基础测绘控制测量工作中坐标框架与历元的转换.docx

基础测绘控制测量工作中坐标框架与历元的变换 0、引言 随着2000国家大地坐标系的公布和实行,原国家测绘地理信息局要求在现行测绘工作中要以2000国家大地坐标系作为测绘基准,特别是在国家和省级测绘项目中强制要求使用该坐标系。 新疆基础测绘作为省级测绘项目,必须使用2000国家大地坐标系。在新疆基础测绘项目的控制测量实施中,特别是波及长基线解算 时,往常会碰到收集到的控制点的坐标框架不一致以及起算数据与 观察数据历元不一致的问题。本文拟经过编程的方法探索怎样迅速有效地解决基础测绘控制测量工作中坐标框架与历元不一致的问题。 1、坐标框架与历元问题 1.1、坐标框架问题 国际地球参照框架(ITRF)是以甚长基线干预测量(VLBI)、卫星激光测距(SLR)、全球定位系统(GPS)和多里斯系统(DORIS)等空间大地测量技术组成的全球大地测量框架。当前,ITRF是国际公 认的应用远景最宽泛、精度最高的地心坐标系框架。ITRF经过国际 地球自转服务(IERS)组织散布于全球的追踪站的坐标和速度场来 维持并提供用户使用。IERS每年将全球各站的观察数据进行综合处 理和剖析,获得ITRF框架,以IERS年报和IERS技术备忘录的形式 发布。到当前为止,已发布的ITRF系列有ITRF88、ITRF89、ITRF90、 ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、 ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014共13个框架。 我国2000国家大地坐标系就是定义在ITRF97地心坐标系统中的地区性地心坐标框架。当使用2000国家大地坐标系作为平面坐标基准进行测量时,需要注意起算点坐标和目标成就数据的坐标框架 是否是ITRF97框架。当出现不同于ITRF97框架的坐标时,要将其他框架的坐标成就统一归算到ITRF97框架下进履行用。 1.2、历元问题 2000国家大地坐标系作为一种着眼于全球、考虑动向因素的坐标系,其定义与1980西安坐标系相比有很大的不同。比如,当我们要用某一观察历元的数据以IGS的站点作为起算点计算待求大地控制点的2000国家大地坐标系的坐标时,就要将IGS站点的坐标,从 2000国家大地坐标系所定义的历元推算到观察时的历元,进行平差或许坐标推算,尔后再进行到2000国家大地坐标系所定义的历元的坐标推算。 2、ITRF框架与历元变换公式 虽然ITRF参照框架是随着时间而变化的,但不论处于哪个框架 哪个历元,都能够根据一定的方法向任何一个框架及相应的历元进行变换。 2.1、同一参照框架下不同历元的变换 每个ITRF参照框架都是由空间大地测量观察站的坐标和运动速度定义的,本文中同一ITRF坐标框架下的不同历元的变换按如下公式计算: 式(1)中,Vx、Vy、Vz为观察站在该参照框架下的运动速度;t0 为参照历元;t为待求历元。如果该点为IGS追踪站点,则其一定历元 和一定框架下的坐标成就及速度场数据能够从ITRF官方网站等有关网站上下载。如果该点为待求点,则其坐标和速度场数据无法从有关网站上获得,需要经过从有关网站上获得的已知样本点以及其与样 本点间的观察数据经过一定的方法插值求得。本文拟采用反距离加权法(IDW)计算,样本点从ITRF官方网站上获得。如公式(2)所示。 式(2)中,Z'(x0)为待估值,x0为观察的待估值点;Z(xi) 为地区内位于xi的观察值;Di是待求点距离样各本点的距离,n为参与插值的样本点个数;k为距离的幂。 2.2、同一历元不同参照框架的变换 同一历元不同ITRF框架之间的变换采用七参数空间相像变换的 布尔莎模型实现,如公式(3)所示。 式(3)中,有3个平移参数:Tx、Ty、Tz;3个旋转参数:Rx、Ry、 Rz;1个尺度变换因子:D;同时还有七参数的变化率:X1为框架变换前的坐标,X2为框架变换后的坐标。 变换时,首先应获得变换公式的七参数,七参数的变化率乘以转 换历元与标准历元的历元差获得变换历元下七参数的变化大小,与七参数标准值相加获得变换公式所需的七参数。其中: 为了求变化率,对式(1)求导并简化,获得: 这样,利用式(3)和式(4),就能够实现从一个框架到另一个框架指定历元的变换了。 2.3、不同参照框架不同历元的变换 采用框架和历元分开变换的方法。能够先进行历元变换,再进行框架变换;也能够先进行框架变换,再进行历元变换。详细实现同2.2节和2.3节所述的方法。 3、程序实现及考证 依据上述原理,用C#语言编制了ITRF框架变换与历元推算专用程序。应用从ITRF官方网站上下载的IGS站点随意历元的多种坐标框架的成就和速度场数据进行考证。 3.1、框架变换的考证 选用BJFS、URUM、KIT3、POL2、SHAO、LHAZ和