第３２卷第４期
２００３年１１月
测绘学报
ＡＣＴＡＧＥＯＤＡＥＴＩＣＡ
ｅｔ
Ｖ０１．３２．ＮＯ４ＮＯＶ．２００３
ＣＡＲＴＯＧＲＡＰＨＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
文章编号：１００１—１５９５（２００３）０４．０２８３．０６
中图分类号：Ｐ２２文献标识码：Ａ
关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
陈俊勇
（国家测绘局，北京１００８３０）
ＮｅｃｅｓｓｉｔｙａｎｄＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒ
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（ＳｔａｔｅＢｕｒｅａｕｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇ＆Ｍａｐｐｉｎｇ．Ｂｅｏ＇ｉｎｇ１００８３０．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｏｆａｒｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍｏｄｅｒｎｇｅｏｄｅｔｉｃｄａｔｕｍｓｉｏｎ（３Ｄ）ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
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ｄａｍｅｎｔａｌ
ｃｏｎｓｔａｎｔｓ；ｍａｐ
摘要：就中国建立现代大地测量平面基准而言，目前主要焦点在于是否采用地ｏ３雄坐标系统，也就是在中国这样一个大国进行这一坐标系更换的必要性和可行性的论证。
在必要性方面重点讨论下面几个方面的问题：中国大地坐标系统和大地坐标框架的现状和问题；中国地ｏ３维坐标框架应具有的特点；中国采用地ｏ３维坐标系统的优点；以及建议采用何种大地测量基本常数。
可行性是中国能否采用地ｏ３雏坐标系统的核心问题。只讨论了可行性可能涉厦的４个问题中的２个，一是必须具备有足够数量，适宜密度，动态的高精度坐标框架来实现地ｍ３维坐标系统；二是坐标系统更换对全国千万张现有各类地图，特别是地形图的影响，其中包括地面点经纬度和高斯平面坐标的变更幅度，地图上两点间连线（包括图廓线）的方位和长度变化等。
收稿日期：２００３—０８
０５
作者简介：陈俊勇（１９３３），男，浙江宁渡人，－ｐ国科学院院士，薯要研究方向为天文大地测垡。
测绘学报第３２卷
关键词：平面基准；坐标系统；坐标框架；坐标系统更换；大地测量基本常数；地图
１我国的大地坐标系统和大地
坐标框架
ｆ一一世纪我国在平面基准“＿２０方面主要完成了全国天文大地网的整体平差；建立了西安１９８０坐标系（或北京新１９５４坐标系）；３个全国性ＧＰＳ网；６０余个ＧＰＳ永久性追踪站，和近十个ＳＬＲ和ＶＬＢＩ站。５０多年来，我国的平面基准【２’３１为国民经济和社会的可持续发展提供了全国统一协调的、可靠的高程和２维坐标，这些都是在上一世纪我国的地理空间基础框架的重要组成部分。由于当时科学技术的制约和其他历史原因，世界各国在２０世纪中的平面基准，基本上都和中国有类似的特点，即采用了１０。５量级精度、２维、非地心的局域定位和以地面网络的点线方式传递坐标等技术，这是大地测量基准发展历史上不可避免的一个阶段。
１．１大地坐标系统的现状和问题
目前使用的西安１９８０坐标系（以下简称西安８０系），从技术和应用方面考虑，存在下面几个问题：①２维坐标系统，即任何所考虑对象的３维坐标在西安８０系中只表现为平面的２维坐标；②椭球定位，西安８０系是由（中国）大陆局域高程异常最佳符合（即［｝２］＝ｍｉｎ）方法定位∞Ｊ，因此它不仅不是地心定位，而且当时确定定位时也没有顾及占中国全部国土面积近１／３的海域国土；③随着科学技术的发展，原来在２０世纪７０年代用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数，已有了更新和改善，其中如椭球大小，西安８０系采用的椭球是ＩＡＧｌ９７５椭球，它的椭球长半轴要比现在国际公认的１４，５３，或是卫星定位技术（ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ等）中所采用的相应值大３
ｍ
左右；④椭球短轴的指向，西安８０系采用指向ＪＹＤｌ９６８．０极原点，与国际上通用的地面坐标系如ＩＴＲＳ【６，或与ＧＰＳ定位中采用的ＷＧＳ８４等椭球短轴的指向（ＢＩＨｌ９８４．ｏ）不同。
１．２大地坐标框架的现状和问题
大地坐标框架是大地坐标系统的实现，也是国家平而基准服务于用户最根本最实际的途径。目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。它由４．８万余个大地控制点组成，这些点间的相对精度为
３×１０—６１２，３］，在我国大陆的分布密度约为
１：（１５ｋｍ
ｘ
１５
ｋｍ）。但我国的这一大地坐标框
架目前也存在４个方面的问题：①近５万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁ｒ近ｌ／３，而在经济发展快的地区，这一现象更为严重；②卫星定位技术得到了广泛应用，其点位平面位置的相对定位精度已可达１０－７量级以上，要比现行的全国大地坐标框架的精度高出－－Ｎ两个量级；③卫星定位的测量成果是３维的、立体的，而现行的大地坐标框架是２维的，平面的，因此，高精度的卫星定位技术所确定的３维测量成果，与较低精度的国家２维大地坐标框架不能互相配适；④实时或准实时定位已不仅仅是导航部门的需求，在地震和地质灾害监测、天气预报等部门．都要求提供框架点的实时或准实时坐标，这种要求也是现行大地坐标框架点所难以满足的。
