DWG數(shù)據(jù)在不同坐標系間變換的實現(xiàn)

楊井源 楊正銀 馬濤 蒙印 呂喜軍

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DWG數(shù)據(jù)在不同坐標系間變換的實現(xiàn)

楊井源1楊正銀1馬濤2蒙印1呂喜軍1

（1.四川省遙感信息測繪院 四川成都 610100；2.眉山市城鄉(xiāng)規(guī)劃局 四川眉山 620010）

采用七參數(shù)數(shù)學模型和AutoCAD ActiveX技術，根據(jù)重合控制點坐標計算的轉換參數(shù)進行數(shù)據(jù)變換,并以眉山市DWG矢量數(shù)據(jù)的轉換為例,提出了DWG數(shù)據(jù)在不同坐標系之間互相轉換的技術路線和實現(xiàn)方法,實現(xiàn)了DWG圖形數(shù)據(jù)在眉山市獨立坐標系和其他坐標系之間的相互轉換。

七參數(shù) 數(shù)學模型 DWG數(shù)據(jù) 坐標系轉換

1 引言

為了減小高斯投影變形帶來的影響，我國地市級測繪生產(chǎn)一般采用地方獨立坐標系，而實際應用時，需要提供和使用1954北京坐標系、1980西安坐標系以及2000國家大地坐標系的數(shù)據(jù)成果，這需要對成果數(shù)據(jù)進行快速坐標系轉換，各種坐標系之間的轉換是經(jīng)常碰到的問題[1]。目前地市級基礎測繪圖形成果大部分是AutoCAD平臺的DWG數(shù)據(jù)，DWG數(shù)據(jù)格式并未公開，AutoCAD是對DWG數(shù)據(jù)處理的最好平臺，所以DWG數(shù)據(jù)坐標系轉換AutoCAD為首選平臺[2]。

本文主要介紹基于AutoCAD 2014平臺，利用VB.NET結合AutoCAD ActiveX Automation技術,開發(fā)坐標系轉換系統(tǒng)，實現(xiàn)根據(jù)七參數(shù)數(shù)學模型進行轉換參數(shù)計算、精度評估、DWG圖形轉換等功能，并在眉山市基礎測繪數(shù)據(jù)分發(fā)信息化系統(tǒng)研究與實現(xiàn)項目中得到成功應用。

2 ActiveX技術和數(shù)學模型

2.1 ActiveX Automation技術

ActiveX Automation是微軟推出的一個技術標準，廣義上指微軟的COM（組件對象模型）構架，允許應用程序之間相互控制、調用[3]。軟件開發(fā)人員可以通過調用AutoCAD ActiveX 對象所封裝的方法與屬性，操縱AutoCAD。可以使用各種面向對象編程的語言對其中的方法、屬性進行引用，從而達到對AutoCAD實現(xiàn)編程的目的，它的優(yōu)點是在開發(fā)的系統(tǒng)內部可以使用AutoCAD各種功能，與系統(tǒng)能高度融合與集成。組件接口如圖 1所示。

圖1 AutoCAD COM組件接口

根據(jù)組件接口，編寫獲取CAD實體坐標串函數(shù)：

Private Function GetCoordinates(pAcadEntity As AcadEntity) As Double()

If TypeOf pAcadEntity Is AcadPolyline Then’多義線

Dim pPolyline As AcadPolyline = pAcadEntity

Return pPolyline.Coordinates()

End If

If TypeOf pAcadEntity Is AcadText Then‘注記

Dim pText As AcadText = pAcadEntity

Dim pAP As Double() = pText.TextAlignmentPoint

If pAP(0) > 0 Then Return pAP

Return poly.InsertionPoint

End If

If TypeOf pAcadEntity Is AcadBlockReference Then

Dim pReference As AcadBlockReference = pAcadEntity

Return pReference.InsertionPoint

End If’省略其他實體類型

End Function

編寫更新CAD實體圖形函數(shù)：

Private Sub UpDataEntity(pAcadEntity As AcadEntity, pCoords As Double())

If TypeOf pAcadEntity Is AcadPolyline Then

Dim pPolyline As AcadPolyline = pAcadEntity

pPolyline.Coordinates = pCoords

pPolyline.Update()

End If

If TypeOf pAcadEntity Is AcadText Then

Dim pText As AcadText = pAcadEntity

Dim pAP As Double() = pText.TextAlignmentPoint

If pAP(0) > 0 Then

pText.TextAlignmentPoint = pCoords

Else

pText.InsertionPoint = pCoords

End If

pText.Update()

