关于中国采用地心3维坐标系统的探讨.pdf
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1、第3 2 卷第4 期2 0 0 3 年1 1 月测绘学报A C T AG E O D A E T I C Ae tC A R T O G R A P H I C AS I N I C AV0 1 3 2 N O4N O V 2 0 0 3文章编号:1 0 0 1 1 5 9 5(2 0 0 3)0 4 0 2 8 3 0 6中图分类号:P 2 2文献标识码:A关于中国采用地心3 维坐标系统的探讨陈俊勇(国家测绘局,北京1 0 0 8 3 0)N e c e s s i t ya n dF e a s i b i l i t yf o raG e o c e n t r i c3 DC o o
2、r d i n a t eS y s t e mE m p l o y e di nC h i n aC H E NJ u n-y o n g(S t a t eB u r e a uo fS u r v e y i n g M a p p i n g B e o i n g1 0 0 8 3 0 C h i n a)A b s t r a c t:S o f a r t h eC h i n e s em o d e r ng e o d e t i cd a t u ma sc o n c e r n e d,t h e f o c u s i sw h e t h e r t h eg
3、e o c e n t f i e t h r e ed i m e n s i o n(3 D)c o o r d i n a t es y s t e ms h o u l db ee n 3 1 p l o y e di nC h i n ao rn o t A sam a t t e ra ff a c ti ti se s s e n t i a l l y8p r o b l e mo fn e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yf o r8g e o d e t i cc o o r d i n a t es y s t e mu p
4、d a t i n gi nal a r g ed e v e l o p i n gc o u n t r yl i k eC h i n a T h ef o l l o w-i n gt o p i c si nn e c e s s i t ya r d i s c u s s e d:T h es i t u a t i o na n dp r o b l e m si nC h i n e s ee x i s t i n gg e o d e t i cc o o r d i n a t es y s t e ma n di t sf r a m e;T h ec h a r a
5、 c t e r i s t i c so faC h i n e s em o d e r ng e o c e n t r i c3 Dc o o r d i n a t ef r a m e;T h ea d v a n t a g e sf o r8g e o c e n t r i c3 Dc o o r d i n a t es y s t e mi fi ti se m p l o y e di nC h i n a W h a tk i n do ft h eG e o d e t i cF u n d a m e n t a lC o n s t a n t ss h o u
6、 l db et a k e nf o raC h i n e s em o d e r ng e o c e n t r i c3 Dc o o r d i n a t es y s t e mT h ef e a s i b i l i t yi st h ek e yp o i n tf o ru p d a t i n gaC h i n e s ec o o r d i n a t es y s t e m O n l yt w oa m o n gt h ef o u ri s s u e sc o n c e r n i n gt h ef e a s i b i l i t y
