六、地球坐标参照系

在测量应用中，常将空间直角坐标系的原点选在地球参考椭球 的中心，Z 轴与地球自转轴平行并指向参考椭球的北极，X轴指 向参考椭球的本初(起始)子午线，Y轴与X 轴和Z 轴相互垂直最 终构成一个右手系。
当原点位于地球质心时，这样定义的坐标系又被称为地心系， 否则，就被称为参心系。
14
2、常用坐标系
一、空间直角坐标系／笛卡儿坐标系
37
5、常用地球参照系和参考框架
三、协议地球参考框架（CTRF） 协议地球参考框架是一组具有指定协议地球参照系下精确 坐标的点，他们是该协议地球参照系的实现。
38
5、常用地球参照系和参考框架
5.2 GPS测量定位中地球参照系和参考框架 1、1984年世界大地系统 ，WGS-84参考框架 WGS-84(G730) WGS-84(G873) WGS-84(G1150) 2、国际地球参照系(ITRS)和国际地球参考框架(ITRF) ITRF91 ITRF92 ITRF93 ITRF94 ITRF96 ITRF97 ITRF2000
33
5、常用地球参照系和参考框架
5.1地球参照系和参考框架 一、地球参照系(TRS) 二、协议地球参照系（CTRS） 三、协议地球参考框架（CTRF）
34
5、常用地球参照系和参考框架
一、地球参照系(TRS) 地球参照系是一种固定在地球上，随地球一同旋转的坐标系， 又被称为地固系。如果不考虑地球潮汐和地壳运动，则地面 点在该参照系中位置固定不变。 按地球参照系原点位置分： A、地心系 B、参心系
17
二、大地基准与大地／椭球坐标系
大地坐标系（B,L,H）
Leabharlann Baidu
18
三、站心坐标系
19
三、站心坐标系
在描述两点间的空间关系时，有时采用一种被称为站心坐 标系的坐标系更为方便直观，如图所示，根据坐标的具体 表示方法，又可以将站心坐标系细分为站心直角坐标系和 站心极坐标系。
20
三、站心坐标系
站心坐标系
35
5、常用地球参照系和参考框架
二、协议地球参照系（CTRS） 由于理论发展水平和技术条件限制，具体应用要求的不同， 以及地球自身内部的变化，不同时期或不同机构所确定的 地心、地级、本初子午线、参考椭球都不尽相同，因而据 此所定义的地球参照系也不尽相同。在这种情况下，不利 与全球参照系的统一，也会给一些全球性的应用带来不便。 为解决这一问题，需建立全球统一的地球参照系，协议地 球参照系（CTRS）正是这样一种参照系。
地球坐标参照系
1
地球坐标参照系
1、基本概念 2、常用坐标系 3、坐标系转换 4、基准转换 5、常用地球参照系和参考框架
2
地球坐标参照系
1、基本概念 一、地形面、参考椭球面和大地水准面
空间位置的描述需要在一个特定系统下采用特定方式进行， 这一特定系统被称为坐标参照系，而描述位置的方式则由 坐标系决定，在测量中，常用的坐标参照系与地球的几何 及物理特性密切相关，例如： （1）地心系要求其原点与地球质心重合 （2）大地坐标系的定义基于地球参考椭球 （3）而地面点高程的定义则通常以地球的大地水准面为依 据
28
4、基准转换
一、布尔沙—沃尔夫模型
布尔沙—沃尔夫模型，在我国常被简称为布尔沙模型，又被称为 七参数转换（7-parameter Transformation）或七参数赫尔墨特 变换(7-parameter Helmert Transformation) 在该模型中共采用了7个参数，分别是3个平移参数Tx， Ty ，Tz，3 个旋转参数ωx， ωy ， ωz ，也被称为3个欧拉角，和1个尺度参数 m。
27
4、基准转换
在应用包括GPS在内的空间定位技术进行测量时，往往 还需要进行不同基准间的转换，如空间定位技术所采用 的全球基准与地面网所采用的局部基准间的转换。进行 基准转换的算法也很多，较为常用的有布尔沙—沃尔夫 （Bursa-Wolf）模型和莫洛金斯基（Molodensky）模型。
一、布尔沙—沃尔夫模型 二、莫洛金斯基模型
有所不同。
31
4、基准转换
二、莫洛金斯基模型
莫洛金斯转换模型
32
4、基准转换
