蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作的思考

章永斌

（蘭溪市測(cè)繪事務(wù)所，浙江蘭溪321100）

1 引言

依據(jù)國家測(cè)繪地理信息局發(fā)布的公告，2000國家坐標(biāo)系從2008年7月1日開始啟用，2000國家坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與現(xiàn)行國家坐標(biāo)系、銜接的需要8-10年過渡期；在過渡期內(nèi)現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)換到2000國家坐標(biāo)系，2008年7月1日后新建的地理信息系統(tǒng)，必須采用2000國家坐標(biāo)系。由于1980西安坐標(biāo)系已經(jīng)采用20多年，蘭溪市國土資源局從1998年開始啟用1980西安坐標(biāo)系測(cè)繪數(shù)據(jù)，工作中形成了大量的國土數(shù)據(jù)資料和相關(guān)的信息系統(tǒng)采用了1980西安坐標(biāo)系測(cè)繪數(shù)據(jù)成果，于是面臨著大量的國土數(shù)據(jù)資料的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。

2 我國不同時(shí)期所采用的坐標(biāo)系

在上世紀(jì)50年代和80年代分別創(chuàng)建了1954年北京坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系，測(cè)制了各種比例尺地形圖，由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，傳統(tǒng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)中國大地坐標(biāo)系的主要依賴手段。1954北京坐標(biāo)系采用的是克拉索夫斯基橢球體，該橢球長軸為6378245M，短軸為6356863.0188M，扁率為1/298.3，坐標(biāo)起算原點(diǎn)在前蘇聯(lián)的普爾科沃，該系統(tǒng)在定位和計(jì)算過程中，沒有采用中國的數(shù)據(jù)，它在中國范圍內(nèi)不適合，不能滿足高精度定位以及空間科學(xué)、地球科學(xué)和戰(zhàn)略武器發(fā)展的需要。

在上世紀(jì)70年代，經(jīng)過我國大地測(cè)量工作者們二十多年的艱巨努力，終于完成了全國一、二等天文大地網(wǎng)的布測(cè)。經(jīng)過整體平差，采用1975年IUGG第十六屆大會(huì)推薦的參考橢球，建立了1980西安坐標(biāo)系，該橢球長軸為6378140M，短軸為6356755.2882M，扁率為1/298.257，坐標(biāo)起算原點(diǎn)在我國中部陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。它在定位和計(jì)算過程中，采用了中國的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)在中國范圍內(nèi)非常符合，在中國建設(shè)發(fā)展和科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

20088年4月國務(wù)院正式批準(zhǔn)2000國家坐標(biāo)系是我國當(dāng)前最新的國家坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)為包括大氣、海洋的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0的地球參考極的方向，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午面與歷元2000.0地球參考橢球的赤道面的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。該橢球長軸為6378137M，短軸為6356752.3141M，扁率為1/298.257。

當(dāng)前GPS發(fā)展過程中，國際上以及手機(jī)GPS用戶采用WGS-84坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系由于框架、歷元混亂，因此其精度較底。它與2000國家坐標(biāo)系相比實(shí)質(zhì)是一樣的，屬于地心坐標(biāo)系，采用的地球參考橢球非常接近，扁率差異所引起的橢球面上的緯度和高度變化最大達(dá)0.1MM，當(dāng)前測(cè)量精度范圍內(nèi)，其差異可以忽略，也可以說該坐標(biāo)系與2000國家坐標(biāo)系相容至CM級(jí)水平。

3 坐標(biāo)投影

地球上的點(diǎn)用經(jīng)緯度表示的是地理坐標(biāo)系，也稱大地坐標(biāo)系。由于地理坐標(biāo)系不夠方便，所以人們比較習(xí)慣于使用平面坐標(biāo)系，平面坐標(biāo)系分別用xy表示。把球體表面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)成平面坐標(biāo)需要一定的手段，這個(gè)手段稱為投影。由于投影方法也不是唯一的，但是投影就是為了一個(gè)目的，務(wù)求使當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)最準(zhǔn)確。目前就有好多投影方法，比如高斯投影、墨卡托投影等。