7、a r ed i s c u s s e dO n ei st h a taC h i n e s eg e o c e n t r i c3 Dc o o r d i n a t ef r a m ew i t he n o u g hp o i n t s s u i t a b l ed e n s i t y,h i g ha c c u r a c y,a n dd y n a m i ci st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nt or e a l i z et h eC h i n e s eg e o c e n t r i c3 Dc
8、 o o r d l i r a t es y s t e m;7 F h eo t h e ro n ei st h ei n f l u e n c e so nt h ec u r r e n te x i s t i n gm i l l i o n sv a r i o u sC h i n e s em a p s,e s p e c i a l l yt h et o p o g r a p h i cm a p,c a u s e db yt h ec h a n g eo ft h ec o o r d i n a t es y s t e m sS u c ha st h
9、ec h a n g e so fl a t i t u d e,l o n g i t u d e,a n dG a u s sp l a n ec o o r d i n a t e so ft h es u r f a c ep o i n t sa n dt h e i rp r o j e c t i o no nt h em a p a sw e l la st h ev a r i a t i o no ft h eo r i e n t a t i o na n dt h el e n g t ho ft h el i n e sb e t w e e nt h ep o i
10、n t so nt h em a p(i n c l u d i n gm a po u t l i n e s)K e yw o r d s:g e o d e t i cd a t u m;c o o r d i n a t es y s t e m;c o o r d i n a t ef r a m e;r e p l a c e m e n to fc o o r d i n a t es y s t e m;g e o d e t i cf u n d a m e n t a lc o n s t a n t s;m a p摘要:就中国建立现代大地测量平面基准而言,目前主要焦点在于
11、是否采用地o3 雄坐标系统,也就是在中国这样一个大国进行这一坐标系更换的必要性和可行性的论证。在必要性方面重点讨论下面几个方面的问题:中国大地坐标系统和大地坐标框架的现状和问题;中国地o3 维坐标框架应具有的特点;中国采用地o3 维坐标系统的优点;以及建议采用何种大地测量基本常数。可行性是中国能否采用地o3 雏坐标系统的核心问题。只讨论了可行性可能涉厦的4 个问题中的2 个,一是必须具备有足够数量,适宜密度,动态的高精度坐标框架来实现地m3 维坐标系统;二是坐标系统更换对全国千万张现有各类地图,特别是地形图的影响,其中包括地面点经纬度和高斯平面坐标的变更幅度,地图上两点间连线(包括图廓线)的方
12、位和长度变化等。收稿日期:2 0 0 3 0 80 5作者简介:陈俊勇(1 9 3 3),男,浙江宁渡人,-p 国科学院院士,薯要研究方向为天文大地测垡。万方数据测绘学报第3 2 卷关键词:平面基准;坐标系统;坐标框架;坐标系统更换;大地测量基本常数;地图1 我国的大地坐标系统和大地坐标框架f 一一世纪我国在平面基准“_ 2 0 方面主要完成了全国天文大地网的整体平差;建立了西安1 9 8 0坐标系(或北京新1 9 5 4 坐标系);3 个全国性G P S网;6 0 余个G P S 永久性追踪站,和近十个S L R 和V L B I 站。5 0 多年来,我国的平面基准【2 3 1 为国民经济和
13、社会的可持续发展提供了全国统一协调的、可靠的高程和2 维坐标,这些都是在上一世纪我国的地理空间基础框架的重要组成部分。由于当时科学技术的制约和其他历史原因,世界各国在2 0 世纪中的平面基准,基本上都和中国有类似的特点,即采用了1 0。5 量级精度、2 维、非地心的局域定位和以地面网络的点线方式传递坐标等技术,这是大地测量基准发展历史上不可避免的一个阶段。1 1 大地坐标系统的现状和问题目前使用的西安1 9 8 0 坐标系(以下简称西安8 0 系),从技术和应用方面考虑,存在下面几个问题:2 维坐标系统,即任何所考虑对象的3 维坐标在西安8 0 系中只表现为平面的2 维坐标;椭球定位,西安8
