基于FME地形圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究

蔡　樂（湖南省第二測繪院，湖南　長沙　410119）

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基于FME地形圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的研究

蔡樂（湖南省第二測繪院，湖南長沙410119）

測繪內(nèi)業(yè)工作中經(jīng)常涉及到地形圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，目前的測繪成圖軟件雖然都具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，但同時也存在著支持的數(shù)據(jù)格式單一、轉(zhuǎn)換效率不高、處理的數(shù)據(jù)量有限等等不足，筆者通過多年的工作實踐，提出利用FME數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺對地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法。利用該技術(shù)，可在多種數(shù)據(jù)格式間輕松高效的實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

FME；AutoCAD；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；四參數(shù)

1　前言

隨著城鄉(xiāng)建設(shè)速度的加快和城市規(guī)模的不斷擴大，許多城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的基礎(chǔ)測繪得到加強，為城鄉(xiāng)規(guī)劃、建設(shè)服務(wù)的各類比例尺地形圖得到及時擴充和更新。但部分城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)在不同時期、不同部門測繪和使用的地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)并不統(tǒng)一，有1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、2000國家大地坐標(biāo)系和眾多的地方獨立坐標(biāo)系等，導(dǎo)致各個地區(qū)甚至同一地區(qū)的不同部門之間的存在著不同的坐標(biāo)系成果，所以在日常工作中常常涉及到數(shù)字地形圖坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

目前國內(nèi)的測繪成圖軟件種類眾多，數(shù)據(jù)格式也比較多，其中以AutoCAD的DWG格式應(yīng)用最為廣泛，雖然市場上大多數(shù)的測繪成圖軟件都具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的功能，但同時也存在多種不足，如支持的數(shù)據(jù)格式單一、轉(zhuǎn)換效率不高、有的需要做二次開發(fā)等，特別是對大數(shù)據(jù)量的處理，通常都無能為力。筆者通過多年的工作實踐，提出利用FME數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法。

2　FME軟件介紹

FME（Feature Manipulate Engine）是由加拿大Safe Software公司推出的一套完整的訪問空間數(shù)據(jù)的解決方案，可用于讀寫、存儲和轉(zhuǎn)換各種空間數(shù)據(jù)。通過FME提供的多元數(shù)據(jù)訪問技術(shù)、多種接口和運行模式，可以建立多種訪問類型的空間數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，從而大大提高對數(shù)據(jù)的使用效率，減少人工進(jìn)行繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理的工作量。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換有時可比作一個連接兩個數(shù)據(jù)源的狹小通道，目的是提供一個簡單直接訪問外部數(shù)據(jù)的方法，此方法的基礎(chǔ)是對細(xì)管兩端有限的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支持。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換軟件通常僅單向作業(yè)，在某些情況下，他們僅處理特定的數(shù)據(jù)集。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換的特點有：從A到B的基本幾何要素映射；簡單的點、線概念的支持；傳統(tǒng)屬性（非圖形）數(shù)據(jù)單獨處理；未定義元數(shù)據(jù)；輸入數(shù)據(jù)與輸出模型要求一致；此外，由于不同系統(tǒng)的模型可能會有較大的差異，因此會導(dǎo)致一定程度的信息丟失。

而語義轉(zhuǎn)換則在多個方面與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換不同。從整體效果上來看，可大大減少提供者和用戶所需的工作量，并可減少相關(guān)數(shù)據(jù)的管理費用。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件相比，F(xiàn)ME可提供相當(dāng)高級的功能。實際上，如此之寬闊的管路轉(zhuǎn)換軟件表明了截然不同的軟件類型。語義轉(zhuǎn)換的特點有：定義A目標(biāo)和B目標(biāo)之間的映射；使用要素處理語言；允許重新定義數(shù)據(jù)模型，如幾何關(guān)系1至幾何關(guān)系2、幾何關(guān)系至面向?qū)ο笮?、面向?qū)ο笮?至面向?qū)ο笮?；提供函數(shù)來實現(xiàn)查找、統(tǒng)計和計算功能；提供過程用于將原始數(shù)據(jù)處理成所需類型的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換與語義轉(zhuǎn)換的對比如圖1所示。

3　FME實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)路線

在本文中，筆者以AutoCAD數(shù)據(jù)為例，介紹FME軟件在數(shù)字地形圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用。

圖1　傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換與語義轉(zhuǎn)換對比

某測區(qū)原有1：500地形圖約11km2，測區(qū)范圍大致呈矩形分布，東西向略長，跨度約為4.5km，為1954年北京坐標(biāo)系成果，數(shù)據(jù)格式為DWG數(shù)據(jù)，文件大小145MB。因工作要求，需要將該地形圖轉(zhuǎn)換為1980西安坐標(biāo)系成果使用。主要技術(shù)流程如圖2所示。

