陈俊勇
国家测绘局，北京１００８３０
摘要介绍了日本、韩国、蒙古、新西兰、马来西亚和欧洲等国家和地区的大地基准更新和现
框架应具有的特点，以及建议采用何种大地测量基本常数，并进行了在中国这样一个大国进行北京现代是哪个国家的
这一坐标系更换的必要性和可行性的论证。而本文认为可行性是中国能否采用地心三维坐标
系统的核心问题。
文中只讨论了可行性可能涉及的两个问题，即一是必须具备有足够数量，适宜密度，动态的高精度坐标框架来实现地心三维坐标系统；另一个是坐标系统更换对全国千万张现有备类地
图，特别是地形图的影响，其中包括地面点经纬度和高斯平面坐标的变更幅度，地图上两点间连
线（包括图廓线）的方位和长度变化等。
关键词大地基准日本韩国蒙古新西兰马来西皿欧洲坐标系统坐标框架
坐标更换大地测量基本常数地图
为了迎接２１世纪经济和社会的持续发展，为了适应和提供高科技发展的一个基础地理平台，近年来一些国家和地区都对本国或本地区的大地基准进行了更新和现代化。随着全球定位系统（ＧＰＳ）、人卫激光测距（ＳＬＲ）、甚长基线干涉（ＶＬＢＩ）等空间大地测量技术的不断发展和完善，世界各国都在不断更新和完善各自的大地测量参考框架，空间地心坐标框架逐渐取代传统的大地测量坐标框架已成为一种趋势”Ｊ。空间大地测量技术，尤其是ＧＰＳ技术在当前全球坐标框架建设中的作用越来越突出。同时，地心坐标框架也从单一的“坐标服务”向综合型的服务体系转变，向其他行业如气象、交通导航、灾害预报等提供服务。由于卫星空间定位技术的发展对大地基准的现代化提出了新的要求，也提供了实现的可能。
１非洲大地基准现代化（ＡＲＲＥＦ）
在非洲建立统一的地心坐标框架（ＡＦＲＥＦ）最早以“非洲多普勒测量（ＡＤＯＳ，ＡｆｒｉｃａＯｏｐｐｌｅｌ＂Ｓｕｒｖｅｙ）”开始，随着ＧＰＳ的广泛应用成为现实。
ＡＦＲＥＦ网的主要目标是：①定义一个非洲大陆坐标系统，它应和ＩＴＲＦ全球坐标框架相一致，
为建立非洲国家级的三维坐标框架提供支持。②建立间距约１０００公里连续的永久的ＧＰＳ跟踪站。并且这些跟踪站数据可以提供给其他各国或其他用户。③实现统一的非洲垂直基准并支持建立非洲精密大地水准面。
目前，总共有５４个非洲国家参与该项目，从而加大了实施的难度。因此该网拟先从区域性坐标框架建起，即北非参考网（ＮＡＦＲＥＦ）、西非参考网（ＷＡＦＲＥＦ）、东非参考网
（ＥＡＦＲＥＦ）、中非参考网（ＣＡＦＲＥＦ）以及南非参考网（ＳＡＦＲＥＦ）。最后再合并构成非洲大陆统一的大地测量坐标框架（ＡＦＲＥＦ）。
１９９９－－２００３期间，非洲坐标框架的工作取得了一定的成果，但由于非洲国家众多，国情不同，要全部完成非洲坐标框架的建造还要花相当的时间。
２欧洲大地基准现代化（ＥＵＲＥＦ）
自从１９８７年以来，几乎所有欧洲的国家都积极参与了建立维持欧洲坐标框架（ＥＵＲＥＦ）工作。框架的空间坐标部分由ＥＵＲＥＦ永久站网（ＦａＮ）中各种不同的高精度ＧＰＳ网组成。到目前为止，ＥＰＮ根据统一定义的标准与指南，吸纳了１３７个欧洲的ＧＰＳ连续跟踪站。这些标准和指南可以保证跟踪站网的效率和产品的质量。这些永久性跟踪站网对维持欧洲地面坐标框架（ＥＴＲ
Ｆ）和国际地心坐标框架框架ＩＴＲＦ有很大帮助。同时这些跟踪站进而被用作发展一些特殊项目的基础设施，例如：（蜊用ＥＰＮ产生的坐标时序结果，研究地面运动信息，为相应地区的地壳运动分析做准备；同时也作实现国际地面参考系统（ＩＴＲＳ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｙｓ．ｔｅｒｎ），如ｆｌ＇ＲＦ２１Ｘ】０的—个组成部分。②提供对流层产品。
