时空基准的统一化处理

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：表2.3不同时间系统之间的转化关系2.空间基准统一空间基准统一采用CGCS2000坐标系，数据格式统一采用大地坐标。空间基准统一主要采用坐标转换、投影变换、高程拟合的方法实现。

1.时间基准统一

时间基准是指时间测量的一个标准公共尺度，一般来说，任何一个观测到的，满足连续性、具有周期性并且周期稳定的、可复现的三个条件的运动都可以作为时间基准(徐绍铨等，2016)。迄今为止，运用较为精准的时间基准主要有地球自转、行星绕太阳公转和原子谐波振荡三种，现在绝大多数的时间系统采用原子谐波振荡作为时间基准，因此在此仅讨论以原子谐波振荡作为时间基准的时间系统统一，主要包括国际原子时、协调世界时、GPS时和北斗时。

国际原子时(TAI)是一个高精度的原子坐标时间标准，基于地球大地水准上的固有时间。它是陆地时间的主要实现(除了固定的时代偏移)，也是协调世界时(UTC)的基础，它用于在地球表面的所有时间内保持民用时间(蔡志武等，2010)。协调世界时是世界上调节时钟和时间的主要时间标准，它与0度经线的平太阳时相差不超过1秒。协调世界时是最接近格林尼治标准时间(GMT)的几个替代时间系统之一(徐绍铨等，2016)。

全球卫星定位系统(GPS)时间系统采用原子时AT1秒长作为时间基准，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续(徐绍铨等，2016)。北斗卫星导航系统(BDS)采用的时间基准为北斗时(BDT)，它是一种原子时，以国际单位制(SI)秒为基本单位而连续累计，不用调整秒的形式，起始历元为协调世界时(UTC)2006年1月1日0时0分0秒，采用周和周内秒的计数形式(胡汉武等，2013)。

不同的时间系统之间存在联系和差异，因此需要对其进行统一，一般以应用最广泛的UTC作为标准进行统一，具体的转化关系见表2.3(截至2019年11月)。

表2.3　不同时间系统之间的转化关系

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=26

2.空间基准统一

空间基准统一采用CGCS2000坐标系，数据格式统一采用大地坐标(经度，纬度，正常高)。空间基准统一主要采用坐标转换、投影变换、高程拟合的方法实现。坐标转换主要包括:相同基准下的坐标通过几何转换公式进行坐标转换；不同基准下的坐标通过公共点计算坐标系统间的转换参数，然后利用转换参数计算其他点的坐标。投影变换是指通过高斯投影反算公式实现将平面的直角坐标转换成曲面的大地坐标。高程拟合是指通过内插得到待定点的高程异常以及大地高计算正常高程。一般来说，空间基准的统一分为两个部分，第一部分是坐标系统基准的统一，第二部分是坐标格式的统一。

地球坐标系分为参心坐标系、地心坐标系和地方独立坐标系，这里只讨论前两者。参心坐标系是以参考椭球的几何中心为基准的大地坐标系，常见的参心坐标系有西安80与BJ54坐标系。地心坐标系是以地球质心(总椭球的几何中心)为原点的大地坐标系，常见的地心坐标系包括CGCS2000坐标系与WGS84坐标系。坐标格式分为空间直角坐标(以X，Y，Z为其坐标元素)和大地坐标(以B，L，H为其坐标元素)两种。两个部分相互组合就形成了常用的四类坐标系:参心空间直角坐标系、参心大地坐标系、地心空间直角坐标系、地心大地坐标系。

