详解| 带你认识新一代坐标系
2018年7月1日起全面使用2000国家大地坐标系的消息，让不少人感慨国之大动作的同时，纷纷摸不着头脑。何为2000国家大地坐标系？对日常工作生活会有什么影响？带着疑问，小编带着大家踏入一段科普之旅。
何为大地坐标系
说起坐标系，大家都不会陌生。中学课文中的平面直角坐标系、平面极坐标系、空间直角坐标系，曾让我们焦头烂额又孜孜求学。坐标系，为我们准确表达空间位置信息提供了基准，并展现了其中神奇的数学规律。大地坐标系，是我们所学知识的一个进阶，其主要用于研究地球上物体的定位与运动，是大地测量的基础，与地球科学的其他学科，与陆海空导航，乃至与经济、社会和军事活动均有密切关系。揭开神秘的科学面纱，大地坐标系也正以“地图”、“GPS”、“北斗”、“导航”等形式逐渐渗透进我们的日常工作生活，发挥着无可替代的作用。
图1 大地坐标系
大地坐标系，是将地球模拟成一个规则的椭球，以大地经度（B）、大地纬度（L）、大地高来表示地球表面物体的位置。大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面（通过格林尼治天文台 的子午面）之间的夹角，规定以起始子午面起算，向东由0°至180°称为东经，向西由0°至180°称为西经。大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角，规定由赤道面起算，由赤道面向北从0°至90°称为北纬，向南从0°到90°称为南纬。其中著名的纬线“北回归线”是太阳光线能够直射在地球上最北的界线，横穿于绿水青山的增城境内，其大地纬度值约为北纬23度26分。大地高则是物体到椭球表面的高度（如图1）。通过大地坐标系，人们可以实现对地球上任意物体进行定位。
然而，将经纬度绘制在图面上，不方便直接测量面积和长度，各类证书、图纸上更常见的是平面坐标值。于是便有了地图投影，即将物体位置从不可展平的地球表面投影到一个平面，并保证地物空间信息在区域上的联系与完整。“等角横切椭圆柱投影”，为我国常用的地图投影方式。该方法由大家熟知的德国数学天才高斯于19世纪20年代提出，并在90年后由科学家克吕格补充完善，故又名“高斯-克吕格投影”。为了便于理解，我们可以把地球看做一个大西瓜，然后等分切开，再一瓣瓣展开，便可以得到平面的地图。为了保证展开后变形不致太大，一般切为60份或120份，一份又称为一分带，又叫6度分带和3度分带。增城常用的正是3度分带，又由于其刚好在第38带，故有些图纸上的坐标值前头会加上38二字。（如图2、3）
图2 高斯-克吕格投影
图3 高斯-克吕格投影分带（红色区域即为增城所在的3度分带）
我国大地坐标系的演变
我国常用的大地坐标系有：1954北京坐标系、1980西安坐标系和近年推广的2000国家大地坐标系(如图4)。这些都是基于一定社会、经济和科技发展需要和发展水平的历史产物。
图4 我国常用坐标系的演变
1954北京坐标
新中国成立后，被战争蹂躏的各行各业开始复苏，在全国范围内开展正规、全面的测绘工作成为了社会、经济发展的基础。由于当时“一边倒”的政治趋向，我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联已有的1942年坐标系进行联测，通过计算快速建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸，起算点在前苏联玻尔可夫天文台，而不是北京。
1980西安坐标
由于1954北京坐标系起算点在前苏联，其所用椭球跟我国境内陆表形状相差较远，对后来我国的科学发展逐渐不适应。1975年始，我国对郑州、武汉、西安、兰州等地的地形、地质、重力、大地构造等因素进行了实地考察，并发现基于陕西省泾阳县来起算的椭球，与我国似大地水准面更为符合。于是，1980年国家大地坐标系建立了，并将我国的首个大地原点设立在泾阳县境内（如图5、6），同时采用了国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的IAG 75地球椭球体数据。这是我国测绘事业独立自主的象征，并实现了与国际化接轨，在经济建设和科学技术研究方面发挥着举足轻重的作用。由于泾阳县位于西安市腹地，故该坐标系又称为：1980西安坐标系。
图5 大地原点主建筑
图6 大地原点中心标志
2000国家大地坐标系
