CGCS2000坐标转换问题的思考

背景：按照自然资源部要求，2018年7月1日后，自然资源系统将全面使用2000国家大地坐标系；自2019年1月1日起，全面停止向社会提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系基础测绘成果。

CGCS2000定义示意图

作者通过两年多的培训班授课，与一线从业人员做了大量交流和研讨，总结了CGCS2000坐标转换的若干重点问题与解决方法，基本涵盖了生产实践中的具体问题。

现将一些思考和心得记叙如下：

1、不是一个软件就能解决问题

测绘相关行业的从业人员涉及到的专业主要包括：大地测量、工程测量、导航、遥感、GIS，甚至计算机专业。当前，遥感和GIS专业很实用、很热门。但是，无论如何，大地测量专业都是测绘行业的基石。了解和掌握一些大地测量基础知识，可以在生产实践中做到心中有数。

与遥感和GIS专业偏重于软件应用和开发不同，大地测量是一门科学。而大地测量最重要、最基础、最难的内容就是基准，以及基准转换问题。主要包括：坐标基准、高程基准、重力基准。遥感和GIS专业的一线从业人员习惯于用软件解决问题。学习CGCS2000坐标转换的目的也很直接，就是获得一个软件，并学会使用。

软件我们当然会拷贝给学员，而且是永久性的免费使用。然而，与以往不同。由空间测量技术实现的高精度地心坐标必须考虑板块运动影响，同时也大幅度增加了坐标转换的复杂性。在实践中会遇到各种各样的具体情况，并不是一个软件就能解决问题的。必须深入理解，才能做到举一反三。

在测绘行业中，大地测量理论难度最大，但无法回避。对于不同专业背景的从业人员，学习大地测量知识，可以侧重于知识体系的构建，避免纠缠于具体公式。采用总结、归纳、分类、比较的方式，尽量做到打消神秘感、理解原理、理顺逻辑、解决困惑、掌握应用。

2、行业内的两极分化现象

当前，行业内存在明显的两极分化现象。一方面，大量专家做着高精尖的科研项目；另一方面，一线从业人员满足于采用固定的工作流程完成项目。这两极存在较严重的隔离现象。

例如坐标转换问题，我们有很多研究成果，实际上并不实用。这样说可能有失偏颇，但是，最起码这些程序没有给大家推广使用，只是发表了一些文章。而很多一线从业人员仅仅就知道个七参数转换、四参数转换，能完成任务就行。《技术规范》给出了8个经典模型，每个都有自己的特点和适用条件。我们也应该有所取舍，不能一个七参数模型走遍天下。

控制点转换到2000国家大地坐标系的坐标转换模型选取

市面上有很多坐标系方面的书籍和教材，很难找到一本能站在一线从业人员的角度来详细描述的。一是，大家的很多困惑和问题，专家们并不了解。二是，解决这些问题不出成果，不能显示水平。三是，在专家们的意识里，这根本就不是问题，不值得探讨。你怎么会连这些都不懂呢？

如果不是在授课中与大量一线从业人员的广泛交流和探讨，作者也不可能想象出这么多的实际存在的、具有普遍性的问题。事实上，经过两年多的坐标系主题授课，作者发现，要把CGCS2000坐标转换讲透彻，并不是一件容易的事。其中牵扯到各个专业、各种情况、方方面面。具体的问题都可以单独解决，但要系统化、条理化，让人听得懂，能灵活运用，还真的是剪不断、理还乱。为了能清晰表达，还不得不定义了一些新的名词。这些名词虽然还没有得到官方认可，但是随着作者的推广，以及大家的普遍使用，也将会成为约定俗成的说法。

当然，也有一些培训班会把《技术指南》或《技术要求》照本宣科一遍，这是极不负责任的态度。无论机构或者个人，口碑是最重要的。

3、软件和硬件傻瓜化，人不能傻瓜化

现在的软件和硬件越来越智能化，也可以称为傻瓜化。软件和硬件的傻瓜化，也会直接导致人的傻瓜化。

例如，以前测地形图，需要布设控制网、测量图根点，还需要测量每个细部，然后还要内业数据处理、成图。现在只需要用RTK和无人机就可以很方便的完成任务。一个没有学过测量的人，也完全可以胜任大部分工作。遥感和GIS专业也存在这种问题，经过短时间培训就能熟练使用软件，懂不懂测绘好像也无关紧要。这些从很多学员提的外行问题中可以明确感觉到。

