GPS地形测量中坐标系统间转换过程

摘要：常规的地形测量是由控制测量和碎部测量两部分构成。而测图方法通常是先设定局域网，对该网络进行控制，再对各控制点进行加密处理，来测定地物、地貌碎布点的平面位置和高度，最后进行数据处理和绘制成图。控制点密度不足、测站间通视条件差等问题通常是影响传统地形测量的因素，导致测量有偏差，效率低下。GPS在测量领域得到了广泛的应用，本文主要将介绍GPS地形测量中坐标系统间的转换过程，当中也会主要涉及到所采集到的WGS-84坐标转换成工程所需的坐标和GPS-RTK测量技术的过程。
关键词：GPS；坐标系统；坐标系；转换
GPS的概述

1.1GPS的发展

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)，美国从1960年就开始对GPS进行研制，共耗资200亿美元。在20世纪90年代，美国就已经建立卫星导航定位系统。经过二十多年的发展，GPS定位系统已经在诸如航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等众多领域有所发展，并在这些领域被广泛应用于地形测量定位系统。追溯GPS在我国的应用和发展，从最初用于高精度地测量和控制测量，建立各种类型和等级的测量控制网，发展到现在运用于测量领域的其它方面，如用于各种类型的工程测量、变形观测、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。GPS测量技术优势在于测量精度高；仪器体积小，操作简便；测量结果统一在WGS84坐标下，数据信息可以自动进行接收、存储，有效地避免了过多的中间处理环节、高效益等显著特点,在测绘领域，该技术得到广泛地认可。

1.2GPS-RTK工作原理

GPS-RTK，简称实时动态卫星全球定位技术，它的工作原理是：通过一台基准站和若干台移动站组成的测量系统，并使用无线数据将基准站和移动站之间有效地链接到一起。移动站的正参数是通过基准站的已知数据获得，测量数据则是通过基准站和移动站同时接收卫星信号得到，同时基准站又把测量修正参数通过数据传输系统传递到移动站，测量数据在移动站得到改正而获得所需要的测量数据，通过这一方式使各种测量工作可以实时、方便、快捷地进行。GPS—RTK数据处理实际上是单基线处理基准站和移动站之间的数据处理过程。
GPS-RTK技术实质是实时载波相位差分处理的技术，是将两个测点载波相位观测量进行实时处理的差分方法，它一般分为差分法和修正法。用户接收到由基准站采集的载波相位,然后进行求差解算坐标，这一方法称为差分法。而修正法中用户接收到的是基准站载波相位修正值，该项数据是将载波相位进行修正后，传送给用户的。运动中的流动站实时通过无线电接收到基准站所测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等，最后流动站处理无线电接收基准站发射的信息，实时的将载波相位观测值进行差分处理，最终得到基准站和流动站坐标差 。每个点的WGS-84坐标即坐标差加上基准站坐标,是利用坐标转换参数而得到的流动站每个点的空间坐标。

2.GPS测量常用的坐标系统及其转换

2.1GPS测量的常用坐标系统

下面简单地介绍几种常用的GPS测量坐标系统，其具体包括以下几种：WGS-84坐标系、北京54坐标系和任意独立坐标系。
WGS-84坐标系，是目前GPS最经常使用的坐标系统，在我们生活中经常使用的GPS定位系统，其星历参数就是通过在此坐标系统的基础上改进的。 WGS-84坐标系统也可以称为世界大地坐标系-84。1987年，美国国防部制图局建立WGS-84坐标系统。由美国国防部建立，当时的坐标系统―WGS-72坐标系统在1987年被WGS-84取代。WGS-84坐标系是以地球的质心作为坐标原点，Z轴指向协议地球极方向，X轴指向启始子午面和赤道的交点，三个空间坐标轴构成右手系。WGS-84数据处理计算时采用的椭球参数为：a= 6378137m f = 1/298.257223563
北京坐标系，于1954年建立，成为我国目前广泛采用的大地测量坐标系的一种参心坐标系统。这一坐标系统是受原苏联1942年普尔科沃坐标系影响启发而来。此坐标系是以克拉索夫斯基椭球为参考椭球。克拉索夫斯基椭球的参数为：a=6378245m f=1/298.3。这个数据被用为基准来推算我国地形图上的各个平面坐标位置。
通常在我们测量过程中像

