国家大地坐标系课件.ppt

1,2000国家大地坐标系,2014.3,2,经国务院批准，从2008年7月起，我国启用2000国家大地坐标系。,3,我国为什么启用2000国家大地坐标系？,4,坐标系的基本概念,5,6,7,8,9,10,往下讲之前讲几个名词概念：大地测量基本常数四个如下：1.地球赤道半径a；2.地球动力学形状因子J2;3.地心引力常数GM，其中G是万有引力常数，M是地球的陆、海和大气质量的总和;4.地球自转角速度。前两个称为大地测量基本几何常数，后两个称为大地测量基本物理常数。大地测量导出常数如下：大地测量导出参数有很多，常用的有：椭球短半轴b、几何扁率f（a-b）/a）等,11,12,13,14,我国的大地坐标系,建国以来，我国使用两个大地坐标系：1954年北京坐标系。它是1942普尔柯夫坐标系在中国的延伸。20世纪50年代开始使用。1980西安坐标系。在参考椭球定位基础上，由天文大地网整体平差建立起来的。20世纪90年代颁布使用。,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,我国现有大地坐标系存在问题,27,现有大地坐标系存在问题具体表现以下几点：一、参考椭球不是最佳椭球 1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球（长半轴a6378245m；扁率f=1:298.3），与IUGG推荐的 GRS80椭球（a=6378137m,f=1:298.257222101）相比，a长了108m,1/f大了约0.043 1980西安坐标系采用IAG75椭球（长半轴a6378140m；扁率f=1:298.257），与GRS80椭球相比，a长了3m,1/f小了约0.000222。,28,二、坐标系实现（天文大地网）精度低且不均匀,1954年北京坐标系是随天文大地网边布设边平差建立起来的，没有经过整体平差，因而精度不均匀，个别地区误差可能达到几m，甚至10m。1980西安坐标系是在椭球重新定位的基础上，通过天文大地网整体平差建立起来的，全网精度比较均匀，在西北和西南边沿地区，误差大约 1m。,29,三、测量标志遭到严重破坏,解放以来，我国共建测量标志90余万座，到2007年7月为止，被毁坏的测标已达54（见2007年7月17日中国测绘报）。实际上，天文大地网只存在于纸面上，在物理上已经不完整了。这无疑给用户带来极大困难。,30,以上三个问题，并不是致命性的，并不构成坐标系更新换代的决定因素。那么，什么是致命性问题呢？还有什么是比这更大的问题呢？,31,1954年北京坐标系原点偏差,地心,参考椭球中心,160m,YBJ54,ZBJ54,XBJ54,四、更大的问题是：它们都是局部坐标系，坐标系的原点与地心有较大偏差,32,首先，自上世纪50年代卫星上天，人类进入空间时代，大地测量也进入空间时代，现在大地测量是以GPS为代表的空间时代。时代变了，测量手段也变了。以前用经纬仪和测距仪；现在则用GPS，角度测量和距离测量与坐标系没有关系，而GPS测量与坐标系有直接关系。用GPS进行控制测量时，地面点坐标应参考于地心坐标系，不可参考于局部坐标系。其次，在卫星导航日益普及的今天，与导航配套使用的地图也应采用同卫星导航一致的坐标系。否则，卫星导航的有效性将受到严重影响。以1954年北京坐标系的地形图为例，导航位置与图上位置之差可以达到100多米，这样大的误差是不允许的。,五、严重后果是：在空间时代局部坐标系不好用了,33,再次，航天器测控和武器制导一定在地心坐标系进行。使用局部坐标系，将会引入很大测控误差。局部坐标系不支持空间科学和远程武器对大地测量的要求。总之，在空间时代，局部坐标系已制约测绘本身的发展，已制约测绘的众多应用，特别是空间、航天和武器的应用。局部坐标系已变得过时。当然，这样说并不意味着，局部坐标系在空间时代毫无用处（例如，对于不涉及空间测量的局部工程建设，旧坐标系的地形图仍然好用）。,34,现代大地坐标系应满足的基本要求,现代大地坐标系应满足下列基本要求：地心；三维；高精度；定义符合IERS（国际地球自转和参考系服务）协议。