关于坐标系：西安80坐标系与北京54坐标系转换

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西安80坐标系与北京54坐标系转换
山东科大--牟乃夏制作 山东科大测绘学院
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西安80坐标系与北京54坐标系其实是一种椭球参数的转换作为这种转换在同一个椭球里的转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换是不严密，因此不存在一套转换参数可以全国通用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准。

那么，两个椭球间的坐标转换，一般而言比较严密的是用七参数布尔莎模型，即 X 平移， Y 平移， Z 平移， X 旋转（WX）， Y 旋转（WY）， Z 旋转（WZ），尺度变化（DM ）。

要求得七参数就需要在一个地区需要 3 个以上的已知点。

如果区域范围不大， 最远点间的距离不大于 30Km（ 经验值 ） ，这可以用三参数，即 X 平移， Y 平移， Z 平移，而将 X 旋转， Y 旋转， Z 旋转，尺度变化面DM视为 0 。

方法如下（MAPGIS平台中）：
第一步：向地方测绘局（或其它地方）找本区域三个公共点坐标对（即54坐标x，y ，z和80坐标x，y，z）；第二步：将三个点的坐标对全部转换以弧度为单位。

（菜单：投影转换/输入单点投影转换，计算出这三个点的弧度值并记录下来）第三步：求公共点求操作系数（菜单：投影转换/坐标系转换）。

如果求出转换系数后，记录下来。

第四步：编辑坐标转换系数。

（菜单：投影转换/编辑坐标转换系数。

）最后进行投影变换，“当前投影”输入80坐标系参数，“目的投影”输入54坐标系参数。

进行转换时系统会自动调用曾编辑过的坐标转换系数。

我国现行的坐标系统为1980年国家坐标系和1985年国家高程系，下面就有关的坐标系统介绍如下：
（1）1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。

该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。

建国前，我国没有统一的大地坐标系统。

建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。

该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245 f=1/298.3
克拉索夫斯基椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传递过来的。

该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

1954年北京坐标系建立后，全国天文大地网尚未布测完毕。

因此，在全国分期布设该网的同时，相应地进行了分区的天文大地网局部平差，以满足国民经济和国防建设的需要。

局部平差是按逐级控制的原则，先分区平差一等锁系，然后以一等锁环为起算值，平差环内的二等三角锁。

平差时网区的连接部仅作了近似处理，如有的仅取两区的平差值，某些一等锁环内的二等网太大，在当时的计算条件下无法处理时，也进行了分区平差，连接部仍采用近似处理的方法。

由于当时条件的限制，1954年北京坐标系存在着很多缺点，主要表现在以下几个方
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面：
? 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。

? 椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。

参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。

? 该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距。

如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。

（2）1980年国家大地坐标系
1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统。

整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。

1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值：
a=6378140
1980年国家大地坐标系有以下优点：
椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。

（3）新1954年北京坐标系
1980年国家大地坐标系与原1954年北京坐标系，各大地控制点坐标的差异，可以分成由椭球参数和定位不同引起的系统部分和由全网整体平差和只经局部平差的“偶然”（实际上也还包括局部性系统差）部分。

这种差异还是很大的，在西北区经度上大约能差到100多米，这将引起成果换算的不便和地形图图廓和方位线位置上的较大变化。

作为一个过渡，国家有关部门将全国天文大地网整体平差结果，通过1980年国家大地坐标系的定位参数dx0、dy0、dz0和克拉索夫斯基椭球的长半径差da与偏心率的de2整体换算至克拉索夫斯基托球体上。

形成了一个所谓“新1954年北京坐标系”。

这个“新1954年北京坐标系”与原1954年北京坐标完全不是一回事了，只是椭球的参数和克氏椭球一样，而定位与定向的依据又完全与1980年国家大地坐标系一样。

即新54坐标系的点位坐标与80坐标系的同一点坐标，仅仅是两系统定义不同产生的系统差；而新54坐标系和老54系成果，两系统同一点坐标的不同主要原因是由于一个是全国统一平差的结果，另一个是局部平差的结果。

国家测绘科技委员会曾建议使用1980年国家大地坐标系。

因此，1980年国家坐标将取代老54坐标系，这应该说是必然的，作为过渡，某些部门或某些场合，短时间采用一下新54坐标是也是难以避免的。

即三种坐标系可能会共处一段时期。

因此，搞清楚这三个主要坐标系的含义和关系对测量人员来说是十分重要的。

（4）WGS-84坐标系统
WGS-84坐标系统的全称是World Geodic System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。

WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS目前所使用的坐标系统。

WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方
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向，X轴指向BIH1984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X、Z轴构成右手系。

WGS-84系所采用椭球参数为：
a=6378137
[转帖]GIS中的坐标系定义与转换
坐标系定义与转换方面的问题，问题可归结为 (1) 地图在Mapinfo上显示得很好,但在MapX中却显示不出来或显示得不对；(2) GPS定位得到的WGS84坐标怎么往北京54坐标地图上转。

这些问题也是曾经困惑我的问题，在此我谈谈我个人的一些认识及经验，供各位参考，也希望相关方面的专业人士能给予纠正及补充。

1. 椭球体、基准面及地图投影
GIS中的坐标系定义是GIS系统的基础，正确定义GIS系统的坐标系非常重要。

GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。

基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。

我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。

WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。

上述3个椭球体参数如下：
椭球体 Mapinfo中代号 年代 长半轴 短半轴 1/扁率
Krassovsky 3 1940 6378245 6356863 298.3
IAG 75 31 1975 6378140 6356755 298.25722101
WGS 84 28 1984 6378137.000 6356752.314 298.257223563
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面，如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。

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地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换，如果有人说：该点北京54坐标值为X=4231898,Y=21655933，实际上指的是北京54基准面下的投影坐标，也就是北京54基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。

2. GIS中基准面的定义与转换
虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用，但均没有我们国家的基准面定义。

假如精度要求不高，可利用前苏联的Pulkovo 1942基准面(Mapinfo 中代号为1001)代替北京54坐标系；假如精度要求较高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统，则需要自定义基准面。

GIS系统中的基准面通过当地基准面向WGS1984的转换7参数来定义，转换通过相似变换方法实现，具体算法可参考科学出版社1999年出版的《城市地理信息系统标准化指南》第76至86页。

假设Xg、Yg、Zg表示WGS84地心坐标系的三坐标轴，Xt 、Yt、Zt表示当地坐标系的三坐标轴，那么自定义基准面的7参数分别为：三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值；三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时，分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角；最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。

MapX中基准面定义方法如下：
Datum.Set(Ellipsoid, ShiftX, ShiftY, ShiftZ, RotateX, RotateY, RotateZ, ScaleAdjust, PrimeMeridian)
其中参数： Ellipsoid为基准面采用的椭球体；
ShiftX, ShiftY, ShiftZ为平移参数；
RotateX, RotateY, RotateZ为旋转参数；
ScaleAdjust为比例校正因子，以百万分之一计；
PrimeMeridian为本初子午线经度，在我国取0，表示经度从格林威治起算。

美国国家测绘局(National Imagery and Mapping Agency)公布了世界大多数国家的当地基准面至WGS1984基准面的转换3参数(平移参数)，可从
http://164.214.2.59/GandG/wgs84dt/dtp.html 下载，其中包括有香港Hong Kong 1963基准面、台湾 Hu-Tzu-Shan 基准面的转换3参数，但是没有中国大陆的参数。

实际工作中一般都根据工作区内已知的北京54坐标控制点计算转换参数，如果工作区内有足够多的已知北京54与WGS84坐标控制点，可直接计算坐标转换的7参数或3参数；当工作区内有3个已知北京54与WGS84坐标控制点时，可用下式计算WGS84到北京54坐标的转换参数(A、B、C、D、E、F)：x54 = AX84 + BY84 + C，y54 = DX84 + EY84 + F，多余一点用作检验；在只有一个已知控制点的情况下(往往如此)，用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数，当工作区范围不大时精度也足够了。

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从Mapinfo中国的URL(/download)可下载到包含北京54、西安80坐标系定义的Mapinfow.prj文件，其中定义的北京54基准面参数为：(3,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0)，西安80基准面参数为：
(31,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0)，文件中没有注明其参数的来源，我发现它们与Mapinfo参考手册附录G"定义自定义基准面"中的一个例子所列参数相同，因此其可靠性值得怀疑，尤其从西安80与北京54采用相同的7参数来看，至少西安80的基准面定义肯定是不对的。