14、0 系是由(中国)大陆局域高程异常最佳符合(即 2 =m i n)方法定位J,因此它不仅不是地心定位,而且当时确定定位时也没有顾及占中国全部国土面积近1 3 的海域国土;随着科学技术的发展,原来在2 0 世纪7 0年代用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数,已有了更新和改善,其中如椭球大小,西安8 0系采用的椭球是I A G l 9 7 5 椭球,它的椭球长半轴要比现在国际公认的1 4,53,或是卫星定位技术(G P S,G L O N A S S 等)中所采用的相应值大3m左右;椭球短轴的指向,西安8 0 系采用指向J Y D l 9 6 8 0 极原点,与国际上通用的地面坐标系如I T R
15、 S【6,或与G P S 定位中采用的W G S 8 4 等椭球短轴的指向(B I H l 9 8 4 o)不同。1 2 大地坐标框架的现状和问题大地坐标框架是大地坐标系统的实现,也是国家平而基准服务于用户最根本最实际的途径。目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。它由4 8 万余个大地控制点组成,这些点间的相对精度为3 1 0 6 1 2,3 ,在我国大陆的分布密度约为1:(1 5k mx1 5k m)。但我国的这一大地坐标框架目前也存在4 个方面的问题:近5 万个全国天文大地网点,历经几十年沧桑,已损毁r 近l 3,而在经济发展快的地区,这一现象更为严重;
16、卫星定位技术得到了广泛应用,其点位平面位置的相对定位精度已可达1 0-7 量级以上,要比现行的全国大地坐标框架的精度高出-N 两个量级;卫星定位的测量成果是3 维的、立体的,而现行的大地坐标框架是2 维的,平面的,因此,高精度的卫星定位技术所确定的3 维测量成果,与较低精度的国家2 维大地坐标框架不能互相配适;实时或准实时定位已不仅仅是导航部门的需求,在地震和地质灾害监测、天气预报等部门都要求提供框架点的实时或准实时坐标,这种要求也是现行大地坐标框架点所难以满足的。对我国国土范围内所考虑对象的空间位置(不论该对象是处于静态还是动态),都需要个全国统一的、协调一致的大地坐标系统和大地坐标框架。面
17、临空间和信息技术及其应用的迅猛发展和广泛普及,在创建数字中国的过程中,单纯采用目前的非地心、2 维、低精度、静态的大地坐标系统和大地坐标框架作为我国现代平面基准,它所带来的不协调会愈来愈多。2 采用符合客观空问实际的3 维地心大地坐标系统过去由于科技水平的限制,大地坐标系统在实际使用中一般不采用3 维坐标。此外,人类总是习惯对平面介质(例如纸或屏幕)上的目标进行观测,也就是说,人们常常将3 维空间的目标以某种数学关系投影到2 维的平面介质上进行考察研究。这种将3 维空间目标转化为2 维后,该目标第3 维的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性处理,这样在许多场合会导致空间目标在划分与表达方面的
18、困难_ 7 J。随着空间技术和虚拟技术的发展,采用符合客观空间实际的3 维坐标,将是一种必然的趋势。3 维坐标系统的原点可以是参心的,也可以是地心的。若采用以地球质心为大地坐标系的原点,即采用地心坐标系的优点是明显的。因为这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象,万方数据第4 期陈俊勇等:关于中国采用地心3 维坐标系统的探讨2 8 5特别是空问物体运动的本始参照系,但长期以来由于人类不能精确确定地心的位置,因而较少使用。但目前利用空间技术等手段已可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有它的必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果,客观上都是以地-f l,坐
19、标系为参照系,因此采用这一坐标系作为我国平面基准,就能最有效地利用这一技术。2 1 我国地心3 维坐标系的定义假如我国今后采用3 维地心坐标系统,则我国地心坐标系的定义应和国际通用地面参考系(I T R S)的定义一致,因为它是迄今为止比较科学和比较符合客观实际的。现将它定义的四原则转引于下。6,8J:坐标系原点为包括海洋和大气在内的整个地球质量的质心;坐标系的尺度为在引力相对论意义下的局部地球框架的尺度;Z轴从原点指向B I H l 9 8 4 0 定义的协议地球极,x轴从原点指向格林尼治平均子午面与赤道的交点,l,轴与X 轴和z 轴构成右手坐标系;由于极移影响,在确定不同时期的实际地球旋转
