精测网数据处理讲稿-课件.ppt

1、高速铁路高速铁路(客运专线客运专线)精测网坐标系与数据处理精测网坐标系与数据处理熊永良熊永良 西南交通大学西南交通大学 教授教授第第I部分部分 高程控制高程控制n高程基准高程基准n高程控制测量高程控制测量n数据质量控制数据质量控制n成果分析成果分析 高程基准高程基准n大地水准面大地水准面n自然静止的液体表面构成水准面自然静止的液体表面构成水准面,其在物理其在物理意义上属于一个重力位等位（等势）的表面。意义上属于一个重力位等位（等势）的表面。n水准面是个物理面，不是数学面。水准面是个物理面，不是数学面。n大地水准面是通过假定平均海水面位置的水大地水准面是通过假定平均海水面位置的水准面。其向陆地内

2、部延伸形成一个封闭的曲准面。其向陆地内部延伸形成一个封闭的曲面，这个曲面内部所包含的地球空间称为面，这个曲面内部所包含的地球空间称为大大地体。地体。高程基准高程基准n我国的大地水准面我国的大地水准面n我国大地水准面定义为通过黄海平均海水面的我国大地水准面定义为通过黄海平均海水面的水准面，其是我国高程测量的基准面、起算面。水准面，其是我国高程测量的基准面、起算面。高程基准高程基准n绝对高程和相对高程绝对高程和相对高程n高程（铅垂距离）、高差；高程（铅垂距离）、高差；n绝对高程（或海拔）、相对高程绝对高程（或海拔）、相对高程(假定高程假定高程)。高程基准高程基准n高程控制点高程控制点n我国高程控制

3、点俗称水准点我国高程控制点俗称水准点 BM(Bench Mark)。高程基准高程基准n水准原点水准原点n水准原点水准原点1956 1956 年在青岛设立水准原点，年在青岛设立水准原点，全国其他所有等级高程控制全国其他所有等级高程控制点的绝对高程都是根据青岛点的绝对高程都是根据青岛水准原点，按水准观测方法水准原点，按水准观测方法进行推算的。进行推算的。n我国先后使用两个高程基准我国先后使用两个高程基准19591959公布、水准原点高程公布、水准原点高程72.289m72.289m、“5656黄海高程基准黄海高程基准”19871987公布、水准原点高程公布、水准原点高程72.26072.2604m

4、4m、“8585国家高程基准国家高程基准”高程基准高程基准n高铁（客运专线）的高程基准高铁（客运专线）的高程基准n客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定（以下（以下简称简称暂规暂规）第）第1.0.4条规定条规定“客运专线无碴轨道铁客运专线无碴轨道铁路工程测量的高程系统采用路工程测量的高程系统采用1985国家高程基准国家高程基准。个别。个别地段无地段无1985国家高程基准的水准点时，可引用其它高国家高程基准的水准点时，可引用其它高程系统或以独立高程起算，但在全线高程测量贯通后，程系统或以独立高程起算，但在全线高程测量贯通后，应消除断高，换算成应消除断高，换算成1

5、985 国家高程基准；当采用国家高程基准；当采用1985国家高程基准有困难时，亦应换算成全线统一的高程国家高程基准有困难时，亦应换算成全线统一的高程系统。系统。高程控制测量高程控制测量n高程测量的主要方法高程测量的主要方法n水准测量：利用水准仪的水平视线来测量水准测量：利用水准仪的水平视线来测量两点间的高差，进行高程的推算。两点间的高差，进行高程的推算。n三角高程测量：通过测量两点间的平距三角高程测量：通过测量两点间的平距（斜距）和竖直角，再利用三角函数获取（斜距）和竖直角，再利用三角函数获取两点间的高差，进行高程的推算。两点间的高差，进行高程的推算。高程控制测量高程控制测量n我国国家高程控制

6、网概要我国国家高程控制网概要n我国国家水准控制网共进行三期建设；我国国家水准控制网共进行三期建设；n国家一等水准网共布设国家一等水准网共布设289289条，总长条，总长93360km93360km，埋设固定水准标石埋设固定水准标石2 2万余座；万余座；n国家二等水准网共布设国家二等水准网共布设11391139条路线，总长条路线，总长136368km136368km，埋设固定水准标石，埋设固定水准标石3300033000多座；多座；n国家一、二等水准网分等级平差。一等网大陆国家一、二等水准网分等级平差。一等网大陆整体平差，二等网以一等水准点为控制进行平整体平差，二等网以一等水准点为控制进行平差。