这就导致很多公司不愿意花更多的成本聘请专业人员。他们把CGCS2000坐标转换也看作是一个软件的问题。花钱报个培训班，派两个熟练工，学两天就要回去解决问题。这是不可能的，也不利于长远发展，对整个行业也是一种伤害。

再例如，很多软件可以直接用重合点的xyH坐标（平面坐标和高程）来求布尔莎七参数。但实际上用xyH坐标是不能直接求出布尔莎七参数的。在后台，软件用中央子午线将xyH坐标变成了BLH或XYZ坐标，然后才求出布尔莎七参数。但是这样就会给大家带来误解，在求七参数时产生很多困惑。这是一个非常普遍的问题。

因此，软件和硬件可以傻瓜化，人不能傻瓜化。应该保持对专业的尊重，重视对原理的理解。

4、一些容易混淆的概念

在我们的教材和课堂中，还在给大家讲着CIO和格林尼治天文台这些古典概念。事实上，我国从来没有使用过CIO。现代的地心坐标系使用的是IERS参考极IRP和IERS参考子午线IRM。

还有坐标系的尺度问题。为什么ITRF使用的是地球时TT，而CGCS2000使用的是地心坐标时TCG？尺度为什么由时间来定义？

CGCS2000的参考历元是2000.0，这个2000.0怎么来的？如何计算？和J2000.0有关系吗？

历元归算与框架转换

这些概念在很多书中只是简单罗列了一下概念，并没有给出明确和易于理解解释。看起来都很熟悉，其实不知道是怎么回事。

就连动态坐标系中最基础、最重要的历元和速度场的概念，大部分从业人员甚至都没听说过。

还有一个，我们现在关心的和迫切要解决的是生产中的坐标转换问题。但是很多培训班一上来就给大家讲天球参考系，又是岁差，又是章动的。我们做的是地球上的坐标转换，天球参考系是研究卫星轨道时才用的。要说拓展知识面吧，关键是很多人对地球参考系还稀里糊涂的，他会把天球参考系和地球参考系的概念混淆。就不止一个人问过我，地心坐标的历元归算是不是岁差引起的？

况且，天球参考系也是一个过时的、古典的概念。现在使用的是与地球本体无关的四维时空参考系，其定义与天极、赤道、黄道都无关。

5、西部地区的特殊性

很多理论和方法在东部地区可以很好的实现，但是到了西部地区就会出问题。除了自然条件以外，往往不是人的水平问题，高程因素是一个重要原因。

例如独立坐标系投影,用不同软件投影出来的平面坐标不同，差异随抵偿高程面的增加而变大，在西藏甚至差10米。

另外，在西藏，在中央子午线一致的前提下，加了抵偿高程面和没加抵偿高程面的平面坐标x值相差接近3公里。

再例如，在ArcGIS的布尔莎七参数坐标转换过程中，转换精度和测区平均大地高相关。西藏地区仅因大地高而引起的平面坐标转换误差就可能超过10cm。

这些都是客观存在的问题。我们首先应该承认它，直面这些问题，给出理论解释，提出解决方案。虽不能改变现状，但能打消大家的疑惑，做到心中有数，进而灵活处理问题。

6、常常被忽视的高程转换

遥感和GIS专业更多的处理的是平面地图，对于高程经常是一知半解，甚至认为XYZ坐标中的Z值就是高程！

高程具有区域性和复杂性特点。有不同的高程系统，还有不同的基准。85基准高程还有"99水准网"和"15水准网"两种不同的实现版本。不了解这些概念的话，就会出现诸如：为什么千寻测出的高程差好几米？这样的问题。