３南美大地基准现代化
由覆盖南美大陆和沿海地区的５８个站于１９９５年１０天的ＧＰＳ观测结果建立了南美地心坐标框架，平差后站坐标的精度为３～６ｍｍ，准确度大约在２ｅｍ的量级。２０００年５月对这些站进行了第一次复测，这次复测除了１９９５年的５８个站外，还包括了中北美和加勒比海地区的ＧＰＳ站，总共１８４个。除了测定三维地心坐标外，这次复测的重点在于建立统一的大陆高程参考系统。为此除了邻国边界线上的普通水准点外大量的验潮站和国家高程控制点也被包括进来。
４我国的近邻国家大地基准现代化
４．１新西兰大地基准现代化
１９９８年，新西兰实施了新的地心参考基准，即以２０００年１月１日为参考历元的新西兰大地测
量基准２０００（ＮＺＧＤ２０００）。由于新西兰地壳形变非常剧烈，因此新西兰定义其地心参考基准为“半动态”基准。即新西兰大地测量地心坐标参考基准的参考历元为２０００．０，其参考站坐标值的即为该历元的坐标值。这些大地基准点位及其变动完全依靠卫星定位，如ＧＰｓ测定提供。
最初的速度场模型通过ＧＰＳ重复测量观测值产生，并假设在观测肘问内速度是常量。明显地，ＧＰＳ点位测定时间离参考历元的时间越远，受速度模型中的误差和时间非线性变形，例如地震的影响也愈大，将会降低速度场改正的精确性。
４．２日本大地基准现代化
从２０００年４月开始日本新的大地基准ＪＧＤ２０００正式取代了具有百年历史的东京大地基准。ＪＧＤ２０００采用国际地面参考系统（ＩＴＲＳ）的定义，历元定为１９９７．０。大地常数，包括椭球参数，取众所周知的《大地参考系统１９８０）（ＧＲＳＳ０）所给定的值。东京大地基准坐标转换为ＩＴＲＳ时的坐标转换参数（ｘ０，Ｙｏ，ｚｏ）分别为一１４６ｍ、５０７ｍ、６８１ｍ。维持ＪＧＤ的大地坐标框架是由１２００个ＧＰＳ连续运行站（ＧＥＯＮＥＴ）协同６４０００个一等、二等、三等经典大地点，和２００００个水准点（正高系统）组成。在２０００年基于重力和ＧＰＳ水准数据，日本推算了新的大地水准面（ＧＥ２０００）。它和ＪＧＤ２０００一起被１３本认为对１３本的空间数据基础设施是一个极为重要的进步。上述的ＧＥＯＮＥＴ一直延伸到１３本
最东端的领土（ＭａｒｃｕｓＩｓｌａｎｄ），这是日本在太平洋板块上唯一的一个ＧＰＳ连续追踪站。ＧＥＯＮＥＴ的采样率为１Ｈｚ。
４．３蒙古大地基准现代化
蒙古近年建立了新的国家大地坐标框架ＭＯＮＲＥＦ９７。该大地框架是在瑞典支援下，采用ＧＰＳ观测完成的，因此该框架的大地坐标系统和ＷＧＳ８４保持一致。ＭＯＮＲＥＦ９７这一新的国家地一５＂－－－维坐标框架，取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系ＭＳＫ４２（采用克拉索夫斯基椭球），坐标系统和原苏联普尔科伏（Ｐｕｌｋｏｖｏ）１９４２系统保持一致（类似于中国七十年代以前的老北京５４坐标系）。蒙古的高程基准目前仍沿用原苏联波罗的海高程基准，目前不考虑用ＭＯＮＲＥＦ９７的大地高来替代。
４Ａ韩国大地基准现代化Ｈ】
２０世纪５０年代朝鲜战争后，韩国于１９７５年至１９９４年重建了该国大地控制网（ＰＰＧＮ），ＰＰＧＮ包括１１５５个一等、二等三角测量点，平均边长为１ｌｋｍ，于１９９４年完成ＰＰＧＮ的整体平差。参考椭球仍采用白塞尔１８４１椭球。
