鮑建寬,李永利,李秀海
(1.黑龍江工程學(xué)院 測繪工程系,黑龍江 哈爾濱 150050;2.河南省測繪地理信息局 遙感測繪院,河南 鄭州 450003)
大地坐標(biāo)系是以旋轉(zhuǎn)橢球?yàn)榇蟮鼗鶞?zhǔn)建立起來的用于表達(dá)地球表面空間位置及其相對(duì)關(guān)系的數(shù)學(xué)參照系。它的建立有一個(gè)歷史發(fā)展過程,在不同時(shí)期,采用的參考橢球參數(shù)及定位方式都不會(huì)完全相同,并逐步完善和精化。因此,存在不同大地坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)互相轉(zhuǎn)換問題。目前,我國就有1954北京坐標(biāo)系、新1954北京坐標(biāo)系、1980年國家大地坐標(biāo)系、2000中國大地坐標(biāo)系,幾種坐標(biāo)系共存。還有GPS系統(tǒng)采用的WGS-84坐標(biāo)系、GLONASS系統(tǒng)采用的PZ-90坐標(biāo)系,這些衛(wèi)星定位測量成果也需要轉(zhuǎn)換為我國的相應(yīng)坐標(biāo)系中。此外,在一些地區(qū),由于工程建設(shè)的急需(如礦山開發(fā)、新城市建設(shè)等)而建立的局部獨(dú)立坐標(biāo)系,也需要把局部的獨(dú)立坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)換到相應(yīng)國家統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。本文就不同的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型的原理與適用條件進(jìn)行探討。
兩空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示,其中坐標(biāo)系O′-X′Y′Z′是由原坐標(biāo)系O-XYZ通過繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)(3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)分別為εX,εY,εZ)、坐標(biāo)原點(diǎn)平移(3個(gè)平移參數(shù)分別為ΔX0,ΔY0,ΔZ0)得到,再顧及兩個(gè)坐標(biāo)系尺度不盡一致,從而還有一個(gè)尺度變化參數(shù)(μ),共計(jì)有7個(gè)參數(shù)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角ε較小時(shí),相應(yīng)的布爾莎坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為
圖1 兩個(gè)三維直角坐標(biāo)系的關(guān)系
實(shí)踐中,通過將兩個(gè)坐標(biāo)系中公共已知點(diǎn)的坐標(biāo)代入式(1),解算轉(zhuǎn)換參數(shù),然后再由式(1)把原坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)轉(zhuǎn)換為新坐標(biāo)(Xi′,Yi′,Zi′),最后把空間直角坐標(biāo)(Xi′,Yi′,Zi′)化為大地坐標(biāo)(Bi′,Li′,Hi′),再化為測繪工程中使用的高斯平面坐標(biāo)。
為了可靠地求定兩個(gè)不同空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式中的7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)ΔX0、ΔY0、ΔZ0、εX、εY、εZ、μ,則至少需要3個(gè)公共點(diǎn),當(dāng)具有3個(gè)以上的公共點(diǎn)時(shí),可按最小二乘法求得7個(gè)參數(shù)的最或然值。若令a1=1+μ,a2=a1εX,a3=a1εY,a4=a1εZ,則可將式(1)改寫為
若取
由式(2)得誤差方程
當(dāng)有m(m≥3)個(gè)公共點(diǎn)時(shí),可分別列出3m個(gè)誤差方程。根據(jù)最小二乘原理VTPV=min的要求,可由誤差方程列出法方程,進(jìn)一步解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)。
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)布爾莎模型是舍去高次項(xiàng)后的線性化模型,當(dāng)旋轉(zhuǎn)角ε≤5″時(shí),對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的影響值最大不過5mm;當(dāng)旋轉(zhuǎn)角ε≤10″時(shí),對(duì)計(jì)算轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的影響值最大不過18mm。可見,為減小模型誤差,使用該模型時(shí),坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角不宜大于10″。