7、差。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规暂规对高铁的高程控制测量作了具体规定：对高铁的高程控制测量作了具体规定：1、全线按国家二等水准测量精度要求施测，、全线按国家二等水准测量精度要求施测，建立水准基点控制网；建立水准基点控制网；2、在、在CPIII平面控制网布点完成后，按精密水平面控制网布点完成后，按精密水准测量精度（界于国家二、三等水准测量精度准测量精度（界于国家二、三等水准测量精度之间）要求施测，进行之间）要求施测，进行CPIII高程测量。高程测量。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规暂规对高铁的高程控制测量的规定对高铁的高

8、程控制测量的规定n高程控制主要采用水准测量方法，部分高程控制主要采用水准测量方法，部分高程控制采用跨河水准测量方法。高程控制采用跨河水准测量方法。高程控制测量高程控制测量n高铁的高程控制测量高铁的高程控制测量n暂规暂规4.2.5对高铁的高程控制网基准作如下规定对高铁的高程控制网基准作如下规定:水水准基点控制网应以国家一等水准点为起算数据，采用准基点控制网应以国家一等水准点为起算数据，采用固定数据平差和固定数据平差和1985 国家高程基准；国家高程基准；CPIII控制点应控制点应附合于水准基点控制网上，采用固定数据平差。附合于水准基点控制网上，采用固定数据平差。n暂规暂规4.4规定：规定：水准基

9、点应按二等水准测量要求往水准基点应按二等水准测量要求往返施测。二等水准路线一般返施测。二等水准路线一般150km 与国家一等水准点与国家一等水准点联测一次，最长不应超过联测一次，最长不应超过400km 联测一次。联测一次。n暂规暂规4.5规定：规定：CPIII控制点高程测量工作应在控制点高程测量工作应在CPIII平面测量完成后进行，起闭于二等水准基点。平面测量完成后进行，起闭于二等水准基点。数据质量控制数据质量控制n水准测量的实施水准测量的实施n通常从一个水准点开始，按照一定的水准路线通常从一个水准点开始，按照一定的水准路线引测出所需其它水准点的高程。引测出所需其它水准点的高程。n测站、转点、

10、测段、水准线路。测站、转点、测段、水准线路。n往返观测、双仪器高观测。往返观测、双仪器高观测。数据质量控制数据质量控制n水准基点水准基点测量的实施测量的实施n按国家水准测量规范和按国家水准测量规范和暂规暂规规定：规定：1.二等水准测量只能采用往返测方式；二等水准测量只能采用往返测方式；2.采用采用DS1级以上精度的水准仪；级以上精度的水准仪；3.同一测段的往返测应分别在上午与下午进行，同一测段的往返测应分别在上午与下午进行，如气象条件稳定，往返测可同在上午或下午如气象条件稳定，往返测可同在上午或下午进行，但这种里程的总站数不应超过该区段进行，但这种里程的总站数不应超过该区段（线路）总站数的（线

11、路）总站数的30%。数据质量控制数据质量控制nCPIII高程高程测量的实施测量的实施nCPIII的高程测量采用精密水准测量方法，的高程测量采用精密水准测量方法，是一种界于国家二等和三等水准测量之是一种界于国家二等和三等水准测量之间的等级水准测量。按间的等级水准测量。按暂规暂规精神，精神，在作业实施上按二等水准方法执行，只在作业实施上按二等水准方法执行，只是在具体的精度要求指标上较二等水准是在具体的精度要求指标上较二等水准有一定降低。有一定降低。数据质量控制数据质量控制n单一测站水准测量的检核单一测站水准测量的检核n视线高度的要求、视距、视距差的要求、视线高度的要求、视距、视距差的要求、仪器标准