高程具有区域性和复杂性特点

高程转换的复杂程度并不比坐标系少。如果精度要求不高，就不需要测水准，直接用程序计算高程异常。

7、莫名其妙的54坐标系转换

按照《技术要求》，北京54坐标转换到CGCS2000坐标分两步走：北京54坐标先转换为西安80坐标，再把西安80坐标转换为CGCS2000坐标。

按照《技术指南》，北京54坐标转换到西安80坐标也需要分两步：首先计算大地坐标改正量，然后计算平差改正量。用这两个改正量就可以将北京54坐标转换到西安80坐标。

坐系参数

仅依据《技术要求》和《技术指南》根本无法理解这个莫名其妙的转换流程，原因在于这两个文件中都没有提及"1954北京坐标系（整体平差转换值）"这个坐标系。引入这个坐标系以后，整个转换过程就非常清晰了。

明白了原理，解决了困惑，这样还不够。用户往往不具备资源条件，例如现在很难找到诸如平差改正数分布图这些资料了。因此，我们还需要提出可行的解决方案。

8、令人纠结的WGS84坐标系

大量文献中都探讨了WGS84坐标系，并与CGCS2000坐标系做了详细比较。但是于事无补，我们想知道WGS84坐标与CGCS2000坐标到底差多少？关于这个问题，各种说法都有。有些网络RTK给用户既提供WGS84坐标，也提供CGCS2000坐标。有些WGS84坐标与CGCS2000坐标差几十公分，有些则很接近。WGS84坐标与CGCS2000坐标的差异不能一概而论，需要从历元、框架、精度和实现四个方面去比较，就可以得到明确的结论了。

WGS84坐标系与北斗坐标系并没有本质区别，为什么北斗坐标系不存在这些问题呢？这又是一个历史的误会。

过去把GPS测得的坐标都叫做WGS-84坐标，这种观念在早期码伪距单点定位时是正确的。而且由于其十米多的定位精度，也不需要考虑坐标的时变性。后来发展了高精度的相对定位和精密单点定位技术，这时解出的坐标已经不是WGS-84坐标了。但是这种观念和习惯一直延续至今。

WGS-84坐标如何转换到CGCS2000坐标？也不能一概而论，你必须先了解你的WGS-84坐标是如何得到的。或者通过与CGCS2000坐标比较，推断出WGS-84坐标的历元。最起码要保证一组WGS-84坐标是同一时期的坐标。这样才能合理选择采用动态或静态的方法转换。而《技术规范》里关于WGS-84坐标转换的叙述有明显错误。

CGS2000椭球与GRS80和WGS84椭球推导几何参数比较

WGS-84坐标与CGCS2000坐标到底是什么关系？很简单，CGCS2000坐标是约定了历元和框架的ITRS坐标，WGS-84坐标则是没有约定历元和框架的ITRS坐标。同北斗坐标系一样，WGS-84坐标系只是一个卫星导航坐标系。

9、在学习中要有批判精神

现在的一些期刊、教科书，甚至规范中也存在错漏和不合理之处。我们在学习中一定要有批判精神，不能全信。有时候可能并不是你自己的错，但是只有自己搞懂了，才能心中有数、灵活处理。

某些资料中提到，西安80坐标转到CGCS2000坐标，椭球面积每平方公里应该减小0.939平方米。这个结论是用椭球面积公式计算出来的，只考虑了椭球大小变化对面积的影响，没有考虑椭球的径向平移，也没有考虑尺度缩放。因此，没有参考价值。事实上有些地方是每平方公里增加9平方米。这就需要一个更合理的估算公式。

在分丘图、宗地图、房屋平面图的坐标转换中，要求坐标转换到CGCS2000后面积不能改变。但是无论是坐标转换，还是实测CGCS2000坐标，面积必然会改变。那么只能牺牲精度来实现等面积转换了。

按照《技术规范》要求，动态转换时，应该先做历元归算，后做框架转换。对于2020.0历元的坐标，如果先做框架转换，后做历元归算，就会发现两种不同转换顺序得到的坐标差约10cm。从逻辑上看，两个动态转换顺序都没有问题。那么，这10cm差异从哪里来？

速度是用坐标拟合出来的，因此速度也有对应的参考框架。《技术规范》里的速度场模型忽略了速度的参考框架。就会导致这10cm的差异。

结束语：

CGCS2000坐标转换千头万绪，会有各种情况。限于篇幅，这里只能列出一些普遍的共性问题。总之，只有理解原理，才能举一反三。