不同空间直角坐标系的转换

大地坐标与直角空间坐标转换计算公式一、参心大地坐标与参心空间直角坐标转换1名词解释：A ：参心空间直角坐标系：a) 以参心0为坐标原点；b) Z 轴与参考椭球的短轴（旋转轴）相重合；c) X 轴与起始子午面和赤道的交线重合；d) Y 轴在赤道面上与X 轴垂直.构成右手直角坐标系0-XYZ ；e) 地面点P 的点位用（X.Y.Z ）表示；B ：参心大地坐标系：a) 以参考椭球的中心为坐标原点.椭球的短轴与参考椭球旋转轴重合；b) 大地纬度B ：以过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角为大地纬度B ；c) 大地经度L ：以过地面点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角为大地经度L ；d) 大地高H ：地面点沿椭球法线至椭球面的距离为大地高H ；e) 地面点的点位用（B.L.H ）表示。

2 参心大地坐标转换为参心空间直角坐标：⎪⎭⎪⎬⎫+-=+=+=B H e N Z L B H N Y L B H N X sin *])1(*[sin *cos *)(cos *cos *)(2公式中.N 为椭球面卯酉圈的曲率半径.e 为椭球的第一偏心率.a 、b 椭球的长短半径.f 椭球扁率.W 为第一辅助系数ab a e 22-= 或 ff e 1*2-= Wa N B W e =-=22sin *1( XX80椭球参数：长半轴a=6378140±5（m ）短半轴b=6356755.2882m扁 率α=1/298.2573 参心空间直角坐标转换参心大地坐标 []N BY X H H e N Y X H N Z B XY L -+=+-++==cos ))1(**)()(*arctan()arctan(22222 二 高斯投影及高斯直角坐标系1、高斯投影概述高斯-克吕格投影的条件：1. 是正形投影；2. 中央子午线不变形高斯投影的性质：1. 投影后角度不变；2. 长度比与点位有关.与方向无关；3. 离中央子午线越远变形越大为控制投影后的长度变形.采用分带投影的方法。

空间大地坐标系与平面直角坐标系转换公式空间大地坐标系和平面直角坐标系是两种不同的坐标系统，用于描述地球上的点的位置。

在进行空间大地坐标系与平面直角坐标系之间的转换时，需要考虑到地球的椭球体形状和投影方式。

下面将详细介绍空间大地坐标系与平面直角坐标系的转换方法。

1.空间大地坐标系经度：经度是指地球上特定点与本初子午线之间的角度差，用度、分、秒的形式表示。

纬度：纬度是指地球上特定点距离赤道的角度，用度、分、秒的形式表示。

大地高：大地高是指地球表面特定点到参考椭球体上其中一参考面的高度差，可分为正高和负高。

2.平面直角坐标系平面直角坐标系是以地球上一些基准点为原点建立的二维坐标系。

在平面直角坐标系下，点的位置通常用东方向坐标值X和北方向坐标值Y来表示。

3.空间大地坐标系到平面直角坐标系的转换公式3.1平面直角投影平面直角投影是将地球表面上的点投影到一个水平的平面上。

其转换公式为：X = k₀ + R * cosL * sin(λ - λ₀)Y = k₀ + R * (cosφ₀ * sinL - sinφ₀ * cosL * cos(λ - λ₀))其中，X和Y为平面直角坐标系下的坐标值，L为参考点与待转换点的经度差，λ为待转换点的经度，φ₀为参考点的纬度，λ₀为参考点的经度，k₀为常数，R为参考点到地心的距离。

3.2高斯投影高斯投影是将地球上的点投影到一个平面上，使得该平面上的距离尽可能与大地距离一致。

其转换公式为：X = X₀ + N * cosB * (λ - L₀)Y = Y₀ + N * (tanB * cos(λ - L₀) - sinB * (B - B₀))其中，X和Y为平面直角坐标系下的坐标值，X₀和Y₀为参考点的平面坐标，N为法向子午线长度，B为待转换点的纬度，λ为待转换点的经度，L₀为参考点的经度，B₀为参考点的纬度。

4.平面直角坐标系到空间大地坐标系的转换公式平面直角坐标系到空间大地坐标系的转换公式为空间大地坐标系到平面直角坐标系的逆运算，可以通过解方程组或迭代法来进行计算。