2)所求得轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度與公共點(diǎn)坐標(biāo)的精度及誤差方程式系數(shù)陣B有關(guān),而誤差方程式的系數(shù)陣B又取決于公共點(diǎn)的個(gè)數(shù)和幾何分布情況,即轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度與公共點(diǎn)的個(gè)數(shù)與幾何分布情況有關(guān)。因此,為了求得較好的轉(zhuǎn)換參數(shù),應(yīng)選擇一定數(shù)量的精度較高且分布較均勻并有較大覆蓋面的公共點(diǎn)。
3)為削弱誤差較大甚至存在粗差的公共點(diǎn)對(duì)解算轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響,可采用穩(wěn)健估計(jì)的方法進(jìn)行求解,以確保轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的可靠性。
4)當(dāng)利用3個(gè)以上的公共點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)存在多余觀測,由于公共點(diǎn)誤差的影響而使得轉(zhuǎn)換的公共點(diǎn)的坐標(biāo)值與已知值不完全相同,為保持已知點(diǎn)的坐標(biāo)值固定不變,可采用配置法,將公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值改正為已知值,對(duì)非公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值進(jìn)行相應(yīng)的配置。具體方法是:先計(jì)算公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值的改正數(shù)vi=已知值i一轉(zhuǎn)換值i(i=1,2,…,m);再計(jì)算非公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換值的改正數(shù)
式中:m為公共點(diǎn)的個(gè)數(shù);pji=1/S2ji為權(quán);Sji為非公共點(diǎn)j與公共點(diǎn)i間的距離。
5)當(dāng)旋轉(zhuǎn)角ε>10″時(shí),式(1)中的旋轉(zhuǎn)矩陣為
可采用導(dǎo)數(shù)的方法、高斯-牛頓法或者無約束優(yōu)化中的Rosenbrock方法等等,計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。
在布爾莎坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式(1)中,是對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)在原坐標(biāo)系O-XYZ中的位置向量施加旋轉(zhuǎn)和尺度轉(zhuǎn)換,旋轉(zhuǎn)中心就在坐標(biāo)原點(diǎn)O,尺度變換作用于以原點(diǎn)O為起點(diǎn)的向徑OPi。但在大量的實(shí)際應(yīng)用中,往往只是在局部地區(qū)進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,在已有的局部地面控制網(wǎng)中,由于所有的控制點(diǎn)坐標(biāo)都是由網(wǎng)中某一參考點(diǎn)(例如國家大地控制網(wǎng)中的大地原點(diǎn)、首級(jí)工程控制網(wǎng)的起始點(diǎn))依次推算得出的。因此,就應(yīng)將旋轉(zhuǎn)和尺度變換的作用范圍限制在控制網(wǎng)區(qū)域以內(nèi),宜以該參考點(diǎn)PK作為變換中心(見圖2),與此相應(yīng)的即為莫洛金斯基坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。
圖2 地方坐標(biāo)系與目標(biāo)坐標(biāo)系的關(guān)系
在莫洛金斯基坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型中,(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)為坐標(biāo)系O-XYZ的原點(diǎn)O在坐標(biāo)系O′-X′Y′Z′中位置向量,亦即兩坐標(biāo)系間的3個(gè)平移參數(shù);(XK,YK,ZK)則為參考點(diǎn)PK在O-XYZ坐標(biāo)系中的位置參數(shù);(εX,εY,εZ)是以參考點(diǎn)PK為旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)參數(shù);μ為參考點(diǎn)PK到網(wǎng)中任一點(diǎn)Pi間向徑的尺度變化參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算方法同布爾莎轉(zhuǎn)換模型。
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)莫洛金斯基坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型更適用于參心坐標(biāo)系與地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,以及地方坐標(biāo)系與國家坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。
