北京坐标 详解| 带你认识新一代坐标系——2000国家大地坐标系

2000年国家大地坐标系从2018年7月1日开始全面使用的消息，让很多人感受到了国家的伟大运动，但又感到不解。2000年国家大地坐标系是什么？对日常工作生活会有什么影响？带着问题，边肖带着每个人踏上了科普之旅。

什么是大地坐标系

说到坐标系，大家都很熟悉。中学课文中的平面直角坐标系、平面极坐标系统和空之间的直角坐标系，让我们努力学习。坐标系为我们准确表达空之间的位置信息提供了参考，展现了神奇的数学规律。大地坐标系是我们知识的高级层次，主要用于研究地球上物体的定位和运动，是大地测量的基础。它与地球科学的其他学科、陆地和海洋航行，甚至经济、社会和军事活动都有着密切的联系。揭开科学的神秘面纱，大地坐标系正以“地图”、“GPS”、“北斗”、“导航”的形式逐渐渗透到我们的日常工作和生活中，发挥着不可替代的作用。

图1大地坐标系

大地坐标系将地球模拟为规则椭球体，用经度(b)、纬度(l)和高度表示物体在地球表面的位置。地球的经度是经过该点的子午面与起始子午面(经过格林威治天文台的子午面)的夹角。规定从起始子午面开始，东经从0°到180°，西经从0°到180°。地球的纬度是通过这个点的法线和赤道面之间的角度。规定从赤道面看，从0°到90°的北方叫北纬，从0°到90°的南方叫南纬。著名的“北回归线”纬度线是太阳光线可以直射地球的最北端，与绿水青山横穿增城，其纬度约为北纬23度26分。地球的高度是物体到椭球面的高度(如图1所示)。通过大地坐标系，人们可以定位地球上的任何物体。

但在图上直接绘制经纬度来测量面积和长度不太方便，平面坐标值在各种证书和图纸上比较常见。所以有地图投影，就是把物体位置从可展平的地球表面投影到一个平面上，保证地物之间信息的区域性联系和完整性空。“等距横切椭圆柱投影”是我国常用的地图投影方法。这种方法是由德国著名的数学天才高斯在19世纪20年代提出的，90年后由科学家克鲁格补充完善，所以又被称为“高斯-克鲁格投影”。为了便于理解，我们可以把地球想象成一个大西瓜，然后把它切成等份，再把它一张一张地展开，这样就可以得到一张平面图。为了保证部署后变形不会太大，一般切成60或120个部分，一个部分也叫一个分区，也叫六度分区和三度分区。增城常用的是3度分区，而且因为正好在38区，所以有些图纸上的坐标值前会加38字。(见图2和3)

图2高斯-克鲁格投影

图3高斯-克鲁格投影分区(红色区域为增城所在的3度分区)

中国大地坐标系的演变

我国常用的大地坐标系有:1954年北京坐标系、1980年Xi坐标系和2000年国家大地坐标系(如图4所示)。这些都是基于一定的社会、经济、技术发展需要和发展水平的历史产物。

图4中国常见坐标系的演变

1954北京坐标

新中国成立后，饱受战争蹂躏的各行各业开始恢复，在全国范围内开展正规、全面的测绘工作成为社会经济发展的基础。由于当时“一边倒”的政治趋势，中国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并于1942年与前苏联现有坐标系进行了联合测量。通过计算，中国大地坐标系很快建立起来，1954年命名为北京坐标系。所以1954年的北京坐标系可以看作是前苏联1942年坐标系的延伸，起点是前苏联的博尔科夫天文台，而不是北京。

1980年Xi安坐标

由于1954年北京坐标系的起点在前苏联，其中使用的椭球体与我国的地表形状相差甚远，逐渐不适应我国后来的科学发展。1975年以来，我国对郑州、武汉、Xi、兰州等地的地形、地质、重力、大地构造等因素进行了实地调查，发现陕西泾阳县计算的椭球体与我国的似大地水准面较为一致。于是，1980年，国家大地坐标系建立，中国第一个大地原点设在泾阳县(如图5、6)。同时采用了国际大地测量与地球物理联合会第16届大会推荐的IAG 75椭球数据。这是中国测绘行业独立的标志，符合国际化，在经济建设和科技研究中发挥重要作用。泾阳县位于Xi安腹地，因此该坐标系也称为1980 Xi安坐标系。