§2.3.1 坐标系的分类正如前面所提及的,所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式,即采用什么方法来表示空间位置。

人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。

在测量中常用的坐标系有以下几种：一、空间直角坐标系空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z 轴指向参考椭球的北极，X 轴指向起始子午面与赤道的交点，Y 轴位于赤道面上且按右手系与X 轴呈90°夹角。

某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。

空间直角坐标系可用图2-3来表示：图2-3 空间直角坐标系二、空间大地坐标系空间大地坐标系是采用大地经、纬度和大地高来描述空间位置的。

纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。

空间大地坐标系可用图2-4来表示：图2-4空间大地坐标系三、平面直角坐标系平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标空间直角坐标或空间大地坐标通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。

投影变换的方法有很多，如横轴墨卡托投影、UTM 投影、兰勃特投影等。

在我XX 用的是高斯-克吕格投影也称为高斯投影。

UTM 投影和高斯投影都是横轴墨卡托投影的特例，只是投影的个别参数不同而已。

高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。

从几何意义上讲，是一种横轴椭圆柱正切投影。

如图左侧所示，设想有一个椭圆柱面横套在椭球外面，并与某一子午线相切〔此子午线称为中央子午线或轴子午线〕，椭球轴的中心轴CC ’通过椭球中心而与地轴垂直。

高斯投影满足以下两个条件：1、 它是正形投影；2、 中央子午线投影后应为x 轴，且长度保持不变。

将中央子午线东西各一定经差〔一般为6度或3度〕X 围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面沿某一棱线展开，便构成了高斯平面直角坐标系，如以下图２－５右侧所示。

不同空间直角坐标系的转换
欧勒角
不同空间直角坐标系的转换，包括三个坐标轴的平移和坐标轴的旋转，以及两个坐标系的尺度比参数，坐标轴之间的三个旋转角叫欧勒角。

三参数法
三参数坐标转换公式是在假设两坐标系间各坐标轴相互平行，轴系间不存在欧勒角的条件下得出的。

实际应用中，因为欧勒角不大，可以用三参数公式近似地进行空间直角坐标系统的转换。

公共点只有一个时,采用三参数公式进行转换。

七参数法
用七参数进行空间直角坐标转换有布尔莎公式，莫洛琴斯基公式和范氏公式等。

下面给出布尔莎七参数公式：
坐标转换多项式回归模型
坐标转换七参数公式属于相似变换模型。

大地控制网中的系统误差一般呈区域性，当区域较小时，区域性的系统误差被相似变换参数拟合，故局部区域的坐标转换采用七参数公式模型是比较适宜的。

但对全国或一个省区范围内的坐标转换，可以采用多项式回归模型，将各区域的系统偏差拟合到回归参数中，从而提高坐标转换精度。

两种不同空间直角坐标系转换时，坐标转换的精度取决于坐标转换的数学模型和求解转换系数的公共点坐标精度，此外，还与公共点的分布有关。

鉴于地面控制网系统误差在⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡000111222Z Y X Z Y X Z Y X ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡000111111222000)1(Z Y X Z Y X Z Y X m Z Y X X Y X Z Y Z εεεεεε
不同区域并非是一个常数，所以采用分区进行坐标转换能更好地反映实际情况，提高坐标转换的精度。

目前国内所用GNSS (Global Navigation Satellite System)即全球卫星导航系统，已经发展到多星，尤其随着北斗导航系统的逐步完善，正在向CGCS2000椭球过渡，但还是以WGS-84 坐标系统为主流，即仍以美国GPS为主，所发布的星历参数也是基于此坐标系统。

WGS-84 坐标系统(World Geodetic System-84，世界大地坐标系-84) 的坐标原点位于地球的质心，Z 轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X 轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Z 轴构成右手系。

WGS-84 系所采用椭球参数为：长半轴6378137;扁率1：298.25 7223563。

而我国目前广泛采用的大地测量坐标系有3种：①北京1954 坐标系。

该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的主要参数为：长半轴6378245;扁率1：298.3。

②1980 年国家大地坐标系。

该坐标系是参心坐标系，采用地球椭球基本参数为1975 年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，也称西安80 坐标系。

