蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料坐標轉(zhuǎn)換工作的思考

章永斌

【摘 要】論文從不同坐標系的定義出發(fā)，闡述了坐標轉(zhuǎn)換的原理和方法，并以1980西安坐標系轉(zhuǎn)換到2000國家坐標系為例，給出了ArcGIS下將蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料從1980西安坐標系轉(zhuǎn)換到2000國家坐標系的有效方法，以期對其他單位地理數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換有所幫助。

【Abstract】Starting from the definition of different coordinate systems， the paper expounds the principle and method of coordinate transformation. And taking the conversion of Xi'an geodetic coordinate system 1980 to national coordinate system 2000 as an example， the effective method of converting the land data of Lanxi from Xi'an geodetic coordinate system 1980 to national coordinate system 2000 under ArcGIS is given. Hoping to provide some help for the coordinate conversion of geographical data of other units.

【關(guān)鍵詞】坐標系；坐標轉(zhuǎn)換；1980西安坐標系；2000國家坐標系

【Keywords】 coordinate system； coordinate transformation； Xi'an geodetic coordinate system 1980； national coordinate system 2000

【中圖分類號】S29 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）05-0091-031 引言

依據(jù)國家測繪地理信息局發(fā)布的公告，2000國家坐標系從2008年7月1日開始啟用，2000國家坐標系轉(zhuǎn)換與現(xiàn)行國家坐標系、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國家坐標系。由于1980西安坐標系已經(jīng)采用20多年，蘭溪市國土資源局從1998年開始啟用1980西安坐標系測繪數(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西安坐標系測繪數(shù)據(jù)成果，于是面臨著大量的國土數(shù)據(jù)資料的坐標轉(zhuǎn)換問題。

2 我國不同時期所采用的坐標系

在上世紀50年代和80年代分別創(chuàng)建了1954年北京坐標系與1980西安坐標系，測制了各種比例尺地形圖，由于受當時技術(shù)條件限制，傳統(tǒng)技術(shù)是實現(xiàn)中國大地坐標系的主要依賴手段。1954北京坐標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，坐標起算原點在前蘇聯(lián)的普爾科沃，該系統(tǒng)在定位和計算過程中，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70年代，經(jīng)過我國大地測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。經(jīng)過整體平差，采用 1975年IUGG第十六屆大會推薦的參考橢球，建立了1980西安坐標系，該橢球長軸為6378140M，短軸為6356755.2882M，扁率為1/298.257，坐標起算原點在我國中部陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。它在定位和計算過程中，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2000國家坐標系是我國當前最新的國家坐標系，它的原點為包括大氣、海洋的整個地球的質(zhì)量中心，Z軸由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，X軸由原點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，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標系。該橢球長軸為6378137M，短軸為6356752.3141M，扁率為1/298.257。

當前GPS發(fā)展過程中，國際上以及手機GPS用戶采用WGS-84坐標系，該坐標系由于框架、歷元混亂，因此其精度較底。它與2000國家坐標系相比實質(zhì)是一樣的，屬于地心坐標系，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0.1MM，當前測量精度范圍內(nèi)，其差異可以忽略，也可以說該坐標系與2000國家坐標系相容至CM級水平。

3 坐標投影

地球上的點用經(jīng)緯度表示的是地理坐標系，也稱大地坐標系。由于地理坐標系不夠方便，所以人們比較習(xí)慣于使用平面坐標系，平面坐標系分別用xy表示。把球體表面的坐標轉(zhuǎn)成平面坐標需要一定的手段，這個手段稱為投影。由于投影方法也不是唯一的，但是投影就是為了一個目的，務(wù)求使當?shù)刈鴺俗顪蚀_。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（格林尼治天文臺所在的子午線）開始，按經(jīng)差6度為一個投影帶自西向東劃分，全球共分60個投影帶，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度為一個投影帶自西向東劃分，全球共分120個投影帶，中國跨25-45帶。該投影的特點：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O作為坐標原點，以中央子午線的投影為縱坐標軸，以赤道的投影為橫坐標軸，形成高斯平面直角坐標系。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，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，其國家控制點坐標應(yīng)用到工程測量上，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坐標平移轉(zhuǎn)換到東經(jīng)119°18，作為中央子午線的投影帶坐標，建立蘭溪獨立坐標系，以消除因投影帶邊緣變形過大對工程測量的影響。因此蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料所涉及的坐標系一般都是在東經(jīng)119°18，作為中央子午線的投影帶下，將測量數(shù)據(jù)的坐標進行整體平差后，再把坐標數(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，提交上述數(shù)據(jù)資料。

