也是因而也是协议地球坐标系协议地球坐标系,一般情况一般情况下协议地球坐标系和地心地固坐标系代表相同下协议地球坐标系和地心地固坐标系代表相同的含义。的含义。建立地心坐标系的方法建立地心坐标系的方法 直接法直接法 所谓直接法，就是通过一定的观测资料，直接求得点的所谓直接法，就是通过一定的观测资料，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法。地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法。 间接法间接法 所谓间接法就是通过一定的资料，求得地心坐标系和所谓间接法就是通过一定的资料，求得地心坐标系和参心坐标系间的转换参数，而后按其转换参数和参心坐标，参心坐标系间的转换参数，而后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法，如应用全球天文大地水准间接求得点的地心坐标的方法，如应用全球天文大地水准面差距法以及利用卫星网与地面网重合点的两套坐标建立面差距法以及利用卫星网与地面网重合点的两套坐标建立地心坐标转换参数等方法。地心坐标转换参数等方法。 20世纪世纪60年代以来，美苏等国家利用卫星年代以来，美苏等国家利用卫星观测等资料开展了建立地心坐标系的工作。美观测等资料开展了建立地心坐标系的工作。美国国防部国国防部(DOD)曾先后建立过世界大地坐标系曾先后建立过世界大地坐标系（World Geodetic System,简称简称WGS）WGS-60，WGS-66，WGS-72，并于，并于1984年开始，经过多年修正和完善，建立起年开始，经过多年修正和完善，建立起更为精确的地心坐标系统，称为更为精确的地心坐标系统，称为WGS-84。WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系该坐标系是一个协议地球参考该坐标系是一个协议地球参考系系CTS（Conventional Terrestrial System）,其原其原点是地球的质心，点是地球的质心，Z轴指向轴指向BIH1984.0定义的协议地球极定义的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole）方向，）方向，X轴轴指向指向BIH1984.0零度子午面和零度子午面和CTP赤道的交点，赤道的交点，Y轴和轴和Z、X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大届大会大地测量常数推荐值会大地测量常数推荐值 自自1987年年1月月10日之后，日之后，GPS卫星星历均采卫星星历均采用用WGS-84坐标系统。因此坐标系统。因此GPS网的测站坐网的测站坐标及测站之间的坐标差均属于标及测站之间的坐标差均属于WGS-84系统。系统。为了求得为了求得GPS测站点在地面坐标系（属于参测站点在地面坐标系（属于参心坐标系）中的坐标，就必须进行坐标系的心坐标系）中的坐标，就必须进行坐标系的转换。转换。10.6站心坐标系站心坐标系 以测站为原点，测站的法线（或垂线）为以测站为原点，测站的法线（或垂线）为Z轴方向轴方向的坐标系称为法线（或垂线）站心坐标系。的坐标系称为法线（或垂线）站心坐标系。垂线站心直角坐标系垂线站心直角坐标系以测站以测站P为原点，为原点，P点的垂点的垂线为线为z轴（指向天顶为正），轴（指向天顶为正），子午线方向为子午线方向为x轴（向北为轴（向北为正），正），y轴与轴与x,z轴垂直（向轴垂直（向东为正）构成左手坐标系。东为正）构成左手坐标系。(又称站心天文坐标系又称站心天文坐标系)空间任意一点空间任意一点Q相对于相对于P的位的位置可通过地面观测量置可通过地面观测量-斜距斜距d、天文方位角、天文方位角和天顶距和天顶距z来确定，来确定，垂线站心直角坐标系与地心坐标系之间垂线站心直角坐标系与地心坐标系之间的换算公式的换算公式 法线站心直角坐标系法线站心直角坐标系 以测站以测站P为原点，为原点，P点的法线为点的法线为z轴（指轴（指向天顶为正），子午向天顶为正），子午线方向为线方向为x轴，轴，y轴与轴与x,z轴垂直构成左手坐轴垂直构成左手坐标系。标系。(又称站心椭又称站心椭球坐标系球坐标系)