我國的投影坐標(biāo)系主要采用高斯-克呂格投影，分為6度和3度分帶投影，1：2.5萬-1：50萬比例尺地形圖采用經(jīng)差6度分帶，1：1萬比例尺的地形圖采用經(jīng)差3度分帶。具體分帶法是：6度分帶從本初子午線（格林尼治天文臺(tái)所在的子午線）開始，按經(jīng)差6度為一個(gè)投影帶自西向東劃分，全球共分60個(gè)投影帶，中國跨13-23帶;3度投影帶是從東經(jīng)1度30分經(jīng)線(1.5°)開始，按經(jīng)差3度為一個(gè)投影帶自西向東劃分，全球共分120個(gè)投影帶，中國跨25-45帶。該投影的特點(diǎn)：在投影面上，中央子午線和赤道的投影都是直線，并以中央子午線和赤道的交點(diǎn)O作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以中央子午線的投影為縱坐標(biāo)軸，以赤道的投影為橫坐標(biāo)軸，形成高斯平面直角坐標(biāo)系。因此這種投影，將中央經(jīng)線投影為直線，其長度沒有變形，其余經(jīng)線為凹向中央子午線的曲線，距離中央經(jīng)線愈遠(yuǎn)，變形愈大；赤道線投影后是直線，但其長度有變形，除赤道外的其余緯線，投影后為凸向赤道的曲線，并以赤道為對(duì)稱軸；經(jīng)線與緯線投影后保持正交。所以高斯-克呂格投影采用分帶投影，目的就是使投影帶邊緣的變形不致過大。

蘭溪建成區(qū)位于東經(jīng)119°18，按照國家高斯-克呂格投影3度分帶，其中央子午線為東經(jīng)120°，由于蘭溪建成區(qū)東經(jīng)119°18，落在東經(jīng)120°中央子午線投影帶邊緣，其國家控制點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)用到工程測(cè)量上，投影變形過大，歷史上蘭溪采用將東經(jīng)120°中央子午線投影帶的國家控制點(diǎn)坐標(biāo)平移轉(zhuǎn)換到東經(jīng)119°18，作為中央子午線的投影帶坐標(biāo)，建立蘭溪獨(dú)立坐標(biāo)系，以消除因投影帶邊緣變形過大對(duì)工程測(cè)量的影響。因此蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料所涉及的坐標(biāo)系一般都是在東經(jīng)119°18，作為中央子午線的投影帶下，將測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)進(jìn)行整體平差后，再把坐標(biāo)數(shù)據(jù)平移轉(zhuǎn)換到東經(jīng)120°中央子午線投影帶下的數(shù)據(jù)坐標(biāo)，提交上述數(shù)據(jù)資料。

4 Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和流程

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是利用擁有兩種坐標(biāo)系坐標(biāo)的重合點(diǎn)，采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，利用最小二乘法原理，得到相應(yīng)的目標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)。由于Bursa七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型理論比較嚴(yán)密，一般測(cè)量界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換大多采用Bursa七參數(shù)為三維模型，其轉(zhuǎn)換模型有3個(gè)平移參數(shù)，3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度參數(shù)。本次蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作也采用Bursa七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。

