基于ArcGIS的矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法研究

張?jiān)骑w 趙紫鋒

（1.河南省地圖院，河南 鄭州 450003；2.河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003）

1 概述

2O世紀(jì)5O年代和80年代，我國(guó)分別建立了1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系，兩者均是以參考橢球中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱參心坐標(biāo)系)，測(cè)制了各種比例尺地形圖。1954北京坐標(biāo)系采用的是克拉索夫斯基橢球體，該橢球在計(jì)算和定位過(guò)程中，沒有采用中國(guó)的數(shù)據(jù)，在中國(guó)范圍內(nèi)符合得不好，不能滿足高精度定位以及地球科學(xué)、空間科學(xué)和戰(zhàn)略武器發(fā)展的需要[1]。20世紀(jì)70年代，我國(guó)的大地測(cè)量工作者完成了全國(guó)一、二等天文大地網(wǎng)的布測(cè)。經(jīng)過(guò)整體平差，采用1975年IUGG第十六屆大會(huì)推薦的參考橢球參數(shù)，我國(guó)建立了1980西安坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大作用。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究等對(duì)坐標(biāo)系提出了新的要求。地心坐標(biāo)系是以地球質(zhì)心為原點(diǎn)建立的空間直角坐標(biāo)系，有利于采用現(xiàn)代空間技術(shù)對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行維護(hù)和快速更新，測(cè)定高精度大地控制點(diǎn)三維坐標(biāo)，提高測(cè)圖工作效率，于是我國(guó)采用了2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心。z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議極地方向（BIH國(guó)際時(shí)間局），x軸指向BIH1984.0定義的零子午面與協(xié)議赤道的交點(diǎn)，y軸按右手坐標(biāo)系確定[2]。

1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和2000國(guó)家大地坐標(biāo)系曾共同使用，但這三種坐標(biāo)系參考橢球、高程基準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致行業(yè)間、部門間地理信息空間數(shù)據(jù)無(wú)法直接對(duì)接，形成信息孤島。因此，國(guó)務(wù)院要求，自2018年7月1日起，我國(guó)全面使用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，2018年6月底前全面完成2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作。

ArcGIS是GIS的主流系統(tǒng)，被廣泛運(yùn)用于系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)產(chǎn)出及數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中，產(chǎn)生了基于ArcGIS系統(tǒng)的大量矢量數(shù)據(jù)信息。本文在實(shí)際工程應(yīng)用中，研究了如何利用ArcGIS軟件，快速準(zhǔn)確地將矢量數(shù)據(jù)從其他坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

2 ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

ArcGIS有七參數(shù)法和空間校正法兩種方法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.1 七參數(shù)法

任意兩種空間直角坐標(biāo)系都可以通過(guò)一定的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換[3]，轉(zhuǎn)換模型如下：

式中?x、?y、?z為x軸、y軸、z軸上的平移量，ωx、ωy、ωz為x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)量，m為縮放量。轉(zhuǎn)換模型共有7個(gè)參數(shù)，因此稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。當(dāng)工程范圍較小時(shí)，可以不考慮旋轉(zhuǎn)和縮放，只考慮3個(gè)平移參數(shù)，即三參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。三參數(shù)模型是七參數(shù)模型的特殊情況。ArcGIS提供多種基于三參數(shù)和七參數(shù)的變換方法。

ArcGIS系統(tǒng)可以通過(guò)轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，但是沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算功能，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)需在其他專業(yè)軟件中求取。ArcGIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)七參數(shù)轉(zhuǎn)換步驟如下：

（1）選取控制點(diǎn)：選取源坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系的同名控制點(diǎn)，控制點(diǎn)要覆蓋整個(gè)工程范圍，且均勻分布。

（2）利用控制點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)：將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入COORD GM軟件中計(jì)算七參數(shù),如圖1所示。

（3）創(chuàng)建自定義坐標(biāo)變換：設(shè)置地理變換名稱，輸入地理坐標(biāo)系設(shè)置為源坐標(biāo)系的地理坐標(biāo)系，輸出地理坐標(biāo)系設(shè)置為目標(biāo)投影的地理坐標(biāo)系，選擇自定義地理變換方法，在相應(yīng)的位置填入步驟（2）計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)，如圖2所示。

圖1 COORD GM軟件中計(jì)算七參數(shù)

圖2 使用ArcGIS創(chuàng)建自定義坐標(biāo)變換

（4）使用創(chuàng)建的坐標(biāo)變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換，如圖3所示。