在进和示同基准间的相互转换时，布尔沙模型和莫洛金斯 基模型都是非常常用的转换模型，理论上，两种模型的转换结 果是等价的，但在实际应用过程中，两种转换模型还是有所差 别，布尔沙模型在进行全球或较大范围的基准转换时较为常用， 但在该模型中，由于旋转中心位于原始坐标参照系的原点，因 而旋转参数与平移参数具有较高的相关性，例如，在格林尼治 子午线上，很难区分绕Z轴的旋转与沿Y轴平移，而在赤道上， 很难区分沿Z轴的平移与绕X、Y轴的旋转。 采用莫洛金斯基模型可以克服这一问题，因为其旋转中心 可以人为选定，在使用莫洛金斯基模型进行基准转换时，若网 的规模不大，可以选取网中任意一点作为旋转中心，若网的规 模较大，则可选取网的重心作为旋转中心。 在此还需要指出，虽然布尔沙模型与莫洛金斯基模型的平 移参数不相同，但旋转矩阵和比例因子却是相同的。
A、地形面是以上三个面中最为复杂的一个，它是地球的自 然表面，包含了地球外部的陆地地形和海底地形，是一个极 度不规则的面。
B、大地水准面是一个物理参考面，是地球的一个重力 等位面。在大洋部分，大地水准面与去除了潮汐、洋 流和气象学因素等非引力影响后的平均海水面。
C、参考椭球面则是一个几何或数学参考面，是一个与 大地水准面非常接近的旋转椭球面，参考椭球面具有简 明的数学定义，以它为基础，可以采用经度、纬度和大 地高来描述地球上点的位置
29
4、基准转换
一、布尔沙—沃尔夫模型
布尔沙七参数转换
30
4、基准转换
二、莫洛金斯基模型
莫洛金斯基模型也是通过7个参数来进行不同基准下空间直 角坐标间的转换，虽然这7个参数也分别是3个平移参数Tx， Ty ，Tz，3个旋转参数ωx， ωy ， ωz ，也被称为3个欧拉角， 和1个尺度参数m。但其具体含义与布尔沙模型中的7个参数
12
地球坐标参照系
五、坐标系转换与基准转换
由于不同坐标系，不同基准和不同坐标参照系的存在，因而常常 需要在它们之间进行相互转换，这些转换可以分为两种基本类型： 一类是坐标系转换，另一类是基准转换。 坐标系转换指的是同一点的坐标在相同基准或坐标参照系下由 一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标，如在同一
7
地球坐标参照系
三、位置基准和坐标参照系
基准指的是一组用于描述其他量的量，不仅在用坐标描 述位置时离不开基准，而且在对任何事物特性进行定量 描述时也离不开基准。
随着所定量描述事物特性的不同，所需的基准也不同： 用于描述空间位置的基准为位置基准， 用于描述时间过程的基准为时间基准， 用于描述物质含量的基准为质量基准。
24
四、 平面／格网坐标系
25
四、 平面／格网坐标系
在测量应用中最常用的投影是等角投影，由于它能够保持投 影前后的几何形状相似，因而也被称为正形 投影，横轴墨卡 托投影或高斯正形投影就是属于此类投影。
26
3、 坐标系转换 一、空间直角坐标与大地坐标间的转换
二、空间直角坐标与站心直角坐标间的转换 三、球面坐标与平面坐标间的转换
36
5、常用地球参照系和参考框架
二、协议地球参照系（CTRS） 协议地球参照系（CTRS），是一种相对地区固定的地心 系，其原点位于地球质心，Z轴指向协议地球极（CTP）， CTP是1900-1905年期间地级的平均位置，X轴指向协议 地球赤道（与CTP垂直）与格林尼治子午圈的交点，Y轴 与Z、X轴垂直并最终构成一个右手系。
8
地球坐标参照系
三、位置基准和坐标参照系
根据国际地球自转及参照系服务（IERS）的定 义：坐标参照系是提供系统原点、尺度、定向 及其时间演变的一组协议、算法和常数。
要确定一个坐标参照系，至少需要确定其原点、 轴向及尺度。 严格说来，基准和坐标参照系并非是两个完全等价的 概念，但由于它们之间的关系非常密切，因而在很多 情况下并未严格区分这两个概念，不过，坐标参照系 的外延和内涵都要比基准广得多。
由于空间直角坐标无法明确反映出点与地球之间的空间关 系，为了解决这一问题，在测量中引入了大地基准，并据 此定义了大地坐标系，大地基准指的是用于定义地球参考 椭球的一系列参数：