长半轴6378140±5;扁率1：298.257。

③2000 中国大地坐标系。

该坐标系是地心坐标系，与WGS-84坐标类似。

原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心;定向在1984.0时与BIH(国际时间局)。

长半轴6378137.0;扁率1：298.257 222 101。

各坐标系之间的转换是工作中的经常遇到的问题，主要的转换方法有三参数、四参数和七参数法，而这三种方法中，七参数是一种空间直角坐标系的转换模型，是基于椭球间的三维转换，精度最高。

如果用七参数法来实现WGS84 坐标系与1980 年国家大地坐标系的转换，求解前必须确定控制网中各点对的距离。

如果两点间距离超过15 公里，必须考虑曲面因素即两种不同坐标系的椭球参数，避免因椭球的差异，导致转换后所得坐标残差过大，精度过低，为了保证精度必须采用七参数法。

一、引言在地图制图、航空航天、导航定位等领域，经常需要进行三维空间直角坐标的转换计算。

在进行这类计算时，常常会涉及到三维四参数空间直角坐标的转换。

本文将介绍三维四参数空间直角坐标转换的计算方法及其应用。

二、三维四参数空间直角坐标的定义三维空间中，直角坐标系通常用(x, y, z)表示。

在进行坐标转换时，需要考虑到可能存在的平移、旋转、缩放等变换。

三维四参数空间直角坐标则包括了平移在x、y、z三个方向上的位移和绕某个轴的旋转角度。

三、三维四参数空间直角坐标转换的计算方法1. 平移变换的计算方法平移变换是指在x、y、z三个方向上的位移。

假设平移量分别为tx、ty、tz，那么进行平移变换后的坐标可以表示为：x' = x + txy' = y + tyz' = z + tz2. 旋转变换的计算方法绕某个轴的旋转变换通常用旋转矩阵来表示。

以绕z轴的旋转为例，旋转角度为θ，那么进行旋转变换后的坐标可以表示为：x' = x*cosθ - y*sinθy' = x*sinθ + y*cosθz' = z3. 综合变换的计算方法综合平移和旋转变换后，坐标的变换可以表示为：x' = (x - xs)*cosθ - (y - ys)*sinθ + xty' = (x - xs)*sinθ + (y - ys)*cosθ + ytz' = z + zt四、三维四参数空间直角坐标转换的应用在实际应用中，三维四参数空间直角坐标转换通常用于地图制图、航空航天、导航定位等领域。

在地图制图中，需要将世界坐标系中的地理坐标转换为局部坐标系中的平面坐标，就需要进行三维四参数空间直角坐标的转换。

在航空航天领域，导航定位系统也需要进行三维坐标的转换计算，以确定飞行器的位置和姿态。

五、结论三维四参数空间直角坐标转换是现代科学技术中常见的数学计算方法，具有广泛的应用价值。

7.5 常用坐标系之间的关系与转换一、大地坐标系和空间大地直角坐标系及其关系 大地坐标系用大地纬度企丈地经度L 和丈地髙H 来表示点的位置°这种坐标系是经 典大地测量甬:両用座标紊7屜据地图投影的理论,大地坐标系可以通过一定的投影转 化为投影平面上的直角坐标系，为地形测图和工程测量提供控制基础。

同时，这种坐标系 还是研究地球形状和大小的 种有用坐标系°所以大地坐标系在大地测量中始终有着重要 的作用.空间大地直角坐标系是-种以地球质心为原点购亘墮®坐标系，一般用X 、化Z 表 示点BSSTSTT 逐碇SS 範菇飞両H 绕禎扭转冻其轨道平面随时通过 地球质心。

对它们的跟踪观测也以地球质心为坐标原点，所以空间大地直角坐标系是卫星 大地测量中一种常用的基本坐标系。

现今，利用卫星大地测量的手段*可以迅速地测定点的空间大地直角坐拯，广泛应用于导航定位等空间技术。

同时经过数学变换，还可求岀点 的大地坐标I 用以加强和扩展地面大地网，进行岛屿和洲际联测，使传统的大地测量方法 发生了深刻的变化，所以空间大地宜角坐标系对现今大地测量的发展’具有重要的意义。