韩国１９９４年建成了该国的大地控制网（ＰＰＧＮ）后，应该说该国的大地基准是确定的、统一的。
但使用不久后就发现，这一坐标系和空间技术，特别是和卫星定位的结果所对应的坐标系不一致，二者差异有时竟达６００余米。为了满足２１世纪各类用户的需求，韩国于１９９８年推出一个完全新型的国家三维地心大地坐标系统（ＫＧＤ２０００），以替换现行的ＰＰＧＮ所定义的坐标系统。ＫＧＩＹ２０００以ＩＴＲＦ９７为参照，历元采用２０００．０。这是韩国大地测量工作面向２ｌ世纪的一项重大决策。它将向用户提供精确的、附有时相的三维地心空间坐标，而且ＫＧＤ２ｉ）００与国际坐标框架保持一致（或有确定的、精确的连接），ＫＧＤ２０００是一种重要的、基本的地理空间数据基础设施，将为韩国的经济和社会可持续发展，为韩国的高科技发展做出贡献。
ＫＣＤ２０００与原来经典的大地坐标系统或大地基准不同，它有以下一些特点：①以地心为大地坐标系的原点；②与国际通用的地面坐标参考系统（ＩＴＲＳ）和相应的椭球参数（ＧＲＳＳ０）保持一致；③和ＩＴＲＳ的联系是通过ＫＧＤ２０００中连续运行的若干个ＧＰＳ工作站与国际地面参考框架（ＩＴＲＦ９７）的不断连测来实现的；④ＫＧＤ２０００的历元确定为２０００．０，即该系统中的坐标框架点的坐标值都是以此历元为准；⑤表徵ＫＧＤ２０００坐标框架点的标石是会移动的，也就是这些点的坐标值是变化的，因此通过长期观测后，对ＫＧＤ２０００中的一部分点
位移动量相对平稳的点，将提供年运动速率，以保持点ＫＧＤ２０００中坐标框架点的坐标值的现势性。
ＫＧＤ２０００的核心部分是有足够数量和分布合理的ＧＰＳ连续运行站（ＣＯＳ）。目前在韩国国土地理院（ＮＧＩ）运行的ＣＯＳ有１４个。韩国国土地理院（ＮＧＩ）对上述各ＣＯＳ所接收的ＧＰＳ追踪数据，每星期计算一次，计算的主要内容是对各个ＣＯＳ在１周内每天在ＩＴＲＦ９７内的坐标。用以监测各个ＣＯＳ的运行稳定性和点位稳定性。ＮＧＩ正在利用ＫＧＤ２０００努力开拓业务，为韩国的其他部门提供广泛服务，受到有关部门特别是地质、地震、大气、导航等单位的青睐。
４．５马来西亚大地基准现代化晡１
马来西亚采用三维地心坐标的考虑大致有四个方面：一、今后卫星定位技术会越来越广泛的应用，但其定位（或导航）结果和现行马来西亚的大地坐标系统不匹配，相差较大（达２００余米）；二、东西马来西亚的大地联结原来是通过经典大地测量技术进行的，精度较差；
三、迅猛发展的各种类型、各种地理范围的ＧＩＳ，只有采用一个最符合地球真实情况的大地坐标系才能相互配适和便于交换；四、马来西亚的邻国如迪拜（Ｄｕｂａｉ）和新西兰都已趋向于采用三维地心大地坐标系。
马来西亚建立国家三维地心大地坐标系统ＮＧＲＦ２０００时．采用了三个步骤。第一个步骤是建立分布全国的数拾个ＧＰＳ永久性连续运行站（ＭＡＳＳ）。ＭＡＳＳ各站坐标定义于１ＴＲＦ９７，历元为２０００．０，其平差后精度的水平分量为±１ＣｌＴＩ，高程分量为±２ｃｍ。在解算ＭＡＳ
Ｓ各站坐标值的同时算了相应的平均移动量。ＭＡＳＳ网是定义了马来西亚三维地心大地坐标系统，也是马来西亚大地坐标框架ＮＧＲＦ２０００的骨干。
第二个步骤是将马来西亚已有的ＧＰＳ大地网（ｅＣＧＮ），共２３８个点拼接到ＭＡＳＳ网上，以使马来西亚三维地ｂ坐标框架点的分布和密度实用、合理，以最终建成马来西亚国家的新的三维地心大地坐标系统。它所在的坐标系统和ＭＡＳＳ保持一致即由１ＴＲＦ９７定义，历元为２０００．０。
