中交广州航道局有限公司 510221
摘要：本文探讨了水运工程测量常用的独立坐标系转换参数求取方法，结合实例分析转换参数的可行性，为使用者提供参考。
关键词：水运工程测量；独立坐标系；坐标转换参数；实例分析
0、前言
水运工程测量经常遇到从WGS-84坐标系到地方独立坐标系的转换问题。本文通过具体案例，分析了从WGS-84坐标系到杭州坐标系的转换参数求取方法，探讨其可用性，为使用者提供参考。
1、水运工程测量常用的坐标系统及转换方法
1.1、常用的坐标系统
国内水运工程测量常用的有WGS-84坐标系、CGCS2000国家大地坐标系、1954年北京坐标系、1980西安坐标系和地方独立坐标系。
1.2、常用的坐标转换方法
（1）、七参数转换
这是我们使用RTK测量时最常用到的转换方法。七参数是两个空间坐标系之间的旋转，平移和缩放，要求得七参数至少需3个公共点，较多采用布尔莎模型进行求解。
（2）三参数转换
三参数是七参数的特例，旋转为零，尺度缩放为1，水深测量中常用的三参数就是这种。
（3）四参数转换。
四参数是两个不同的二维平面直角坐标系之间的转换。转换模型中有四个未知参数，即：
两个坐标平移量、旋转角度和尺度因子。
至少需要两个已知公共点，才能计算出四个未知参数。
2、实例背景
2.1、实施工程简介
某水运工程地处杭州市区，建设内容包括水工护岸、土方疏浚等，需要进行水深测量，护岸工程的施工放样等测量工作。
2.2、工程采用的坐标系
工程施工采用杭州坐标系，1985国家高程基准。
杭州市的1954年北京坐标系，中央子午线为120°，高斯3°带投影。杭州坐标系在1954年北京坐标系基础上，经平移、旋转形成，投影参数的北向、东向加常数未知。
施工区有杭州市统一布设的CORS网，经测试信号较强。查阅相关资料，使用CORS进行RTK作业，精度能达到平面3cm，高程5cm，满足施工测量精度要求。
3、坐标转换实例
由于施工采用杭州坐标系，需求取从WGS-84坐标系到杭州坐标系的转换参数，以满足疏浚水深测量和护岸RTK放样的精度需求。从提供的控制点资料，我们可以分3种方式计算转换参数，并探讨参数的适应性。
#01、#02、#04、#09为计算参数使用的控制点，4点围成的范围（以下简称范围1）包含整个施工区，图形强度较好。其余#03、#05、#06、#07、#08、#10~#17为验证参数的检查点。
图1 控制点分布示意图
3.1、“布尔莎七参数”转换法（从WGS-84坐标系直接求取到杭州坐标系的七参数）
（1）计算七参数
采用高斯自定义投影，北向加常数取-3267400，东向加常数取64600。选取四个控制点#01、#02、#04、#09，通过中海达HGO数据处理软件包中的坐标转换软件，采用布尔莎模型计算转换七参数，其转换残差很小（dN、dE、dU为转换残差），其中dN、dE最大残差为0.0001m，dU最大残差为-0.0078m。
图2 布尔莎模型的转换七参数
（2）控制点转换试算
将周边的控制点通过求取的参数在HGO和Hypack中分别转换成杭州坐标系坐标，统计其转换差值，HGO计算的dX、dY转换差值均为0，Hypack计算的dX、dY分别为0.003m和0.010m，符合RTK平面控制测量平面坐标转换允许残差小于±20mm的规范要求，该参数满足常规水深测量的定位精度要求，可以在Hypack中使用。
经投影修正，RTK手簿转换的精度满足规范要求。将该参数到控制点实地比对，测量结果基本与转换结果吻合，在施工区内，使用该参数可以满足水深测量和施工放样精度要求。
3.2、“两步法转换”
即“布尔莎七参数+平面四参数”转换法， WGS-84坐标系-1954年北京坐标系-杭州坐标系。
（1）第一步，通过COORD GM软件，采用布尔莎模型，求取WGS-84坐标系至1954年北京坐标系的转换七参数如下：
图5 Hypack中参数设置
（4）为测试参数的适应性，在Hypack中进行WGS-84坐标的转换，转换后X差值-0.013m,Y差值0.006m，满足水深测量定位精度要求，该参数也可以在水深测量中使用。