、大地坐标系和空间大地直角坐标系的转换如图7- 23所示’尸点的位置用空间 大地直角坐标〔X, Y, Z)表示，其相应 的大地坐标为(E, L)a 将该图与图？一5加以比较可见，图7-5中的子午椭圆平面 相当于图7-23中的OJVP 平面.其中 PPz=Z.相当于图7-5中的j7；OP 3相当 丫于图7-5中的仏两平面的经度乙可视为相同，等于"叽 于是可以直接写岀X=jrcQsi f Y=jrsinL, Z=y将式(7-21).式(7-20)分别代入上式, 井考虑式(7-26)得X=Ncos^cosZr ”Y =NcQsBsinL > (7—78)Z=N (1—护〉sin^ ；上式表明了 2种基本坐标系之间的关系。

BB 7-231.由大地坐标求空间大地直角坐标当已知椭球面上任一点P 的大地坐标(B, L)时，可以按式(7-78)直接求该点的 空间大地直角坐标(X, Y, Z)。

大地坐标系与空间直角坐标系的相互转换公式概述大地坐标系和空间直角坐标系是地理信息系统中两种常用的坐标系。

大地坐标系主要用于描述地球上点的位置，而空间直角坐标系则是使用笛卡尔坐标系的三维空间中的坐标来表示点的位置。

在地理信息系统中，需要经常进行大地坐标系和空间直角坐标系之间的转换，以便在不同的坐标系统之间进行数据交互和分析。

大地坐标系大地坐标系是一种基于地球椭球体的坐标系统，常用来描述地球上点的位置。

一般采用经度（longitude）、纬度（latitude）和高程（elevation）来表示点在地球表面的位置。

经度表示点在东经或西经的位置，纬度表示点在北纬或南纬的位置，高程表示点相对于海平面的高度。

大地坐标系中经度的表示方式有多种，常见的有度分秒制和十进制制。

而纬度则一般用度制表示。

对于高程的表示方式，通常使用米作为单位。

空间直角坐标系空间直角坐标系是使用笛卡尔坐标系的三维空间中的坐标来表示点的位置。

在空间直角坐标系中，每个点的位置由三个数值组成，分别表示点在X轴、Y轴和Z轴方向上的位置。

这三个数值通常以米为单位。

空间直角坐标系中的原点可以选择任意位置，常见的有地心、地心地固、地心地独立三种坐标系。

地心坐标系以地球质心为原点，地心地固坐标系以地球上某一固定点为原点，地心地独立坐标系则是相对于地轴的一个旋转坐标系。

大地坐标系到空间直角坐标系的转换将大地坐标系中的点转换为空间直角坐标系中的点需要使用转换公式。

常用的转换方法有大地测量学和地心测量学两种。

### 大地测量学方法大地测量学方法中，将地球近似为椭球体，利用椭球体的形状参数和点的大地坐标来进行转换。

该方法的核心思想是通过计算点在曲线面上的法线方向，将大地坐标系的点转换为空间直角坐标系的点。

### 地心测量学方法地心测量学方法中，将地球近似为球体，并以地球质心或地球上某一固定点为原点。

该方法利用球面三角学的原理，根据点的经纬度和高程来进行转换。

空间直角坐标系与球坐标系的转换公式在空间几何学中，我们常常需要在直角坐标系和球坐标系之间进行转换。

直角坐标系是我们最常见的坐标系之一，通常用三个坐标轴（X、Y、Z）来描述一个点的位置。

而球坐标系则是通过一个点到原点的距离、点在某一方向上的角度、点在一个平面上的投影角度来描述点的位置。

球坐标系转直角坐标系假设我们有一个点P，其球坐标为(r, θ, φ)，其中r表示点P到原点的距离，θ表示点P在XOY平面上的投影角度，φ表示点P与Z轴的夹角。

我们可以通过以下公式将点P的球坐标(r, θ, φ)转换为直角坐标(x, y, z)：•x=r∗sin(φ)∗cos(θ)•y=r∗sin(φ)∗sin(θ)•z=r∗cos(φ)通过这些公式，我们可以将球坐标系下的点P的位置转换为直角坐标系下的坐标。

直角坐标系转球坐标系相反地，如果我们已知一个点P在直角坐标系下的坐标(x, y, z)，我们可以通过以下公式将其转换为球坐标系下的坐标(r, θ, φ)：•$r = \\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}$•$θ = arctan(\\frac{y}{x})$•$φ = arccos(\\frac{z}{r})$这样，我们就可以将直角坐标系下的点P的位置转换为球坐标系下的坐标。

