地理坐标系及我国大地坐标系和高程系

地理坐标系是指用经纬度表示地面点位的球面坐标系。在大地测量学中，对于地理坐标系统中的经纬度有三种描述：即天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。

大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置。这种位置包括两个方面：一是点在地球椭球面上的平面位置，即经度和纬度；二是确定点到大地水准面的高度，即高程。为此，必须首先了解确定点位的坐标系。

1.地理坐标系

对地球椭球体而言，其围绕旋转的轴叫地轴。地轴的北端称为地球的北极，南端称为南极；过地心与地轴垂直的平面与椭球面的交线是一个圆，这就是地球的赤道；过英国格林威治天文台旧址和地轴的平面与椭球面的交线称为本初子午线。以地球的北极、南极、赤道和本初子午线等作为基本要素，即可构成地球椭球面的地理坐标系统（图2-3）。其以本初子午线为基准，向东，向西各分了1800，之东为东经，之西为西经；以赤道为基准，向南、向北各分了900，之北为北纬，之南为南纬。

地理坐标系是指用经纬度表示地面点位的球面坐标系。在大地测量学中，对于地理坐标系统中的经纬度有三种描述：即天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。

（1）天文经纬度

天文经度在地球上的定义，即本初子午面与过观测点的子午面所夹的二面角；天文纬度在地球上的定义，即为过某点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。天文经纬度是通过地面天文测量的方法得到的，其以大地水准面和铅垂线为依据，精确的天文测量成果可作为大地测量中定向控制及校核数据之用。

（2）大地经纬度

地面上任意一点的位置，也可以用大地经度L、大地纬度B表示。大地经度是指过参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面之间的二面角，大地纬度是指过参考椭球面上某一点的法线与赤道面的夹角（图2-3）。大地经纬度是以地球椭球面和法线为依据，在大地测量中得到广泛采用。

（3）地心经纬度

地心，即地球椭球体的质量中心。地心经度等同于大地经度，地心纬度是指参考椭球体面上的任意一点和椭球体中心连线与赤道面之间的夹角。地理研究和小比例尺地图制图对精度要求不高，故常把椭球体当作正球体看待，地理坐标采用地球球面坐标，经纬度均用地心经纬度。地图学中常采用大地经纬度。

2.我国的大地坐标系统

世界各国采用的坐标系不同。在一个国家或地区，不同时期也可能采用不同的坐标系。我国目前沿用了两种坐标系，即1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。

（1）1954年北京坐标系

1954年，我国将前苏联克拉索夫斯基椭球元素建立的坐标系，联测并经平差计算引伸到了我国，以北京为全国的大地坐标原点，确定了过渡性的大地坐标系，称1954北京坐标系。其缺点是椭球体面与我国大地水准面不能很好地符合，产生的误差较大，加上1954年北京坐标系的大地控制点坐标多为局部平差逐次获得的，不能连成一个统一的整体，这对于我国经济和空间技术的发展都是不利的。

（2）1980年国家大地坐标系

我国在30年测绘资料的基础上，采用1975年第16届国际大地测量及地球物理联合会（IUGG/IAG）推荐的新的椭球体参数，以陕西省西安市以北泾阳县永乐镇某点为国家大地坐标原点，进行定位和测量工作，通过全国天文大地网整体平差计算，建立了全国统一的大地坐标系，即1980年国家大地坐标系，简称1980年西安原点或西安80系。其主要优点在于：椭球体参数精度高；定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合好；天文大地坐标网传算误差和天文重力水准路线传算误差都不太大，而且天文大地坐标网坐标经过了全国性整体平差，坐标统一，精度优良，可以满足1：5000甚至更大比例尺测图的要求等。

随着卫星定位导航技术在我国的广泛使用，我国目前提供的“西安80系”这一大地坐标系统成果与目前用户的需求和今后国家建设的进展、社会的发展存在矛盾：（1）坐标维的矛盾。目前提供的2维坐标不能满足需要3维坐标和大量使用卫星定位和导航技术的广大用户的需求，也不适应现代的3维定位技术；（2）精度的矛盾。利用卫星定位技术可以达到10-7-10-8的点位相对精度，而西安80系的精度只能保证3×10-6。这种坐标精度的不适配会产生诸多问题；（3）坐标系统（框架）的矛盾。由于空间技术、地球科学、资源、环境管理等事业的发展，用户需要提供与全球总体适配的地心坐标系统（如ITRF），而不是如“西安80系”这样的局部定义的坐标系统。

改善和更新我国现有的大地坐标系统，必须消除上述各方面的矛盾。我国现有的3个GPS网，已为改善现行的2维坐标系，创建国家统一的3维地心坐标系统创造了条件。

3.高程系

高程控制网的建立，必须规定一个统一的高程基准面。解放前，我国曾使用过1956年黄海平均海面、坎门平均海水面、吴凇零点、废黄河零点和大沽零点等多个高程基准面。建国以后，利用青岛验潮站1950-1956年的观测记录，确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面，并且在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统，统称“1956年黄海高程系”。统一高程基准面的确立，克服了解放前我国高程基准面混乱以及不同省区的地图在高程系统上普遍不能拼合的弊端。

多年观测资料显示，黄海平均海平面发生了微小的变化。因此，1987年国家决定启用新的高程基准面，即“1985年国家高程基准”。高程基准面的变化，标志着水准原点高程的变化。在新的高程系统中，水准原点的高程由原来的72.289m变为72.260 m 。这种变化使高程控制点的高程也随之发生了微小的变化，但对已成地图上的等高线高程的影响则可忽略不计。

由于全球经济一体化进程的加快，每一个国家或地区的经济发展和政治生活都与周边国家和地区发生密切的关系，这种趋势必然要求建立全球统一的空间定位系统和地区性乃至全球性的基础地理信息系统。因此，除采用国际通用ITRF系统之外，各国的高程系统也应逐步统一起来，当然这并不排除各个国家和地区基于自己的国情建立和使用适合自身情况的坐标系统和高程系统，但应和全球的系统进行联系，以便相互转换。