①椭球的大小和形状，通常用长半轴和扁率或偏心率来表示。 ②椭球短半轴，指向通常与地球的平自转轴平行。 ③椭球中心的位置，根据需要确定，若为地心椭球，则其中心 位于地球质心。 ④本初子午线，通过固定平极和经度原点的天文子午线，通常 为格林尼治子午线。 以大地基准为基础建立的坐标系被称为大地坐标系，大地坐标 系又被称为椭球坐标系。
21
三、站心坐标系
站心直角坐标系和站心极坐标系
22
三、站心坐标系
进行GPS观测时，常常采用GPS卫星相对于测 站的高度角，方位角来描述其在空间中的方位， 实际上，如果再加上测站到卫星的距离，就是 一个完整的站心坐标。
23
四、 平面／格网坐标系
对于地球表面上的点，虽然可以在一个球面坐标参照 系，如大地坐标系下描述它们的位置，但在实践中， 往往还需要在一个平面坐标系下描述它们的位置，如 在工程测量和地图绘制中，要将球面坐标转换为平面 坐标，可以通过一种被称为投影的过程实现，所谓投 影，就是球面坐标与平面坐标间的映射关系。 可以用下面的数学表达式表示。 x= f1(B,L) y= f2(B,L)
9
地球坐标参照系
三、位置基准和坐标参照系
根据其运动特性，可将坐标参照系分为两大类，分别为 坐标轴相对于宇宙中遥远天体固定不动的天球参照系和 随着地球在空间中一同旋转的地球参照系，其中，天球 参照系也被称为空固系，地球参照系也被称为地固系。 天球参照系通常用于定义天体的位置， 而地球参照系则通常用于定义地面点的位置。
11
四、参考框架
只要涉及与空间位置有关的问题，就会涉及参照系， 只要涉及参照系，则必将涉及参考框架。 A、在天文学中作为国际天球参照系（ICRS）实现的国际天球参 考框架 B、在普通GPS测量应用中作为WGS-84年世界大地系统实现的 WGS-84参考框架， C、在空间大地测量中作为国际地球参照系（ITRS）实现的国际 地球参考框架(ITRF) D、作为工程应用所采用的局部参照系实现的测量控制网等，都 可以被称为参考框架。
坐标参照系下的空间直角坐标与大地坐标间的相互转换。
基准转换指的是将同一点在基于某一基准或坐标参照系的坐标 系下的坐标转换为基于另一基准或坐标参照系的坐标系下的坐 标,如WGS-84与BJ54;年北京坐标系下大地坐标间的相互转换。
13
2、常用坐标系
坐标轴相互正交的坐标系被称为笛卡儿坐标系，三维笛 卡儿坐标系也被称为空间直角坐标系，在空间直角坐标 系下，点的坐标可用该点所对应的矢径在三个坐标轴上 的投影长度来表示，只要确定了原点，三个坐标轴的指 向和尺度，就定义了一个在三维空间中描述点的位置的 空间直角坐标系。
3
地球坐标参照系
一、地形面、参考椭球面和大地水准面
在全球性的测量应用中!往往会涉及地形面（Topography)，大 地水准面(Geoid)和参考椭球面(Reference Ellipsoid)三个面
4
地球坐标参照系
一、地形面、参考椭球面和大地水准面
地形面、洋面、大地水准面
5
地球坐标参照系
一、地形面、参考椭球面和大地水准面
15
2、常用坐标系
无论所采用的椭球是否将地球质心作为中心，空间直角坐标系 中心的实现都非常重要，对于全球参照系，通常将地球质心作 为中心，另外，不同空间直角坐标系的Z轴指向也可以不同。 在空间直角坐标系中： 数学公式的表达较为简单 地球表面上位置间的相互关系不直观， 并且没有明确的高程概念
16
二、大地基准与大地／椭球坐标系
6
地球坐标参照系
二、坐标和坐标系
A、坐标是用于在一个给定维数的空间中相对一个参 照系来确定点的位置的一组数。
B、坐标系则是一种在给定维数的空间中用坐标来 表示点的方法，它是测量参照系的核心数学元素。
坐标系的类型很多，有坐标轴相互正交的笛卡儿 坐标系，和由多个截面所组成的曲线坐标系等。 在不同的坐标系中，表示坐标的方法也有所不同 也就是说，点的坐标是在一个坐标参照系下定义
10
四、参考框架
虽然坐标参照系的定义明确且严密，但却非常抽象，且 不易于使用，必须通过一种具体形式加以实现，才具实 际意义，在实践中，坐标参照系通过参考框架来实现。
参考框架是一组具有相应坐标参照系下坐标及其时 间演变的点。 天球参考框架是一组空间位置已知的恒星和类星体。 而地球参考框架则是坐标及其速度已知的一组地面点。