淮南礦區(qū)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 旭 朱亞洲

（安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 安徽淮南 232001）

淮南礦區(qū)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 旭 朱亞洲

（安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 安徽淮南 232001）

在基于坐標(biāo)系，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，抗差估計(jì)等理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適用于淮南礦區(qū)的多種坐標(biāo)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換和同一坐標(biāo)系統(tǒng)間換算的軟件，利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)軟件進(jìn)行了測(cè)試，其轉(zhuǎn)換成果正確可靠，性能穩(wěn)定。該軟件有助于加快礦區(qū)啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1980國(guó)家大地坐標(biāo)系進(jìn)程，統(tǒng)一礦區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)、促進(jìn)和保證礦山安全生產(chǎn)，值得在礦區(qū)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)推廣。

淮南礦區(qū)；坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；抗差估計(jì)；軟件測(cè)試

1 引言

我國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)眾多，如1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系及WGS-84坐標(biāo)系，坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換是測(cè)繪基礎(chǔ)工作之一。國(guó)家測(cè)繪局于2008年6月18日發(fā)布公告：自2008年7月1日起，我國(guó)啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系?；茨系V區(qū)的測(cè)繪成果（各類圖件、坐標(biāo)等）基本上是1954年北京坐標(biāo)系下的成果，因此為實(shí)現(xiàn)向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下成果的過(guò)渡，必須建立淮南礦區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型，研制坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件。這將有助于加快啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系進(jìn)程，統(tǒng)一礦區(qū)測(cè)繪基準(zhǔn)、促進(jìn)和保證礦山安全生產(chǎn)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

在本軟件中，涉及到同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部的換算和不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換兩種主要功能。同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部的換算是指在同一坐標(biāo)系統(tǒng)（如1980西安坐標(biāo)系）內(nèi)空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)、大地坐標(biāo)與高斯平面直角坐標(biāo)之間的相互換算；不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換是指在兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)（如WGS-84大地坐標(biāo)系與1954年北京坐標(biāo)系）之間的轉(zhuǎn)換，可以在空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)間進(jìn)行，也可以在高斯平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)間進(jìn)行。采用正確的數(shù)據(jù)處理模型，是確?！盎茨系V區(qū)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件”計(jì)算結(jié)果正確性的前提。

進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本思路是：根據(jù)坐標(biāo)聯(lián)測(cè)點(diǎn)的兩套坐標(biāo)，建立兩坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型（空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型有 “布爾沙”、“莫羅金斯基”、“霍蒂內(nèi)”和“維斯”等模型；平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jì)方法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)；最后，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后成果的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（點(diǎn)位中誤差、邊長(zhǎng)中誤差、坐標(biāo)方位角中誤差），此外，為評(píng)價(jià)所選擇的轉(zhuǎn)換模型在整個(gè)測(cè)區(qū)的適用性，還需對(duì)轉(zhuǎn)換模型的精度進(jìn)行評(píng)定（內(nèi)部符合精度與外部檢核精度）。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 軟件主要功能

（1）高斯正算與反算。

（2）高斯換帶計(jì)算。

（3）大地坐標(biāo)與空間直角坐標(biāo)之間的互換。

（4）不同平面坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

（5）不同三維坐標(biāo)基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換。

（6）實(shí)現(xiàn)AUTOCAD電子版圖紙?jiān)诓煌鴺?biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于各種轉(zhuǎn)換與計(jì)算均支持單點(diǎn)轉(zhuǎn)換和文件批量轉(zhuǎn)換兩種方式。本軟件的功能設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件功能設(shè)計(jì)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件運(yùn)行主要界面

3.1.1 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。

3.1.2 軟件引擎器

坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換引擎器由“基本配置”頁(yè)、“處理模型”頁(yè)、“輸入輸出”頁(yè)等三頁(yè)和“確定”、“關(guān)閉”、“幫助”等三個(gè)按鈕組成。以對(duì)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)的坐標(biāo)系、投影帶、數(shù)據(jù)處理模型、輸出成果等進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)兩坐標(biāo)系統(tǒng)間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（1）“基本配置”頁(yè)面由 “工程目標(biāo)”、“坐標(biāo)系統(tǒng)”、“源坐標(biāo)系”、“目標(biāo)坐標(biāo)系”、“投影帶”和“投影面”等部分組成，以對(duì)該工程的任務(wù)進(jìn)行設(shè)置。