重合點(diǎn)的選取一般遵循高等級(jí)、高精度、分布均勻、覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域等原則，并盡量避免選取變形或沉降較大區(qū)域的點(diǎn)，因此本次蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作主要利用城鎮(zhèn)地籍?dāng)?shù)字化測(cè)量時(shí)上交的地籍一級(jí)控制點(diǎn)，并對(duì)所有的地籍一級(jí)控制點(diǎn)重新委托測(cè)量2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)。按照坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選取坐標(biāo)的重合點(diǎn)的要求，每批6個(gè)重合點(diǎn)，6個(gè)重合點(diǎn)盡量均勻分布在蘭溪市市域范圍，采用Bursa七參數(shù)為三維模型，采用最小二乘法原理求解轉(zhuǎn)換七參數(shù)；運(yùn)用求解的轉(zhuǎn)換七參數(shù)對(duì)其他的坐標(biāo)的重合點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到求算的2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)，并將求算的2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)與實(shí)測(cè)的2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算重合點(diǎn)坐標(biāo)殘差，剔除殘差大于3倍單位權(quán)中誤差的重合點(diǎn)，直到重合點(diǎn)坐標(biāo)殘差小于3倍單位權(quán)中誤差的重合點(diǎn)，確定重合點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換七參數(shù)；使用其它地籍一級(jí)控制點(diǎn)未參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)作為外部檢核點(diǎn)，利用已確定的轉(zhuǎn)換七參數(shù)計(jì)算這些外部檢核點(diǎn)2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)，與該外部檢核點(diǎn)的實(shí)測(cè)2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)進(jìn)行比較，并求算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差。殘差檢核公式是否符合精度要求，當(dāng)絕大多數(shù)外部檢核點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差符合精度要求，經(jīng)過大量的試算與分析剔除一些變化大的重合點(diǎn)，最后確定轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并計(jì)算轉(zhuǎn)換中誤差，并上報(bào)市地理信息管理處存檔，便于今后其他兄弟單位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使用；利用最后確定的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，將所有的地籍二級(jí)控制點(diǎn)和地籍圖根點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2000國家大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

4.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算步驟

①按照轉(zhuǎn)換區(qū)域，選取合適的轉(zhuǎn)換模型；

②通過選取重合點(diǎn)，計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)；

③計(jì)算重合點(diǎn)坐標(biāo)殘差，剔除殘差大于3倍單位權(quán)重誤差的重合點(diǎn)；

④重復(fù)上述②和③，使重合點(diǎn)坐標(biāo)殘差均小于3倍單位權(quán)重誤差，并且計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)數(shù)量根據(jù)轉(zhuǎn)換模型確定。本次采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型時(shí)，重合點(diǎn)不少于6個(gè)；

⑤由確定的重合點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，而求得各控制點(diǎn)在2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。

v(轉(zhuǎn)換殘差)=已知點(diǎn)2000國家大地坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)-轉(zhuǎn)換求算的該點(diǎn)2000國家大地坐標(biāo)系平面坐標(biāo)

X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中誤差：MX=∑△vx2/n

Y標(biāo)轉(zhuǎn)換中誤差：MY=∑△vy2/n

轉(zhuǎn)換中誤差：M=(MX2+MY2)/2

4.3 外部符合精度檢核的方法

①把未參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)作為外部檢核點(diǎn)，其中點(diǎn)數(shù)一般不少于6個(gè)并且均勻分布；

②利用轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算外部檢核點(diǎn)的坐標(biāo)與該外部檢核點(diǎn)的已知坐標(biāo)進(jìn)行比較，檢核公式同坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差計(jì)算公式相同。

5 蘭溪市國土歷史數(shù)據(jù)資料坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

實(shí)現(xiàn)空間矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、文本文件數(shù)據(jù)、Oracle數(shù)據(jù)庫空間矢量數(shù)及切片影像數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。依據(jù)實(shí)際工作需要將全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分出層次，分步驟向2000國家大地坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。首先優(yōu)先轉(zhuǎn)換國土資源管理基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)，滿足國家規(guī)定時(shí)間使用2000國家大地坐標(biāo)后的國土資源管理要求。其次對(duì)使用頻率較低的歷史檔案數(shù)據(jù)在后續(xù)的工作中逐步轉(zhuǎn)換。同時(shí)對(duì)已有地籍圖根點(diǎn)以上的控制點(diǎn)，用Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和流程求解的參數(shù)，一次性轉(zhuǎn)換成國家2000坐標(biāo)系，便于今后工程測(cè)量的需要，同時(shí)對(duì)Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和流程所求解的參數(shù)報(bào)備測(cè)繪管理部門，便于其他測(cè)量單位在蘭溪區(qū)域范圍內(nèi)測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使用。最后，一直以來，蘭溪市各部門北京54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換西安80坐標(biāo)系已有固定的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為避免坐標(biāo)系多次轉(zhuǎn)換造成數(shù)據(jù)銜接誤差，在蘭溪市各部門北京54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換2000國家大地坐標(biāo)系的實(shí)際工作中，應(yīng)該按照固定的轉(zhuǎn)換參數(shù)將蘭溪市各部門北京54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成西安80坐標(biāo)系，再將數(shù)據(jù)按80系與2000國家大地坐標(biāo)系的新參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

