作者通過兩年多的培訓(xùn)班授課，與一線從業(yè)人員做了大量交流和研討，總結(jié)了CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的若干重點(diǎn)問題與解決方法，基本涵蓋了生產(chǎn)實(shí)踐中的具體問題?，F(xiàn)將一些思考和心得記敘如下：

　　作者簡介：中科地信首席專家劉光明研究員，研究中科地信首席專家劉光明研究員方向?yàn)榭臻g大地測量。曾獲國家科技進(jìn)步二等獎，排名第三。應(yīng)測繪出版社約稿，作為獨(dú)立作者撰寫《CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換》等專著兩部。應(yīng)多個學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)邀請，在各省會城市做“CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”和“北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”等專題學(xué)術(shù)報告80多次?！　?/p>

背景：

　　按照自然資源部要求，2018年7月1日后，自然資源系統(tǒng)將全面使用2000國家大地坐標(biāo)系；自2019年1月1日起，全面停止向社會提供1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系基礎(chǔ)測繪成果。

　　一、不是一個軟件就能解決問題。

　　測繪相關(guān)行業(yè)的從業(yè)人員涉及到的專業(yè)主要包括：大地測量、工程測量、導(dǎo)航、遙感、GIS，甚至計算機(jī)專業(yè)。當(dāng)前，遙感和GIS專業(yè)很實(shí)用、很熱門。但是，無論如何，大地測量專業(yè)都是測繪行業(yè)的基石。了解和掌握一些大地測量基礎(chǔ)知識，可以在生產(chǎn)實(shí)踐中做到心中有數(shù)。

　　與遙感和GIS專業(yè)偏重于軟件應(yīng)用和開發(fā)不同，大地測量是一門科學(xué)。而大地測量最重要、最基礎(chǔ)、最難的內(nèi)容就是基準(zhǔn)，以及基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換問題。主要包括：坐標(biāo)基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)。遙感和GIS專業(yè)的一線從業(yè)人員習(xí)慣于用軟件解決問題。學(xué)習(xí)CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的目的也很直接，就是獲得一個軟件，并學(xué)會使用。

　　軟件我們當(dāng)然會拷貝給學(xué)員，而且是永久性的免費(fèi)使用。然而，與以往不同。由空間測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高精度地心坐標(biāo)必須考慮板塊運(yùn)動影響，同時也大幅度增加了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性。在實(shí)踐中會遇到各種各樣的具體情況，并不是一個軟件就能解決問題的。必須深入理解，才能做到舉一反三。

　　在測繪行業(yè)中，大地測量理論難度最大，但無法回避。對于不同專業(yè)背景的從業(yè)人員，學(xué)習(xí)大地測量知識，可以側(cè)重于知識體系的構(gòu)建，避免糾纏于具體公式。采用總結(jié)、歸納、分類、比較的方式，盡量做到打消神秘感、理解原理、理順邏輯、解決困惑、掌握應(yīng)用。

　　二、行業(yè)內(nèi)的兩極分化現(xiàn)象。

　　當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)存在明顯的兩極分化現(xiàn)象。一方面，大量專家做著高精尖的科研項(xiàng)目；另一方面，一線從業(yè)人員滿足于采用固定的工作流程完成項(xiàng)目。這兩極存在較嚴(yán)重的隔離現(xiàn)象。

　　例如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，我們有很多研究成果，實(shí)際上并不實(shí)用。這樣說可能有失偏頗，但是，最起碼這些程序沒有給大家推廣使用，只是發(fā)表了一些文章。而很多一線從業(yè)人員僅僅就知道個七參數(shù)轉(zhuǎn)換、四參數(shù)轉(zhuǎn)換，能完成任務(wù)就行?！都夹g(shù)規(guī)范》[1]給出了8個經(jīng)典模型，每個都有自己的特點(diǎn)和適用條件。我們也應(yīng)該有所取舍，不能一個七參數(shù)模型走遍天下。

　　市面上有很多坐標(biāo)系方面的書籍和教材，很難找到一本能站在一線從業(yè)人員的角度來詳細(xì)描述的。一是，大家的很多困惑和問題，專家們并不了解。二是，解決這些問題不出成果，不能顯示水平。三是，在專家們的意識里，這根本就不是問題，不值得探討。你怎么會連這些都不懂呢？