1954北京坐标系和1980西安坐标系，在我国经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大的作用。限于当时的技术条件，这两个坐标系都是依赖于传统技术手段在地表观测形成，其原点亦均选在地表并严加看护，仅限用于区域性的定位研究，成果精度偏低、无法满足新时期大地测绘的要求。随着航空航天事业的发展，及空间技术的成熟与广泛应用，1954北京坐标系和1980西安坐标系在成果精度和适用范围越来越难满足国家需求。2000国家大地坐标系，作为一个高精度的、以地球质量中心为原点、动态、实用、统一的大地坐标系应运而生。
历经多年，中国测绘、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世纪末先后建成国家GPS A、B级网、全国 GPS一、二级网，中国地壳运动观测网和许多地壳形变网，为地心大地坐标系的实现奠定了较好的基础。中国大地坐标系更新换代的条件也已具备，2008年4月，国务院批准自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。新坐标系实现了由地表原点到地心原点、由二维到三维、由低精度到高精度的转变，更加适应现代空间技术发展趋势；满足我国北斗全球定位系统、全球航天遥感、海洋监测及地方性测绘服务等对确定一个与国际衔接的全球性三维大地坐标参考基准的迫切需求。
2000国家大地坐标系带来的影响
1.助力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，全球卫星导航系统为传统的测绘行业带来了质的飞跃。但是，在1980西安坐标系和1954北京坐标系下，使用GPS无可避免的需要坐标转换，一定程度上限制了其推广。随后，俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的伽利略系统和我国的北斗系统逐渐崛起（如图7），为人类带来了巨大的社会和经济效益。2000国家大地坐标系的诞生，将四大卫星导航系统的数据有效的整合在了一起，通过CORS技术（利用多基站网络RTK技术建立连续运行卫星定位服务参考站），可更快速、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、实时定位以及导航等的要求，满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控，矿山测量等多种业务的现代化信息化管理需求。
图7 全球四大卫星导航系统
2.为自然资源整合搭建空间框架基础
2018年，十三届全国人大一次会议上成立了自然资源部，以统一行使全民所有自然资源资产所有者职责，统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责，着力解决自然资源管理不到位、空间规划重叠等问题，并实现山水林田湖草整体保护、系统修复、综合治理。2000国家大地坐标系将为其进行自然资源整合，开展“多规合一”、山水林田湖草调查与确权等工作提供地理空间框架基础。
3.需开展过渡期的坐标转换工作
在测绘系统管理方面，《测绘法》明确规定由国家建立全国统一的测绘系统，“从事测绘活动，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。”
国务院在2008年启动2000国家大地坐标系时，设定了一个8-10年的衔接过渡期。如今十年已至，各项推动新坐标系落地的测绘地理信息技术和行政审批环境皆已成熟，坐标系的更新换代已切实来到我们身边！2017年3月，国土资源部、国家测绘地理信息局联合发文《关于加快使用2000国家大地坐标系的通知》（国土资发﹝2017﹞30号），2018年7月1日起全面使用2000国家大地坐标系。2017年8月、10月，广东省、广州市相继制定了新坐标系的实施方案，从业务数据的上传、下发入手，全面使用2000国家大地坐标系，确保坐标系更新换代工作平稳有序开展。此后，1980西安坐标系、1954北京坐标系，这样的标识将越来越少的出现在各类新项目的图纸、证书上（已经开展的项目沿用原有坐标系，项目结束后在对项目成果进行坐标转换）。而新旧坐标系的数据、图纸相叠加，必然产生位置交错，坐标转换是唯一解决之道。
实现统一的地理空间框架和基准对实现全区空间数据共享共建，进而实现智慧城市，满足城市快速发展数字化需要具有重要意义。
来源：增城规划与测绘