ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換方法及其精度評估

趙慧慧，葛 瑩，肖勝昌，王 沖，楊林波

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 測繪地理信息分院，云南 昆明 650051）

ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換方法及其精度評估

趙慧慧1，葛 瑩1，肖勝昌2，王 沖2，楊林波2

（1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 測繪地理信息分院，云南 昆明 650051）

ArcGIS提供了靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換3種坐標轉(zhuǎn)換方法?；谖覈?954北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系，選定等級較高、分布均勻的坐標成果點，利用靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換進行坐標轉(zhuǎn)換方法精度分析。

坐標轉(zhuǎn)換；精度評估；ArcGIS軟件；地理數(shù)據(jù)庫

在地理信息系統(tǒng)建設與應用中，經(jīng)常需要進行空間坐標轉(zhuǎn)換[1-3]。在我國現(xiàn)行的測繪成果中，仍有大量數(shù)據(jù)采用1980西安坐標系，甚至是1954北京坐標系[4-6]，按照國務院要求，我國將在2016年前完成現(xiàn)行國家大地坐標系向2000國家大地坐標系的過渡[7]。ArcGIS作為主流的地理信息系統(tǒng)平臺，廣泛應用于我國的地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、建庫和應用系統(tǒng)的開發(fā)中，形成了大批基于ArcGIS軟件的矢量數(shù)據(jù)[8,9]。當前關于ArcGIS軟件的坐標轉(zhuǎn)換研究，主要集中在坐標系討論和坐標轉(zhuǎn)換程序開發(fā)方面，坐標轉(zhuǎn)換方式對空間數(shù)據(jù)精度的影響評估卻不多見。本文將針對該問題進行深入探討，在綜述ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換方式的基礎上，針對我國常用的坐標系，進行點位坐標轉(zhuǎn)換的精度評估與檢核。

1 ArcGIS的坐標轉(zhuǎn)換

ArcGIS地理參照處理策略是將空間數(shù)據(jù)和坐標系分離存儲[10]，所以坐標轉(zhuǎn)換時，不僅要定義地理參照系，還要考慮空間數(shù)據(jù)坐標處理方式。一般來說，ArcGIS軟件包含2套坐標系統(tǒng)：地理坐標系和投影坐標系[11,12]。前者是用經(jīng)度和緯度定義球或橢球面上點位的參照系[13]，后者是為二維或三維點、線、面要素的位置定位的（x，y，z）參照系[14]。ArcGIS軟件預置了全世界上百種地理參照系，其中我國常用的地理坐標系有1954北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系。

在此基礎上，ArcGIS軟件提供了靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換3種空間坐標轉(zhuǎn)換方法，見表1。

表1 ArcGIS 3種坐標轉(zhuǎn)換方式的比較

由此可知，對于ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換，無論是地理參照系定義還是空間坐標轉(zhuǎn)換方式，都存在較明顯的差異。如果不能深入理解ArcGIS空間坐標轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)機理，空間坐標轉(zhuǎn)換方式的誤用則不可避免。

2 實驗的設計與組織

2.1 數(shù)據(jù)準備

本文選定某區(qū)域12個均勻分布的坐標成果點，覆蓋范圍約為1 209 km2。按照研究目的，選擇了3套地理坐標系（1954北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系），以及基于這3套地理坐標系的高斯-克呂格投影坐標。

2.2 實驗設計和步驟

2.2.1 實驗設計

為了分析ArcGIS靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換3種坐標轉(zhuǎn)換方法，針對1954北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系，本文設計了3組點位坐標轉(zhuǎn)換實驗：①1954北京坐標系向1980西安坐標系轉(zhuǎn)換（簡稱Beijing1954 to Xi'an1980）；②1954北京坐標系向2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換（簡稱Beijing1954 to CGCS2000）；③1980西安坐標系向2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換（簡稱Xi'an1980 to CGCS2000）。

2.2.2 實驗流程

實驗前，以“Beijing1954 to CGCS2000”為例，說明本文的實驗流程：

1）選擇點位坐標轉(zhuǎn)換模型。選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，利用ArcGIS的Data Management Tools/Projection and Transformation/Create Custom Geographic Transformation工具，定義“Beijing1954 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換模型參數(shù)。

2）生成shapefile文件。在ArcGIS中，生成基于Beijing1954的 shapefile文件，將12個坐標成果展繪到該文件。

3）實現(xiàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)換。利用ArcGIS的Data Management Tools/Projection and Transformation/Feature/Projection工具，實現(xiàn)靜態(tài)轉(zhuǎn)換。

4）添加點位坐標屬性。利用Data Management Tools/Features下的Add XY Coordinates工具，將坐標字段添加到屬性表，得到轉(zhuǎn)換后坐標。

5）實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)換。在ArcCatalog環(huán)境下，創(chuàng)建Geodatabase數(shù)據(jù)庫，先以CGCS2000為地理坐標系建立要素數(shù)據(jù)集，再用ArcGIS Import功能將建立的要素類導入要素數(shù)據(jù)集，完成動態(tài)轉(zhuǎn)換。

6）實現(xiàn)即時轉(zhuǎn)換。在ArcMap環(huán)境下，先添加CGCS2000控制點坐標文件，再添加Beijing1954的shapefile文件。此時，12個控制點坐標自動從Beijing1954坐標系配準至CGCS2000坐標系，實現(xiàn)坐標系的即時轉(zhuǎn)換。

7）評估坐標轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換后坐標分別與CGCS2000真實坐標進行比較，對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計性描述，繪制誤差曲線，分析坐標轉(zhuǎn)換精度，得出相關結(jié)論。