　　如果不是在授課中與大量一線從業(yè)人員的廣泛交流和探討，作者也不可能想象出這么多的實(shí)際存在的、具有普遍性的問題。事實(shí)上，經(jīng)過兩年多的坐標(biāo)系主題授課，作者發(fā)現(xiàn)，要把CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換講透徹，并不是一件容易的事。其中牽扯到各個專業(yè)、各種情況、方方面面。具體的問題都可以單獨(dú)解決，但要系統(tǒng)化、條理化，讓人聽得懂，能靈活運(yùn)用，還真的是剪不斷、理還亂。為了能清晰表達(dá)，還不得不定義了一些新的名詞。這些名詞雖然還沒有得到官方認(rèn)可，但是隨著作者的推廣，以及大家的普遍使用，也將會成為約定俗成的說法。

　　當(dāng)然，也有一些培訓(xùn)班會把《技術(shù)指南》[2]或《技術(shù)要求》[3]照本宣科一遍，這是極不負(fù)責(zé)任的態(tài)度。無論機(jī)構(gòu)或者個人，口碑是最重要的。

　　三、軟件和硬件傻瓜化，人不能傻瓜化。

　　現(xiàn)在的軟件和硬件越來越智能化，也可以稱為傻瓜化。軟件和硬件的傻瓜化，也會直接導(dǎo)致人的傻瓜化。

　　例如，以前測地形圖，需要布設(shè)控制網(wǎng)、測量圖根點(diǎn)，還需要測量每個細(xì)部，然后還要內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、成圖?，F(xiàn)在只需要用RTK和無人機(jī)就可以很方便的完成任務(wù)。一個沒有學(xué)過測量的人，也完全可以勝任大部分工作。遙感和GIS專業(yè)也存在這種問題，經(jīng)過短時間培訓(xùn)就能熟練使用軟件，懂不懂測繪好像也無關(guān)緊要。這些從很多學(xué)員提的外行問題中可以明確感覺到。

　　這就導(dǎo)致很多公司不愿意花更多的成本聘請專業(yè)人員。他們把CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也看作是一個軟件的問題?；ㄥX報個培訓(xùn)班，派兩個熟練工，學(xué)兩天就要回去解決問題。這是不可能的，也不利于長遠(yuǎn)發(fā)展，對整個行業(yè)也是一種傷害。

　　再例如，很多軟件可以直接用重合點(diǎn)的xyH坐標(biāo)（平面坐標(biāo)和高程）來求布爾莎七參數(shù)。但實(shí)際上用xyH坐標(biāo)是不能直接求出布爾莎七參數(shù)的。在后臺，軟件用中央子午線將xyH坐標(biāo)變成了BLH或XYZ坐標(biāo)，然后才求出布爾莎七參數(shù)。但是這樣就會給大家?guī)碚`解，在求七參數(shù)時產(chǎn)生很多困惑。這是一個非常普遍的問題。

　　因此，軟件和硬件可以傻瓜化，人不能傻瓜化。應(yīng)該保持對專業(yè)的尊重，重視對原理的理解。

　　四、一些容易混淆的概念。

　　在我們的教材和課堂中，還在給大家講著CIO和格林尼治天文臺這些古典概念。事實(shí)上，我國從來沒有使用過CIO?，F(xiàn)代的地心坐標(biāo)系使用的是IERS參考極IRP和IERS參考子午線IRM[4]。

　　還有坐標(biāo)系的尺度問題[5]。為什么ITRF使用的是地球時TT，而CGCS2000使用的是地心坐標(biāo)時TCG？尺度為什么由時間來定義？

　　CGCS2000的參考?xì)v元是2000.0[6]，這個2000.0怎么來的？如何計算？和J2000.0有關(guān)系嗎？

　　這些概念在很多書中只是簡單羅列了一下概念，并沒有給出明確和易于理解解釋?？雌饋矶己苁煜?，其實(shí)不知道是怎么回事。

　　就連動態(tài)坐標(biāo)系中最基礎(chǔ)、最重要的歷元和速度場的概念，大部分從業(yè)人員甚至都沒聽說過。

　　還有一個，我們現(xiàn)在關(guān)心的和迫切要解決的是生產(chǎn)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。但是很多培訓(xùn)班一上來就給大家講天球參考系，又是歲差，又是章動的。我們做的是地球上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，天球參考系是研究衛(wèi)星軌道時才用的。要說拓展知識面吧，關(guān)鍵是很多人對地球參考系還稀里糊涂的，他會把天球參考系和地球參考系的概念混淆。就不止一個人問過我，地心坐標(biāo)的歷元?dú)w算是不是歲差引起的？

