2000国家大地坐标系在大红山矿区运用

2000国家大地坐标系在大红山矿区运用

杨杰

玉溪矿业有限公司大红山铜矿     云南玉溪   653405

摘要：本项目拟针对大红山铜矿床，针对大红山铜矿床地表起伏大、采深大等实际条件，开展矿山区域三维空间投影变形问题的研究，并在此基础上，实现大红山铜矿床三维空间坐标系的构建。在此基础上，对地心坐标与地心坐标的原理与方法进行了研究，并对2000全国大地坐标系在大红山铜矿的应用进行了探讨。

关键词：2000 国家大地坐标系；地心坐标系统；参心坐标系统；大红山矿区运用

 引言

大红山铜矿自建成至今，一直采用北京、1980西安两套参考坐标系，其投射平面均为零海拔。以2000国家大地坐标系为基础，建立矿区地心三维坐标系统，并将已有的参心坐标系统数据转换到地心坐标系统中，为国家国土、矿产管理等相关部门，按时完成国家座标体系的统一数据。在此基础上，实现了地表和地下成图的统一；本项目研究成果将为 GNSS提供高精度、高效率、高精度的全国统一坐标高程数据；本项目研究成果将为实现矿井 GIIS与 GNSS的有机融合提供理论依据，也为矿井 GIIS与 GNSS提供了一种新思路。全面提高矿产资源勘查技术服务水平。

一、应用国家大地坐标系实际应用要求

一直坚持集中化管理、分级落实和全方位推进的基本原则，不同级别的管理部门要严格按照有关规范和要求，积极地贯彻并落实自身的职责，共同努力，共同完成区域内的坐标转换工作。在对相关业务进行整体规划和统筹部署的过程中，要及时地做好衔接工作，最重要的是要把职责分工好第一，是由国家国土资源部统一安排，对2000年全国大地坐标系数据进行了转化，制定了相应的标准，并给出了相应的解释。第二，从整体上考虑，制定出一套切实可行的方案，同时，将该方法扩展到2000大地坐标系中，以便于指导各地市、县的实际工作，并据此制订出切实可行的实施方案。第三，县级以上的国土资源管理部门，根据有关的基础条件，组织专门的单位和机构，进行空间资料的收集，并对2000个大地坐标进行高效的应用。第四， NGIS要时刻为 NGIS提供支持，制订 NGIS的技术规范，对 NGIS本级数据的转化提供有力的支撑，并组织有关专业机构开展 NGIS 2000的转化与应用工作。

二、矿场坐标系

2.1型坐标系

利用 C级全国 GPS控制网的结果作为定位、方位的起算资料。为了保证新的地形图和原来的地形图的一致性，在全国统一的地形图上，对新的地形图进行了投影，从而形成了一个真实的全国地形图。它的中心经度为东经102度，纬度24度，曲率半径为六十六万四千九百九十五米。

2.2仰角系统

三级和四级的电磁波测高导线使用了全国1985年的标准高程。利用CGCS2000椭圆高度系统进行 GPS点解算。投影平面高度为960 m （矿场平均海拔高度）。

2.3 大红山2000大地坐标系统的定义与实现

2.3.1 《国际地形图》2000的定义

矿区地表和地下控制网的建立，主要依据的是1954年北京和1980年西安两个不同的坐标系。2016年，我国将在全球范围内开展2000 GNSS卫星导航。为了使矿区与 GIS相结合，便于矿区与国土、安全、矿产资源等部门进行资源的整合与管理，需要对北京、1980西安两个地球坐标系与CGCS2000地球坐标系进行变换，以保证矿区资源在不同地球坐标系间的高效转换与利用。大地坐标是建立地球空间框架的关键基础，也是刻画空间实体位置的基准，其科学定义与应用对航空航天、卫星定位、地壳变形与板块运动、工程建设等方面都有重要的意义。2000 （CGCS2000）是按照国际地球参考系定义的，它完美地满足了 ITRS的基本定义，2000号CGCS2000是包括海洋和大气层的地球核心。-2000国家大地坐标系中的 Z轴，以2000.0年的地球参考极的原点为起点，此年历的指向以国际时计机构提供的1984.0年历为起始方向，方位的时间演变确保不会对地壳造成残留的全球转动；（b） X轴从格林尼治基准子午线和地球赤道平面（历元2000.0）之间的相交点为原点；Y轴和 Z轴和 X轴形成了一个正交的右面座标系统。它被定义为一米。这个尺度，是以相对论为基础，构建出来的，和地球核心在同一时间坐标上的模型。1984.0，国际时计组织建立了一套有方向性的全国地轴系统。2000个 GPS网络是由2000张 GPS网络的三维坐标与速度构成的，该网络是由国际卫星导航系统（ITRF97）中 IGS全球分布的核心台站坐标与速度共同平差得到的，而联合平差则是以国际卫星通信系统（IGS）在国际卫星通信网络（ITRF 97）中所提供的数据为基础进行的。并对所得结果进行了校正，得到了参考年份。尽管没有考虑到地球自转，但整个地球构造的运行确保了方位随时间的演化。

2.3.2 我国2000大地坐标系统的实施

2000年时，以地心为原点，以国际地球参考系的基准极为 Z轴，以X轴为基准，以国际地球参考系 IRM与赤道平面的交线为基准，建立了以 X、 Y、 Z三轴为参考点的右地固正交系。在中国大陆2000年大地坐标系中，参考椭球的原点与参考椭球的几何中心在同一位置，参考椭球的旋转轴线与其 Z轴在一条直线上。在几何上，基准椭球体的曲面正好与地球的曲面相对应，它的曲面是一种数学表达。在物理意义上，它和椭圆是一样的。我国2000年大地坐标系的建立，以2000为基础，辅以国家 GPS大地网络。全球卫星定位系统2000全球卫星定位系统包含多个卫星定位系统。并联合众网进行平差，其中空间网包含了地壳运动观测和地壳形变检测网、 GPS网等其它空间网络。2000国家大地坐标系基于参考历元2000.0，其精度在水平和高程坐标方面为1 cm和3 cm，而在水平速度方面为3 mm/a左右。