摘自：本科毕业论文评语www.udooo.com

某城建坐标系、某城市坐标系、某港口坐标系等，都是经常遇到的测量问题，为了使测量方便我们自己对其临时建立的一种独立坐标系。

2.2空间直角坐标系统的转换

在工程应用中，GPS测量使用的是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的坐标数据是以1954年北京坐标系或是地方（任意）独立坐标系为基础的。正因此这一改变，我们在测量数据处理过程中必须将WGS-84坐标进行相应的转换，得到BJ-54坐标系或地方（任意）独立坐标系，经过最后的精准计算处理，得到所需的测量成果。
WGS-84坐标数据想要转换的到我们所需要的北京54坐标数据，目前一般采用布尔莎公式（七参数法）来处理完成[3]。检测设XYZ为北京54坐标，xyz为WGS-84坐标，转换公式如下：
X=△x0+ Kx+ x+yξz＂/ρ＂－zξy＂/ρ＂
Y=△y0+ Ky+ y-xξz＂/ρ＂+zξx＂/ρ＂
Z=△z0+ Kz+ z+xξy＂/ρ＂－yξx＂/ρ＂
由于每个公共点可得三个方程，因此只要有三个及以上公共点信息，就能按最小二乘准则进行平差计算来求解七参数。上述转换必须是在地面范围较小可视为平面的情况下使用。
当然，通过上述转换公式，在地面范围较小可视为平面的情况下，可直接将WGS-84坐标数据想要转换的到我们所需要的地方（任意）独立坐标数据。

3.坐标系的变换

地球是一个近似椭球体，是一个曲面，而不是平面，大地坐标系（B，L，）、高斯坐标系、北京54坐标系实际上分布在曲面上的坐标系统，WGS-84坐标系属于空间直角坐标系，因此在不能视为平面的曲面上，二者是不能用布尔莎公式（七参数法）来转换的，而要进行各种坐标系的变换。同一点的坐标在不同坐标系统下有不同的表现形式，一种坐标形式在实际效果中表现的就是一种坐标系。如大地坐标系（B，L，）、空间直角坐标系（X，Y，Z）、平面直角坐标（x，y）等。把GPS测量获得的WGS-84坐标数据，通过一系列的坐标变换和坐标转换，可获得我们所需要的坐标系的坐标。
其具体步骤如下：
第一步，将空间直角坐标系转换成大地坐标系，得到坐标(B，L,H)：
L=arctan(Y/X)
B=arctan {(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}
H=(X2+Y2) 0.5/cosB-N
用上式采用迭代法求出大地坐标（B，L,H）
第二步，将大地坐标系转换成高斯坐标系，得到坐标（x，y）
按高斯投影的方法求得高斯坐标，x=F1(B，L)，y=F2（B，L）
第三步，将高斯坐标系转换成任意独立坐标系，得到坐标（x'，y'）
在平时的生活中，测量范围比较小，因此可将地面当作平面，通过一般简单的旋转、平移即可得到工程中运用的坐标系坐标(x'，y')
x'=△x0+xcosα+ysinα
y'=△y0+ycosα-xsinα
4.结语
总而言之，基于GPS测量技术的多种技术优点，GPS 定位技术现已成为测量测绘工程中极具优势的测量手段，随之而来的是，市面上不断更新创造出许多转换软件和不同型号的GPS数据处理配套软件，但是无论市面上技术如何的更新变化，都无法脱离其基本原理。只要我们充分了解独立坐标系统是如何由WGS-84成功转换而来的过程，就能够很好的运用相关的转换软件，在一定的知识基础上，我们还有可能自己编写出可行的转换程序，来进行坐标系转换。
参考文献：
周忠谟，易杰军，周琪.GPS测量原理及应用.北京：测绘出版社 1997.1．
徐绍铨.GPS测量原理及应用[J].武汉测绘科技大学学报，2010（3）．
[3]朱华统.GPS坐标系统的变换[J].北京测绘，2011（5）．
[4]杨德麟.大比例尺数字测图的原理方法与应用[J].清华大学学报，2012（10）.