2)在進(jìn)行參心坐標(biāo)系與地心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換時(shí),由于參心大地坐標(biāo)系都是用傳統(tǒng)測量技術(shù)建立的,并非嚴(yán)格意義上的三維坐標(biāo)系,難以實(shí)現(xiàn)與三維地心坐標(biāo)系的嚴(yán)格轉(zhuǎn)換,求得的參數(shù)就不夠可靠。又因?yàn)閰⑿拇蟮刈鴺?biāo)系在參考橢球定位定向時(shí)難以滿足理想條件,坐標(biāo)系本身的偏差,也存在著地面網(wǎng)定位定向的系統(tǒng)誤差,且由于地殼形變等多種原因使地面網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)值隨時(shí)間延續(xù)而發(fā)生變化。因此,地面網(wǎng)參心坐標(biāo)系的系統(tǒng)誤差,使得數(shù)值較小的3個(gè)旋轉(zhuǎn)角難以準(zhǔn)確求定,旋轉(zhuǎn)角參數(shù)的估值在數(shù)值上往往與其本身的中誤差相接近。這樣,有時(shí)就不考慮旋轉(zhuǎn)和尺度變換,而僅取用3個(gè)平移參數(shù)。
在莫洛金斯基轉(zhuǎn)換模型中,若把旋轉(zhuǎn)中心由參考點(diǎn)PK變?yōu)樽鴺?biāo)原點(diǎn)O,亦即旋轉(zhuǎn)參數(shù)(εX,εY,εZ)仍為坐標(biāo)系O-XYZ通過以O(shè)為中心繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度,則得到武測轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換公式為
如圖3所示,3個(gè)旋轉(zhuǎn)角(ωX,ωY,ωZ)是以控制網(wǎng)參考點(diǎn)PK的站心地平坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸PKx,PKy,PKz為旋轉(zhuǎn)軸,這點(diǎn)是與莫洛金斯基轉(zhuǎn)換模型所不同的;而(ΔX0,ΔY0,ΔZ0)為坐標(biāo)系O-XYZ原點(diǎn)O在坐標(biāo)系O′-X′Y′Z′中的位置向量,亦即兩坐標(biāo)系間的3個(gè)平移參數(shù);μ為參考點(diǎn)PK到網(wǎng)中任一點(diǎn)Pi間向徑的尺度變化參數(shù)。這構(gòu)成了范士轉(zhuǎn)換模型的7個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。
據(jù)(εX,εY,εZ)與(ωX,ωY,ωZ)的關(guān)系,則
把式(9)代入式(7)既得范士轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換公式。
對(duì)于不同大地坐標(biāo)系的換算,除了包含3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度變化參數(shù)外,還包括2個(gè)地球橢球元素變化參數(shù)。不同大地坐標(biāo)系的換算公式為
式(10)通常稱為廣義大地坐標(biāo)微分公式或廣義變換橢球微分公式。
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)根據(jù)m(m>3)個(gè)以上公共點(diǎn)的兩套大地坐標(biāo)值,由式(10)參照式(3)和式(4)可以列出3m個(gè)誤差方程,采用最小二乘原理可求出其中的轉(zhuǎn)換參數(shù)。
2)在通常情況下,兩個(gè)不同大地坐標(biāo)系的da,dα是已知的。對(duì)于同一國家或地區(qū),盡管大地坐標(biāo)系因參考橢球元素和定位定向改變,但坐標(biāo)軸總設(shè)定是平行的。對(duì)于同一大地網(wǎng),長度變化參數(shù)μ總為零,對(duì)于不同大地網(wǎng),μ相差也不會(huì)太大。因此,在一般情況下可以略去εX,εY,εZ,μ諸參數(shù),而只解求ΔX0、ΔY0、ΔZ03個(gè)橢球定位變動(dòng)量,即坐標(biāo)系原點(diǎn)的平移量。
如圖4所示,舊坐標(biāo)與新坐標(biāo)的關(guān)系為
圖4 兩個(gè)平面直角坐標(biāo)系的關(guān)系
若取c=kcosθ,d=ksinθ,則
此即為相似轉(zhuǎn)換模型。各參數(shù)的幾何意義:k為尺度參數(shù);θ為旋轉(zhuǎn)參數(shù);a,b為平移參數(shù)。
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)當(dāng)測區(qū)內(nèi)具有新舊兩種坐標(biāo)系的m(m>2)個(gè)公共點(diǎn)時(shí),即可利用最小二乘法求定新舊坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。誤差方程的列立參照式(3)和式(4)。