对我国国土范围内所考虑对象的空间位置（不论该对象是处于静态还是动态），都需要…个全国统一的、协调一致的大地坐标系统和大地坐标框架。面临空间和信息技术及其应用的迅猛发展和广泛普及，在创建数字中国的过程中，单纯采用目前的非地心、２维、低精度、静态的大地坐标系统和大地坐标框架作为我国现代平面基准，它所带来的不协调会愈来愈多。
２采用符合客观空问实际的３维地
心大地坐标系统
过去由于科技水平的限制，大地坐标系统在实际使用中一般不采用３维坐标。此外，人类总是习惯对平面介质（例如纸或屏幕）上的目标进行观测，也就是说，人们常常将３维空间的目标以某种数学关系投影到２维的平面介质上进行考察研究。这种将３维空间目标转化为２维后，该目标第３维的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性处理，这样在许多场合会导致空间目标在划分与表达方面的困难＿７Ｊ。随着空间技术和虚拟技术的发展，采用符合客观空间实际的３维坐标，将是一种必然的趋势。
３维坐标系统的原点可以是参心的，也可以是地心的。若采用以地球质心为大地坐标系的原点，即采用地心坐标系的优点是明显的。因为这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象，
第４期
陈俊勇等：关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
２８５
特别是空问物体运动的本始参照系，但长期以来由于人类不能精确确定地心的位置，因而较少使用。但目前利用空间技术等手段已可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有它的必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果，客观上都是以地－ｆｌ，坐标系为参照系，因此采用这一坐标系作为我国平面基准，就能最有效地利用这一技术。
决议形式采用的。近２０年来由于科技的发展和需要，一些学者要求改变ＧＲＳ８０中所定义的大地测量基本常数值，以便在更高精度ｔ和客观实际保持一致＿５，９＇”ｊ。但反对者认为大地测量基本常数是一种参照基准。对大地测量基本常数的变化量研究正是在这一参照基准卜‘进行的，研究的目的不是为了不断变更这些参照基数。只要这一参照基准不影响科学和技术的发展，不影响实际使用，则不宜频繁更换，尽量避免对用户造成不便甚至损害ｌｌ“。二是ＧＲＳ８０给定下列４个大地测量基本常数｛ｎ，ＧＭ，Ｊ：，ｃｕ｝来确定地球水准椭球，其他参数则由此推算。由于近年来对潮汐所导致的地球形变及其物质迁移方面研究的深人，认为地球参考椭球长半轴。的数值与潮汐关系密切，将它作为基本常数对高精度大地测量讣算会带来不便。因此有的学者提出以满足Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ－Ｐｉｚｚｅｔｔｉ水准椭球定义的大地测量基本常数为｛Ｗｏ，ＧＭ，Ｊ２，Ⅲ｝［５，９，１０，１３Ｊ，即建议大地基本常数中采用原则上不受潮汐影响的地球大地位值形。来替代目前采用的地球长半轴。，同时指出ＷＧＳ８４以｛。，ＧＭ，，，ｍｌ来定义参考椭球只能适用于卫星定位的实用目的，但这一定义不能确保满足Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ－Ｐｉｚｚｅｔｔｉ水准椭球定义的条件ｂＪ。在ＩＵＧＧ２００３日本札晃大会期间，与会的多数大地测量学者总的还是认为大地基本常数目前仍宜保持ＧＲＳ８０基本不变，这一意见也得到了ＩＡＧ的支持。表１将近年来关于大地测量基本常数的主要研究成果＿５，””，“ｏ列出，以供今后重新确定我国大地测量基本常数值时参考。
２．１我国地心３维坐标系的定义
假如我国今后采用３维地心坐标系统，则我国地心坐标系的定义应和国际通用地面参考系（ＩＴＲＳ）的定义一致，因为它是迄今为止比较科学和比较符合客观实际的。现将它定义的四原则转引于下。６，８Ｊ：①坐标系原点为包括海洋和大气在内的整个地球质量的质心；②坐标系的尺度为在引力相对论意义下的局部地球框架的尺度；③Ｚ轴从原点指向ＢＩＨｌ９８４．０定义的协议地球极，ｘ轴从原点指向格林尼治平均子午面与赤道的交点，ｌ，轴与Ｘ轴和ｚ轴构成右手坐标系；④由于极移影响，在确定不同时期的实际地球旋转轴相对于ＢＩＨｌ９８４．０的指向时，要确保地壳不会产生残余的全球性旋转。
２．２大地测量基本常数
与大地坐标系统和框架密切相关的大地测量基本常数是近几年来讨论的一个热点Ｌ５－９““。它主要涉及两个方面。一是对现有全球通用的大地参考系统１９８０（ＧＲＳ８０）＿１２Ｊ的大地测量基本常数的数值要不要改变？ＧＲＳ８０是国际大地测量和地球物理联合会（ＩＵＧＧ）和国际大地测量协会（１ＡＧ）于１９７９年澳大利弧堪培拉大会上以通过
表１大地测量基本常数
Ｔａｂ．１
Ｂａｓｌｅｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｇｅｏｄｅｔｉｃｓｕｒｖｅｙ
＋表示事先给定的地球水准椭球的参数，一Ⅳｏ（１０７ｍ２ｓ矗）（ＥＧＭ９６）＝６２
６３６８５８
６９７，…相应于零潮汐系统
测绘学报第３２卷
３我国采用地心３维坐标系的可
行性
我国若用地心３维坐标系更换当前使用的非地心２维坐标系，它的优点上面已经提及了。但在实际运作时，有一个可行性问题。它涉及坐标系更换应具备什么条件，对这一坐标系更换的工的大陆范围。目前中国经济、社会和国防的发展，海洋资源的利用和开发，航空航天和航海技术的进展，都要求中国现代大地坐标框架的确定和服务应是涵盖中国的全部陆海国土。