（2）“處理模型”頁(yè)面包括“空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型”、“平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型”和“參數(shù)估計(jì)”等三個(gè)定義框（如圖3所示），用于“建立模型”時(shí)設(shè)置兩坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換模型及轉(zhuǎn)換參數(shù)的估計(jì)方法。

至于空間或平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的估計(jì)方法，提供了“最小二乘估計(jì)”和“抗差估計(jì)”兩種估計(jì)方法。對(duì)于一般用戶，僅提供最小二乘估計(jì)功能；對(duì)于特許授權(quán)用戶提供一般抗差估計(jì)和高崩潰污染率抗差估計(jì)功能，以消除不穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。抗差模型由“等價(jià)權(quán)模型”和“抗差參數(shù)模型”共同構(gòu)成，軟件提供了6種不同的抗差等價(jià)權(quán)模型，其中前3種為高崩潰污染率等價(jià)權(quán)模型，對(duì)粗差的抵抗能力較強(qiáng)；后3種為普通的等價(jià)權(quán)模型，對(duì)粗差的抵抗能力也較好。

（3）“輸入輸出”頁(yè)用于獲取坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)和設(shè)置顯示輸出的內(nèi)容，還有同一坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)換算功能。“輸入輸出”頁(yè)包括“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”、“輔助功能”、“坐標(biāo)投影計(jì)算”和“輸出成果”、“打開AutoCad圖形”等定義框，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

“輔助功能”定義框包括 “導(dǎo)出Excel文件為Acess數(shù)據(jù)庫(kù)”和“導(dǎo)出Acess數(shù)據(jù)庫(kù)為文本文件”兩個(gè)選項(xiàng)，用于獲取用戶格式的數(shù)據(jù)文件，然后軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)化為軟件格式的數(shù)據(jù)文件，以進(jìn)行下一步處理。

“坐標(biāo)投影計(jì)算”是指同一坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)換算，包括 “XYZ＞BLH＞xyH”（將空間直角坐標(biāo)化為大地坐標(biāo)，再投影到高斯平面上）、“BL＞xy”（將大地坐標(biāo)投影到高斯平面上）、“xyH＞BLH＞XYZ”（將高斯平面坐標(biāo)和大地高轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)，再轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(biāo)）和“xy＞BL”（將高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)）等四個(gè)選項(xiàng)。選擇不同選項(xiàng)時(shí)，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(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將在源坐標(biāo)系下的AutoCad圖形轉(zhuǎn)換成目標(biāo)同一坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)系下的AutoCad圖形。

圖3 “處理模型”頁(yè)面

圖4 “輸入輸出”頁(yè)面

3.1.3 軟件數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

在“建立模型”或“坐標(biāo)計(jì)算”時(shí)，當(dāng)導(dǎo)入了數(shù)據(jù)文件后，出現(xiàn)“坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(kù)操作”窗口、“圖形預(yù)覽”窗口和“確定”、“幫助”、“入庫(kù)”按鈕組成。其中的“源坐標(biāo)系”和“目標(biāo)坐標(biāo)系”是利用引擎器的設(shè)置值。

“圖形預(yù)覽”窗口：在導(dǎo)入文件后，圖形預(yù)覽中顯示的圖形是待轉(zhuǎn)換點(diǎn)（紅色）和坐標(biāo)聯(lián)測(cè)點(diǎn)（綠色）的關(guān)系圖。修改（如定義了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)點(diǎn)）后，單擊“確定”按鈕，圖形預(yù)覽中顯示的圖形會(huì)發(fā)生變化，其中待轉(zhuǎn)換點(diǎn)仍用紅色表示，基準(zhǔn)點(diǎn)用蘭色表示，而綠色表示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換外部檢查點(diǎn)。