2)與三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一樣,由于公共點(diǎn)的坐標(biāo)存在誤差,求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將受其影響,公共點(diǎn)坐標(biāo)誤差對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響與點(diǎn)位的幾何分布及點(diǎn)數(shù)的多少有關(guān),因而為了較好地求得轉(zhuǎn)換參數(shù),應(yīng)選擇一定數(shù)量的精度較高且分布較均勻并有較大覆蓋面的公共點(diǎn)。同樣,可采用穩(wěn)健估計(jì)的方法進(jìn)行求解,以此削弱誤差較大甚至存在粗差的公共點(diǎn)對(duì)解算轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。
3)相似轉(zhuǎn)換僅適用于投影方式、橢球元素、橢球定位均相同的情形。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換參數(shù)的意義較為明確,計(jì)算簡便,其常數(shù)能保證轉(zhuǎn)換過程的正形性。不足之處在于,它只適用于小范圍內(nèi)、局部坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,且沒有考慮兩坐標(biāo)系間的局部變形和誤差積累,轉(zhuǎn)換精度較低。
4)轉(zhuǎn)換公式的轉(zhuǎn)換元素a,b,θ,k中,a,b,θ是常量,而k由于存在邊長高斯改正,則有所變動(dòng)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí),在一定范圍內(nèi),可以將測區(qū)投影高程面及高斯平面各邊的長度比k視為一個(gè)常量,其原則是在一個(gè)測區(qū)內(nèi)用一個(gè)k值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,其長度變形值不超過25cm/km。由于長度變形與線段距X軸的距離(即端點(diǎn)Y坐標(biāo)的平均值ym)、線段長度及該地的平均地球曲率半徑有關(guān),據(jù)此可計(jì)算出相似轉(zhuǎn)換模型的適用區(qū)域大小,結(jié)果列于表1。
依據(jù)正形投影的柯西—黎曼條件,可推導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)系間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的正形轉(zhuǎn)換模型為
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)在式(12)中僅取一次項(xiàng),則與式(11)表示的相似變換模型一樣。與相似變換相比,正形變換法比相似變換法精度要高,它適用于變換區(qū)域相當(dāng)大的情形。
2)同樣,正形轉(zhuǎn)換也要求兩坐標(biāo)系的投影方式相同,橢球元素橢球定位也相同。因此,它只能用于各局部坐標(biāo)系間滿足以上條件的變換。并且它只能用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,不能解決投影變形。即它也把投影變形由原坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到新坐標(biāo)系中。
3)在沒有多余公共已知點(diǎn)的條件下解出各變換參數(shù)pi,qi,經(jīng)變換后在公共點(diǎn)上新、舊網(wǎng)互相重合。這樣有可能使舊網(wǎng)變形過大,特別是舊網(wǎng)中遠(yuǎn)離公共點(diǎn)的點(diǎn)位可能糾正過甚,致使結(jié)果不好。
4)實(shí)用上,模型公式(12)中變換參數(shù)僅保留到p3,q3即可。通常需要4個(gè)以上的公共點(diǎn),列出誤差方程,利用最小二乘法解算各變換參數(shù)pi,qi(i=0,1,2,3)。
5)當(dāng)兩平面直角坐標(biāo)系屬于同一橢球的高斯平面直角坐標(biāo)系,但兩者存在若起始數(shù)據(jù)或投影軸子午線的差異時(shí),例如城市、礦區(qū)的新舊控制網(wǎng),或它們與國家大地網(wǎng)之間往往存在這種情況,需要先進(jìn)行高斯投影解算,把舊坐標(biāo)系歸算相同的投影面上。然后再進(jìn)行兩網(wǎng)的正形轉(zhuǎn)換計(jì)算。
6)當(dāng)兩坐標(biāo)系屬不同的參考橢球參數(shù)和定位時(shí),需要先進(jìn)行坐標(biāo)基準(zhǔn)變換。例如,1954年北京坐標(biāo)系的大地點(diǎn)和1980年國家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,先把公共點(diǎn)平面坐標(biāo)由高斯投影公式化為大地坐標(biāo);然后依據(jù)大地坐標(biāo)微分公式(10)解算兩空間直角坐標(biāo)系的平移參數(shù);再把平移參數(shù)和橢球變化參數(shù)代入大地坐標(biāo)微分公式(10)計(jì)算非公共點(diǎn)的80坐標(biāo)系的大地坐標(biāo);第四步,把非公共點(diǎn)的80坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)化為高斯平面坐標(biāo);最后,在80坐標(biāo)系內(nèi),進(jìn)行兩網(wǎng)的正形轉(zhuǎn)換計(jì)算,完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算工作。