３．动态。过去测定大地坐标框架时，由于精度较低，所以难以测定它自身所受到的各种影响所导致的位移和变化，因而认为它是静止的，绝对作量和经济效益的评估，等等。像中国这样一个大国的坐标系更换，在世界上迄今还没有先例，它不仅仅关系到测绘部门，而是涉及到与地理位置有关的方方面面，工作量巨大，因此对坐标更换所可能产生的困难和问题，得益和损失，尽可能事先估计和考虑到，并提供可行的解决方案。
坐标系更换涉及测绘部门主要有４个方面的实际问题。一是测绘部门必须及时提供与该３维地心坐标系相应的、实用的、方便用户使用的坐标框架，以在应用中实现这一坐标系。二是用户如何测定考虑对象的地心３维坐标，特别要注意的是，当我国一旦不能使用（外国）卫星定位系统时，用户如何应对，用户如何获得高精度的３维地心大地坐标。三是涉及所有与地理位置有关的图件资料，特别是地图，都会因为坐标系统的更换而要做相应的更改，这种更改工作量的大小繁简，和国家各相关部门关系极大，而这也正是与国家各相关部门对这一坐标系更换是否支持密切相关的。四是３维坐标中的１维往往用大地高表示。这种点位高程的表示形式和国家法定只采用正常高系统来表示高程有矛盾，存在双重性，这也需要在法规和技术层次予以合理解决。本文重点讨论上面提到的第一、三两个问题。
３．１现代地心３维坐标框架的特点
为了在中国实现地心３维坐标系统，必须要有相应的地心３维坐标框架才能实现。它除了具有地心和３维的特点外还应着重考虑具备以下４个方面的特点。
１．高精度。现有的非地心２维坐标框架主要是由中国天文大地网点构成，它的相对精度是
３×１０
６
ｅ而现代地心３维坐标框架点间的相对
精度应不低于１０～，相对于地心的绝对精度也要不低于ｌｏ～。这是现代大地测量技术可以做到的，也是现代定位技术对大地坐标框架在精度方面的最低要求。
２．涵盖全部陆海国土。现行大地坐标系统和大地坐标框架的确定和服务，都主要限于中国
的。而现代坐标框架具有高精度的特点，因此它们只是相应于某一时刻（历元）的数值。为了真正保持它们的精确性，就必须保持它们的现势性，即不仅仅向用户提供涉及某一历元的框架点的坐标值，还必须提供它们相应的时间变率。因此现代大地坐标框架是动态的，或是准动态的。
４．实用。２００３年国家测绘部门能向用户提供的地心３维坐标框架是ＧＰＳ２０００网，但陔网点的数量和平均密度分别只有原来天文大地网的１／２０和１／５，平均９幅５万比例尺地形图中才能找到一个ＧＰＳ２０００网点。
总起来说，我国若要采用地心３维坐标系统，则实现它的地心３维坐标框架必须是具有足够数量和分布密度的，高精度的动态地心３维大地点。这样的坐标框架才是实用的，满足和方便用户的需求。
３．２采用地心３维坐标系对现有地图的
影响
这里以西安８０坐标系更换为《大地参考系统１９８０｝（ＧＲＳ８０）为例，进行数字模拟，具体讨论这一更换时，将引起中国境内地面点原来的大地经纬度和高斯平面坐标值发生的变动，从而使中国境内原有地图（包括地形图）上点和线（包括图廓点和图廓线）的位移，以及它们的长度和方位改变的情况。
３．２．１坐标系更换所引起的中国境内点大地经
纬度和高斯平面坐标的变化ｕ５一
由西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，在中国境内地面点坐标的变动区间参见表２。由表中可见，这一坐标系更换时，所有１：５万地图（含）及更大比例尺的地图上的点，包括图廓点、方里网点等的点位变动值必须顾及。
３．２
２由坐标更换所引起现有地形图内两点问
的方位和长度变动
由于一幅地形图的４个图廓点的经纬度（高
斯坐标）是各不相同的，因此由坐标系更换所引起的这４个图廓点的经纬度（高斯坐标）的变动值显
第４期陈俊勇等：关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
２８７
然是不同的。因此坐标系更换就会引起现有地形图图廓线的方位和长度变动，下面以百万比例尺地形图为例，由坐标更换所引起现有地形图内图廓线两端点问的方位和长度变动的数值ｕ５可参见表３。
表２西安舯坐标系更换为ＧＲＳＳ０系后．在中国境内地
面点坐标的变动
Ｔａｂ．２
Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
由西安８０系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，在中国境内百万图东西向图廓线长度的变化幅度在一５．０ｍ～＋１．０ｍ，其平均值为一４．２０ｍ。南北向图廓线长度的变化幅度在一６．６
＋１．６
ｉｎ～
ｍ，其平均值为一２．２０
ｍ。
综上所述，由西安８０系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系时，在中国境内的百万图（含各种比例尺的地图）中，南北向或东西向图廓线的方位和长度变动值在图上都小于０．１／ｌｑｍ而不能分辨，可以忽略不计。
ｄｌ邺ｏｆⅫ—撕ｐｏｉｎｔｓ
ｉｎＣｈｉｎａｔｅｒｒｉ—
ｔｏｒｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｈａｔｅ
ｏｆＸｉ’ａｎ帅Ｃｏｏｒｄｉ－
ＳｙｓｔｅｍｂｙＧＲＳＳ０
４结束语
１．西安８０坐标系统的现状：①２维坐标系统；②椭球非地心定位，确定定位时没有顾及占中国全部国土面积近１／３的海域国土；③物理和几何常数需要更新和改善；④椭球短轴指向与国际Ｉ：公告的极原点不同。
