测量坐标转换系统的设计与实现（毕业论文）

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摘 要

随着空间定位技术的不断发展，全球一体化的形成，越来越要求全球测绘资料的统一，研究各种测量坐标系统的建立方法及其相互转换模型，对于实现不同测量坐标系成果的换算具有重要的意义。测量坐标转换包含测量坐标系转换和测量坐标基准转换两个方面的内容。测量坐标系转换是指在同一参考椭球下，空间点的不同坐标形式间的坐标转换，即平面坐标、大地坐标和空间直角坐标之间的转换。测量坐标基准转换是指不同基准(亦即不同坐标系统)下测量坐标之间的转换，其关键在于确定坐标转换参数。根据不同的测绘需求，经常需要将不同形式的坐标进行相互转换，在这些坐标转换的过程中既会运用到同一基准下的坐标转换模型，又会用到不同基准下的坐标转换模型。

本文从地球椭球的几何形状和数学描述等基础理论出发，对测量坐标系统进行分类，介绍了我国常用的坐标系—北京54坐标系、西安80坐标系、WGS-84坐标系和2000中国大地坐标系。通过对国内外测量坐标转换模型成果的理论分析，总结了各种测量坐标转换算法，并探讨了转换参数的求解方法。重点设计并实现了测量坐标转换系统。该坐标转换系统根据目前我国常用测量坐标转换的需求以及当前主流的坐标转换方法和数学模型，利用C#语言编写了测量坐标转换系统的程序，较好地实现了同一参考椭球下和不同参考椭球之间不同坐标形式的相互转换，即高斯平面直角坐标、大地坐标与空间直角坐标之间的相互转换，以及高斯投影正反算和坐标换带计算等一系列转换功能。该系统界面友好、操作方便，兼顾了灵活性和批量计算的特点，且计算结果能满足一定的精度要求。

关键词:地球椭球体，测量坐标系，坐标转换模型，测量坐标转换系统

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ABSTRACT

With the continuous development of space orientation and the formation of globalization，the unity of global surveying and mapping data is in demand much more.Studying the establishment of surveying coordinate systems and the models of transformation between different systems has significant meaning to the realization of transformation between results under different datums.The transformation of surveying coordinates contains the transformation of coordinate system and coordinate datum.The transformation of coordinate system means transforming the coordinates under different datums or different coordinate systems to another.The key lies in the arguments of coordinate transformation.According to different demand,often we should make convertion between coordinates of different forms.During this course,the convertion models under the same datum or different datums are both needed.

In this paper，we classify the whole coordinate system from the basic theories，such as the geometry and mathematical description of Earth ellipsoid，and then make some introduction of the coordinate system commonly used in China，for example,Beijing 54 coordinate system，Xian 80 coordinate system，WGS-84 coordinate system and the 2000 China geodetic Coordinate system.At last，we summarizes the various coordinate transformation，and make some discussions of the methods for solving the transformation parameters，through the theoretical analysis of the results in coordinate transformation model both at home and abroad.This paper puts emphasis on designing and realizing the measurement coordinate conversion system. This system, according to the current demand of measurement coordinates transformation in China and current main stream coordinate transformation methods and mathematical models, uses the C# language to program to realize measurement coordinate system transformation.And it well achieves the mutual coordinate transfomation among different coordinate forms both in the same and different reference ellipsoid such as the transformation among the Gaussian plane rectangular coordinates, the Geodetic coordinates, and the spatial rectangular coordinates. It also can realize the positive and negative Gauss projection counting and conversion of coordinates in different areas.The system is user friendly, easy to operate and take characteristics of both flexibility and volume calculation into account. Furthermore, the calculation results can meet certain accuracy requirements.

KEY WORDS:earth ellipsoid,surveying coordinate system,coordinate transforming model, surveying coordinate transforming system

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目录

第一章 绪论 ........................................................... 1 第二章 测量坐标系基础理论 ............................................. 3

2.1 地球椭球体及其定位与定向 ....................................... 3

2.1.1 地球椭球体的类型 .......................................... 3 2.1.2 地球椭球的参数 ............................................ 3 2.1.3 地球椭球体的定位和定向 .................................... 5 2.2 测量坐标系统 ................................................... 8

2.2.1 概述 ...................................................... 8 2.2.2 测量坐标系统的分类及相互关系 .............................. 9 2.2.3 参考系与参考框架 ......................................... 10 2.2.4 参心坐标系 ............................................... 10 2.2.5 地心坐标系 ............................................... 11 2.3 我国常用的测量坐标系 .......................................... 12