設(shè)新坐標(biāo)系中點(diǎn)的坐標(biāo)為(X′,Y′),舊坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y),則多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換的表達(dá)式為
若取轉(zhuǎn)換區(qū)域中心附近的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X0,Y0),式(13)可以表示為
實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題:
1)按式(13)若取二次多項(xiàng)式模型,計(jì)算到待定系數(shù)到a5和b5至少需要6個(gè)公共點(diǎn)坐標(biāo),當(dāng)公共點(diǎn)多于6個(gè)時(shí),利用最小二乘法解算待定系數(shù)。
2)多項(xiàng)式擬合法是一種采用平面坐標(biāo)位置作為因變量的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。當(dāng)公共點(diǎn)分布較均勻且點(diǎn)間距離適當(dāng)?shù)那闆r下,所建立數(shù)學(xué)模型能夠達(dá)到較好轉(zhuǎn)換精度。
3)多項(xiàng)式擬合法的最大特點(diǎn)是以轉(zhuǎn)換點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)為因變量,不需知道目標(biāo)橢球似大地水準(zhǔn)面差距ζ,就能夠?qū)崿F(xiàn)不同坐標(biāo)系間的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度高、成果可靠、便于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),適合任意坐標(biāo)系間平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算。
4)如果需要轉(zhuǎn)換的區(qū)域較大,公共點(diǎn)較多,可以選擇更高階數(shù)的多項(xiàng)式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
在多種測量坐標(biāo)系統(tǒng)并存共用的今天,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算工作是測量計(jì)算的重要內(nèi)容之一。需注意以下問題:
1)在選用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型時(shí),要綜合考慮待轉(zhuǎn)換的兩個(gè)坐標(biāo)系的基本信息、待轉(zhuǎn)區(qū)域的地理位置(距離央子午線的距離)、區(qū)域的面積、公共點(diǎn)的多少與分布等情況,來選擇適宜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。
2)對(duì)公共點(diǎn)的選擇,精度上要擇優(yōu)選擇控制網(wǎng)的起算點(diǎn)及高精度控制點(diǎn);其個(gè)數(shù)要多于模型要求的最少個(gè)數(shù);公共點(diǎn)位置要分布均勻,包圍整個(gè)測區(qū),在測區(qū)內(nèi)部選定若干個(gè)均勻分布的公共點(diǎn)對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行檢核。
3)對(duì)于不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型原理簡單,數(shù)值穩(wěn)定可靠,但只適合于較小區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為三維模型,在空間直角坐標(biāo)系中,兩坐標(biāo)系之間存在嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換模型,由于理論比較嚴(yán)密,不存在模型誤差和投影變形誤差,因而它適合于任何區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
4)對(duì)于各局部坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換,當(dāng)投影方式不同時(shí),可采用多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)投影方式相同時(shí),可采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型、三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型;如果變換區(qū)域范圍較大,精度要求較高,可采用正形轉(zhuǎn)換。
5)由局部坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換時(shí),多項(xiàng)式轉(zhuǎn)換模型是一種切實(shí)可行的方法。
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