End If

If TypeOf pAcadEntity Is AcadBlockReference Then

Dim pReference As AcadBlockReference = pAcadEntity

pReference.InsertionPoint = pCoords

pReference.Update()

End If

‘省略其他實體類型

End Sub

2.2 數(shù)學模型

測繪生產(chǎn)DWG數(shù)據(jù)一般采用的高斯投影的直角坐標系，本文采用布爾莎七參數(shù)數(shù)學模型，公式如圖 2所示，式中、、為平移參數(shù)、、、為旋轉參數(shù)，為尺度參數(shù)[4，5]。

圖2 布爾莎七參數(shù)公式

根據(jù)上述公式，利用最小二乘法，編寫計算七參數(shù)。

主要代碼如下：

Function DefineX(num As Integer,sPnts As Matrix,dPnts As Matrix) As Matrix

Dim Num3 As Integer = num * 3'矩陣行數(shù)

Dim A As Matrix = New Matrix(Num3,7)'系數(shù)矩陣

Dim L As Matrix = New Matrix(Num3,1) '常數(shù)矩陣

'根據(jù)重合控制點計算系數(shù)矩陣A和常數(shù)矩陣L，此處代碼省略

Dim AT As Matrix = A.Transpose()'系數(shù)矩陣轉置

Dim pATA As Matrix = AT * A'系數(shù)矩陣乘法

Dim ATL As Matrix = AT * L

Dim invATA As Matrix = pATA.Inverse()'矩陣求逆

Return invATA * ATL'返回轉換七參數(shù)矩陣

End Function

根據(jù)七參數(shù)系數(shù)矩陣(X)，計算目標坐標系的平面坐標代碼如下：

Function TransForm(inPoints As Matrix, X As Matrix) As Matrix

Dim N As Integer = inPoints.Row

Dim B As Matrix = New Matrix(N * 3, 7) '省略構建系數(shù)矩陣代碼

Return B * X

End Function

3 DWG數(shù)據(jù)變換的實現(xiàn)

3.1 程序開發(fā)原理

使用VS2012 VB.NET系統(tǒng)建立工程，添加控件設計程序界面，提供用戶操作接口，然后引用AutoCAD 2014 COM組件，利用AutoCAD ActiveX Automation技術，實現(xiàn)對DWG數(shù)據(jù)的打開和實體遍歷等操作；利用七參數(shù)模型根據(jù)源坐標系和目標坐標系重合控制點計算變換參數(shù)，通過七參數(shù)和CAD數(shù)據(jù)坐標計算出目標坐標系的坐標，修改CAD實體坐標，最后保存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同坐標系間DWG數(shù)據(jù)變換。由于使用AutoCAD ActiveX技術，不存在數(shù)據(jù)交互的問題，在坐標系變換過程中，僅對CAD實體的節(jié)點坐標進行了變換，實體的層碼、線型、顏色、線寬、擴展屬性等信息均未改變，保證了數(shù)據(jù)的質量。

3.2 開發(fā)方法與步驟

1.采用VB.NET語言，新建Windows窗體應用程序，并添加引用“AutoCAD 2014 Type Library”COM類庫組件，將AutoCAD組件引入系統(tǒng)。

2.在Windows窗體應用程序中，設計界面并添加控件事件。

3.新建矩陣算法模塊（Matrix），編寫矩陣轉置、矩陣乘、矩陣逆等功能函數(shù)，供七參數(shù)轉換模塊調用。

4.新建七參數(shù)轉換算法模塊（Transform），編寫轉換參數(shù)計算、誤差統(tǒng)計、坐標轉換等功能函數(shù)，供后續(xù)調用。

5.新建AutoCAD連接和功能調用模塊，遍歷CAD所有實體，逐點變換實體節(jié)點坐標，實現(xiàn)DWG數(shù)據(jù)坐標系變換。

3.3 程序流程及部分核心代碼

1.創(chuàng)建AutoCAD實例，建立與CAD聯(lián)系，實現(xiàn)對CAD控制

‘程序內部創(chuàng)建CAD實例，供系統(tǒng)調用

Dim pApp As AcadApplication = New AcadApplication

pApp.Application.Visible = False’不顯示CAD界面，后臺運行

2.根據(jù)重合控制點，調用七參數(shù)轉換算法模塊計算轉換參數(shù)