20、轴相对于B I H l 9 8 4 0 的指向时,要确保地壳不会产生残余的全球性旋转。2 2 大地测量基本常数与大地坐标系统和框架密切相关的大地测量基本常数是近几年来讨论的一个热点L 5-9“。它主要涉及两个方面。一是对现有全球通用的大地参考系统1 9 8 0(G R S 8 0)_ 1 2J 的大地测量基本常数的数值要不要改变?G R S 8 0 是国际大地测量和地球物理联合会(I U G G)和国际大地测量协会(1 A G)于1 9 7 9 年澳大利弧堪培拉大会上以通过决议形式采用的。近2 0 年来由于科技的发展和需要,一些学者要求改变G R S 8 0 中所定义的大地测量基本常数值,以便
21、在更高精度t 和客观实际保持一致_ 5,9 ”j。但反对者认为大地测量基本常数是一种参照基准。对大地测量基本常数的变化量研究正是在这一参照基准卜进行的,研究的目的不是为了不断变更这些参照基数。只要这一参照基准不影响科学和技术的发展,不影响实际使用,则不宜频繁更换,尽量避免对用户造成不便甚至损害l l“。二是G R S 8 0 给定下列4 个大地测量基本常数 n,G M,J:,c u 来确定地球水准椭球,其他参数则由此推算。由于近年来对潮汐所导致的地球形变及其物质迁移方面研究的深人,认为地球参考椭球长半轴。的数值与潮汐关系密切,将它作为基本常数对高精度大地测量讣算会带来不便。因此有的学者提出以满
22、足S o m i g l i a n a-P i z z e t t i 水准椭球定义的大地测量基本常数为 W o,G M,J 2,5,9,1 0,1 3J,即建议大地基本常数中采用原则上不受潮汐影响的地球大地位值形。来替代目前采用的地球长半轴。,同时指出W G S 8 4 以。,G M,m l 来定义参考椭球只能适用于卫星定位的实用目的,但这一定义不能确保满足S o m i g l i a n a-P i z z e t t i 水准椭球定义的条件bJ。在I U G G 2 0 0 3 日本札晃大会期间,与会的多数大地测量学者总的还是认为大地基本常数目前仍宜保持G R S 8 0 基本不变,
23、这一意见也得到了I A G 的支持。表1 将近年来关于大地测量基本常数的主要研究成果_ 5,”,“o 列出,以供今后重新确定我国大地测量基本常数值时参考。表1 大地测量基本常数T a b 1B a s l ec o n s t a n t so fg e o d e t i cs u r v e y+表示事先给定的地球水准椭球的参数,一o(1 0 7 m 2 s 矗)(E G M 9 6)=6 26 3 68 5 86 9 7,相应于零潮汐系统 万方数据测绘学报3 我国采用地心3 维坐标系的可行性我国若用地心3 维坐标系更换当前使用的非地心2 维坐标系,它的优点上面已经提及了。但在实际运作时,
24、有一个可行性问题。它涉及坐标系更换应具备什么条件,对这一坐标系更换的工作量和经济效益的评估,等等。像中国这样一个大国的坐标系更换,在世界上迄今还没有先例,它不仅仅关系到测绘部门,而是涉及到与地理位置有关的方方面面,工作量巨大,因此对坐标更换所可能产生的困难和问题,得益和损失,尽可能事先估计和考虑到,并提供可行的解决方案。坐标系更换涉及测绘部门主要有4 个方面的实际问题。一是测绘部门必须及时提供与该3 维地心坐标系相应的、实用的、方便用户使用的坐标框架,以在应用中实现这一坐标系。二是用户如何测定考虑对象的地心3 维坐标,特别要注意的是,当我国一旦不能使用(外国)卫星定位系统时,用户如何应对,用户
25、如何获得高精度的3 维地心大地坐标。三是涉及所有与地理位置有关的图件资料,特别是地图,都会因为坐标系统的更换而要做相应的更改,这种更改工作量的大小繁简,和国家各相关部门关系极大,而这也正是与国家各相关部门对这一坐标系更换是否支持密切相关的。四是3 维坐标中的1 维往往用大地高表示。这种点位高程的表示形式和国家法定只采用正常高系统来表示高程有矛盾,存在双重性,这也需要在法规和技术层次予以合理解决。本文重点讨论上面提到的第一、三两个问题。3 1 现代地心3 维坐标框架的特点为了在中国实现地心3 维坐标系统,必须要有相应的地心3 维坐标框架才能实现。它除了具有地心和3 维的特点外还应着重考虑具备以下
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