淮南礦區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉換軟件設計與實現(xiàn)

楊旭 朱亞洲

（安徽理工大學 測繪學院 安徽淮南 232001）

1 引言

我國坐標系統(tǒng)眾多，如舊北京54 坐標系、1980國家大地坐標系、2000 國家大地坐標系及 WGS-84坐標系，坐標系間的轉換是測繪基礎工作之一。國家測繪局于 2008 年 6 月 18 日發(fā)布公告:自 2008年7 月1 日起，我國啟用2000 國家大地坐標系?；茨系V區(qū)的測繪成果（各類圖件、坐標等）基本上是1954 年北京坐標系下的成果，因此為實現(xiàn)向2000國家大地坐標系下成果的過渡，必須建立淮南礦區(qū)的坐標系統(tǒng)轉換模型，研制坐標系統(tǒng)轉換軟件。這將有助于加快啟用 2000 國家大地坐標系、1980 國家大地坐標系進程，統(tǒng)一礦區(qū)測繪基準、促進和保證礦山安全生產(chǎn)。

圖1:軟件設計流程圖

2 軟件設計

2.1 軟件設計思路

在本軟件中，涉及到同一坐標系統(tǒng)內部的換算和不同坐標系統(tǒng)之間的轉換兩種主要功能。同一坐標系統(tǒng)內部的換算是指在同一坐標系統(tǒng)（如1980國家大地坐標系）內空間直角坐標與大地坐標、大地坐標與高斯平面直角坐標之間的相互換算；不同坐標系統(tǒng)之間的轉換是指在兩個坐標系統(tǒng)（如 WGS-84大地坐標系與1954 北京坐標系）之間的轉換，可以在空間直角坐標系統(tǒng)間進行，也可以在高斯平面直角坐標系統(tǒng)間進行。采用正確的數(shù)據(jù)處理模型，是確?！盎茨系V區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉換軟件”計算結果正確性的前提。

進行坐標轉換的基本思路是:根據(jù)坐標聯(lián)測點的兩套坐標，建立兩坐標系間的坐標轉換模型（ 空間坐標系統(tǒng)轉換模型有“布爾沙”、 “莫羅金斯基”、“霍蒂內”和“維斯”等模型；平面坐標系統(tǒng)轉換模型有四參數(shù)等模型）；然后采用最小二乘法或抗差估計方法求解轉換參數(shù)，并對轉換參數(shù)的顯著性進行檢驗；最后，進行坐標轉換，并對轉換后成果的質量進行評價（點位中誤差、邊長中誤差、坐標方位角中誤差），此外，為評價所選擇的轉換模型在整個測區(qū)的適用性，還需對轉換模型的精度進行評定（內部符合精度與外部檢核精度）。軟件設計流程圖如圖1所示。

2.2 軟件主要功能

1）高斯正算與反算。

2）高斯換帶計算。

3）大地坐標與空間直角坐標之間的互換。

4）不同平面坐標系統(tǒng)之間的轉換。

5）不同三維坐標基準之間的轉換。

6）實現(xiàn)AUTOCAD 電子版圖紙在不同坐標系統(tǒng)間的轉換。

對于各種轉換與計算均支持單點轉換和文件批量轉換兩種方式。本軟件的功能設計采用模塊化設 計，如圖2所示。

圖2:坐標轉換軟件功能設計

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟件運行主要界面

1）工程管理

工程管理包括工程的打開、新建、刪除、移出、另存、還原、清空回收站等操作，由“已有工程”、“回收站”和“工程屬性”等三部分及其它按鈕組成。

2）軟件引擎器

坐標系統(tǒng)轉換引擎器由“基本配置”頁、“處理模型”頁、“輸入輸出”頁等三頁和“確定”、 “關閉”、 “幫助”等三個按鈕組成。以對進行坐標系統(tǒng)轉換時的坐標系、投影帶、數(shù)據(jù)處理模型、輸出成果等進行配置，從而實現(xiàn)兩坐標系統(tǒng)間的坐標轉換。

①“基本配置”頁面由“工程目標”、 “坐標系統(tǒng)”、 “源坐標系”、 “目標坐標系”、 “投影帶”和“投影面”等部分組成，以對該工程的任務進行設置。

②“處理模型”頁面包括“空間坐標系統(tǒng)轉換模型”、 “平面坐標系統(tǒng)轉換模型”和“參數(shù)估計”等三個定義框（如圖3所示），用于“建立模型”時設置兩坐標系統(tǒng)轉換的轉換模型及轉換參數(shù)的估計方法。

至于空間或平面坐標系統(tǒng)轉換參數(shù)的估計方法，提供了“最小二乘估計”和“抗差估計”兩種估計方法。對于一般用戶，僅提供最小二乘估計功能；對于特許授權用戶提供一般抗差估計和高崩潰污染率抗差估計功能，以消除不穩(wěn)定基準點對求解轉換參數(shù)的影響。抗差模型由“等價權模型”和“抗差參數(shù)模型”共同構成，軟件提供了 6 種不同的抗差等價權模型，其中前 3 種為高崩潰污染率等價權模型，對粗差的抵抗能力較強；后 3 種為普通的等價權模型，對粗差的抵抗能力也較好。

③“輸入輸出”頁用于獲取坐標系統(tǒng)轉換時的數(shù)據(jù)和設置顯示輸出的內容，還有同一坐標系統(tǒng)中的坐標換算功能?！拜斎胼敵觥表摪ā皩霐?shù)據(jù)”、“輔助功能”、 “坐標投影計算”和“輸出成果”、“打開AutoCad 圖形”等定義框，其結構見圖4。