在我国2000高精度大地参考网的建设中，必须建立一套与2000高精度大地坐标系统相对应的平面坐标系统。在设计过程中，要尽可能地按国家标准规定的经线中心线来确定。当高斯投影变形达不到2.5厘米/公里的相关技术要求时，心子午线上的平面坐标系是以被测区子午线作为参照。目前，数据采集、分析和共享已经进入了数字时代。为了便于国内2000大地坐标系之间数据的交换和共享，在2000大地坐标系中，一般采用的都是以地球椭球面作为投影面的平面坐标系。在此基础上，我们采用高斯投射加常数，而不添加其他运动参数。

三、2000年全国 D级大地坐标控制网

3.1全球导航卫星导航系统 D级控制网的座标体系

3.1.1平直座标系

利用云南省 GPS C级控制网的定位、方向等资料，对其进行了定位、方向等方面的计算。经过与大红山勘测技术部门的多次交流，为了保证新的坐标系投影和原来的矿山坐标系投影的一致性，我们决定在全国统一的椭球面上进行投影，这样才能真正实现2000年的全国大地坐标系。

3.1.2大红山铜矿床座标体系的参数

一是中子午的东经102°；二是中子午的平均纬度为24°；三是具有6364295米的平均曲率半径。

3.1.3仰角模式

采用的是1985年国家海拔标准；本项目拟基于2014年在大红山铜矿区开展的3级水准测量，构建我国1985年 GNSS控制点系。

3.1.4同位素结果表

为了适应大红山铜矿日常生产和建设中对控制测量结果的多样化需求，在此基础上，将1954年北京坐标、1980年西安坐标和2000全国坐标三个部分的基础上，根据生产和建设中对控制测量结果的不同需求，提出了相应的应用说明和应注意的问题。完成了以下工作：第一级 GPS框架控制网9个点，第二级 GPS控制网31个点，三等水准路线长度79公里，电磁波三角高程控制点13个点。

3.1.5第一代全球导航卫星系统构架控制网络浅析

本项目拟在已有研究基础上，以大红山铜矿2000为研究对象，对大红山铜矿2000全球定位系统中的第一个框架网络进行优化，并将其划分为第一个框架网络和第二个框架网络。从矿区采集到的数据来看，在2009年，利用 GPS定位技术，在矿区内建立了"采矿许可证 GNSS四等控制网"和"采矿许可证 GNSS一级控制网"，并在此基础上对其进行了分析。这两个网络都以北京为坐标。为了保证新设的2000 GNSS控制网与原有的控制网完全重叠，以满足矿区测绘成果向2000国家大地坐标系统转换时所需要的精度和可靠的参数，在布网过程中，尽可能地使用原有的控制网络，遵循“从整体到局部，从高到低，整体布设、分片加密”的原则。因此，在对已有的矿场控制网络进行分析之后，我们将根据以下的要求，选择合适的测点，以完成2000大红山铜矿第一个框架网络的构建。

四、大红山矿区2000 NGP的应用

矿区在建立控制网的时候，首先，选择北京和1980西安的两个较高级别的控制点作为起点，利用与全国统一的坐标系统一致的投影平面、椭球面和中心子午线，利用测角和测边或者 GPS技术，建成测控网络。一种是当矿井投影长度的变形量大于5+2.5 cm/km时，在全国坐标系中选取一个高级控制点作为定位的出发点，出发点的方向用全国坐标系中已知的方位边长投影法，采用投影面至矿区的平均或补偿高程，建立起与全国坐标系相关的局部坐标体系；另一种方法是以矿井的平均海拔为投影平面，利用变换条纹的方法，通过对起始点的变换，再进行边长的投影，来建立一个矿山的本地座标体系。在此基础上，由各矿山所构建的矿区控制网，基本上就是一个独立的坐标系。这就造成了各矿井在使用CGCS2000进行坐标变换时，没有一个统一的参量。因此，应根据矿井的具体情况，在矿井中引进高精度CGCS20。鉴于此，目前，大红山采用的都是54—北京、80—西安等高线，尚未建立2000—全国范围内的大地坐标系统。尤其是对大红山矿区，由于其特殊的地理环境，在利用 GNSS定位技术与精密水准测量技术构建高精度2000全国大地坐标系与现代测绘基准的同时，还需对其进行数据处理、数据与图件的转化与转化等方面的研究。

五、结论

本文对大红山铜矿地形图的坐标系变换模式进行了研究。通过比较、分析、研究不同坐标变换模型在大红山矿区应用时需要注意的问题，布尔莎模型的稳定性非常差，由共同点引起的小误差容易失效，而莫洛金斯基模型对外部扰动有较强的抗干扰能力，其转换精度得到了较好的保证。在一定条件下，尤其是在共有点数目较少且分布范围较小的情况下，可以得到相应的坐标变换矩阵。在坐标系不够精确的情况下，可采用莫洛金斯基模式来实现坐标系的变换。四参数平面变换模型的计算结果是可靠的。对于比较小的区域，它转换的精度比较高，但是对于比较大的区域，由于受到投影变形误差的影响，其转换的精度比较低，所以只适用于相对较小的区域。

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