圖2　主要技術(shù)流程圖

3.1坐標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)模型

在實際工作中通常采用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法有七參數(shù)和四參數(shù)兩種，七參數(shù)模型通常用于橢球面3°及以上的省級及全國范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，但需要3個以上公共點在兩個橢球下的大地坐標(biāo)方可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，四參數(shù)模型通常用于局部區(qū)域的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，僅需2個以上公共點的平面坐標(biāo)即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在本次轉(zhuǎn)換中，因測區(qū)最長跨度約為4.5km，在這個距離下，我們幾乎可以忽略因采用不同橢球參數(shù)對轉(zhuǎn)換精度的影響，故筆者采用四參數(shù)模型來完成本次轉(zhuǎn)換。參數(shù)模型見圖3和式（1）。

圖3　四參數(shù)模型

式中：x1、y1、x2、y2分別為原坐標(biāo)系和新坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換需要用到四個參數(shù)：△x、△y分別為x、y方向的平移參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，k為尺度參數(shù)；

FME軟件中并沒有四參數(shù)模型的轉(zhuǎn)換器，而是提供了一個仿射變換轉(zhuǎn)換（AFFINER）模型，模型如式（2）：

式中：x1、y1、x2、y2分別為原坐標(biāo)系和新坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換需要用到六個參數(shù)：A、B、C、D、E、F。

對兩種轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行對比分析后，可知，測量中所用的四參數(shù)模型其實為仿射變換模型的一個特例，即令D=-B，E=A時，仿射變換的六個參數(shù)簡化為四個，同時因仿射變換模型基于數(shù)學(xué)坐標(biāo)系建立，而四參數(shù)模型基于測量坐標(biāo)系建立，其x、y方向正好相反，故仿射變換的六個參數(shù)與四參數(shù)模型之間存在如式（3）的函數(shù)關(guān)系：

3.2準(zhǔn)備工作

測區(qū)已有1954年北京坐標(biāo)系控制點成果一套，經(jīng)實地踏勘，選取保存完好、分布均勻的6個GPS-D級控制點（D01、D02、D03、D05、D06、D08）作為公共點，與國家控制點聯(lián)測后，解算出1980西安坐標(biāo)系成果，利用最小二乘法計算出四參數(shù)，并通過式（3）轉(zhuǎn)換為仿射變換六參數(shù)。

3.3實施轉(zhuǎn)換

在FME Workbench工作空間中，添加讀模塊，讀入DWG格式數(shù)據(jù)，然后添加Affiner轉(zhuǎn)換器，并輸入相應(yīng)參數(shù)，最后添加寫模塊，串成一個工作流，如圖4所示。該工作空間可保存為工作模板（*.fmw）供下次使用。

圖4　FM E工作模板

工作空間設(shè)好后，點擊運行，靜等兩分鐘，即可得到轉(zhuǎn)換后的地形圖。運行時，通過觀察windows任務(wù)管理器，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)換實施時，F(xiàn)ME對內(nèi)存的調(diào)用達(dá)到了6GB，這也正是FME在大數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢所在。

4　精度評估

轉(zhuǎn)換完成后，將轉(zhuǎn)換后的控制點坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換誤差均在2cm以內(nèi)，可以滿足用圖需要（見表1）。

表1　

5　結(jié)論

FME是一款功能強大的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換軟件，本文僅以DWG數(shù)據(jù)的為例，介紹了AFFINER轉(zhuǎn)換器在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用，實際上，F(xiàn)ME支持多達(dá)300種以上的GIS數(shù)據(jù)格式，包含500多個轉(zhuǎn)換器，如果把FME軟件熟練運用到各個數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換當(dāng)中，將會很大提高工作效率和質(zhì)量，節(jié)省資源，特別是對海量數(shù)據(jù)的處理，更能體現(xiàn)FME軟件的優(yōu)勢。

［1］吳銘杰.CAD數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的研究［J］.江西測繪，2009（1）：34～37.

［2］范沖，王東亮.基于FME的CAD數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具開發(fā)及實現(xiàn)［J］.測繪與空間地理信息，2014（4）：10～13.

［3］北京世紀(jì)安圖數(shù)碼科技發(fā)展有限責(zé)任公司.FME技術(shù)白皮書［G］.北京：北京世紀(jì)安圖數(shù)碼科技發(fā)展有限責(zé)任公司，2003.

［4］國家測繪地理信息局.《大地測量控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)程》［S］.2013.

蔡 樂（1983-），男，工程師，本科，主要從事基礎(chǔ)測繪和GIS工作。

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A

2095-2066（2016）19-0088-02

2016-6-16