实际应用这两种坐标系之间的转换在物理学、数学、计算机图形学等领域都有广泛的应用。

例如，在物理学中，描述粒子的位置和运动往往会用到球坐标系；而在计算机图形学中，使用球坐标系可以更方便地描述物体在三维空间中的位置和方向。

综上所述，空间直角坐标系与球坐标系之间的转换公式是非常重要的数学工具，在不同领域都有着广泛的应用。

熟练掌握这些转换公式可以帮助我们更好地理解和描述空间中的形态和运动。

以上便是关于空间直角坐标系与球坐标系之间转换公式的相关内容，希望能对您有所帮助。

空间坐标转换空间坐标转换编写图形处理程序时，常常要进⾏坐标转换。

坐标转换实际上是坐标⽮量的转换。

所谓坐标⽮量就是把坐标系的原点设为起点，坐标点设为终点的⽮量。

坐标系有很多种，⽽我们常常是在直⾓坐标系中⼯作，所以在以下的讨论中，坐标系均指直⾓坐标系。

设有2个直⾓坐标系，分别命名为UCS和WCS，如下图。

以下讨论这2个坐标系间的坐标转换关系。

此主题相关图⽚如下：1. 空间坐标转换的基本⽅法：UCS中的坐标x' 和WCS中的坐标x分别设为,x'=(x', y', z')T, x=(x, y,z)TUCS中的单位坐标轴⽮量e x, e y, e z和原点O' 均由WCS的成分如下表⽰e x =(e x1 , e x2 , e x3 )T , e y =(e y1 , e y2 , e y3 )T , e z =(e z1 , e z2 , e z3 )T , O' = u = (x , y0 , z0 )T其中，WCS为⼀标准的直⾓坐标系，即x,y,z轴的单位坐标轴⽮量和原点分别是，(1, 0, 0)T, (0, 1, 0)T, (0, 0, 1)T和 (0, 0, 0)T。

在以下⽮量和矩阵的演算中, 均采⽤指标的形式进⾏。

1) WCS中的坐标转换成UCS中的坐标当把WCS中的坐标转换成UCS中的坐标时，可以通过如下公式进⾏计算， x'i = αij(x j - u j) =αij x j - αij u j在以上的计算中，假定坐标系WCS先平移u，再旋转后变成UCS。

⼜设平移成分为M i= αij u j则有,x'i = αij x j - M i式中，此主题相关图⽚如下：为仅有旋转的坐标转换矩阵，即坐标旋转转换矩阵。

由上式可以知道，当WCS 为⼀标准的直⾓坐标系时，UCS的单位坐标轴⽮量和坐标旋转转换矩阵α有着等价关系。

2) 坐标转换时，为⽅便计算常常采⽤4次元坐标。

浅谈我国几种坐标系的坐标转换摘要：如今测量当中，我们大部分应用的是GPS测量技术，而GPS测量得到的是WGS-84坐标，所以我们要对其进行坐标转换，转换成我国的平面坐标。

本文详细介绍了几种转换的方法，进而很容易的实现了不同坐标系之间的转换。

关键词：坐标系统；坐标转换；高程拟合中图分类号：{P286+.1} 文献标识码：A 文章编号：1 坐标系统的介绍1.1 WGS—84坐标系统WGS—84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统。

坐标原点位于地球的质心，Z 轴指向BIHl984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。

WGS—84系所采用椭球参数为：a=6378138m；f=1／298.257223563。

1.2 1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。

该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。

该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245m；f=1／298.3。

该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位。

而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

1.3 1980年西安坐标系1980年西安坐标系的原点位于我国的中部，陕西西安市的附近。

椭球的短轴平行于由地球质心指向我国地极原点JYD1968。

0的方向，起始大地子午面平行与我国起始天文子午面。

大地点的高程是1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

2.坐标转换既然不同的坐标系，就存在坐标转换的问题。

关于坐标转换，首先要搞清楚转换的严密性问题，即在同一个椭球里的坐标转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换这时不严密的。

例如，由1954北京坐标系的大地坐标转换到1954北京坐标系的高斯平面直角坐标是在同一参考椭球体范畴内的坐标转换，其转换过程是严密的。