２．西安８０坐标框架的现状。它是由４．８万余个全国天文大地网点组成，相对精度为３ｌｏ～，在我国大陆的分布密度约为ｌ：（１５
１５
ｘ
ｋｍ×
表３西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０系后。中国境内百万
圈中图廓线的方位和长度变动
Ｔａｂ．３
Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｌｅｎｇｔｈ
ｋｍ）。①损毁已近１／３；②卫星定位的相对定
位精度要比现行的坐标框架的精度高出一到两个
ｏｆ
ｄＩ∞罟ｅ
Ｏａｉｎｅｓｅ１：１Ｍ
量级；③卫星定位的测量成果是３维的，而现行的大地坐标框架是２维的；④不能提供框架点的实时或准实时坐标。
３．我国地心３维坐标系的定义和大地基本常数。假如我国今后采用地心３维坐标系统，则建议我国对该坐标系的定义应和国际通用地面参考系（ＩＴＲＳ）定义的四原则一致。建议该系统采用的大地基本常数和ＧＲＳ８０保持基本一致，例如
Ｊ２＝１．０８２６３×１０～，ＧＭ＝３．９８６００４４１８１０１４ｍ３ｓ～，∞＝７．２９２１１５×１０～ｒａｄ
６３７８１３７ｍ。
ｘ
ｍａｐｏｕｔｌｉｎｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆＸｉ’ａｌｌ８０Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
ｓｙｓｔｅｍｂｙＧＲＳＳ０
图廓线的东点
相对于西点图廓线的北点相对于南点
Ｓ，Ⅱ＝
由西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，百万图东西向图廓线的方向变化，可以从该图廓线东端点相对于西端点的高斯纵坐标ｙ值的差异进行分析。在中国境内这一差值为
＋２．５ｍ～＋１０．２
４．我国地心３维坐标框架的特点：①高精度；②涵盖全部陆海国土；③动态；④足够的框架点数量和实用的分布密度。
５．我国采用地心３维坐标系的可行性。坐标系更换涉及全国方方面面，工作量大。坐标系更换应具备什么条件，可能产生的困难和问题，得益和损失，经济效益的评估，尽可能事先考虑到，并提供切实可行的解决方案。
坐标系更换涉及测绘部门的主要有４个方面的实际问题：①及时提供与该３维地心坐标系相应的、实用的、方便用户使用的坐标框架；②如
Ｉｌｌ，其平均值为＋５．９１１２。可以
看出，坐标系更换后，百万图的东西向图廓线都呈逆时针（向北）方向转动。
坐标系更换后，在中国境内百万图图廓线的南北图廓点在高斯坐标ｘ值的变化幅度基本保持同步，也就是说在百万图中南北向图廓线在这一坐标系更换后基本上不显示方向变化。
２８８测绘学报
１５］
ＧＲＯＴＥＮ
Ｅ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｎｄ
第３２卷
ｏｆＣｏｍｍｏｎＲｅｌｅｖａｎｃｅ
何保障用户能方便获得考虑对象高精度的地心３维坐标（包括非常时期）；③地图更改的工作量和完成日期；④大地高系统和正常高系统在法规和技术层次方面的协调。
６．采用地心３维坐标系对中国境内现有地图的影响。中国若由西安８０坐标系更换为ＧＲＳＳ０地心３维坐标系，则：①地面点大地纬度和大地经度的变动区间分别为一１．酽～＋０７”和一６矿一一３．旷”，二者平均绝对值分别为０．５７”和４．ｒ；②地面点高斯平面坐标ｘ值和ｌ，值的变动区间分别为一４８．６
一７５．７１０６．９
ｌｆｌｌ～＋２２．７ｍ和一１１５．７ｍ～
ｔｏｏｆ
Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ，Ｇｅｏｄｅｓｙ
Ｇｅｏｄ５ｒｎａｍｉｃｓ［Ｊ］Ｊ
Ｇｅｏｄｅｓｙ，２０００，【７４）：１３４—１４０．
【６］
ＢＯＵＣＨＥＲＣＺ．Ａｈａｍｉｍｉ，１ＴＲＩ‘８９ａｎｄＯｔｈｅｒＲｅ—ａｌｉｚａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＩＥＲＳｆｅｒ
ＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＲｅｆｅｒｅｎｅｅＳｖｓｔｅｍｓ
１９８９［Ｊ］．ＩＥＲＳ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｎｏｔｅ，１９９１，（６）．
１７ＪＣＨＥＮ
ｎａｍｉｃｍｏｔｉｏｎ
Ｊｕｎ．ＥｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆＭｕｌｔｉ－ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌＤｙ—
ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＳｐａｃｅＦｒａｍｅ
Ｄａｔａ［Ｊｊ
Ｇｅｏ－ｉｎｆｏｒ—
Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００２，（１）：７－１３
Ｄ．ＩＥＲＳ
［８］
ＭＣｅＡＲＴＨＹ
Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎｓ（１９９６）［Ｊ］
Ａ．ＷｏｒｌｄＧｅｏｄｅｔｉｃ
ＩＥＲＳＴｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｎｏｔｅ，１９９６，（２１）：６５—６６
【９］ＧＲＡＦＡＲＥＮＤＥ，ＡＲＤＡＬＡＮＤａｔｕｍ６２３
ｍ，二者平均绝对值分别为１６．３１ｍ和ｍ，因此由于坐标系更换，在１：５万比例尺
ｌ１０Ｊ
２０００［Ｊ］Ｊ
ｏｆ