因此马来西亚认为该国具有了这样一个与国际通用的高精度三维地心大地坐标系后，对精确统一该国的东西两大区域的坐标系统做出了贡献；为该国正在蓬勃发展的地理信息系统建立了一个统一的基础地理框架；在应用ＧＰＳ等空间技术方面会得到最大的好处，并且为社会提供ＧＰＳ在陆海动态实时定位（导航）、气象、海平面监测和地震预报等方面服务有了良好基础。
５关于中国采用地心三维坐标系统的探讨
５．１我国大地坐标系统的现状和问题
目前使用的西安１９８０坐标系（以下简称西安８０系），从技术和应用方面考虑，存在下面几个问题：
①二维坐标系统。即任何所考虑对象的三维坐标在西安８０系中只表现为平面的二维坐标。②椭球定位。西安８０系是由（中国）大陆局域高程异常最佳符合（即［ｆ２］＝ｍｉｎ）方法定位。因此它不仅不是地心定位，而且当时确定定位时也没有顾及占中国全部国土面积
近１／３的海域国土。③大地测量常数。随着科学技术的发展，原来在２０世纪７０年代用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数，已有了更新和改善。其中如椭球大小，西安８０系采用的椭球是１ＡＧｌ９７５椭球，它的椭球长半轴要比现在国际公认的、或是卫星定位技术（ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ等）中所采用的相应值要大３ｍ左右。④椭球短轴的指向。西安８０系采用指向ＪＹＤｌ９６８．０极原点，与国际上通用的地面坐标系如１ＴＲＳ，或与ＧＰＳ定位中采用的ＷＧＳ８４等椭球短轴的指向（ＢＩＨｌ９８４．０）不同。
５＿２大地坐标框架的现状和问题
大地坐标框架是大地坐标系统的实现，也是国家平面基准服务于用户最根本最实际的途径。目前提供全国使用的大地坐标框架是用经典大地测量技术所测定的全国天文大地网。它由４８０００余个大地控制点组成，这些点问的相对精度为３×１０～，在我国大陆的分布密度约为１：１５ｋｉｎ×１５ｋｍ。但我国的这一大地坐标框架目前也存在四个方面的问题：
①大地网点损毁。近５万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁了近１／３，而在经济发展
陕的地区，这一现象更为严重。②卫星定位精度。卫星定位技术得到了广泛应用，其点位平面位置的相对定位精度已可达ｌｏ。量级以上，要比现行的全国大地坐标框架的精度高出一到两个量级。③卫星定位的三维成果。卫星定位的测量成果是三维的、立体的，而现行的大地坐标框架是二维的、平面的。因此，高精度的卫星定位技术所确定的三维测量成果，与较低精度的、国家的二维大地坐标框架，不能互相配适。④卫星定位的实时成果。实时或准实时定位已不仅仅是导航部门的需求，在地震和地质灾害监测、天气预报等部门，都要求提供框架点的实时或准实时坐标，这种要求也是现行大地坐标框架点所难以满足的。
对我国国土范围内所考虑对象的空间位置（不论该对象是处于静态还是动态），都需要一个全国统一的、协调一致的大地坐标系统和大地坐标框架。面临空间和信息技术及其应用的迅猛发展和广泛普及，在创建数字中国的过程中，单纯采用目前的非地心、二维、低精度、静态的大地坐标系统和大地坐标框架作为我国现代平面基准，它所带来的不协调会愈来愈多。
５．３采用符合客观空间实际的三维地心大地坐标系统
过去由于科技水平的限制，大地坐标系统在实际使用中一般不采用三维坐标。此外，由于人类总是习惯对平面介质（例如纸或屏幕）上的目标进行观测。也就是说，人们常常将三维空间的目标以某种数学关系投影到二维的平面介质上进行考察研究。这种将三维空间目标转达化为二维后，该目标第三维