12、：仪器标准：数据质量控制数据质量控制n单一测站水准测量的检核单一测站水准测量的检核n测站观测限差测站观测限差数据质量控制数据质量控制n一条水准线路测量的检核一条水准线路测量的检核n积累视距差的要求；积累视距差的要求；n观测时间的要求；观测时间的要求；n测段往返测高差较差要求；测段往返测高差较差要求；n水准线路的高差闭合差要求。水准线路的高差闭合差要求。数据质量控制数据质量控制n水准测量总体质量检核水准测量总体质量检核n每公里水准测量的偶然中误差；每公里水准测量的偶然中误差；n每公里水准测量的全中误差。每公里水准测量的全中误差。数据质量控制数据质量控制数据质量控制数据质量控制nM和和Mw 符合规

13、定，表明沿线路的水准测量精符合规定，表明沿线路的水准测量精度是合格的；如不符要求，应对超限路线重测。度是合格的；如不符要求，应对超限路线重测。n经检查，各项技术指标均合格的整网或分段的经检查，各项技术指标均合格的整网或分段的水准观测数据才可以进行内业的平差数据计算。水准观测数据才可以进行内业的平差数据计算。成果分析成果分析n为了保证控制点提供的高程基准的正确性，为了保证控制点提供的高程基准的正确性，在在工程建设的过程中，经常需要对已有高程控制工程建设的过程中，经常需要对已有高程控制点进行复测和检测，确保高程控制点的稳定。点进行复测和检测，确保高程控制点的稳定。n复测和检测在进行平差数据处理时，

14、引入的高复测和检测在进行平差数据处理时，引入的高程基准应与原成果一致。程基准应与原成果一致。n常用的复测和检测成果分析方法有两种：高差常用的复测和检测成果分析方法有两种：高差比对和高程比对。比对和高程比对。成果分析成果分析n高差比对用以比较分析相同高程点之间的高差，高差比对用以比较分析相同高程点之间的高差，可以反映出地表相对高程变化；可以反映出地表相对高程变化；n高程比对用以比较分析相同高程点的高程，可以高程比对用以比较分析相同高程点的高程，可以反映出地表整体的高程变化。反映出地表整体的高程变化。n无论那种比对方式，只有在比对差异超出相应等无论那种比对方式，只有在比对差异超出相应等级水准测量精

15、度的限差指标时，才能说这种高差级水准测量精度的限差指标时，才能说这种高差或变化是显著的，并考虑更新高程成果。否则，或变化是显著的，并考虑更新高程成果。否则，应沿用原高程成果。应沿用原高程成果。成果分析成果分析n复测、检测与成果取舍：较差（闭合差）限制复测、检测与成果取舍：较差（闭合差）限制原则、成果最新原则、平均性原则、端点外推原则、成果最新原则、平均性原则、端点外推原则。原则。n测段复测与原测时间超过了三个月，且复测高测段复测与原测时间超过了三个月，且复测高差与原测高差之差超过检测限差时，须进行测差与原测高差之差超过检测限差时，须进行测段两端点可靠性的检测。段两端点可靠性的检测。n检测测段长

16、度小于检测测段长度小于1km 时，按时，按1km 计算。计算。成果分析成果分析n实际水准测量中使用高精度仪器进行低等级水实际水准测量中使用高精度仪器进行低等级水准观测时，如果计算得到的准观测时，如果计算得到的每公里每公里水准测量的水准测量的偶然中误差偶然中误差没有达到仪器应有的标称精度，则没有达到仪器应有的标称精度，则应怀疑仪器的工作状况不正常，应怀疑仪器的工作状况不正常，即使总体上水即使总体上水准等级的精度指标满足了，对水准观测的数据准等级的精度指标满足了，对水准观测的数据应该慎重使用。因为，一台工作不正常的仪器，应该慎重使用。因为，一台工作不正常的仪器，提供的观测数据是不可靠的。提供的观测

17、数据是不可靠的。成果分析成果分析n按规定提交技术总结按规定提交技术总结n按规定上交资料按规定上交资料技术设计书、水准线路图、仪器检定报告副本、技术设计书、水准线路图、仪器检定报告副本、技术总结、成果（验收）报告、观测数据和手薄。技术总结、成果（验收）报告、观测数据和手薄。成果报告包括成果报告包括“点号、距离、往返测高差、往返点号、距离、往返测高差、往返测不符值、限差、复测高差和原高差的成果比测不符值、限差、复测高差和原高差的成果比较较”。第第II部分部分 平面控制平面控制n位置基准与坐标系位置基准与坐标系n平面控制测量平面控制测量n数据质量控制数据质量控制n数据平差与成果分析数据平差与成果分析