Ｇｅｏｄｅｓｖ，１９９９，（７３）：６１１—
地图（含）及更大比例尺地图中点（含图廓点）的地理位置的改变值，已超过制图精度，必须重新给予标记；③在中国境内各种比例尺的地图中，由于坐标系更换所导致的两点连线（包括图廓线）的长度和方位变动在制图精度以内，因此可以忽略不计。
ＧＲＯＴＥＮＥＤｏ
ＷｅＮｅｅｄ
ａ
ＮｅｗＲｅｆｅｒｅｎｅｅＳｙｓｔｅｍ？
Ｖｅｒｌａｇ，
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关于中国采用地心3维坐标系统的探讨
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈俊勇
国家测绘局,北京,100830
测绘学报
ACTA GEODAETICA ET CARTOGRAPHICA SINICA2003,32(4)15次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_chxb200304001.aspx
第３２卷第４期
２００３年１１月
测绘学报
ＡＣＴＡＧＥＯＤＡＥＴＩＣＡ
ｅｔ
Ｖ０１．３２．ＮＯ４ＮＯＶ．２００３
ＣＡＲＴＯＧＲＡＰＨＩＣＡＳＩＮＩＣＡ
文章编号：１００１—１５９５（２００３）０４．０２８３．０６
中图分类号：Ｐ２２文献标识码：Ａ
关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
陈俊勇
（国家测绘局，北京１００８３０）
ＮｅｃｅｓｓｉｔｙａｎｄＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｆｏｒ
ａ
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（ＳｔａｔｅＢｕｒｅａｕｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇ＆Ｍａｐｐｉｎｇ．Ｂｅｏ＇ｉｎｇ１００８３０．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳｏｆａｒｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍｏｄｅｒｎｇｅｏｄｅｔｉｃｄａｔｕｍｓｉｏｎ（３Ｄ）ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
ｓｙｓｔｅｍ
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ｓｉｔｕａｔｉｏｎ
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ｔｈｅ
ｍａｐ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｄｅｔｉｃｄａｔｕｍ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｆｒａｍｅ；ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ；ｇｅｏｄｅｔｉｃｆｕｎ—
ｄａｍｅｎｔａｌ
ｃｏｎｓｔａｎｔｓ；ｍａｐ
摘要：就中国建立现代大地测量平面基准而言，目前主要焦点在于是否采用地ｏ３雄坐标系统，也就是在中国这样一个大国进行这一坐标系更换的必要性和可行性的论证。
在必要性方面重点讨论下面几个方面的问题：中国大地坐标系统和大地坐标框架的现状和问题；中国地ｏ３维坐标框架应具有的特点；中国采用地ｏ３维坐标系统的优点；以及建议采用何种大地测量基本常数。
可行性是中国能否采用地ｏ３雏坐标系统的核心问题。只讨论了可行性可能涉厦的４个问题中的２个，一是必须具备有足够数量，适宜密度，动态的高精度坐标框架来实现地ｍ３维坐标系统；二是坐标系统更换对全国千万张现有各类地图，特别是地形图的影响，其中包括地面点经纬度和高斯平面坐标的变更幅度，地图上两点间连线（包括图廓线）的方位和长度变化等。
收稿日期：２００３—０８
０５
作者简介：陈俊勇（１９３３），男，浙江宁渡人，－ｐ国科学院院士，薯要研究方向为天文大地测垡。
测绘学报第３２卷
关键词：平面基准；坐标系统；坐标框架；坐标系统更换；大地测量基本常数；地图
１我国的大地坐标系统和大地
坐标框架
ｆ一一世纪我国在平面基准“＿２０方面主要完成了全国天文大地网的整体平差；建立了西安１９８０坐标系（或北京新１９５４坐标系）；３个全国性ＧＰＳ网；６０余个ＧＰＳ永久性追踪站，和近十个ＳＬＲ和ＶＬＢＩ站。５０多年来，我国的平面基准【２’３１为国民经济和社会的可持续发展提供了全国统一协调的、可靠的高程和２维坐标，这些都是在上一世纪我国的地理空间基础框架的重要组成部分。由于当时科学技术的制约和其他历史原因，世界各国在２０世纪中的平面基准，基本上都和中国有类似的特点，即采用了１０。５量级精度、２维、非地心的局域定位和以地面网络的点线方式传递坐标等技术，这是大地测量基准发展历史上不可避免的一个阶段。
１．１大地坐标系统的现状和问题
目前使用的西安１９８０坐标系（以下简称西安８０系），从技术和应用方面考虑，存在下面几个问题：①２维坐标系统，即任何所考虑对象的３维坐标在西安８０系中只表现为平面的２维坐标；②椭球定位，西安８０系是由（中国）大陆局域高程异常最佳符合（即［｝２］＝ｍｉｎ）方法定位∞Ｊ，因此它不仅不是地心定位，而且当时确定定位时也没有顾及占中国全部国土面积近１／３的海域国土；③随着科学技术的发展，原来在２０世纪７０年代用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数，已有了更新和改善，其中如椭球大小，西安８０系采用的椭球是ＩＡＧｌ９７５椭球，它的椭球长半轴要比现在国际公认的１４，５３，或是卫星定位技术（ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ等）中所采用的相应值大３
