我国坐标系统现状和CGCS2000应用探析

2022-11-14

前言:

在城市规划、工程建设等领域, 都需要首先进行测绘工作, 得出相应的地质地形数据, 才能确保工程施工的有序进行。对于我国而言, 测绘工作一直以来使用的坐标系主要是1954年建立的北京坐标系, 以及1980年建立西安坐标系, 这两个坐标系在我国的经济建设和国防建设中发挥了巨大的作用, 但是在当前科学技术不断发展的时代背景下, 已经逐渐无法满足经济发展的需求。因此, 新的CGCS2000坐标系统得以建立和应用。

一、我国坐标系统的现状

从目前来看, 我国使用的坐标系统主要包括以下三个:

1. 北京坐标系

北京坐标系是于1954年建立的, 属于参心大地坐标系, 是将我国的大地控制网与前苏联在1942年建立的普尔科沃大地坐标系相互联合后, 建立起来的过渡性的大地坐标系, 虽然采用了克拉索夫斯基球体, 但是与普尔科沃大地坐标系也存在一定的差别, 并不是完全相同的。在该坐标系中, 可以用经度L54、维度M54和大地高H54, 对大地上的某个点进行定位。

2. 西安坐标系

西安坐标系建立于1980年, 同样属于参心大地坐标系。在该坐标系中, 采用了1975国际椭球, 以1975年国际大地测量与地球物力联合会第十六届大会推荐的数据, 以JYD1968.0系统为定向基准, 将大地的原点设在了陕西省泾阳县永乐镇, 位于西安市西北方向约60km, 因此得名西安坐标系。

3. 地方独立坐标系

我国国土面积辽阔, 地形差异巨大, 在地方城市的测量和工程测量中, 如果完全照搬国家坐标系的高斯平面直角坐标, 很可能会影响测量的精准度, 无法满足工程建设的要求。同时对于一些特殊工程的测量, 如水利水坝测量、滑坡变形监测等, 如果采用国家坐标系, 会在一定程度上加大测量的难度。因此, 在实际测量工程中, 许多地方都会建立适合本地区的独立坐标系, 以确保测绘工作的准确性和可靠性。

二、CGCS2000的应用

CGCS2000, 全称China Geodetic Coordinate System2000, 即2000中国大地坐标系, 也称2000国家大地坐标系, 是我国新一代的大地坐标系统, 目前已经在全国范围内广泛实施。该坐标系与国际地球参考系统 (ITRS) 的标准相符, 主要表现在: (1) 原点位于包括海洋和大气在内的整个地球的质量中心; (2) 长度单位为米 (s I) , 这一尺度同地心局部框架的地心坐标时 (TCG) 时间坐标相一致; (3) 定向在1984.0时, 与国际时间局的定向保持一致; (4) 定向随时间的演变由整个地球的水平构造运动无净旋转条件保证。在CGCS2000中, Z轴为指向TERS参考极的方向, 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轴为完成右手地心地固直角坐标系。

CGCS2000的参考椭球为一等位旋转椭球, 椭球的定义常数如下:

长半轴a=6378137.0m;

扁率f=1/298.2167222101;

地球地心引力常数GM=3986004.418×E8m3 s-2;

地球角速度w=7292115.0×E-11rad s-1。

相比于其他坐标系, CGCS2000的优势是十分明显的, 例如, 北京坐标系没有经过整体平差, 精度不均匀, 个别地区的误差可以达到几米甚至十几米, 西安坐标系虽然经过了重新定位和整体平差, 但是部分区域也存在数米的误差, 加上之前建设的测量标志大部分损坏, 这两个局部坐标系已经无法适应测量工作的需求。而CGCS2000则不同, 其优势主要表现在两个方面:其一, 便利性。在2000坐标系下, 油田应用GPS的测绘成果, 不用做转换可以直接应用, 且精度满足需要, 这样就有巨大的便利性;其二, 现实性。国家以政令的形式发布使用2000坐标系, 测绘科技手段的巨大进步, 尤其是空间技术的进步, 应用2000地心坐标系给我们带来巨大的便利性;我国的北斗系统不断完善对2000坐标系的应用也是促进。

自从CGCS2000投入使用至今, 对于我国的测绘工作产生了极其显著的影响, 测绘工作人员利用相应的空间观测技术, 加大了对于我国地心坐标系的研究和改进, 建立起了2000国家GPS大地控制网, 并实现了2000国家GPS大地控制网与全国天文大地网的联合平差, 对CGCS2000进行了进一步的完善, 使其不仅具备清晰而明确的定义, 还具备高精度的坐标框架。从目前的实际应用情况看, CGCS2000的持续运行, 主要是依靠分布在全国各地, 连续不断运作的GPS参考站, 这些GPS参考站可以说是GPS2000的基础和框架, 坐标的精度可以达到毫米级, 速度精度可以达到±1mm/a。

在实际应用中, CGCS2000的框架结构, 是由国家GPS大地控制网点中的约2600个三维控制点组成的, 点位的精度约为±3cm。同时, 军事测绘行政主观部门和国务院测绘行政主观部门分别完成了2000国家GPS大地控制网与全国天文大地网联合平差, 形成了接近50000个控制点, 构成了CGCS2000框架的加密网点, 其三维点位的误差约在±0.3m。