这四点也是现代大地坐标系的基本特征，体现了现代大地坐标系的科学性、先进性和统一性。1954年北京坐标系与1980西安坐标系，显然不具备这些特性，因而都算不上现代大地基准了。我们的结论是：为了适应空间时代我国经济社会发展以及测绘科技本身的发展，适应大地坐标系的发展趋势，我国大地坐标系应当更新换代，应当现代化。,35,我们的基本选择：地心大地坐标系,36,采用地心坐标系的好处,第一、采用地心坐标系有助于充分享用空间技术的成果，具体而言，能方便使用GPS。第二、采用地心坐标系有助于推动大地测量以至整个测绘科技的发展。第三、采用地心坐标系有利于地球空间信息产业的发展。第四、采用地心坐标系有利于航天技术与武器的发展。,37,采用地心坐标系的好处,第五、采用地心坐标系有助于推动卫星导航产业，进而推动陆、海、空交通运输业的发展。第六、采用地心坐标系，有利于世界大地坐标系的统一，进而有利于我国参与全球化，有利于社会的可持续发展。,38,我国已具有采用地心坐标系的条件,近十年来，在测绘、地震和科学院有关单位的共同努力下，我国建成了全国规模的 一、二级GPS网，A、B级GPS网，以及中国地壳运动观测网络。这些网络包括不同类型的高精度GPS点大约2500个。我国高等级空间大地网已具相当规模，实现地心坐标系的条件已经具备，这表明采用地心坐标系是可行的。,39,2000中国大地坐标系建立 我国新一代国家坐标系定名为2000 国家大地坐标系，又称2000中国大地坐标系。英译：China Geodetic Coordinate System，缩写：CGCS2000,40,大地坐标系的三个方面,一个大地坐标系，包括定义坐标系、实现坐标系和维持坐标系三个方面：定义坐标系是指规定坐标系的原点、坐标轴的指向和尺度，以及使用的参考椭球和正常椭球。实现坐标系是指用一组地面点的坐标（和速度）来体现所定义的坐标系。由这些地面点的坐标（和速度）所具体体现的坐标系，通常叫做参考框架。维持坐标系是指实现坐标系的地面点坐标（和速度）的不断精化，以及参考框架加密。通过不断维持，坐标系的精度和时效性得以与时俱进。,41,CGCS2000的定义,CGCS2000符合IERS（国际地球旋转和参考系服务局）ITRS（国际地球参考系）的下列定义：原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；长度单位为米（SI），这一尺度与地心局部框架的TCG（地心坐标时）时间坐标一致；定向在1984.0时与国际时间局（BIH）定向一致；定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转（no-net-rotation）的条件保证。,42,CGCS2000的定义,以上定义对应一个右手地固直角坐标系，它的原点和轴定义如下：原点在地球质量中心；Z轴指向IERS参考极方向；X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线；Y轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的Z轴重合。正常椭球与参考椭球一致。,43,CGCS2000：参考椭球,44,CGCS2000：参考椭球,CGCS2000参考椭球的定义常数:赤道半径：a=6378137 m 扁率:f=1:298.257222101 地心引力常数：GM=3.9860044181014m3s-2 旋转速度：=7.29211510-5rad s-1,45,CGCS2000：参考椭球常数导出几何常数值,b=6356752.3141 m 短半轴 E=521854.00970025 m 线偏心率 c=6399593.6259 m 极曲率半径 e=0.00669438002290 第一偏心率平方 e=0.081819191042816 第一偏心率 e=0.00673949677548 第二偏心率平方 e=0.082094438151917 第二偏心率 f=0.00335281068118 扁率 b/a=0.996647189319 轴比 b/a Q=10001965.7293 m 子午圈一象限弧长 V=1083207319783.546 