ｍ
左右；④椭球短轴的指向，西安８０系采用指向ＪＹＤｌ９６８．０极原点，与国际上通用的地面坐标系如ＩＴＲＳ【６，或与ＧＰＳ定位中采用的ＷＧＳ８４等椭球短轴的指向（ＢＩＨｌ９８４．ｏ）不同。
１．２大地坐标框架的现状和问题
大地坐标框架是大地坐标系统的实现，也是国家平而基准服务于用户最根本最实际的途径。目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。它由４．８万余个大地控制点组成，这些点间的相对精度为
３×１０—６１２，３］，在我国大陆的分布密度约为
１：（１５ｋｍ
ｘ
１５
ｋｍ）。但我国的这一大地坐标框
架目前也存在４个方面的问题：①近５万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁ｒ近ｌ／３，而在经济发展快的地区，这一现象更为严重；②卫星定位技术得到了广泛应用，其点位平面位置的相对定位精度已可达１０－７量级以上，要比现行的全国大地坐标框架的精度高出－－Ｎ两个量级；③卫星定位的测量成果是３维的、立体的，而现行的大地坐标框架是２维的，平面的，因此，高精度的卫星定位技术所确定的３维测量成果，与较低精度的国家２维大地坐标框架不能互相配适；④实时或准实时定位已不仅仅是导航部门的需求，在地震和地质灾害监测、天气预报等部门．都要求提供框架点的实时或准实时坐标，这种要求也是现行大地坐标框架点所难以满足的。
对我国国土范围内所考虑对象的空间位置（不论该对象是处于静态还是动态），都需要…个全国统一的、协调一致的大地坐标系统和大地坐标框架。面临空间和信息技术及其应用的迅猛发展和广泛普及，在创建数字中国的过程中，单纯采用目前的非地心、２维、低精度、静态的大地坐标系统和大地坐标框架作为我国现代平面基准，它所带来的不协调会愈来愈多。
２采用符合客观空问实际的３维地
心大地坐标系统
过去由于科技水平的限制，大地坐标系统在实际使用中一般不采用３维坐标。此外，人类总是习惯对平面介质（例如纸或屏幕）上的目标进行观测，也就是说，人们常常将３维空间的目标以某种数学关系投影到２维的平面介质上进行考察研究。这种将３维空间目标转化为２维后，该目标第３维的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性处理，这样在许多场合会导致空间目标在划分与表达方面的困难＿７Ｊ。随着空间技术和虚拟技术的发展，采用符合客观空间实际的３维坐标，将是一种必然的趋势。
３维坐标系统的原点可以是参心的，也可以是地心的。若采用以地球质心为大地坐标系的原点，即采用地心坐标系的优点是明显的。因为这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象，
第４期
陈俊勇等：关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
２８５
特别是空问物体运动的本始参照系，但长期以来由于人类不能精确确定地心的位置，因而较少使用。但目前利用空间技术等手段已可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有它的必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果，客观上都是以地－ｆｌ，坐标系为参照系，因此采用这一坐标系作为我国平面基准，就能最有效地利用这一技术。
决议形式采用的。近２０年来由于科技的发展和需要，一些学者要求改变ＧＲＳ８０中所定义的大地测量基本常数值，以便在更高精度ｔ和客观实际保持一致＿５，９＇”ｊ。但反对者认为大地测量基本常数是一种参照基准。对大地测量基本常数的变化量研究正是在这一参照基准卜‘进行的，研究的目的不是为了不断变更这些参照基数。只要这一参照基准不影响科学和技术的发展，不影响实际使用，则不宜频繁更换，尽量避免对用户造成不便甚至损害ｌｌ“。二是ＧＲＳ８０给定下列４个大地测量基本常数｛ｎ，ＧＭ，Ｊ：，ｃｕ｝来确定地球水准椭球，其他参数则由此推算。由于近年来对潮汐所导致的地球形变及其物质迁移方面研究的深人，认为地球参考椭球长半轴。的数值与潮汐关系密切，将它作为基本常数对高精度大地测量讣算会带来不便。因此有的学者提出以满足Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ－Ｐｉｚｚｅｔｔｉ水准椭球定义的大地测量基本常数为｛Ｗｏ，ＧＭ，Ｊ２，Ⅲ｝［５，９，１０，１３Ｊ，即建议大地基本常数中采用原则上不受潮汐影响的地球大地位值形。来替代目前采用的地球长半轴。，同时指出ＷＧＳ８４以｛。，ＧＭ，，，ｍｌ来定义参考椭球只能适用于卫星定位的实用目的，但这一定义不能确保满足Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ－Ｐｉｚｚｅｔｔｉ水准椭球定义的条件ｂＪ。在ＩＵＧＧ２００３日本札晃大会期间，与会的多数大地测量学者总的还是认为大地基本常数目前仍宜保持ＧＲＳ８０基本不变，这一意见也得到了ＩＡＧ的支持。表１将近年来关于大地测量基本常数的主要研究成果＿５，””，“ｏ列出，以供今后重新确定我国大地测量基本常数值时参考。
２．１我国地心３维坐标系的定义