（5）RTK中手薄参数输入。手薄中无法直接输入四参数，在键入常规的七参数后，需利用自带的工地校正功能，计算水平平差和垂直平差。然后利用求取的参数，通过手薄链接杭州市CORS，在控制点上进行实地比对，结果如下：
在范围1内，点位误差基本都在3cm以内，高程误差基本都在5cm以内，个别点（#12、#15、#16）点位或高程误差略大。
范围1外的#07和#08，点位误差均小于3cm，但高程误差达到9cm，高程不能满足施工放样精度要求。
在范围1内，使用该参数可以满足水深测量和施工放样精度要求。
3.3、RTK点校正
施工区范围较小，直接使用天宝RTK的点校正功能，在手薄中分别输入校正点的WGS-84和杭州坐标系坐标，在任务设置中坐标系统选择“无投影/无基准”，然后在测量-RTK中选择工地校正，将校正结果应用于项目。使用该校正参数到控制点比对，成果如下。
测量结果基本和“七参数+平面四参数”测量结果吻合，在施工区内，使用该参数也可以满足水深测量和施工放样精度要求。
4、“两步转换法”的粗差剔除及精度改进
4.1、粗差分析
范围1内个别点的实测点位和高程误差较大，范围1外的#07和#08高程实测误差较大，无法完全满足航道整治工程的施工精度需求。《水运工程测量规范》（JTS131-2012）中RTK平面控制测量要求点位中误差为±50mm，RTK高程点控制测量主要技术要求高程允许中误差为±30mm。
对RTK高程误差较大的点如#07、#16和#08，有两种可能的原因：
（1）点位沉降变形，造成高程变化较大；
（2）提供的WGS-84大地高精度不高，导致转换参数精度不高。
对两种可能分别采取如下方法验证：
（1）对高程误差大的点，分别按四等水准测量方式，与附近的控制点进行联测。从水准测量成果分析，往返测高差互差均能满足规范要求，说明这些控制点的1985国家高程是准确的，可以排除点位沉降的可能。
（2）对高程误差大的点，直接用RTK流动站采用快速静态方式（5分钟）采集大地高，发现几个点的大地高与提供的差别较大。如点#08，大地高差值为0.069m，RTK实测的85高程与提供的85高程差值为0.091m，差值比较一致，说明提供的大地高精度较低，存在粗差。
参与比对的控制点，总体上点位和高程误差都小于3cm，精度比较均匀。尤其是高程精度显著提高，从最大的0.091m提高到0.029m，完全满足规范要求，可以直接用CORS进行护岸的放样。
5、小结
（1）在本实例中，分别采用了3种不同方法计算转换参数，并利用CORS到实地对检查点进行了验证，证实3种方法在本项目中都能适用。其各自的优缺点如下：
6、建议
在今后碰到类似的坐标转换问题，有如下的建议：
（1）、从WGS-84坐标系到地方独立坐标系的转换，先尝试“布尔莎七参数”转换法，如7参数精度满足要求，则可以直接使用；如不满足，可采用“布尔莎七参数+平面四参数”转换法，先使用7参数转换成国家坐标系，再使用平面4参数转换成地方独立坐标系；
（2）、应选择精度较高、均匀分布、覆盖测区范围的公共点，个数以3~5个为宜，可通过试算排除残差较大的点，留下残差小的公共点参加计算，从而提高参数的计算精度；
（3）、对于小范围的测区，使用RTK点校正的方法，可以减少GPS静态观测和7参数求取工作，能快速地投入测量，提高工作效率，但变换测区需重新做点校正才能使用；
（4）、发现误差较大的点，需从业主提供资料的准确性、点位是否变形、转换参数是否适用等方面分析原因，逐个排除。如控制点成果已经变化，需用新成果进行转换参数的计算，才能满足规范的要求。
参考文献：
[1]《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》（CH/T 2009-2010）
[2]《水运工程测量规范》（JTS131-2012）
论文作者:李振兴,周延玲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/21
标签：坐标系论文; 参数论文; 高程论文; 测量论文; 精度论文; 误差论文; 坐标论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;