18、位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n水准面是个物理面，不是数学面；水准面是个物理面，不是数学面；n长期测量实践研究表明：地球形状极近似于长期测量实践研究表明：地球形状极近似于一个两极稍扁的旋转随球，即一个椭圆绕其一个两极稍扁的旋转随球，即一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体。旋转椭球面是可以用短轴旋转而成的形体。旋转椭球面是可以用较简单的数学公式准确地表达出来。因而测较简单的数学公式准确地表达出来。因而测量工作中就是用这样一个规则的曲面代替大量工作中就是用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。地水准面作为测量计算的基准面。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考

19、椭球n用来代表地球形状的旋转椭球称为大地椭球用来代表地球形状的旋转椭球称为大地椭球；n大地椭球的形态和大小由两个元素确定：长半大地椭球的形态和大小由两个元素确定：长半径径“a”和短半径和短半径“b”，或由一个半径和扁率来，或由一个半径和扁率来决定。扁率决定。扁率“a”表示椭球的扁平程度。表示椭球的扁平程度。n由于大地水准面起伏，导致同一由于大地水准面起伏，导致同一点的法线和垂线不一致，两者之点的法线和垂线不一致，两者之间的微小夹角称为间的微小夹角称为垂线偏差垂线偏差；大；大地高和海拔高（正高）不一致，地高和海拔高（正高）不一致，两者之间的差距称为两者之间的差距称为大地水准面大地水准面差距差距，

20、用，用N 表示。表示。n我国高程系统使用正常高系统，我国高程系统使用正常高系统，与正高系统稍有不同，此时，大与正高系统稍有不同，此时，大地水准面差距又称为地水准面差距又称为高程异常。高程异常。垂线偏差和大地水准面差距垂线偏差和大地水准面差距n在一定精度范围内大地水准面在一定精度范围内大地水准面差距与高程异常可以看作是一差距与高程异常可以看作是一致的。大地水准面差距一般在致的。大地水准面差距一般在十几米至几十米左右，个别较十几米至几十米左右，个别较大的可达近百米左右。大的可达近百米左右。n法线与垂线的夹角，即垂线偏法线与垂线的夹角，即垂线偏差，一般在差，一般在10级左右，个别级左右，个别较大的可

21、达较大的可达30左右。左右。垂线偏差和大地水准面差距垂线偏差和大地水准面差距位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n仅仅确定大地椭球的形态，还不足以准确仅仅确定大地椭球的形态，还不足以准确表述地表点位的相对和绝对关系，表述地表点位的相对和绝对关系，还需要还需要确定大地椭球和地球真实形体之间的相对确定大地椭球和地球真实形体之间的相对位置关系（椭球定位和定向）。位置关系（椭球定位和定向）。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n参考椭球参考椭球n具有确定参数，经过定位和定向，同全球具有确定参数，经过定位和定向，同全球或某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭或某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球球

22、叫做参考椭球。叫做参考椭球。n目前世界上采用的参考椭球有很多个。目前世界上采用的参考椭球有很多个。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系坐标系所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工作中，所采用的算工作中，所采用的椭球的大小形状椭球的大小形状；二是椭；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，选定了一个参考椭球，就确定了一个坐标系。选定了一个参

23、考椭球，就确定了一个坐标系。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）以参考椭球为基准的坐标系叫做以参考椭球为基准的坐标系叫做参心坐标系参心坐标系。参。参心坐标系分为空间直角坐标系和大地坐标系，它心坐标系分为空间直角坐标系和大地坐标系，它们都与地球体固连，又称为地固坐标系。以地心们都与地球体固连，又称为地固坐标系。以地心为原点的地固坐标系则称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，主要，主要用于描述地面点的相对位置。用于描述地面点的相对位置。空间直角坐标用（空间直角坐标用（x,y,z）表示，大地坐标用（）表示，大地坐标用（B,L,H）表示，它们之间可以方便的相互

