区域ITRF框架与CGCS2000坐标框架转换软件研究

万进桃

安徽省长江河道管理局测绘院安徽芜湖241000

摘要：随着CGCS2000成果的普及推广，在实际工作生产中则需要将大量不同框架下的坐标成果转换为标准的CGCS2000成果。此转换过程的实现需要对转换算法予以研究，并设计相关程序模块以便实现不同的参考框架与CGCS2000框架之间的转换。本文主要研究区域范围内不同ITRF框架与CGCS2000框架之间的转换关系，研究框架的转换方法并通过程序设计实现转换，以便最终实现不同框架之间坐标成果的单点转换及批量转换。

关键词：ITRF；框架转换；单点转换

一、引言

随着CGCS2000坐标系成果的普及和应用，所有测绘成果均需要提交标准CGCS2000成果。因此在实际生产中需要对ITRF96框架、ITRF00框架、ITRF05框架以及ITRF08框架转换至ITRF97框架，以得到标准CGCS200成果。所以，需要对区域范围内不同ITRF框架与CGCS2000所依托的ITRF97框架之间的转换关系及相关算法予以研究，并通过大量速度场数据的分析研究及程序设计来实现不同框架之间的转换。本文则是根据区域范围内连续运行基准站的精确坐标及速度场数据分析区域板块模型精度的基础上，研究得出合理算法建立格网速度场模型，实现不同ITRF框架与CGCS2000框架之间的转换。

二、基本算法的确立

本文主要研究区域范围内不同ITRF框架与CGCS2000框架之间的转换关系，研究框架的转换方法并通过程序设计实现转换。其研究基础为区域范围内有多个常年观测的连续运行基准站，连续运行基准站必须有每年更新的站点坐标，并完整记录观测数据，根据常年的静态观测数据解算每个站点的速度场变化。然后，根据以上数据的解算与分析区基础上，结合反距离加权法及欧拉矢量法建立区域1?×1?格网速度场模型。

（一）反距离加权法

反距离加权法的关键点是建模点的选择。选择建模点时有线性搜索和面积搜索两种方法，本项目采用面积搜索中的圆形搜索。选点的基本原则是在待插值点周围搜寻至少4个距离待插值点最近的点。依据建模点的分布密度，设置最小搜索半径Rmin=1°的距离，最大搜索半径Rmax=3°的距离。具体实现方法如下：

a、以1°距离为搜索半径，在待插值点周围搜索建模点，如果建模点数为4个或以上，利用搜索到的所有样本点对待插值点进行计算。此步骤适合样本点分布密集地区。如果搜索到的建模点数少于4个，则进行第2步。

b、以2°距离为搜索半径，如果搜索到的样本点数为4个或以上，则对待插值点进行计算。此步骤适合样本点分布较稀疏地区。如果搜索的建模点数少于4个，则进行第3步。

c、以3°距离为搜索半径，此时随着距离的增大，建模点与待插值点的相关性降低，如果搜索的样本点数大于等于2个，则对待插值点进行计算，此步骤适合建模点分布稀疏或块体边界地区。如果搜索的样本点数少于2个，则此方法不适合对该待插值点进行计算。

（二）欧拉矢量法

如果一个刚体绕固定点旋转，则该刚体由某一给定位置到另一位置的滑移，等效于绕通过该固定点的某一固定旋转轴旋转。如果把地心当作固定点，块体的水平运动可以视为绕通过地心的定轴旋转。假定划分的块体为刚性体，块体做一致性欧拉运动，内部站点间的几何构造在这个块体运动中保持不变。

欧拉矢量法描述的是相对运动，采用的数据是在ITRF05框架下的坐标及速度值，在计算块体运动时，参考ITRF05框架。

假定划分的每个块体为刚性，提取各块体内的站点坐标及速度值，计算各块体的欧拉矢量，对站点速度进行插值。计算方法如下：

计算欧拉矢量后，利用公式3，对待插值点进行计算即可得出区域格网速度场。

基于以上的算法研究，则可进行程序设计以实现区域范围内不同ITRF框架与CGCS2000框架之间的转换。

三、软件描述及其设计方法

a、软件描述

软件实现当前测绘数据的融合，主要应用于ITRF框架向国家最新三维空间直角坐标系CGCS200（ITRF97框架2000历元）的转换，ITRF（ITRF96、2000、2005、2008）框架转换到（CGCS2000），转换方式包括单点转换和批量处理。

b、软件设计方法

本软件采用传统的软件开发生命周期的方法，采用自定向下，逐步求精的结构化的软件设计方法。

四、软件框架结构及其设计说明

（一）软件框架结构设计

整个转换软件框架结构如下图所示：

（二）软件模块设计说明

转换软件的实现主要有4大模块，具体每个模块实现功能如下所示：

空间直角坐标与大地坐标互转模块：观测的空间直角坐标转换为大地坐标，其中经纬度用于区域速度场建模和内插观测点的平面速度场，计算速度场以后用于计算坐标观测时段的平移量。

区域速度场模型：区域速度场模型将离散点的连续运行基准站的速度场区域建模，生成覆盖范围内的格网速度场，用于计算观测站的速度场。

测站速度场计算：测站速度场计算将格网速度场生成观测站的速度，用于观测站平移量计算。

ITRF框架转化：ITRF框架转化使用ITRF网站提供的3个平移，3个旋转和1个缩放因子，根据布尔莎模型将不同框架的观测站数据进行转换。

五、框架结构的具体实现

○1单点转换的实现

单点转换需要手动输入空间直角坐标，观测历元，可实现ITRF96、ITRF00、ITRF05、ITRF08至ITRF97框架的转换，ITRF97框架输出框架转换后的坐标。软件应用截图如下所示：

○2批量转换的实现

批量处理需要按照规定格式建立转换文件，然后输入要转换框架的观测文件和历元，输出文件则为输出转化的成果。

软件应用截图如下所示：

六、结语

根据连续运行基准站的数据解算得出站点速度场数据，再以反距离加权方法建立区域格网速度场模型，以欧拉矢量法计算区域格网速度场，以此研究为基础确定了区域ITRF框架到CGCS2000框架的转换关系，并设计编制了相应的转换软件。软件实现了当前测绘数据的融合，可以将ITRF（ITRF96、2000、2005、2008）框架到（CGCS2000）框架进行单点转换和批量处理。

参考文献：

[1]杨元喜.2000中国大地坐标系[J].科学通报，2009年，19期.

[2]吴富梅，刘光明，魏子卿.利用局域欧拉矢量法建立CGCS2000速度场模型[J].武汉大学学报-信息科学版，2012年，04期.

[3]伊韦言，赵鑫.ITRF框架坐标转换问题的研究[J].测绘技术装备2012年，03期.