假如我国今后采用３维地心坐标系统，则我国地心坐标系的定义应和国际通用地面参考系（ＩＴＲＳ）的定义一致，因为它是迄今为止比较科学和比较符合客观实际的。现将它定义的四原则转引于下。６，８Ｊ：①坐标系原点为包括海洋和大气在内的整个地球质量的质心；②坐标系的尺度为在引力相对论意义下的局部地球框架的尺度；③Ｚ轴从原点指向ＢＩＨｌ９８４．０定义的协议地球极，ｘ轴从原点指向格林尼治平均子午面与赤道的交点，ｌ，轴与Ｘ轴和ｚ轴构成右手坐标系；④由于极移影响，在确定不同时期的实际地球旋转轴相对于ＢＩＨｌ９８４．０的指向时，要确保地壳不会产生残余的全球性旋转。
２．２大地测量基本常数
与大地坐标系统和框架密切相关的大地测量基本常数是近几年来讨论的一个热点Ｌ５－９““。它主要涉及两个方面。一是对现有全球通用的大地参考系统１９８０（ＧＲＳ８０）＿１２Ｊ的大地测量基本常数的数值要不要改变？ＧＲＳ８０是国际大地测量和地球物理联合会（ＩＵＧＧ）和国际大地测量协会（１ＡＧ）于１９７９年澳大利弧堪培拉大会上以通过
表１大地测量基本常数
Ｔａｂ．１
Ｂａｓｌｅｃｏｎｓｔａｎｔｓｏｆｇｅｏｄｅｔｉｃｓｕｒｖｅｙ
＋表示事先给定的地球水准椭球的参数，一Ⅳｏ（１０７ｍ２ｓ矗）（ＥＧＭ９６）＝６２
６３６８５８
６９７，…相应于零潮汐系统
测绘学报第３２卷
３我国采用地心３维坐标系的可
行性
我国若用地心３维坐标系更换当前使用的非地心２维坐标系，它的优点上面已经提及了。但在实际运作时，有一个可行性问题。它涉及坐标系更换应具备什么条件，对这一坐标系更换的工的大陆范围。目前中国经济、社会和国防的发展，海洋资源的利用和开发，航空航天和航海技术的进展，都要求中国现代大地坐标框架的确定和服务应是涵盖中国的全部陆海国土。
３．动态。过去测定大地坐标框架时，由于精度较低，所以难以测定它自身所受到的各种影响所导致的位移和变化，因而认为它是静止的，绝对作量和经济效益的评估，等等。像中国这样一个大国的坐标系更换，在世界上迄今还没有先例，它不仅仅关系到测绘部门，而是涉及到与地理位置有关的方方面面，工作量巨大，因此对坐标更换所可能产生的困难和问题，得益和损失，尽可能事先估计和考虑到，并提供可行的解决方案。
坐标系更换涉及测绘部门主要有４个方面的实际问题。一是测绘部门必须及时提供与该３维地心坐标系相应的、实用的、方便用户使用的坐标框架，以在应用中实现这一坐标系。二是用户如何测定考虑对象的地心３维坐标，特别要注意的是，当我国一旦不能使用（外国）卫星定位系统时，用户如何应对，用户如何获得高精度的３维地心大地坐标。三是涉及所有与地理位置有关的图件资料，特别是地图，都会因为坐标系统的更换而要做相应的更改，这种更改工作量的大小繁简，和国家各相关部门关系极大，而这也正是与国家各相关部门对这一坐标系更换是否支持密切相关的。四是３维坐标中的１维往往用大地高表示。这种点位高程的表示形式和国家法定只采用正常高系统来表示高程有矛盾，存在双重性，这也需要在法规和技术层次予以合理解决。本文重点讨论上面提到的第一、三两个问题。
３．１现代地心３维坐标框架的特点
为了在中国实现地心３维坐标系统，必须要有相应的地心３维坐标框架才能实现。它除了具有地心和３维的特点外还应着重考虑具备以下４个方面的特点。
１．高精度。现有的非地心２维坐标框架主要是由中国天文大地网点构成，它的相对精度是
３×１０
６
ｅ而现代地心３维坐标框架点间的相对
精度应不低于１０～，相对于地心的绝对精度也要不低于ｌｏ～。这是现代大地测量技术可以做到的，也是现代定位技术对大地坐标框架在精度方面的最低要求。
２．涵盖全部陆海国土。现行大地坐标系统和大地坐标框架的确定和服务，都主要限于中国
的。而现代坐标框架具有高精度的特点，因此它们只是相应于某一时刻（历元）的数值。为了真正保持它们的精确性，就必须保持它们的现势性，即不仅仅向用户提供涉及某一历元的框架点的坐标值，还必须提供它们相应的时间变率。因此现代大地坐标框架是动态的，或是准动态的。
４．实用。２００３年国家测绘部门能向用户提供的地心３维坐标框架是ＧＰＳ２０００网，但陔网点的数量和平均密度分别只有原来天文大地网的１／２０和１／５，平均９幅５万比例尺地形图中才能找到一个ＧＰＳ２０００网点。
总起来说，我国若要采用地心３维坐标系统，则实现它的地心３维坐标框架必须是具有足够数量和分布密度的，高精度的动态地心３维大地点。这样的坐标框架才是实用的，满足和方便用户的需求。
３．２采用地心３维坐标系对现有地图的
影响
这里以西安８０坐标系更换为《大地参考系统１９８０｝（ＧＲＳ８０）为例，进行数字模拟，具体讨论这一更换时，将引起中国境内地面点原来的大地经纬度和高斯平面坐标值发生的变动，从而使中国境内原有地图（包括地形图）上点和线（包括图廓点和图廓线）的位移，以及它们的长度和方位改变的情况。
３．２．１坐标系更换所引起的中国境内点大地经
纬度和高斯平面坐标的变化ｕ５一
由西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，在中国境内地面点坐标的变动区间参见表２。由表中可见，这一坐标系更换时，所有１：５万地图（含）及更大比例尺的地图上的点，包括图廓点、方里网点等的点位变动值必须顾及。
３．２
２由坐标更换所引起现有地形图内两点问
的方位和长度变动
由于一幅地形图的４个图廓点的经纬度（高
斯坐标）是各不相同的，因此由坐标系更换所引起的这４个图廓点的经纬度（高斯坐标）的变动值显
第４期陈俊勇等：关于中国采用地心３维坐标系统的探讨
２８７
然是不同的。因此坐标系更换就会引起现有地形图图廓线的方位和长度变动，下面以百万比例尺地形图为例，由坐标更换所引起现有地形图内图廓线两端点问的方位和长度变动的数值ｕ５可参见表３。
表２西安舯坐标系更换为ＧＲＳＳ０系后．在中国境内地