4 Bursa七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換方法和流程

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

重合點的選取一般遵循高等級、高精度、分布均勻、覆蓋整個轉(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，因此本次蘭溪市國土數(shù)據(jù)資料坐標轉(zhuǎn)換工作主要利用城鎮(zhèn)地籍數(shù)字化測量時上交的地籍一級控制點，并對所有的地籍一級控制點重新委托測量2000國家大地坐標系的坐標。按照坐標轉(zhuǎn)換選取坐標的重合點的要求，每批6個重合點，6個重合點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)；運用求解的轉(zhuǎn)換七參數(shù)對其他的坐標的重合點進行轉(zhuǎn)換，得到求算的2000國家大地坐標系的坐標，并將求算的2000國家大地坐標系的坐標與實測的2000國家大地坐標系的坐標進行比較，計算重合點坐標殘差，剔除殘差大于3倍單位權(quán)中誤差的重合點，直到重合點坐標殘差小于3倍單位權(quán)中誤差的重合點，確定重合點計算轉(zhuǎn)換七參數(shù)；使用其它地籍一級控制點未參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點作為外部檢核點，利用已確定的轉(zhuǎn)換七參數(shù)計算這些外部檢核點2000國家大地坐標系的坐標，與該外部檢核點的實測2000國家大地坐標系的坐標進行比較，并求算坐標轉(zhuǎn)換殘差。殘差檢核公式是否符合精度要求，當絕大多數(shù)外部檢核點坐標轉(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，最后確定轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并計算轉(zhuǎn)換中誤差，并上報市地理信息管理處存檔，便于今后其他兄弟單位坐標轉(zhuǎn)換使用；利用最后確定的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，將所有的地籍二級控制點和地籍圖根點坐標轉(zhuǎn)換成2000國家大地坐標系的坐標。

4.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算步驟

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，計算轉(zhuǎn)換參數(shù)；

③計算重合點坐標殘差，剔除殘差大于3倍單位權(quán)重誤差的重合點；

④重復(fù)上述②和③，使重合點坐標殘差均小于3倍單位權(quán)重誤差，并且計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點數(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，重合點不少于6個；

⑤由確定的重合點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4.2 坐標轉(zhuǎn)換

通過利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換，而求得各控制點在2000國家大地坐標系坐標。

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

X坐標轉(zhuǎn)換中誤差：MX=∑△vx2/n

Y標轉(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把未參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點作為外部檢核點，其中點數(shù)一般不少于6個并且均勻分布；

②利用轉(zhuǎn)換參數(shù)計算外部檢核點的坐標與該外部檢核點的已知坐標進行比較，檢核公式同坐標轉(zhuǎn)換殘差計算公式相同。

5 蘭溪市國土歷史數(shù)據(jù)資料坐標的轉(zhuǎn)換

實現(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)坐標轉(zhuǎn)換。依據(jù)實際工作需要將全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分出層次，分步驟向2000國家大地坐標系進行坐標轉(zhuǎn)換。首先優(yōu)先轉(zhuǎn)換國土資源管理基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)，滿足國家規(guī)定時間使用2000國家大地坐標后的國土資源管理要求。其次對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。同時對已有地籍圖根點以上的控制點，用Bursa七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換方法和流程求解的參數(shù)，一次性轉(zhuǎn)換成國家2000坐標系，便于今后工程測量的需要，同時對Bursa七參數(shù)坐標轉(zhuǎn)換方法和流程所求解的參數(shù)報備測繪管理部門，便于其他測量單位在蘭溪區(qū)域范圍內(nèi)測量坐標轉(zhuǎn)換使用。最后，一直以來，蘭溪市各部門北京54坐標系轉(zhuǎn)換西安80坐標系已有固定的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為避免坐標系多次轉(zhuǎn)換造成數(shù)據(jù)銜接誤差，在蘭溪市各部門北京54坐標系轉(zhuǎn)換2000國家大地坐標系的實際工作中，應(yīng)該按照固定的轉(zhuǎn)換參數(shù)將蘭溪市各部門北京54坐標系轉(zhuǎn)換成西安80坐標系，再將數(shù)據(jù)按80系與2000國家大地坐標系的新參數(shù)進行轉(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，逐一計算其2000系下各要素的坐標。

②并且將2000系下各要素的坐標寫回原要素。

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

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、拓撲重建。

⑤先進行數(shù)據(jù)相互拼接，再按2000系標準圖幅范圍進行裁切。

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個圖廓角點坐標，橢球長半徑、橢球扁率、所采用的大地基準以及產(chǎn)品更新日期。

矢量數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換：連接后臺數(shù)據(jù)庫，先把每個要素類加載空間數(shù)據(jù)庫中，再讀取各要素80系坐標，然后逐一計算2000系下各要素坐標，將2000系下的要素存儲到空間數(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，來逐點計算2000系下各要素的坐標；

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1：1萬標準分幅DOM讀取80系頭文件中定位坐標，計算DOM中心點坐標“改正量”，按照像素關(guān)系計算移動量（像素數(shù)），避免圖幅之間接邊數(shù)據(jù)重新采樣；

②先進行數(shù)據(jù)相互拼接，再按2000系標準圖幅范圍及重疊像素進行裁切；

③DOM數(shù)據(jù)勻色處理；

④更改數(shù)據(jù)頭文件中定位坐標；

⑤在元數(shù)據(jù)中，增加2000系圖廓坐標范圍，橢球長半徑、橢球扁率、所采用的大地基準以及產(chǎn)品更新日期。對標準分幅DOM讀取80系頭文件中定位坐標，計算DOM中心點坐標“改正量”，按照像素關(guān)系計算移動量（像素數(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。

通過對歷年的國土調(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)片進行坐標轉(zhuǎn)換，以達到國家對國土數(shù)據(jù)上報必須使用國家2000坐標系的要求。