图5地球起源的主要建筑

图6地球原点的标记

2000年国家大地坐标系

1954年的北京坐标系和1980年的Xi坐标系在中国的经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大的作用。由于当时的技术条件，这两个坐标系是通过传统的技术手段在地表观测形成的，它们的原点也是在地表选取并精心守护的，仅用于区域定位研究，结果精度较低，不能满足新时代大地测绘的要求。随着航空空航天工业的发展和空之间技术的成熟和广泛应用，1954年北京坐标系和1980年Xi安坐标系的精度和适用范围越来越难以满足国家需求。2000年国家大地坐标系作为一种以地球质心为原点的高精度、动态、实用、统一的大地坐标系应运而生。

经过多年，我国测绘、地震部门和科学院有关单位为建立新一代大地坐标系做了大量工作。20世纪末，先后建立了国家GPS A、B网、国家GPS I、II网、中国地壳运动观测网和多个地壳形变网，为实现地心大地坐标系奠定了良好的基础。中国大地坐标系升级的条件也已具备。2008年4月，国务院批准从2008年7月1日起启用2000年国家大地坐标系。新坐标系实现了从面原点到地心原点、从二维到三维、从低精度到高精度的转换，更适合空之间的现代技术发展趋势。满足中国北斗全球定位系统、全球空间遥感、海洋监测和地方测绘服务的迫切需求，确定与国际接轨的全球三维大地坐标参考标准。

2000年国家大地坐标系的影响

1.推动高精度卫星定位导航技术的推广

自20世纪90年代GPS全面建成以来，全球卫星导航系统给传统测绘行业带来了质的飞跃。然而，在1980年Xi坐标系和1954年北京坐标系下，GPS不可避免地需要坐标转换，这在一定程度上限制了它的普及。随后，俄国的GLONASS系统、欧盟的伽利略系统和中国的北斗系统逐渐崛起(图7)，给人类带来了巨大的社会和经济效益。2000年国家大地坐标系统的诞生有效地整合了四个卫星导航系统的数据。通过CORS技术(利用多基站网络的RTK技术建立连续运行的卫星定位服务参考站)，可以更快更直接地获得厘米级精度的定位数据。这满足了各行业用户对高精度、快速、实时定位导航的需求，满足了城市规划、土地测量、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控、矿山测量等各项业务的现代化信息管理需求。

图7世界上四大卫星导航系统

2.在空之间建立自然资源整合的框架基础

2018年，第十三届全国人民代表大会第一次会议成立了自然资源部，以统一行使全民所有自然资源资产所有者的职责，统一行使所有土地的使用控制和生态保护与恢复的职责空。努力解决自然资源管理不善和空规划重叠的问题，实现对景观、森林、湖泊和草地的全面保护、系统恢复和综合管理。2000年的国家大地测量坐标系统将为自然资源的整合、“多条例整合”、景观、森林、湖泊和草地的调查以及权利的确认提供地理空框架基础。

3.有必要在过渡期间进行坐标转换

在测绘系统管理方面，《测绘法》明确规定国家建立全国统一的测绘系统。“测绘活动应当使用国家规定的测绘基准和测绘系统，执行国家规定的测绘技术规范和标准。”

2008年国务院启动2000国家大地坐标系时，设定了8-10年的过渡期。现在十年过去了，推动新坐标系落地的测绘地理信息技术和行政审批环境已经成熟，坐标系的更新其实已经到了我们面前！2017年3月，国土资源部、国家测绘局联合发布《关于加快使用2000年国家大地坐标系的通知》(国土资发〔2017〕30号)，2000年国家大地坐标系从2018年7月1日起全面使用。2017年8月和10月，广东省和广州市先后制定了新坐标系的实施方案，从业务数据的上传和发布入手，充分利用2000年国家大地坐标系，确保坐标系更新的顺利有序开展。此后，各种新项目的图纸和证书上出现1980年Xi安坐标系、1954年北京坐标系等标记的情况会越来越少(已进行的项目采用原坐标系，项目完成后对项目成果进行坐标转换)。但新旧坐标系中数据和图纸的叠加必然导致位置的错开，坐标变换是唯一的解决办法。

实现统一的地理空框架和基准，对于实现整个区域空之间的数据共享和共建，进而实现智慧城市，满足城市快速发展的数字化需求具有重要意义。