24、转换）表示，它们之间可以方便的相互转换。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）大地坐标系一点的位置用纬度大地坐标系一点的位置用纬度B、经度、经度L和大和大地高地高H表示。经线和纬线是地球表面上两组表示。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为正交（相交为90 度）的曲线，这两组正交的度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，也称为曲线构成的坐标，也称为地理坐标系地理坐标系。点沿。点沿法线至椭球面的距离为大地高，若点在椭球法线至椭球面的距离为大地高，若点在椭球面上，面上，H=0。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（空间）坐标系（空间）空间直角坐标系空间直角坐标系以椭球中

25、心以椭球中心O O为原点，起始子午为原点，起始子午面与赤道面交线为面与赤道面交线为X X轴，在赤道面上与轴，在赤道面上与X X轴正交轴正交的方向为的方向为Y Y轴，椭球体的旋转轴为轴，椭球体的旋转轴为Z Z轴，构成右轴，构成右手坐标系手坐标系O-XYZO-XYZ。地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球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。北极的变动将引起坐标轴方向的变化。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）地心地固坐标系是建立在一定的大地基准上的，地心地固坐标系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

26、其相对关系的数用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系。这里谈到的大地基准是指能够最佳学参照系。这里谈到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拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。定向。具体的坐标参考框架是上述大地基准的具体的坐标参考框架是上述大地基准的一个物理实现，它通过一系列高精度控制点的一个物理实现，它通过一系列高精度控制点的空间直角坐标或大地坐标来确定。空间直角坐标或大地坐标来确定。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）不同的坐标框架的建立可以是因为参考椭球形不同的坐标框架的建立可以是因为参考椭球形态选用不相同

27、，也可以是参考椭球的定向、定态选用不相同，也可以是参考椭球的定向、定位不相同。我国的两种坐标系统的框架相对固位不相同。我国的两种坐标系统的框架相对固定。定。GPS定位系统采用的坐标框架有周期的更定位系统采用的坐标框架有周期的更新，但参考椭球参数没有变化，只有定向上的新，但参考椭球参数没有变化，只有定向上的细微变化，除非高精度的全球定位分析，一般细微变化，除非高精度的全球定位分析，一般定位情况下对各坐标框架不做区别而是笼统地定位情况下对各坐标框架不做区别而是笼统地称为称为WGS-84坐标框架。坐标框架。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）不同的坐标框架之间可

28、以通过转换参数实现其不同的坐标框架之间可以通过转换参数实现其内坐标系的变换。内坐标系的变换。任意一个坐标系都是在一定任意一个坐标系都是在一定的坐标框架下，通过一定的方式（空间三维、的坐标框架下，通过一定的方式（空间三维、大地坐标、高斯平面坐标）来描述点位的绝对大地坐标、高斯平面坐标）来描述点位的绝对和相对位置的。方式的不同，决定了坐标系的和相对位置的。方式的不同，决定了坐标系的种类不同。种类不同。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（基准与框架）坐标系（基准与框架）高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标有：高速铁路平面精密控制网涉及使用的坐标有：1.我国我国54北京坐标系；北京坐标系；2.我

29、国我国80西安坐标系；西安坐标系；3.全球全球IGS坐标系（框架坐标系（框架IGS97、IGS00、IGS05，其是，其是用用GPS观测手段来对观测手段来对ITRF97、ITRF2000、ITRF2005的一个实现或者确定）的一个实现或者确定）。4.高速铁路施工坐标系高速铁路施工坐标系1954北京坐标系北京坐标系n 20世纪世纪50年代，年代，采用了克拉索夫斯基椭球元素采用了克拉索夫斯基椭球元素（a=6378245m,f=1/298.3），），并与前苏联并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为立了我国大地坐标系，定名为

30、1954年北京坐标年北京坐标系。系。n 1954北京坐标系北京坐标系n 1954年北京坐标系和前苏联年北京坐标系和前苏联1942年普尔科沃年普尔科沃坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一致）坐标系有一定的关系（椭球参数和大地原点一致）但又不完全是前苏联但又不完全是前苏联1942年普尔科沃坐标系。年普尔科沃坐标系。如大地点高程是以如大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准，高程异常是以前苏联海平均海水面为基准，高程异常是以前苏联1955 年大地水准面重新平差结果为起算值，按年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的。我国天文水准路线推