圖5 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

3.2 軟件測(cè)試

進(jìn)行本軟件精度測(cè)試時(shí)，采用了新莊孜煤礦（14點(diǎn)）、謝橋煤礦（10點(diǎn)）、張集煤礦（22點(diǎn)）、李嘴孜煤礦（24點(diǎn)）、潘一深部勘查區(qū)（24點(diǎn)）、潘三深部勘查區(qū)（15點(diǎn)）、謝橋礦南部勘查區(qū)（5點(diǎn)）、潘二礦（18點(diǎn)）、謝家集一礦（22點(diǎn)）、顧橋煤礦（26點(diǎn)）、丁集煤礦（20點(diǎn)）等礦區(qū)邊界200個(gè)點(diǎn)由1954年北京坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到1980西安坐標(biāo)系的公共點(diǎn)坐標(biāo)，這200個(gè)點(diǎn)的控制區(qū)域約870km2，點(diǎn)位分布略圖參見(jiàn)圖6。

圖6 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換區(qū)域

選擇了200個(gè)公共點(diǎn)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(gè)公共點(diǎn)為坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)點(diǎn)，其它點(diǎn)為檢查點(diǎn)(參見(jiàn)圖5)。采用最小二乘估計(jì)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，按相應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的精度評(píng)價(jià)方法，均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。解算的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角參數(shù)為：θ= 1.42578023(秒)，轉(zhuǎn)換模型中誤差為±0.2mm，轉(zhuǎn)換模型內(nèi)部符合精度±0.4mm。利用其它155個(gè)公共點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)換模型的外部精度進(jìn)行檢核，檢核得的外部檢核精度為±3.4mm。

因此，從本示例來(lái)看：提供的1954年北京坐標(biāo)系和1980年西安坐標(biāo)系的公共點(diǎn)的坐標(biāo)是相互兼容的，不存在明顯的差異；說(shuō)明采用的轉(zhuǎn)換方案是可行的，轉(zhuǎn)換成果是可靠的；研發(fā)的軟件是可用的。

4 結(jié)論

通過(guò)建立淮南礦區(qū)1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、WGS-84大地坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系和其他坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型；運(yùn)用了基于高崩潰污染率抗差估計(jì)技術(shù)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型參數(shù)解算方法，實(shí)現(xiàn)平差系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定基準(zhǔn)點(diǎn)的自動(dòng)選擇的目標(biāo)；建立同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部坐標(biāo)之間的換算（空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)、高斯平面坐標(biāo)、投影帶）模型。成功研發(fā)了“淮南礦區(qū)測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件，利用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)研發(fā)的軟件進(jìn)行了測(cè)試，轉(zhuǎn)換成果正確可靠，性能穩(wěn)定。該軟件實(shí)現(xiàn)了淮南礦區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和換算的自動(dòng)化，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有大地坐標(biāo)系到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和銜接，值得在礦區(qū)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)推廣。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).《煤礦科技術(shù)語(yǔ) 第6部分:礦山測(cè)量》.(GB/T15663.6-2008).2008年8月.

［2］杭玉付，豆仁剛，李浩，等.地表移動(dòng)觀測(cè)站GPS連接測(cè)量控制網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2014，37（5）：12-16.

［3］楊元喜.中國(guó)大地坐標(biāo)系建設(shè)主要進(jìn)展 ［J］.測(cè)繪通報(bào)，2005(l):6-9.

［4］魏子卿.我國(guó)大地坐標(biāo)系的換代問(wèn)題［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2003，28(2):138-143.

［5］陳俊勇.中國(guó)現(xiàn)代大地基準(zhǔn)—中國(guó)大地坐標(biāo)系統(tǒng)2000 (CGCS2000)及其框架［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2008，37(3):269-271.

［6］高井祥，張華海，余學(xué)祥.礦區(qū)GPS網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的抗差模型［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28(2):99-103.

［7］呂偉才，秦永洋，孫興平，等.顧橋煤礦GPS基準(zhǔn)網(wǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的高崩潰污染率抗差估計(jì)［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(6):9-15.