矢量數(shù)據(jù)管理單元的轉(zhuǎn)換：

①首先取得80系各要素的坐標(biāo)，逐一計(jì)算其2000系下各要素的坐標(biāo)。

②并且將2000系下各要素的坐標(biāo)寫回原要素。

③添加2000系下新的方里格網(wǎng)層及標(biāo)注，刪除原方里格網(wǎng)數(shù)據(jù)層及標(biāo)注。

該數(shù)據(jù)為CGCS200，其范圍為原80系范圍。

④數(shù)據(jù)編輯、鄰帶之間接邊、拓?fù)渲亟ā?/p>

⑤先進(jìn)行數(shù)據(jù)相互拼接，再按2000系標(biāo)準(zhǔn)圖幅范圍進(jìn)行裁切。

⑥更新相關(guān)字段屬性值。

⑦在元數(shù)據(jù)中，增加2000系下4個(gè)圖廓角點(diǎn)坐標(biāo)，橢球長半徑、橢球扁率、所采用的大地基準(zhǔn)以及產(chǎn)品更新日期。

矢量數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換：連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，先把每個(gè)要素類加載空間數(shù)據(jù)庫中，再讀取各要素80系坐標(biāo)，然后逐一計(jì)算2000系下各要素坐標(biāo)，將2000系下的要素存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)庫中新建的要素類，具體方法如下：

①新建一個(gè)新的要素類要與原要素類結(jié)構(gòu)相同；

②通過先獲取各要素80系坐標(biāo)，來逐點(diǎn)計(jì)算2000系下各要素的坐標(biāo)；

③將2000系下要素寫入新建要素類；

④先添加2000系下新的方里格網(wǎng)層，再刪除原方里格網(wǎng)數(shù)據(jù)層；

⑤更新相關(guān)字段屬性值。

柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換：

①對(duì)1：1萬標(biāo)準(zhǔn)分幅DOM讀取80系頭文件中定位坐標(biāo)，計(jì)算DOM中心點(diǎn)坐標(biāo)“改正量”，按照像素關(guān)系計(jì)算移動(dòng)量（像素?cái)?shù)），避免圖幅之間接邊數(shù)據(jù)重新采樣；

②先進(jìn)行數(shù)據(jù)相互拼接，再按2000系標(biāo)準(zhǔn)圖幅范圍及重疊像素進(jìn)行裁切；

③DOM數(shù)據(jù)勻色處理；

④更改數(shù)據(jù)頭文件中定位坐標(biāo)；

⑤在元數(shù)據(jù)中，增加2000系圖廓坐標(biāo)范圍，橢球長半徑、橢球扁率、所采用的大地基準(zhǔn)以及產(chǎn)品更新日期。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分幅DOM讀取80系頭文件中定位坐標(biāo)，計(jì)算DOM中心點(diǎn)坐標(biāo)“改正量”，按照像素關(guān)系計(jì)算移動(dòng)量（像素?cái)?shù)），避免圖幅之間接邊數(shù)據(jù)重新采樣；更改數(shù)據(jù)頭文件中定位坐標(biāo)。

通過對(duì)歷年的國土調(diào)查矢量數(shù)據(jù)庫和地籍矢量數(shù)據(jù)庫以及歷年航片、衛(wèi)片進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以達(dá)到國家對(duì)國土數(shù)據(jù)上報(bào)必須使用國家2000坐標(biāo)系的要求。