的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性处理，这样在许多场合会导致空间目标在划分与表达方面的困难。随着空间技术和虚拟技术的发展，采用符合客观空间实际的三维坐标，将是一种必然的趋势。
三维坐标系统的原点可以是参心的，也可以是地心的。若采用以地球质心为大地坐标系的原点，即采用地心坐标系的优点是明显的。因为这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象，特别是空间物体运动的本始参照系，但长期以来由于人类不能精确确定地心的位置，因而较少使用。但目前利用空间技术等手段已可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有它的必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果，客观上都是以地心坐标系为参照系，因此采用这一坐标系作为我国平面基准，就能最有效地利用这一技术，能最大限度的取得这一技术所带来的好处。
５．４我国地，Ｌ＇－－维坐标系的定义和大地测量基本常数
假如我国今后采用三维地心坐标系统，则我国地心坐标系的定义应和国际通用地面参考系（ＩＴＲＳ）”．７３的定义在原则上保持一致，但在采用潮汐改正方面应和当前国际上的决定”。“，即采用零潮汐系统保持一致。至少应给出无潮汐系统和零潮汐系统的转换关系。
在ＩｕＧＧ２００３日本扎晃大会期间，多数大地测量学者总的还是认为大地基本常数目前仍宜保持
ＧＲＳ８０基本不变，这一意见也得到了ＩＡＧ的支持。下面将近年来关于大地测量基本常数的主要研究成果列出如表１［１２－’６］，以供今后重新确定我国大地测量基本常数值时参考。
表ｌ大地测量基本常数
・表示事先给定的地球水准椭球的参数，・＊ｗｏ（１０７ｍ２ｓ。２）（ＥＧＭ９６）＝６２６３６８５８６９７．…相应于零潮汐系统５．５中国地心三维坐标框架的特点
为了在中国实现地心三维坐标系统，必须要有相应的地心三维坐标框架才能实现。它除了具有地心和三维的特点外还应着重考虑具备以下四个方面的特点。①高精度。现代地心三维坐标框架点间的相对精度应不低于１０～，相对于地心的绝对精度也要不低于ｌｏ‘。。
②涵盖全部陆海国土。目前中国经济、社会和国防的发展，海洋资源的利用和开发，航空航天和航海技术的进展，都要求中国现代大地坐标框架的确定和服务应是涵盖中国的全部陆海国土。③动态。现代坐标框架具有高精度的特点，因此它们只是相应于某一时刻（历元）的数值。为了真正保持它们的精确性，就必须保持它们的现势性。即不仅仅向用户提供涉及某一历元的框架点的坐标值，还必须提供它们相应的时间变率。因此现代大地坐标框架是动态的，或是准动态的。④实用。２００３年国家测绘部门能向用户提供的地心三维坐标框架是ＧＰＳ２０００网，但该网点的数量和平均密度分别只有原来天文大地网的ｌ／２０和１／５，平均９幅５万比例尺地形图中才能到一个ＧＰＳ２０００
网点。
总起来说，我国若要采用地心三维坐标系统，则实现它的地心三维坐标框架必须是具有足够数量和分布密度的，高精度的动态地心三维大地点。这样的坐标框架才是实用的，才是满足和方便用户的需求的。
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