因此，当系统精度要求较高时，一定要对所采用的参数进行检测、验证，确保坐标系定义的正确性。

3. GIS中地图投影的定义
我国的基本比例尺地形图(1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万)中，大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影
(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)；小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic)；海上小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)，我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。

在MapX中坐标系定义由基准面、投影两部分参数组成，方法如下：
CoordSys.Set(Type, [Datum], [Units], [OriginLongitude], [OriginLatitude],
[StandardParallelOne], [StandardParallelTwo], [Azimuth], [ScaleFactor],
[FalseEasting], [FalseNorthing], [Range], [Bounds], [AffineTransform])
其中参数：Type表示投影类型，Type为1时地图坐标以经纬度表示，它是必选参数，它后面的参数都为可选参数；
Datum为大地基准面对象，如果采用非地球坐标(NonEarth)无需定义该参数；
Units为坐标单位，如Units为7表示以米为单位；
OriginLongitude、OriginLatitude分别为原点经度和纬度；
StandardParallelOne、StandardParallelTwo为第一、第二标准纬线； Azimuth为方位角，斜轴投影需要定义该参数；
ScaleFactor为比例系数；
FalseEasting, FalseNorthing为东伪偏移、北伪偏移值；
Range为地图可见纬度范围；
Bounds为地图坐标范围，是一矩形对象，非地球坐标(NonEarth)必须定义该参数；
AffineTransform为坐标系变换对象。

相应高斯-克吕格投影、兰勃特投影、墨卡托投影需要定义的坐标系参数序列如下：
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高斯-克吕格：投影代号(Type)，基准面(Datum)，单位(Unit)，
中央经度(OriginLongitude)，原点纬度(OriginLatitude)， 比例系数(ScaleFactor)，
东伪偏移(FalseEasting)，北纬偏移(FalseNorthing)
兰勃特: 投影代号(Type)，基准面(Datum)，单位(Unit)，
中央经度(OriginLongitude)，原点纬度(OriginLatitude)，
标准纬度1(StandardParallelOne)，标准纬度
2(StandardParallelTwo)，
东伪偏移(FalseEasting)，北纬偏移(FalseNorthing)
墨卡托: 投影代号(Type)，基准面(Datum)，单位(Unit)，
原点经度(OriginLongitude)，原点纬度(OriginLatitude)，
标准纬度(StandardParallelOne)
在城市GIS系统中均采用6度或3度分带的高斯-克吕格投影，因为一般城建坐标采用的是6度或3度分带的高斯-克吕格投影坐标。

高斯-克吕格投影以6度或3度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网，投影带中央经线投影后的直线为X轴(纵轴，纬度方向)，赤道投影后为Y轴(横轴，经度方向)，为了防止经度方向的坐标出现负值，规定每带的中央经线西移500公里，即东伪偏移值为500公里，由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，因此规定在横轴坐标前加上带号，如(4231898,21655933)其中21即为带号，同样所定义的东伪偏移值也需要加上带号，如21带的东伪偏移值为21500000米。

假如你的工作区位于21带，即经度在120度至126度范围，该带的中央经度为123度，采用Pulkovo 1942基准面，那么定义6度分带的高斯-克吕格投影坐标系参数为：(8，1001，7，123，0，1，21500000，0)。

那么当精度要求较高，实测数据为WGS1984坐标数据时，欲转换到北京54基准面的高斯-克吕格投影坐标，如何定义坐标系参数呢？你可选择WGS 1984(Mapinfo 中代号104)作为基准面，当只有一个已知控制点时(见第2部分)，根据平移参数调整东伪偏移、北纬偏移值实现WGS84到北京54的转换，如:(8，104，7，123，0，1，21500200，-200)，也可利用 AffineTransform坐标系变换对象,此时的转换系数(A、B、C、D、E、F)中A、B、D、E为0，只有X、Y方向的平移值C、F ；当有3个已知控制点时，可利用得到的转换系数(A、B、C、D、E、F)定义 AffineTransform坐标系变换对象，实现坐标系的转换，如：(8，104，7，123，0，1，21500000，0，map.AffineTransform)，其中AffineTransform定义为AffineTransform.set(7，A 、B、C、D、E、F)(7表示单位米)；当然有足够多已知控制点时，直接求定7参数自定义基准面就行了。

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