浅谈GPS/PDA野外巡查核查坐标转换参数求测 |
| 2013-01-09 18:34 作者：王志杰 王 庆 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第21期刊文称，GPS/PDA测量得到的是WGS84坐标系下坐标，而实际应用中较多使用的是西安80坐标系，如何实现WGS84坐标系与西安80坐标系的转换，一直是土地野外巡查核查关心的问题。详细介绍四参数转换的四种方法，并进行实验检核精度，分析各种方法的优劣势与实用功能范围。
关键词：坐标转换；WGS84；西安80坐标系；四参数
0前言
随着地理信息系统的发展，GPS技术已被广泛地应用到土地管理、城市规划等众多领域[1]。在土地管理实际工作中，土地管理野外执法时一般选择手持GPS得到当前测量点的GPS坐标数值，这种数值基于的坐标系是协议地球坐标即WGS-84坐标系。而在我国当前的土地管理工作中，土地利用影像图等基础地理图件数据要求使用的又是基于1980西安坐标系的数据，不同的坐标系统对测量得到的数据是不同的，必须进行相应的坐标系转换。
1坐标系介绍及四参转换方法
1.1WGS84坐标系
WGS84坐标系-WGS84大地坐标系属于地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，对应于WGS84大地坐标系有一WGS84椭球。它是以地球旋转轴为z轴，以起始子午线与赤道的交点和地心连线为x轴，垂直x、z轴直线并通过地心点直线为y轴的三维坐标，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准[2]。
1.21980西安坐标系
1980西安坐标系是在1954年北京坐标系基础上对天文大地网进行整体平差后建立的。大地原点在西安市泾阳县永乐镇。椭球参数采用的是国际大地测量与地球物理学联合会（IUGG）1975年推荐的椭球参数[3]。该坐标系采用的地球椭球基本参数包括几何参数和物理参数共计4个。
1.3四参转换方法
将这两种坐标统一起来，才能使测量数据与图件数据衔接。通常的做法是将GPS/PDA的坐标系变换为西安80坐标系。对于不同椭球体下的高斯平面直角坐标可采用四参数的相似变换法，即四参数（dx、dy、k和旋转角度θ）。
四参数坐标转换方法是一种降维的坐标转换方法，即由三维空间的坐标转换为二维平面的坐标，避免了由于已知点高程系统不一致而引起的误差。在两平面直角坐标系之间进行转换，需要有四个转换参数，其中两个平移参数（Δx，Δy），一个旋转参数θ和一个尺度比因子k。
四参数法不需要已知地方椭球和地图通用模型就可利用最少的点计算出转换参数。用这种方法进行平面点位转换，高程和平面点位的转换是分开进行的，高程误差不会传播给平面点位，而平面位置的误差也不会影响到高程的转换精度[4]。在开展例行督察外业工作之前要获得坐标系的转换参数，并将其输入GPS手持机。
2GPS/PDA常用坐标系转换方法与精度分析
根据实际工作中，经常使用四种坐标系转换方法：控制点法、RTK法、图解法、经验值法。其中控制点、RTK法、图解法均需要在测区范围内不同方位外边缘选择至少3个坐标转换参数求测点，GPS/PDA设定参数为：dx=0、dy=0、k=1、θ=0（此为接收WGS84坐标设定参数），在求测点上获取该点WGS84坐标。这三种方法的主要区别在坐标转换参数求测点获取的不同。
2.1控制点法
在测区范围内不同方位的边缘地区选择至少三个国家D级网以上的控制点（西安80坐标系）作为坐标转换参数求测点。根据前文所述获得求测点WGS84坐标，将国家等级控制点坐标（西安80坐标）与GPS/PDA测量同名点坐标（WGS84）通过坐标转换软件计算得到四参数dx、dy、k、θ。将四参输入GPS/PDA中，实验中选择已知国家等级D级网以上控制点作为坐标参数检校点，日常工作中测量特征地物，将图斑导入最新影像图进行匹配分析。