km3 椭球体积 S=510065621.718 km2 椭球表面积 R1=6371008.7714 m 算术平均半径 R2=6371007.1809 m 同面积之球的半径 R3=6371000.7900 m 同体积之球的半径,46,CGCS2000：参考椭球常数导出物理常数值,U0=62636851.7149 m2s-2 椭球面正常位 J2=0.1082629832258x10-2 2阶带谐系数 J4=-0.2370911256141x10-5 4阶带谐系数 J6=0.6083465258892x10-8 6阶带谐系数 J8=-0.1426811009798x10-10 8阶带谐系数 J10=0.1214393383343x10-13 10阶带谐系数 m=0.00344978650678 m=2a2b/GM e=9.7803253361 ms-2 赤道正常重力 p=9.8321849379 ms-2 极正常重力=9.7976432224 ms-2 平均正常重力 fg=0.00530244174137 重力扁率 k=0.00193185261931 k=bp/ae-1 M=5.973331961024 kg 地球质量（包括大气）,47,CGCS2000的实现,CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标和速度具体实现。参考历元为2000.0。2000国家GPS大地控制网是在测绘、地震和科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一个全国规模的GPS大地控制网，共包括2518点。坐标平均中误差：x=0.90cm,y=1.57cm,z=1.06cm B=0.37cm,L=0.77cm,h=1.92cm 位置平均中误差：P=2.13cm,48,CGCS2000的实现,2 0 0 0 国 家 G P S 大 地 网,49,CGCS2000与1954年北京坐标系的比较,CGCS200椭球与1954年北京坐标系椭球的比较 CGCS2000 1954年北京 2000-1954 性质 地心 局部 28m-130m-95m a 6378137m 6378245m-108 m 1/f 298.257222101 298.3-0.042777899,50,CGCS2000与1980西安坐标系的比较,CGCS2000椭球 与 1980西安坐标系椭球的比较 2000国家 1980西安 2000-1980西安性质 地心 局部 约90m a 6378137m 6378140m-3 m1/f 298.257222101 298.257 0.000222101GM 3.986004418 3.986005-0.000000582 7.29211510-5 7.29211510-5 0,51,CGCS2000与WGS84比较,CGCS2000椭球 WGS84 椭球 差 a 6378137m 6378137m 0 1/f 298.257222101 298.257223563-0.000001462 GM 3986004.418x108 3986004.418x108 0 7292115x10-11 7292115x10-11 0 b 6356752.3141m 6356752.3142m-0.0001m,52,CGSC2000与WGS84比较,椭球的扁率变化引起的大地纬度、大地高和椭球面上正常重力的变化,53,CGSC2000与WGS84比较,CGCS2000-WGS84的扁率差df=1.64348410-11引起的大地纬度B、大地高 H 和椭球面上正常重力的变化：a)大地经度没有变化；b)大地纬度的变化范围为0（在赤道和两极）0.105mm（在B=45）；c)大地高的变化范围为0（在赤道）0.105mm（在两极）；d)椭球面上正常重力的变化范围为0（在两极）0.016Gal（在赤道）。,54,CGCS2000与WGS84的比较,CGCS200是通过2000国家GPS大地控制网的ITRF97坐标（和速度）实现的，每一坐标分量的实现精度约1cm。WGS84通过GPS监测站坐标实现，监测站坐标用来计算GPS的精密星历。