31、算出来的。n为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的为了进行全国天文大地网整体平差，采用了新的椭球元素和进行了新的定位和定向，椭球元素和进行了新的定位和定向，1978年以后，年以后，建立了建立了1980年国家大地坐标系。年国家大地坐标系。n1980年国家大地坐标系的大地原点设在我国中年国家大地坐标系的大地原点设在我国中部部山西省泾阳县永乐镇。山西省泾阳县永乐镇。1980国家大地坐标系国家大地坐标系n该坐标系是参心坐标系。椭球短轴该坐标系是参心坐标系。椭球短轴Z轴平行于由轴平行于由地球地心指向地球地心指向1968.0地极原点（地极原点（JYD）的方向；）的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均

32、天文台子午大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面，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零方向；零方向；Y轴与轴与Z，X轴成右手坐标系。轴成右手坐标系。椭球参数椭球参数采用采用1975国际大地测量与地球物理联合会第国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值届大会的推荐值，基本常数为：，基本常数为：a=6378140f=1/298.2571980国家大地坐标系国家大地坐标系n1954 年北京坐标系和年北京坐标系和1980 年西安大地坐标系都属于参年西安大地坐标系都属于参心系，随着时代的变迁和科学技术的发展，越来越多的心系，随着时代的变迁和科学

33、技术的发展，越来越多的实际应用要求采用地心系。为顺应这一趋势，我国提出实际应用要求采用地心系。为顺应这一趋势，我国提出了了2000 国家大地坐标系国家大地坐标系CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000）。）。n2000 国家大地坐标系的定义如下：国家大地坐标系的定义如下：n原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心；原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心；n长度单位：国际单位制的米，与局部地心框架下的地心长度单位：国际单位制的米，与局部地心框架下的地心坐标一致，通过适当的相对论模型获得；坐标一致，通过适当的相对论模型获得；2000 国家大地坐

34、标系国家大地坐标系nCGCS2000 由以下三个层次的站网坐标框架具体实现：由以下三个层次的站网坐标框架具体实现：n（1）第一层次为连续运行参考站第一层次为连续运行参考站。由它们构成。由它们构成CGCS2000 的基本骨架，其的基本骨架，其坐标精度为毫米级，年变速度精度为坐标精度为毫米级，年变速度精度为1mm/年。年。n（2）第二层次为大地控制网第二层次为大地控制网。包括中国全部领土和领海内的高精度。包括中国全部领土和领海内的高精度GPS 网点。网点。其三维地心坐标精度为厘米级，年变速度精度为其三维地心坐标精度为厘米级，年变速度精度为23mm/年。年。n（3）第三层次为天文大地网第三层次为天文

35、大地网。包括经空间网与地面网联合平差的约。包括经空间网与地面网联合平差的约5 万个天万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3m，大地高误差不超过，大地高误差不超过0.5m。nCGCS2000 已于已于2008 年年6 月月18 日发布，日发布，7 月月1 日开始实施，计划日开始实施，计划8-10 年年完成我国现有大地基准的转换。完成我国现有大地基准的转换。2000 国家大地坐标系国家大地坐标系n定向：初始定向由定向：初始定向由1984.0 时的时的BIH（国际时间局）定向（国际时间局）定向给定；给定；nCGCS2000 大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在

36、地大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心，心，Z 轴与国际地球自转服务轴与国际地球自转服务IERS（International Earth Rotation&Reference Systems Service）参考）参考极（极（IRP）方向一致，）方向一致，X 轴为轴为IERS 参考子午面（参考子午面（IRM）与垂直于与垂直于Z 轴的赤道面的交线，轴的赤道面的交线，Y 轴与轴与Z 轴和轴和X 轴垂直并轴垂直并最终构成右手坐标系。最终构成右手坐标系。nCGCS2000 的参考历元为的参考历元为2000.0。2000 国家大地坐标系国家大地坐标系n参考椭球采用参考椭球采用2000 参考椭球，其

37、相关常数定义为：参考椭球，其相关常数定义为：na=6378137m；nf=1/298.257222101nGM=3.9860044181014m3s2；nJ 2=0.001082629832258；n=72921151011 rad s1。2000 国家大地坐标系国家大地坐标系WGS-84大地坐标系大地坐标系n原点位于地球质心原点位于地球质心nZ轴指向轴指向BIH1984.0定义定义的地极（的地极（CTP）nX轴指向轴指向BIH984.0的零子的零子午面与午面与CTP赤道的交点赤道的交点nY轴与轴与Z轴、轴、X轴构成右手轴构成右手坐标系坐标系BXYZn国际地球参考框架国际地球参考框架ITRF（