“輔助功能”定義框包括“導出 Excel 文件為Acess 數(shù)據(jù)庫”和“導出Acess 數(shù)據(jù)庫為文本文件”兩個選項，用于獲取用戶格式的數(shù)據(jù)文件，然后軟件自動轉化為軟件格式的數(shù)據(jù)文件，以進行下一步處理。

“坐標投影計算”是指同一坐標系統(tǒng)下的坐標換算，包括 “XYZ > BLH > xyH”（將空間直角坐標化為大地坐標，再投影到高斯平面上）、“BL > xy”（將大地坐標投影到高斯平面上）、“xyH > BLH >XYZ”（將高斯平面坐標和大地高轉化為大地坐標，再轉化為空間直角坐標）和“xy > BL”（將高斯平面坐標轉化為大地坐標）等四個選項。選擇不同選項時，要求打開的數(shù)據(jù)文件不同。

“打開 AutoCad 圖形”是指根據(jù)解算的兩坐標系統(tǒng)間的轉換參數(shù)，將在源坐標系下的 AutoCad 圖形轉換成目標同一坐標系統(tǒng)下的坐標系下的AutoCad 圖形。

圖3:“處理模型”頁面

圖4:“輸入輸出”頁面

3）軟件數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

在“建立模型”或“坐標計算”時，當導入了數(shù)據(jù)文件后，出現(xiàn)“坐標系統(tǒng)轉換數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”界面（如圖5所示）。該界面主要由“數(shù)據(jù)庫操作”窗口、“圖形預覽”窗口和“確定”、 “幫助”、 “入庫”按鈕組成。其中的“源坐標系”和“目標坐標系”是利用引擎器的設置值。

“圖形預覽”窗口:在導入文件后，圖形預覽中顯示的圖形是待轉換點（紅色）和坐標聯(lián)測點（綠色）的關系圖。修改（如定義了坐標轉換基準點）后，單擊“確定”按鈕，圖形預覽中顯示的圖形會發(fā)生變化，其中待轉換點仍用紅色表示，基準點用蘭色表示，而綠色表示的坐標轉換外部檢查點。

圖5:坐標系統(tǒng)轉換數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

圖6:坐標系統(tǒng)轉換區(qū)域

3.2 軟件測試

進行本軟件精度測試時，采用了新莊孜煤礦（14點）、謝橋煤礦（10 點）、張集煤礦（22 點）、李嘴孜煤礦（24 點）、潘一深部勘查區(qū)（24 點）、潘三深部勘查區(qū)（15 點）、謝橋礦南部勘查區(qū)（5點）、潘二礦（18 點）、謝家集一礦（22 點）、顧橋煤礦（26 點）、丁集煤礦（20 點）等礦區(qū)邊界200 個點由1954 北京坐標系統(tǒng)轉換到1980 國家大地坐標系統(tǒng)的公共點坐標，這200個點的控制區(qū)域約870km2，點位分布略圖參見圖6。

選擇了200 個公共點中的A11、B03、C01、C13、C20、D24、E09、E16、H09、H12、I18、I22、J13、J17、K13、K17、K20 等分布較均勻的 17 個公共點為坐標系統(tǒng)轉換的基準點，其它點為檢查點(參見圖5)。采用最小二乘估計進行坐標系統(tǒng)轉換，按相應坐標轉換模型的精度評價方法，均通過了顯著性檢驗。解算的轉換參數(shù)為:平移參數(shù) x0=-47.1659m，y0=-52.8279，尺度比參數(shù)λ= +0.0000066332，旋轉角參數(shù)為:θ= 1.42578023 (秒)，轉換模型中誤差為±0.2mm,轉換模型內部符合精度±0.4mm。利用其它155 個公共點，對轉換模型的外部精度進行檢核，檢核得的外部檢核精度為±3.4mm。

因此，從本示例來看:本示例提供的1954 北京坐標系統(tǒng)和 1980 國家大地坐標系統(tǒng)的公共點的坐標是相互兼容的，不存在顯著的差異；對于本示例而言，采用的轉換方案是可行的，轉換成果是可靠可用的；對于本示例而言，研發(fā)的本軟件是正確可靠的。

4 結束語

本文建立了淮南礦區(qū)1954 年北京坐標系、1980國家大地坐標系、WGS-84 大地坐標系、2000 國家大地坐標系、其他坐標系之間的轉換模型；建立了基于高崩潰污染率抗差估計技術的坐標系統(tǒng)轉換模型參數(shù)解算方法，實現(xiàn)平差系統(tǒng)對穩(wěn)定基準點的自動選擇的目標；建立同一坐標系統(tǒng)內部坐標之間的換算（空間直角坐標、大地坐標、高斯平面坐標、投影帶）模型。成功研發(fā)了“淮南礦區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉換軟件，利用實際數(shù)據(jù)對研發(fā)的軟件進行了測試，結果正確可靠，性能穩(wěn)定。該軟件實現(xiàn)了淮南礦區(qū)坐標轉換和換算的自動化，提高了工作效率，實現(xiàn)了現(xiàn)行國家大地坐標系到 2000 國家大地坐標系之間的轉換和銜接。

[1]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.《煤礦科技術語 第6部分:礦山測量》.(GB/T 15663.6-2008).2008 年 8 月.

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