2.3.1 常用的参心坐标系 ......................................... 12 2.3.2 常用的质心坐标系 ......................................... 14 2.3.3 地方独立坐标系 ........................................... 15 2.3.4 高斯平面直角坐标系 ....................................... 16 2.4 高程系统 ...................................................... 18 第三章 测量坐标转换的模型与方法 ...................................... 20

3.1 测量坐标转换的模型 ............................................ 20

3.1.1 同一基准下不同形式的坐标转换模型 ......................... 20 3.1.2 不同基准下坐标系统之间的转换模型 ......................... 23 3.2 测量坐标转换参数的求解方法 .................................... 29 3.3 测量坐标转换精度的评定方法 .................................... 30 第四章 测量坐标转换系统的设计与实现 .................................. 32

4.1 测量坐标转换系统的设计 ........................................ 32

4.1.1 系统的总体设计 ........................................... 32 4.1.2 系统的功能设计 ........................................... 33 4.1.3 算法结构设计 ............................................. 35 4.1.4 系统的流程设计 ........................................... 39 4.2 测量坐标转换系统的实现 ........................................ 41

4.2.1 系统开发平台简介 ......................................... 41

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4.2.2 系统的实现及应用 ......................................... 41 4.3 利用VC++实现坐标转换的部分类和结构体 .......................... 52

4.3.1 定义坐标系统结构体 ....................................... 52 4.3.2 矩阵类 ................................................... 52 4.3.3 坐标转换类 ............................................... 53

第五章 总结和展望 .................................................... 55 致谢 .................................................................. 57 主要参考文献 .......................................................... 58 附录 .................................................................. 60

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第一章 绪论

随着测绘事业的发展,全球一体化的形成,越来越要求全球测绘资料的统一。尤其是在坐标系统的统一方面，原始的大地测量工作主要是依靠光学仪器进行,这样不免受到近地面大气的影响,同时受地球曲率的影响很大,在通视条件上受到很大的限制,从而对全球测绘资料的一体化产生巨大的约束性。另外由于每一个国家的大地坐标系的建立和发展具有一定的历史特性,仅常用的大地坐标系就有150余个。在同一个国家,在不同的历史时期由于习惯的改变或经济的发展变化也会采用不同的坐标系统。

建国以来，我国先后建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系，为国民经济和社会发展提供了基础的测绘保障，为我国测绘事业的发展做出了巨大的贡献。但是它们都属于参心坐标系，在使用过程中存在一系列的缺点和不足，已经不能满足我国测绘及相关产业、经济建设和国防建设与社会发展的要求。基于54和80坐标系存在的问题及局限性，近十年来，我国测绘工作者利用空间观测技术，卓有成效地开展了我国地心坐标系的研究与实践工作。建成了2000国家GPS大地控制网，完成了全国天文大地网与2000国家GPS大地控制网的联合平差工作，进而建立了我国新一代国

[1-3]家大地坐标系统CGCS2000（2000国家大地坐标系）。根据国家测绘局发布的公告，

我国从2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。公告提供了新坐标系的技术参数，并对新旧坐标系的转换和使用作出说明；2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换，衔接的过渡期为8至10年。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系；2008年7月1日后新建的地理信息系统，应采用2000国家大地坐标系。由于1980西安坐标系已采用20多年，大量的测绘成果都是采用1980西安坐标系甚至是1954年北京坐标系，因此面临着大量的坐标转换问题。

在实际生活和工程实践中,一些地区由于国家建设的急需,来不及布设国家统一的大地控制网,而建立局部的独立坐标系。而后,再将其转换到国家统一的大地控制网中,这些坐标系的变换都离不开坐标值的转化。

其次，在国际上,随着1964年美国海军武器实验室对第一代卫星导航系统─NNSS的研制成功,为测绘资料的全球一体化提供了可能。到1972年,经过美国国防部的批准,开始了第二代卫星导航系统的开发研究工作,即为现在所说的GPS[4,5]。此套卫星导航系统满足了全球范围、全天候、连续实时以及三维导航和定位的要求。正是由于GPS卫星的这些特性,这种技术就很快被广大测绘工作者接受。但是由于坐标系统的不同,对GPS技术的推广使用造成了一定的障碍。目前，在我国，GPS定位技术已经被生活中各个领域广泛使用，GPS观测值是基于以地球的质心为原点的空间直角坐标

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