七引數空間直角座標系座標轉換

2021-09-22 01:44:07 字數 1671 閱讀 8893

一、引言

在測繪領域中,經常遇到不同空間直角座標系之間轉換的問題,比如在空間大地測量,攝影測量以及gis,gps在測量中經常會用到wgs-84座標系與我國北京54座標系或與地方座標系之間的轉換,空間直角座標轉換的七引數模型主要有1.布林莎模型;2.莫洛琴斯基模型;3.武測模型。

目前大多實際應用多採用布林莎模型(即包含3個座標平移引數,3個角度旋轉引數和1個尺度縮放引數),以下將討論基於布林莎模型的小旋轉角,以及大旋轉角的空間直角座標的轉換問題。

二、空間直角座標系座標轉換原理

2.1 空間直角座標系的概念

空間直角座標系的座標原點為橢球的中心,x軸為赤道面和起始子午面的交線;將在赤道面上並與x軸垂直的方向定為y軸;座標系的z軸為橢球的旋轉軸,由此構成右手直角座標系o-xyz。在空間直角座標系中,空間中某點的座標用該點在三個座標軸上的投影表示,和大地座標系是一一對應的

2.2 布林莎模型

如圖所示,設有兩個空間直角座標系o-xyz和o』-x』y』z』,這兩個座標系的原點不相一致,即存在三個平移引數、、,它們是o-xyz座標系原點o在o』-x』y』z』中的座標;當各座標軸相互不平行,即存在三個旋轉引數、、;兩個座標系的尺度也不一致,設o-xyz的尺度為1,而設o』-x』y』z』的尺度為1+m,尺度變化為m。

採用布林沙模型將o』-x』y』z』下座標轉換為o-xyz下座標的步驟為:

(1)將o-xyz繞x軸順時針旋轉角,使經過旋轉後的y軸與o』-x』y』z』平面平行;

(2)將o-xyz繞y軸順時針旋轉角,使經過旋轉後的 z軸與 o』-x』y』z』平面平行;

(3)將o-xyz繞z軸順時針旋轉角,使經過旋轉後的x軸與o』-x』y』z』平面平行;此時o-xyz的三個座標軸己與o』-x』y』z』中相應的座標軸平行;

(4)將o-xyz的原點分別沿x移動,y移動和z移動,使原座標系與o』-x』y』z』的原點重合。

(5)將o-xyz中的長度單位縮放l+m倍,使其與o』-x』y』z』的長度單位一致。

可用數學公式將該轉換過程表達如下:

(2.1)

其中:今令:

(2.2)

其中:通常情況,不同基準的大地座標系之間的3個歐勒角都是非常小,屬於微小量,因此可用等價無窮小替換化簡r矩陣;,,,,,

這樣矩陣r可表示為:

(2.3)

從而採用布林沙模型將o-xyz下座標轉換為o』-x』y』z』下座標的公式可表示為:

(2.4)

將上式進一步整轉換值可寫為如下形式:

(2.5)

這樣,只要至少已知三個點的兩個座標系的座標就可以確定中的七個引數(△x,△y, △z,,,,m),從而確定兩個座標系的轉換關係模型。因為滿足計算條件的最少的三個公共點對應著9個方程,所以七個轉換引數必須通過平差進行計算。

根據上式列出計算七引數的數學模型,由於測量中包含誤差,由上式可以得到關於每個公共點的七引數的誤差方程

(2.6)

根據上式列出所有n()個公共點的誤差方程,再將上式寫成矩陣的形式

(2.7)

形式的誤差方程組,一般定義p為單位陣,則可以利用間接平差的方法計算七個轉換引數。

其中:——改正數向量

——待求引數向量

——係數矩陣

——常數項向量

——權矩陣(一般為單位陣)

根據間接平差的最小二乘原理,為原則,可得間接平差的法方程為:

(2.8)

其解為:

(2.9)

直角座標系

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