38、International Terrestrial Reference Frame 的缩写）是一个地心参考框架。它的缩写）是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，是国际地球自转服务（是国际地球自转服务（IERS）的地面参考框架。由于）的地面参考框架。由于章动、极移影响，国际协定地极原点章动、极移影响，国际协定地极原点CIO 变化，所以变化，所以ITRF框架每年也都在变化。框架每年也都在变化。国际地球参考框架国际地球参考框架ITRFn根据不同的时间段可定义不同的根据不同的时间段可定义不同的ITRF，如目前使用的，如目前

39、使用的有有ITRF93 框架，框架，ITRF94 框架、框架、ITRF2000 框架等。框架等。它们的尺度和定向参数分别由人卫激光测距和它们的尺度和定向参数分别由人卫激光测距和IERS 公公布的地球定向参数序列确定。布的地球定向参数序列确定。nITRF 框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大气圈）的质心，以体系（含海洋和大气圈）的质心，以WGS84 椭球为椭球为参考椭球。参考椭球。国际地球参考框架国际地球参考框架ITRFnITRF 框架为高精度的框架为高精度的GPS 定位测量提供较好的参考系，近几年已被定位测量提供较好的参考系，近几

40、年已被广泛地用于地球动力学研究，高精度、大区域控制网的建立等方面，广泛地用于地球动力学研究，高精度、大区域控制网的建立等方面，如青藏高原地球动力学研究、国家如青藏高原地球动力学研究、国家A 级网平差等。级网平差等。n一个测区在使用一个测区在使用ITRF 框架时，一般以高级约束点的参考框架来确定框架时，一般以高级约束点的参考框架来确定本测区的框架。如选用我国本测区的框架。如选用我国7 个个GPS 跟踪站跟踪站（上海韶山、武汉、拉（上海韶山、武汉、拉萨、西安、乌鲁木齐、昆明、北京房山）为约束基准，并选择固定的萨、西安、乌鲁木齐、昆明、北京房山）为约束基准，并选择固定的参考历元。参考历元。n在在IT

41、RF 框架提出前，对全球性及大区域精密定位问题几乎都采用框架提出前，对全球性及大区域精密定位问题几乎都采用VLBI 及及SLR 获取有关点的资料来建立坐标系。获取有关点的资料来建立坐标系。n目前几乎所有的目前几乎所有的IGS 精密星历都是在精密星历都是在ITRF 框架下提供的。所以在应框架下提供的。所以在应用精密星历进行用精密星历进行GPS 数据处理时，应当注意所提供的精密星历的参数据处理时，应当注意所提供的精密星历的参考框架问题。考框架问题。国际地球参考框架国际地球参考框架ITRF地方独立坐标系地方独立坐标系 高铁、水利、矿区等工程项目，基于实用、方便和科高铁、水利、矿区等工程项目，基于实用

42、、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求的平面坐标。投影求的平面坐标。这些网都有自己的原点，自己的方向，也就是说，这这些网都有自己的原点，自己的方向，也就是说，这些控制网都是以地方独立坐标系为参考的。些控制网都是以地方独立坐标系为参考的。地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对地方独立坐标系则隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球。该椭球的中心轴向和扁率与国家参考椭应的参考椭球。该椭球的中心轴向和扁率与国家参考椭球相同

43、，其长半径则有一改正量。球相同，其长半径则有一改正量。我们将该参考椭球称我们将该参考椭球称为为地方参考椭球（或工程椭球）地方参考椭球（或工程椭球）设某地方独立坐标系位于海拔高程为设某地方独立坐标系位于海拔高程为H的椭的椭球面上，该地方的大地水准面差距为球面上，该地方的大地水准面差距为 ，则，则该曲面离国家参考椭球的高度为：该曲面离国家参考椭球的高度为：根据假定，两椭球的中心一致、轴向一致、根据假定，两椭球的中心一致、轴向一致、扁率相等，仅长半径有一变值，即有扁率相等，仅长半径有一变值，即有 为国家参考椭球长半径，为国家参考椭球长半径，N为相应于该椭为相应于该椭球的地方独立控制网原点的卯酉圈曲率