　　況且，天球參考系也是一個過時的、古典的概念。現(xiàn)在使用的是與地球本體無關(guān)的四維時空參考系[7]，其定義與天極、赤道、黃道都無關(guān)。

　　五、西部地區(qū)的特殊性。

　　很多理論和方法在東部地區(qū)可以很好的實(shí)現(xiàn)，但是到了西部地區(qū)就會出問題。除了自然條件以外，往往不是人的水平問題，高程因素是一個重要原因。

　　例如獨(dú)立坐標(biāo)系投影[8]。用不同軟件投影出來的平面坐標(biāo)不同，差異隨抵償高程面的增加而變大，在西藏甚至差10米。

　　另外，在西藏，在中央子午線一致的前提下，加了抵償高程面和沒加抵償高程面的平面坐標(biāo)x值相差接近3公里。

　　再例如，在ArcGIS的布爾莎七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換精度和測區(qū)平均大地高相關(guān)。西藏地區(qū)僅因大地高而引起的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差就可能超過10cm。

　　這些都是客觀存在的問題。我們首先應(yīng)該承認(rèn)它，直面這些問題，給出理論解釋，提出解決方案。雖不能改變現(xiàn)狀，但能打消大家的疑惑，做到心中有數(shù)，進(jìn)而靈活處理問題。

　　六、常常被忽視的高程轉(zhuǎn)換。

　　遙感和GIS專業(yè)更多的處理的是平面地圖，對于高程經(jīng)常是一知半解，甚至認(rèn)為XYZ坐標(biāo)中的Z值就是高程！

　　高程具有區(qū)域性和復(fù)雜性特點(diǎn)。有不同的高程系統(tǒng)，還有不同的基準(zhǔn)。85基準(zhǔn)高程還有“99水準(zhǔn)網(wǎng)”和“15水準(zhǔn)網(wǎng)”兩種不同的實(shí)現(xiàn)版本[9]。不了解這些概念的話，就會出現(xiàn)諸如：為什么千尋測出的高程差好幾米？這樣的問題。

　　高程轉(zhuǎn)換的復(fù)雜程度并不比坐標(biāo)系少。如果精度要求不高，就不需要測水準(zhǔn)，直接用程序計算高程異常[10]。

　　七、莫名其妙的54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

　　按照《技術(shù)要求》，北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)分兩步走：北京54坐標(biāo)先轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)，再把西安80坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)。

　　按照《技術(shù)指南》，北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)也需要分兩步：首先計算大地坐標(biāo)改正量，然后計算平差改正量。用這兩個改正量就可以將北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到西安80坐標(biāo)。

　　僅依據(jù)《技術(shù)要求》和《技術(shù)指南》根本無法理解這個莫名其妙的轉(zhuǎn)換流程，原因在于這兩個文件中都沒有提及“1954北京坐標(biāo)系（整體平差轉(zhuǎn)換值）”這個坐標(biāo)系[11]。引入這個坐標(biāo)系以后，整個轉(zhuǎn)換過程就非常清晰了。

　　明白了原理，解決了困惑，這樣還不夠。用戶往往不具備資源條件，例如現(xiàn)在很難找到諸如平差改正數(shù)分布圖這些資料了。因此，我們還需要提出可行的解決方案。

　　八、令人糾結(jié)的WGS84坐標(biāo)系。

　　大量文獻(xiàn)中都探討了WGS84坐標(biāo)系，并與CGCS2000坐標(biāo)系做了詳細(xì)比較[12]。但是于事無補(bǔ)，我們想知道WGS84坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)到底差多少？關(guān)于這個問題，各種說法都有。有些網(wǎng)絡(luò)RTK給用戶既提供WGS84坐標(biāo)，也提供CGCS2000坐標(biāo)。有些WGS84坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)差幾十公分，有些則很接近。WGS84坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的差異不能一概而論，需要從歷元、框架、精度和實(shí)現(xiàn)四個方面去比較，就可以得到明確的結(jié)論了。