最近（2002）一次用17个GPS监测站实现的框架是WGS84（G1150），其实现精度是：每个监测站的每一坐标分量的精度为1cm量级（1）可以认为，CGCS2000和WGS84（G1150）的实现精度是一致的。,55,CGCS2000椭球正常重力公式,在现代大地测量中，等位椭球不仅用作大地坐标的参考面，而且用作地球正常重力的参考面。椭球面的正常重力用如下闭合公式计算：,式中：e赤道重力；k重力常数；e 子午椭圆第一偏心率；大地纬度,56,CGCS2000椭球正常重力公式,对于CGCS2000椭球，精度至0.1mgal的正常重力公式是:,61,式中：大地纬度,57,CGCS2000的维持,一般说来，大地坐标系是相对稳定的，在较长的时期内是不变的，但是大地参考框架，隔一定时间，可以是变化的。（注意：慎用“动态大地基准”和“动态大地坐标系”的说法）。坐标系的维持，包含两层意思：框架点数量的变化（如加密）和框架点坐标值的更新。框架点的加密和框架点坐标值更新，都引起大地参考框架的变动。一点的坐标年变化率可达几cm，因此坐标（和速度）的不断更新是很重要的。就是说，参考框架不能永久不变。但是，考虑到大地基准的变动影响面很大，除非对一些特殊应用，大地参考框架不宜频繁更新。对1:10000比例尺测图来说，大约10年更新一次是合适的（？）。,58,大地坐标系换代对测绘成果和产品的影响,坐标系改变影响到：1、大地点成果；2、地形图、海图、航空图和地籍图；3、地方坐标系的成果（控制点坐标和地形图）；4、地球空间数据基础数据；5、高程异常和垂线偏差；6、参考于椭球面的观测数据（如方向观测值、方位角、基线、物理测距边等）；7、跟踪站、测控站、设备点、发射阵地的坐标。,59,大地坐标系换代对测绘成果和产品的影响,大地点坐标：天文大地网有20余万点，其中一、二等点和部分三等点（约48000个）已通过与空间网联合平差纳入了CGCS2000；对于未参与联合平差的低等大地网点（10余万点），应通过低等网平差改算到或通过精密坐标转换变换到CGCS2000。一般用户可以用转换参数将旧坐标系坐标变换到CGCS200。转换参数可以分为高精度参数（好于0.5m）、中精度参数（0.5m5m）和低精度参数（5m10m）。高精度转换参数应为格网节点的基准位移（即，和x，y）形式，中精度可以为适用全国或地区范围的7参数形式；低精度可以是3个平移参数加椭球变化参数a和f。,60,大地坐标系换代对地形图的影响,对地图要素坐标的影响 在56N-16N和72E-135E范围内，由1954年北京坐标系改为CGCS2000，引起纬度变化-1.53.0，其绝对值平均1.3；经度变化-4.06.0，其绝对值平均变化2.1。相应地，高斯平面x坐标变化-77m-18m，平均变化-47.8m；y坐标变化-63m111m，其绝对值平均50.1m。假定人眼的最小分辨率为0.1mm，那么在1:50万甚至在1:100万比例尺的地形图上，x和y坐标都可能发生看得出来的变化。这意味着，对于系列比例尺的所有地形图，由坐标系换代引起的图廓点、方里网以及图上要素的高斯坐标和经纬度的变化，均需要加以考虑。,61,大地坐标系换代对旧地形图的影响,不同比例尺地形图的图廓线/方里网的平均平行位移量（单位：mm）,62,2000国家大地坐标系与其他坐标系转换,63,64,65,54及80坐标成果向2000系转换,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,结 束 语,我国大地坐标系更新换代的理由主要是：在空间时代，1954年北京坐标系和1980西安坐标系已不能适应国民经济建设、国防建设的需要和测绘科技的发展。为适应时代变化和我国经济社会的发展需要，我国的大地坐标系应更新换代。地心坐标系具有很多优点，采用地心坐标系是大势所趋。地心坐标系可以满足大地测量、航天、陆海空导航和武器应用等多方面的需求。地心坐标系是我国大地坐标系的基本选择。我国已启用新一代大地坐标系 2000中国大地坐标系。大地坐标系的更新换代，几乎影响到所有测绘产品，也影响到部分测绘法规。我们应当作好启用新坐标系的相关工作。,80,谢 谢!,