圖3 使用創(chuàng)建的坐標(biāo)變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換

2.2 空間校正

ArcGIS空間校正工具可提供用于對(duì)齊和整合數(shù)據(jù)的交互式方式?？臻g校正支持多種校正方法，可校正所有可編輯的數(shù)據(jù)源。它通常用于已從其他源導(dǎo)入數(shù)據(jù)的場(chǎng)合?？蓤?zhí)行的一些任務(wù)包括：將數(shù)據(jù)從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系中；糾正幾何變形；將沿著某一圖層的邊的要素與鄰接圖層的要素對(duì)齊；以及在圖層之間復(fù)制屬性。

利用空間校正工具實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換的步驟如下：

（1）動(dòng)態(tài)投影：加載范圍區(qū)內(nèi)空間參考為目標(biāo)投影的矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)框空間參考設(shè)置為目標(biāo)投影，再導(dǎo)入空間參考為其他坐標(biāo)系的矢量文件。

（2）建立源坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系的一對(duì)一的鏈接文件，如圖4所示。

圖4 使用空間校正對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換

（3）選擇校正方法對(duì)源坐標(biāo)系矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校正。

（4）將校正后的矢量文件空間參考定義為目標(biāo)投影。

3 兩種方法的比較

七參數(shù)法和空間校正法均能實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)在不同坐標(biāo)系下無(wú)損、高效、高精確度的轉(zhuǎn)換。但在實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)源的限制，兩種轉(zhuǎn)換方法有不同的適用范圍。七參數(shù)法與空間校正法對(duì)比如表1所示。

表1 兩種轉(zhuǎn)換方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

七參數(shù)法需要獲取范圍區(qū)源坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系的同名控制點(diǎn)，而控制點(diǎn)屬于機(jī)密數(shù)據(jù)，掌握在當(dāng)?shù)販y(cè)繪主管部門手中，不易獲取。而且七參數(shù)法轉(zhuǎn)換要求源矢量數(shù)據(jù)的空間參考是已知且正確的，未知空間參考的矢量數(shù)據(jù)不能進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

七參數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于操作便捷，七參數(shù)是對(duì)兩個(gè)坐標(biāo)系的參考橢球進(jìn)行變換，同一參考橢球下的投影變換內(nèi)置在了變換過(guò)程中。因此在設(shè)置完轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)橢球下任意投影到另一橢球的任意投影的變換。例如在創(chuàng)建工程范圍內(nèi)1980西安坐標(biāo)系到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系變換后，使用該變換可以將西安80地理坐標(biāo)系或西安80任意帶投影坐標(biāo)系變換到CGCS2000地理坐標(biāo)系或2000任意帶投影坐標(biāo)系。變換后矢量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為目標(biāo)投影的矢量數(shù)據(jù)。

空間校正法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的要求很低，無(wú)需控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，也不必知道源矢量數(shù)據(jù)的空間參考，源矢量數(shù)據(jù)如存在偏移、變形情況也可在轉(zhuǎn)換過(guò)程中得到糾正。但空間校正需要源矢量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)投影數(shù)據(jù)，以便在建立源坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系的一對(duì)一的鏈接文件時(shí)獲取正確的坐標(biāo)位置。手動(dòng)添加鏈接點(diǎn)存在一定的誤差，鏈接點(diǎn)選取好壞直接影響轉(zhuǎn)換的精度，因此需剔除殘差值大的鏈接點(diǎn)。ArcGIS空間校正提供仿射變換、投影變換、相似變換、橡皮頁(yè)變換等多種變換方式，選取不同的變換方式，轉(zhuǎn)換的結(jié)果也有所不同?？臻g校正后還需重新定義轉(zhuǎn)換后的矢量數(shù)據(jù)的空間參考。

因此，在控制點(diǎn)及矢量數(shù)據(jù)空間參考已知的情況下，通過(guò)七參數(shù)法可以快速、批量化實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在無(wú)控制點(diǎn)或空間參考未知的情況下，通過(guò)空間校正，也可實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了ArcGIS實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的兩種方式，并對(duì)比了兩種方式的異同，根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作中遇到的實(shí)際情況，給出了兩種方式在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作中的適用范圍。結(jié)合七參數(shù)法和空間校正法，可解決2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作中遇到的大多數(shù)問(wèn)題，助力坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作順利完 成。

[1]李平,盧立．ArcGIS中幾種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究[J]．城市勘測(cè),2012(1)：87-88．

[2]周衛(wèi),張彥彥,龍毅．圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與實(shí)現(xiàn)[J]．地球信息科學(xué),2007,9(2)：101-105．

[3]潘元進(jìn),何美琳,李聰,等．2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型的試驗(yàn)分析與研究[J]．測(cè)繪工程,2012,32(4)：25-28．