Dim X As Matrix=DefineX(num,sPnts,dPnts)

3.打開DWG數(shù)據(jù)

pApp.Application.Documents.Open(CadFile)‘打開DWG數(shù)據(jù)

4.遍歷DWG所有實體，進行坐標變換

Public Sub TransFormMain()

遍歷CAD所有實體

For Each entity As AcadEntity In pApp.ActiveDocument.ModelSpace

'調用得到實體坐標串函數(shù)

Dim pCoords As Double() = GetCoordinates(entity)

TransForm(pCoords) '調用七參數(shù)坐標變換函數(shù)，逐點坐標變換

UpDataEntity(entity, pCoords) '調用更新實體函數(shù)

Next

End Sub

5.保存坐標系轉換后的DWG數(shù)據(jù)

pApp.Application.Documents.Item(0).SaveAs(CadFile, DwgType)

6.關閉CAD進程，釋放內存，完成轉換

pApp.Application.Quit()

4 應用實例

本文以眉山市基礎測繪數(shù)據(jù)分發(fā)信息化系統(tǒng)項目為例，眉山市中心城區(qū)1∶2000地形圖數(shù)據(jù)成果為眉山市獨立坐標系，但用戶需要1980西安坐標系和2000國家大地坐標系的成果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分發(fā)時經(jīng)常需要坐標系轉換。根據(jù)覆蓋整個數(shù)據(jù)區(qū)域均勻分布的眉山市獨立坐標系與1980西安坐標系的控制點，本文以眉山市獨立坐標系轉換1980西安坐標系進行實驗。首先根據(jù)重合點計算轉換參數(shù)和統(tǒng)計殘差，并剔除粗差較大的點[6,7]，最后選擇6個控制點作為計算依據(jù)，結果如圖 3所示，可以看出殘差是比較小的，均未超過±0.01m，說明精度可靠；然后利用求得的轉換參數(shù)，運行轉換程序進行DWG數(shù)據(jù)坐標系轉換，數(shù)據(jù)從眉山市獨立坐標系轉換到了1980西安坐標系。經(jīng)檢驗，數(shù)據(jù)與屬性均未損失；檢查點計算誤差如圖 4所示，其平面中誤差為±0.021m；由于采用統(tǒng)一轉換模型，圖幅間接邊不存在誤差，達到預期效果。

圖3 重合點坐標及計算誤差

圖4 檢查點平面坐標及計算誤差

5 結束語

本文介紹的DWG數(shù)據(jù)坐標系轉換系統(tǒng)，運用在眉山市信息化數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中，經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度可靠，實現(xiàn)了DWG數(shù)據(jù)不同坐標系間自動、批量轉換，提高了生產(chǎn)效率，提升了眉山市DWG數(shù)據(jù)分發(fā)能力，取得很好效果。數(shù)據(jù)轉換的精度主要取決于重合控制點的精度、分布和數(shù)量，選擇轉換區(qū)域分布均勻、高質量的5個以上控制點，統(tǒng)計誤差并刪除粗差點，可提高轉換精度。

[1] 歐朝敏，黃夢龍.地方坐標系到2000國家大地坐標轉換方法研究[J].測繪通報，2010(9).

[2] 肖鋒，呂寶奇，王瑞芳.DWG圖件的坐標系轉換方法的探討與實現(xiàn)[J].城市勘測，2012(2).

[3] 佟士懋，邢芳芳，夏齊霄.AutoCAD ActiveX VBA二次開發(fā)技術基礎及應用實例，國防工業(yè)出版社，2006.

[4] 柳光魁，王振祿，趙永強等.BJ-54坐標系與WGS-84坐標系轉換方法及精度分析[J].測繪與空間地理信息,2007(6).

[5] 張宏．布爾莎－沃爾夫轉換模型的幾何證明[J].測繪與空間地理信息，2006，29(2)：46-47.

[6] 郭春喜,馬林波,張驥等.西安80坐標系與WGS-84坐標系轉換模型的確定[J].東北測繪，2002,25(4):34-36.

[7] 狄曉燕. 地方獨立坐標系向2000國家大地坐標系轉換研究[J].西安科技大學,2010.

[8] 汪志遠. 舊坐標到2000國家大地坐標轉換方法[J].甘肅水利水電技術，2011-7.

眉山市基礎測繪數(shù)據(jù)分發(fā)信息化系統(tǒng)研究與應用，四川省測繪地理信息局科技支撐（項目編號：J2013SZ02）資助