精度检核：经过实地试验和精度检测，选择了测区范围内边缘地区3个控制点计算转换参数，输入GPS/PDA中，以市中心两个D级控制点作为检核点，得到控制点法精度平均中误差在1.2m以内，满足土地例行督察2m要求。
2.2RTK法
使用RTK获得坐标转换参数求测点西安80坐标系，前提是测区被GPS-CROS基站信号覆盖，在测区不同方位的边缘地区选取3个点作为坐标参数求测点，以RTK实测值代替控制点坐标。将RTK实测值与GPS/PDA测得该点的WGS84坐标通过坐标转换软件计算得到四参数dx、dy、k、θ。用与控制点同样的检验方法进行精度检验。
精度检核：同控制点法选择相同的控制点和检核点，选取其中3个点的RTK实测坐标作为真值，测算出GPS/PDA的dx、dy、k、θ四参数值，应用该参数采集其余13个点的GPS/PDA实测值。GPS/PDA实测坐标与控制点坐标、RTK实测坐标两两比较：X方向误差均在0.8m以内，Y方向误差均在2.0m以内；GPS/PDA实测坐标与控制点坐标点平均中误差为1.229m，GPS/PDA实测坐标与RTK实测坐标点平均中误差为1.314m。由此可见，RTK法的实测精度，完全能够满足土地督察实地巡查核查需要。
2.3图解法
根据最新影像图、现状图等作为测量基准求测转换参数的方法。在测区范围内不同方位的边缘地区，至少选取3个明显地物点作为坐标参数求测点，从大比例尺的最新影像图上图解出明显地物点的对应坐标来替带控制点坐标。用GPS/PDA实测对应的明显地物点坐标。通过坐标转换软件计算出转换参数dx、dy、k、θ。用与控制点同样的检验方法进行精度检验。
精度检核：选择最新影像图比较明显的特征点，图解坐标与GPS/PDA实测坐标（应用图解法实测参数）点平均中误差为1.926m。满足土地督察精度要求。
2.4经验值法
测量人员对每个区域的坐标系都比较了解，根据坐标、中央子午线、带号等信息可以得到该区域x、y方向的偏移量的经验值。得到该测区WGS84坐标与西安80坐标系之间的偏移量dx，dy，设定k=1，θ=0，输入GPS/PDA中。与控制点同样的检验方法进行精度检验。
精度检核：经过检验，GPS/PDA实测坐标与控制点坐标比较：X方向误差均在2.9m以内，Y方向误差均在2.5m以内，最大中误差3.9m。满足土地实地巡查5m精度要求。
3利弊分析
1）控制点法：根据实验控制点法精度较高，但由于等级控制点属国家绝密，不容易获取，又很难防止丢失、涉密事件发生；同时测量控制点实地寻找十分困难（特别是有GPS基站信号覆盖的地方，多年不用，更难寻找），耗时耗力，效率低下。如果是在精度要求较高可选择此种方法比如土地例行督察；如果是精度要求不是很高，随机性很大的工作比如土地督察中的实地巡查工作中，此类方法就不太适合。
2）RTK法：求测GPS/PDA坐标参数，精度高也是毋庸质疑，但在土地督察实地巡查核查应用过程中仍存在瓶颈：一是实地巡查核查区域必须具备GPS-CROS基站信号覆盖，否则同样需要象控制点法一样首先获取当地D级网以上的控制点坐标值；二是必须装备一套价格昂贵、携带不便的RTK设备。例行督察可以应用，实地巡查应用困难。
3）图解法：图解法求测出的GPS/PDA坐标参数值，实验证明其精度足以满足土地督察实地巡查核查需要。这种方法需要影像图的精度等级较高，并且操作人员也必须十分仔细地读取图上坐标，并选好明显地物点，否则误差较大。例行督察和实地巡查核查都能应用。
4）经验值法：内插法求测出的GPS/PDA坐标参数值，实验证明其精度适用于土地督察小范围巡查。
4总结
根据对上述各种转换方法的精度和优劣势分析。现实工作中，土地管理土地督察部门进行例行督察时候，可采用控制点法；在建设有GPS-CROS区域，可优先考虑RTK法；如影像图精度能达到米级的区域，可先尝试使用图解法，土地督察部门在实地巡查核查工作中，可优先考虑使用图解法，并可使用经验值法。
本项目受到国土资源部公益性行业科研专项项目课题（201011015-2）的资助。 |
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