　　WGS84坐標(biāo)系與北斗坐標(biāo)系并沒有本質(zhì)區(qū)別[13]，為什么北斗坐標(biāo)系不存在這些問題呢？這又是一個歷史的誤會。

　　過去把GPS測得的坐標(biāo)都叫做WGS-84坐標(biāo)，這種觀念在早期碼偽距單點(diǎn)定位時是正確的。而且由于其十米多的定位精度，也不需要考慮坐標(biāo)的時變性。后來發(fā)展了高精度的相對定位和精密單點(diǎn)定位技術(shù)，這時解出的坐標(biāo)已經(jīng)不是WGS-84坐標(biāo)了。但是這種觀念和習(xí)慣一直延續(xù)至今。

　　WGS-84坐標(biāo)如何轉(zhuǎn)換到CGCS2000坐標(biāo)？也不能一概而論，你必須先了解你的WGS-84坐標(biāo)是如何得到的?；蛘咄ㄟ^與CGCS2000坐標(biāo)比較，推斷出WGS-84坐標(biāo)的歷元。最起碼要保證一組WGS-84坐標(biāo)是同一時期的坐標(biāo)。這樣才能合理選擇采用動態(tài)或靜態(tài)的方法轉(zhuǎn)換。而《技術(shù)規(guī)范》里關(guān)于WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的敘述有明顯錯誤。

　　WGS-84坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)到底是什么關(guān)系？很簡單，CGCS2000坐標(biāo)是約定了歷元和框架的ITRS坐標(biāo)，WGS-84坐標(biāo)則是沒有約定歷元和框架的ITRS坐標(biāo)。同北斗坐標(biāo)系一樣，WGS-84坐標(biāo)系只是一個衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系。

　　九、在學(xué)習(xí)中要有批判精神。

　　現(xiàn)在的一些期刊、教科書，甚至規(guī)范中也存在錯漏和不合理之處。我們在學(xué)習(xí)中一定要有批判精神，不能全信。有時候可能并不是你自己的錯，但是只有自己搞懂了，才能心中有數(shù)、靈活處理。

　　某些資料中提到，西安80坐標(biāo)轉(zhuǎn)到CGCS2000坐標(biāo)，橢球面積每平方公里應(yīng)該減小0.939平方米。這個結(jié)論是用橢球面積公式計算出來的，只考慮了橢球大小變化對面積的影響，沒有考慮橢球的徑向平移，也沒有考慮尺度縮放。因此，沒有參考價值。事實(shí)上有些地方是每平方公里增加9平方米。這就需要一個更合理的估算公式。

　　在分丘圖、宗地圖、房屋平面圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，要求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000后面積不能改變。但是無論是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還是實(shí)測CGCS2000坐標(biāo)，面積必然會改變。那么只能犧牲精度來實(shí)現(xiàn)等面積轉(zhuǎn)換了。

　　按照《技術(shù)規(guī)范》要求，動態(tài)轉(zhuǎn)換時，應(yīng)該先做歷元?dú)w算，后做框架轉(zhuǎn)換。對于2020.0歷元的坐標(biāo)，如果先做框架轉(zhuǎn)換，后做歷元?dú)w算，就會發(fā)現(xiàn)兩種不同轉(zhuǎn)換順序得到的坐標(biāo)差約10cm。從邏輯上看，兩個動態(tài)轉(zhuǎn)換順序都沒有問題。那么，這10cm差異從哪里來？

　　速度是用坐標(biāo)擬合出來的，因此速度也有對應(yīng)的參考框架[14]?！都夹g(shù)規(guī)范》里的速度場模型忽略了速度的參考框架。就會導(dǎo)致這10cm的差異。

　　結(jié)束語：

　　CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換千頭萬緒，會有各種情況。限于篇幅，這里只能列出一些普遍的共性問題?？傊?，只有理解原理，才能舉一反三。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系技術(shù)指南[S].北京:國家測繪地理信息局,2008.

　　[3] 國土資源數(shù)據(jù)2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換技術(shù)要求[S].北京:國家測繪地理信息局,2017.

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　　[7] 王若璞,趙東明譯.時空參考系[M].北京:科學(xué)出版社,2015.

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