面点坐标的变动
Ｔａｂ．２
Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
由西安８０系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，在中国境内百万图东西向图廓线长度的变化幅度在一５．０ｍ～＋１．０ｍ，其平均值为一４．２０ｍ。南北向图廓线长度的变化幅度在一６．６
＋１．６
ｉｎ～
ｍ，其平均值为一２．２０
ｍ。
综上所述，由西安８０系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系时，在中国境内的百万图（含各种比例尺的地图）中，南北向或东西向图廓线的方位和长度变动值在图上都小于０．１／ｌｑｍ而不能分辨，可以忽略不计。
ｄｌ邺ｏｆⅫ—撕ｐｏｉｎｔｓ
ｉｎＣｈｉｎａｔｅｒｒｉ—
ｔｏｒｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ
ｈａｔｅ
ｏｆＸｉ’ａｎ帅Ｃｏｏｒｄｉ－
ＳｙｓｔｅｍｂｙＧＲＳＳ０
４结束语
１．西安８０坐标系统的现状：①２维坐标系统；②椭球非地心定位，确定定位时没有顾及占中国全部国土面积近１／３的海域国土；③物理和几何常数需要更新和改善；④椭球短轴指向与国际Ｉ：公告的极原点不同。
２．西安８０坐标框架的现状。它是由４．８万余个全国天文大地网点组成，相对精度为３ｌｏ～，在我国大陆的分布密度约为ｌ：（１５
１５
ｘ
ｋｍ×
表３西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０系后。中国境内百万
圈中图廓线的方位和长度变动
Ｔａｂ．３
Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｌｅｎｇｔｈ
ｋｍ）。①损毁已近１／３；②卫星定位的相对定
位精度要比现行的坐标框架的精度高出一到两个
ｏｆ
ｄＩ∞罟ｅ
Ｏａｉｎｅｓｅ１：１Ｍ
量级；③卫星定位的测量成果是３维的，而现行的大地坐标框架是２维的；④不能提供框架点的实时或准实时坐标。
３．我国地心３维坐标系的定义和大地基本常数。假如我国今后采用地心３维坐标系统，则建议我国对该坐标系的定义应和国际通用地面参考系（ＩＴＲＳ）定义的四原则一致。建议该系统采用的大地基本常数和ＧＲＳ８０保持基本一致，例如
Ｊ２＝１．０８２６３×１０～，ＧＭ＝３．９８６００４４１８１０１４ｍ３ｓ～，∞＝７．２９２１１５×１０～ｒａｄ
６３７８１３７ｍ。
ｘ
ｍａｐｏｕｔｌｉｎｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆＸｉ’ａｌｌ８０Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ
ｓｙｓｔｅｍｂｙＧＲＳＳ０
图廓线的东点
相对于西点图廓线的北点相对于南点
Ｓ，Ⅱ＝
由西安８０坐标系更换为ＧＲＳ８０地心３维坐标系后，百万图东西向图廓线的方向变化，可以从该图廓线东端点相对于西端点的高斯纵坐标ｙ值的差异进行分析。在中国境内这一差值为
＋２．５ｍ～＋１０．２
４．我国地心３维坐标框架的特点：①高精度；②涵盖全部陆海国土；③动态；④足够的框架点数量和实用的分布密度。
５．我国采用地心３维坐标系的可行性。坐标系更换涉及全国方方面面，工作量大。坐标系更换应具备什么条件，可能产生的困难和问题，得益和损失，经济效益的评估，尽可能事先考虑到，并提供切实可行的解决方案。
坐标系更换涉及测绘部门的主要有４个方面的实际问题：①及时提供与该３维地心坐标系相应的、实用的、方便用户使用的坐标框架；②如
Ｉｌｌ，其平均值为＋５．９１１２。可以
看出，坐标系更换后，百万图的东西向图廓线都呈逆时针（向北）方向转动。
坐标系更换后，在中国境内百万图图廓线的南北图廓点在高斯坐标ｘ值的变化幅度基本保持同步，也就是说在百万图中南北向图廓线在这一坐标系更换后基本上不显示方向变化。
２８８测绘学报
１５］
ＧＲＯＴＥＮ
Ｅ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ａｎｄ
第３２卷
ｏｆＣｏｍｍｏｎＲｅｌｅｖａｎｃｅ
何保障用户能方便获得考虑对象高精度的地心３维坐标（包括非常时期）；③地图更改的工作量和完成日期；④大地高系统和正常高系统在法规和技术层次方面的协调。
６．采用地心３维坐标系对中国境内现有地图的影响。中国若由西安８０坐标系更换为ＧＲＳＳ０地心３维坐标系，则：①地面点大地纬度和大地经度的变动区间分别为一１．酽～＋０７”和一６矿一一３．旷”，二者平均绝对值分别为０．５７”和４．ｒ；②地面点高斯平面坐标ｘ值和ｌ，值的变动区间分别为一４８．６
一７５．７１０６．９
ｌｆｌｌ～＋２２．７ｍ和一１１５．７ｍ～
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地图（含）及更大比例尺地图中点（含图廓点）的地理位置的改变值，已超过制图精度，必须重新给予标记；③在中国境内各种比例尺的地图中，由于坐标系更换所导致的两点连线（包括图廓线）的长度和方位变动在制图精度以内，因此可以忽略不计。
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关于中国采用地心3维坐标系统的探讨
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈俊勇
国家测绘局,北京,100830
测绘学报
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