要统一空间基准，就是要统一坐标格式和坐标系，这里以CGCS2000坐标系BLH坐标为基准。首先讨论如何在同一个坐标系内统一坐标格式。对于同一个参考椭球，其长半轴为a，第一偏心率为e，则有:

pagenumber_ebook=34,pagenumber_book=27

由上式可完成大地坐标向空间直角坐标的转换。如果已知空间直角坐标分量，要转换为大地坐标，则有

pagenumber_ebook=34,pagenumber_book=27

其中的B值需要迭代求解。到此就完成了统一坐标系内坐标格式的转换。

对于不同坐标系之间的转换，主要方法为坐标系参数转换，对空间直角坐标系而言有3个旋转参数、3个平移参数和1个尺度参数，对大地坐标系而言有3个旋转参数、3个平移参数、1个尺度参数和2个椭球元素变化参数，因此两种坐标系分别采用7参数转换和9参数转换的方法来进行不同坐标系的转换。以7参数转换为例，假设转换前的坐标为(X1，Y1，Z1)，转换后的坐标为(X2，Y2，Z2)，则有

pagenumber_ebook=35,pagenumber_book=28

其中，m为尺度变化参数；DX0、DY0、DZ0为3个平移参数；eX、eY、eZ为3个旋转参数。为了求解这7个参数，必须至少有3个公共点坐标，利用最小二乘法进行平差求得7个参数的最或然值。对于大地坐标系而言，除了上述的7个参数外还有2个椭球参数，类似于7参数转换的思路，先将9个参数联立取全微分，得到9参数的广义大地坐标微分公式，再进行广义最小二乘平差即可得到9个参数的最或然值。

在进行空间基准统一的过程中，需要将部分仅有地址而无坐标的空间实体进行地理编码后再转化。地理编码是为识别点、线、面的位置和属性而设置的编码，将全部实体按照预先拟定的分类系统，选择最适宜的量化方法，按实体的属性特征和集合坐标的数据结构记录在计算机的储存设备上。

地理编码的过程通常包括地址标准化和地址匹配。地址标准化是指在街道地址被编码之前所做的标准化处理(郭会等，2009)。将街道地址处理为一种熟悉的、常用的格式，纠正街道和地址名称的拼写形式等。地址匹配是指确定具有地址事件的空间位置并且将其绘制在地图上，其目标是为任何输入的地址数据返回最准确的匹配结果(胡青等，2008)。首先在街道级别的地址范围内进行精确匹配，如果没有找到匹配的地址，它会在上一级的地址范围内进行搜寻，直到找到匹配结果为止。然后，完成匹配的地址数据被赋予了空间坐标，从而能够在地图上表示出此地址数据所代表的空间位置。在地理编码的过程中，需要匹配两种类型的数据:一种是只包含地理实体位置信息，而没有相关地图定位信息(即空间坐标)的地址数据(如街道地址、邮政编码、行政区划等)；另一种是已经包含了相关地图定位信息(空间坐标)的地理参考数据(包括街道地图数据、邮政编码地图数据、行政区划地图数据等)，这些数据集合或者数据库在地址匹配过程中起空间参考的作用(完成匹配后，给前者赋予地理空间坐标)，这是地理编码技术应用中最核心的部分。对于地理编码的级别，可以按照地址数据所表达的范围和精度来区分。不仅可以进行街道地址级别的地理编码，而且可以按照邮政编码级别对地址数据进行匹配和映射。地理编码的地址级别越细，进行定位的精确度也越高。街区范围的人口统计结果与邮递区号范围的人口统计结果相比就有明显的差别。很显然，在街区范围内进行地理编码和地址匹配可以得到更加详细的结果。

地理逆编码解析与地理编码恰好相反，地理逆编码解析是指由一个地理坐标得到相应的地址表述的过程，是地理编码的反向过程，它通过地面某个地物的坐标值来反向查询得到该地物所在的行政区划、所处街道，以及最匹配的标准地址信息(郭会等，2009)。这里简要介绍如何调用百度地图API实现地理编码与地理逆编码解析:

第一步，申请百度地图API使用的服务许可，具体操作可以参考爬取POI数据的部分。

第二步，构建URL。根据自己的需求选取合适的接口参数构建URL，然后进行URL编码。

第三步，利用API获得坐标。读取URL，解析获得的xlm格式或json格式数据，将其转换为列表，读取列表中的经纬度信息即可。

时空基准的统一化处理

相关推荐