44、半径。球的地方独立控制网原点的卯酉圈曲率半径。地方参考椭球长半径与国家参考椭球长半径的关系地方参考椭球长半径与国家参考椭球长半径的关系daaaLLrHNada)/(a HHr地方椭球)1(0RHssmAB平均高程面平均高程面A点高程面点高程面B点高程面点高程面参考椭球面参考椭球面HmS0SR位置基准与坐标系位置基准与坐标系n坐标系（平面）坐标系（平面）n测量上的计算和绘图，要求最好在平面上进行，测量上的计算和绘图，要求最好在平面上进行，因而需要平面坐标投影。因而需要平面坐标投影。n高斯投影实现了一种空间坐标到平面直角坐标高斯投影实现了一种空间坐标到平面直角坐标的转换，具有十分重要的应用意义的转

45、换，具有十分重要的应用意义 。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影的特点高斯投影的特点n中央经线和赤道为互相垂直的直线；中央经线和赤道为互相垂直的直线；n中央经线投影长度变形比等于中央经线投影长度变形比等于1 1，即没有长度，即没有长度变形，其余经线长度比均大于变形，其余经线长度比均大于1 1，长度变形为，长度变形为正；在同一条经线上，长度变形随纬度的降低正；在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快；快；n面积变形也是距中央经线愈远

46、，变形愈大；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大；n高斯投影后角度没有变形。高斯投影后角度没有变形。1坐标换带计算公式坐标换带计算公式 高斯投影坐标正算公式高斯投影坐标正算公式 n高斯坐标正算公式，即由高斯坐标正算公式，即由L，B求求x，y BCBCBCBCBCBCpxfedcba10sin8sin6sin4sin2sin0BlBLLmcoscos02224264224203302705861720149524121TTTNTmTNTmNTmxx22242522358141851201161TTTNmTNmNmy10108108610864108642108642131072693101655

47、363465163843158113072311852048315512356116384103954096220525610564154165536727652048220551252516154321655364365916384110252561756445431eCeeCeeeCeeeeCeeeeeCeeeeeCfedcba (B,L)(x,y)高斯投影高斯投影 X X0 Y0 X0 Y0 X0 Y0 X0 Y 1坐标换带计算公式高斯投影坐标反算公式坐标换带计算公式高斯投影坐标反算公式 高斯坐标反算公式，即由高斯坐标反算公式，即由x，y求求B，L 高斯投影反算的基本思想是首先根据高斯投

48、影反算的基本思想是首先根据x计算纵坐标在椭球面上投影的计算纵坐标在椭球面上投影的垂足纬度垂足纬度 ，接着按，接着按 与与B、经差、经差 ，最后得到：，最后得到：fBfBld1sin2sin4sin6sin8sin10fbfcffefffaaxBCBCBCBCBCBCpCNym TtanfB21V424222222245906136093512121TTmTTmTmVBBf2422242220112T528T24T68Tcos6120fmmmlLLB10108108610864108642108642131072693101655363465163843158113072311852048315

49、512356116384103954096220525610564154165536727652048220551252516154321655364365916384110252561756445431eCeeCeeeCeeeeCeeeeeCeeeeeCfedcba (B,L)(x,y)高斯投影高斯投影 X X0 Y0 X0 Y0 X0 Y0 X0 Y 位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影分带高斯投影分带n为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，

50、这样把许多带结合起来，可成为整个区域的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影。投影。n我国的高铁平面精测网对投影长度变形有严格控制，我国的高铁平面精测网对投影长度变形有严格控制，要求最大变形比不超过要求最大变形比不超过10mm/km。尽管可以通过尽管可以通过细分投影带，或者抬高投影面高程的方式来限制投细分投影带，或者抬高投影面高程的方式来限制投影长度变形比，但是，在平面直角坐标的使用过程影长度变形比，但是，在平面直角坐标的使用过程中，这种方法将增加了大量的坐标换带计算工作。中，这种方法将增加了大量的坐标换带计算工作。位置基准与坐标系位置基准与坐标系n高斯投影通用坐标高斯投影通用坐标规