3 實驗結(jié)果與分析

本文選取點位中誤差作為精度評價指標，計算公式如下：

3.1 統(tǒng)計描述

本文完成了3組實驗，分別是“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”以及“Beijing1954 to Xi'an1980”，基本上涵蓋了目前國內(nèi)測繪生產(chǎn)中常見的坐標轉(zhuǎn)換。各組實驗結(jié)果及其統(tǒng)計描述性質(zhì)列于表2～4。

表2 Beijing1954 to CGCS2000實驗結(jié)果的描述性統(tǒng)計

1）實驗1 ：Beijing1954 to CGCS2000。由表2可知，ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換方式對點位坐標精度會產(chǎn)生較大影響。在ArcGIS軟件中，“Beijing1954 to CGCS2000”靜態(tài)轉(zhuǎn)換最好，動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換方式次之，且后兩種方式之間的點位坐標精度差異較小，而靜態(tài)轉(zhuǎn)換與動態(tài)轉(zhuǎn)換、即時轉(zhuǎn)換之間相差卻較大。因此，在空間坐標轉(zhuǎn)換時，盡量考慮靜態(tài)轉(zhuǎn)換。

2）實驗2：Xi'an1980 to CGCS2000。由表3可知，從坐標轉(zhuǎn)換方式上來看，實驗2與實驗1的研究結(jié)論相似。但是，對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換，“Xi'an1980 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換精度稍高于“Beijing1954 to CGCS2000”；對于動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換，“Beijing1954 to CGCS2000”明顯高于“Xi'an1980 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換精度。

3）實驗3：Beijing1954 to Xi'an1980。由表4可知，從不同坐標系間的轉(zhuǎn)換上來看，實驗3與實驗1有相似結(jié)論，即在ArcGIS環(huán)境下，“Beijing1954 to Xi'an1980”靜態(tài)轉(zhuǎn)換最好，動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換次之，且后兩種方式之間的空間數(shù)據(jù)精度差異較小，靜態(tài)轉(zhuǎn)換與動態(tài)轉(zhuǎn)換、即時轉(zhuǎn)換之間相差很大。

表3 Xi'an1980 to CGCS2000實驗結(jié)果的描述性統(tǒng)計

表4 Beijing1954 to Xi'an1980實驗結(jié)果的描述性統(tǒng)計

總的來說，對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換，“Beijing1954 to Xi'an1980”坐標轉(zhuǎn)換精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換精度最低；而對于動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換，“Beijing1954 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”坐標轉(zhuǎn)換精度最低。

3.2 實驗精度的分析

從點位中誤差的角度，運用ArcGIS靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換3種方式，對“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”、“Beijing1954 to Xi'an1980”3種坐標轉(zhuǎn)換的空間坐標轉(zhuǎn)換精度進行分析（見表5）。

表5 3種坐標轉(zhuǎn)換方式平均點位中誤差的比較

由表5可知，就平均中誤差來說，靜態(tài)轉(zhuǎn)換最好，動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換次之，且靜態(tài)轉(zhuǎn)換與動態(tài)轉(zhuǎn)換或即時轉(zhuǎn)換的精度差距較大。對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換而言，“Beijing1954 to Xi'an1980”數(shù)據(jù)精度最高（0.199），其次是“Xi'an1980 to CGCS2000”（1.260），精度最低的是“Beijing1954 to CGCS2000”（1.480）。

進一步地繪制3種坐標轉(zhuǎn)換的點位中誤差曲線如圖1、圖2所示。

圖1 靜態(tài)轉(zhuǎn)換的點位中誤差曲線圖

由圖1可知，針對靜態(tài)轉(zhuǎn)換方式，“Beijing1954 to Xi'an1980”的精度比“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度高得多。另外，12個點位中誤差曲線形狀相似，表明誤差變化趨勢一致。

圖2 點位中誤差曲線圖

由圖2可知，無論是動態(tài)轉(zhuǎn)換還是即時轉(zhuǎn)換，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度最低。

推測導致ArcGIS空間坐標轉(zhuǎn)換誤差的原因是：① 地理坐標系的定義完全不同，1954北京坐標系、1980西安坐標系是參心坐標系，而2000國家大地坐標系是地心坐標系；②ArcGIS軟件的空間坐標轉(zhuǎn)換方法機理不同，但ArcGIS并沒有對外公布這些轉(zhuǎn)換機理；③由于地理坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)具有時空限制性，所以轉(zhuǎn)換參數(shù)解算誤差也是空間坐標轉(zhuǎn)換誤差來源；④ 對于動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換，其空間坐標轉(zhuǎn)換主要目的是單純滿足制圖可視化需要，對其坐標精度沒有做出明確要求。

4 結(jié) 語

ArcGIS空間坐標轉(zhuǎn)換方式不同，對點位坐標轉(zhuǎn)換精度的影響也不同；另一方面，在同一種空間坐標轉(zhuǎn)換方式下，不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換精度也不相同，具體地說：

1）對于靜態(tài)轉(zhuǎn)換、動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換而言，無論是“Beijing1954 to Xi'an1980”，還是“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”，靜態(tài)轉(zhuǎn)換的點位精度較高，動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換次之，且后兩者之間的精度相差不大。

2）在靜態(tài)轉(zhuǎn)換中，“Beijing1954 to Xi'an1980”的精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最低；在動態(tài)轉(zhuǎn)換和即時轉(zhuǎn)換中，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度最低。

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1672-4623（2016）03-0073-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.023

趙慧慧,碩士, 研究方向為GIS工程及空間分析應用。

2015-05-07。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41071347）；云南省重大科技專項資助項目（2013ZB006）。