基于AutoCAD平臺(tái)的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法研究與實(shí)踐

王 丹,張瑜偉

(1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇 南京 211102；2.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院,江蘇 南京 211102)

0 引 言

經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，我國(guó)自2008年7月1日起正式啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系?，F(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換和銜接的過渡期為8到10年。現(xiàn)有測(cè)繪成果應(yīng)在過渡期內(nèi)逐步轉(zhuǎn)換到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系上[1]。地形圖作為一項(xiàng)重要的測(cè)繪成果，也需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。AutoCAD軟件在測(cè)繪行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛，其默認(rèn)的存儲(chǔ)格式(DWG)已經(jīng)成為保存地形圖數(shù)據(jù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

江蘇省某市國(guó)土資源局(以下簡(jiǎn)稱“甲方”)已經(jīng)完成市級(jí)范圍內(nèi)的CGCS2000控制網(wǎng)布設(shè)工作，此網(wǎng)的每個(gè)控制點(diǎn)都與原有的54控制網(wǎng)、80控制網(wǎng)重合，即每個(gè)控制點(diǎn)都有1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系這三套坐標(biāo)系統(tǒng)，這為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在使用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系前，甲方已經(jīng)積累了大量的圖件資料，如不對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，那么將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。本文以甲方實(shí)施的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目為例，提出了一套在AutoCAD平臺(tái)上進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的有效方法。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

在開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作前，首先收集需轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，主要包括：地形圖、勘測(cè)定界、地籍調(diào)查等，這些數(shù)據(jù)都是以DWG格式保存的。按照“應(yīng)轉(zhuǎn)盡轉(zhuǎn)”的原則，將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到2000國(guó)家大地坐標(biāo)

系，中央子午線為120°。這些數(shù)據(jù)不在同一時(shí)期完成，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，在坐標(biāo)系及投影參數(shù)的選擇上差別較大。此次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作只進(jìn)行圖形位置上的轉(zhuǎn)換，不涉及到屬性、分幅等問題。在前期數(shù)據(jù)整理時(shí)，以坐標(biāo)系與中央子午線的不同為分類標(biāo)準(zhǔn)，將這些數(shù)據(jù)分為六大類，即1954年北京坐標(biāo)系119°投影、1954年北京坐標(biāo)系120°投影(無40帶號(hào))、1954年北京坐標(biāo)系120°投影(有40帶號(hào))、1980西安坐標(biāo)系119°投影、1980西安坐標(biāo)系120°投影(無40帶號(hào))、1980西安坐標(biāo)系120°投影(有40帶號(hào))[2]。

2 技術(shù)流程

2.1 控制點(diǎn)選擇

本次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換使用的控制點(diǎn)全部由甲方提供，每個(gè)點(diǎn)都有三套成果。這些點(diǎn)都經(jīng)過了統(tǒng)一平差，精度較好。在選擇控制點(diǎn)時(shí)，以擇優(yōu)、分布均勻?yàn)榛驹瓌t，選擇了22個(gè)點(diǎn)作為本次轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)，其中，12個(gè)點(diǎn)用于計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，10個(gè)點(diǎn)用于精度檢核。

控制點(diǎn)都是標(biāo)準(zhǔn)的高斯投影坐標(biāo)，中央子午線為120°。但基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中同時(shí)存在中央子午線為120°、119°的情況，在準(zhǔn)備控制點(diǎn)文件時(shí)，應(yīng)對(duì)參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)進(jìn)行高斯投影換帶計(jì)算，以保證控制點(diǎn)坐標(biāo)與AutoCAD圖形坐標(biāo)相適配。通過高斯投影計(jì)算工具(圖1)將原控制點(diǎn)由120°重新投影到119°，并制作了六個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，用于進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖1 高斯投影計(jì)算工具界面

2.2 模型選取

由于AutoCAD圖形的坐標(biāo)為平面直角坐標(biāo)且本次提供的重合控制點(diǎn)較多，所以選擇了《大地測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱“轉(zhuǎn)換規(guī)程”)中推薦的平面多項(xiàng)式擬合模型作為本次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型[3]。

(1)

式(1)中：x1,y1為原坐標(biāo)系下平面直角坐標(biāo)，單位為米;x2,y2為目標(biāo)坐標(biāo)系下平面直角坐標(biāo)，單位為米;△x,△y為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換改正量，計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中，ai、bi為系數(shù)(i=0,1,2…)，通過最小二乘求解。式中的多項(xiàng)式擬合模型為三階多項(xiàng)式擬合模型，該模型具有20個(gè)未知數(shù)，因此，至少需要10個(gè)控制點(diǎn)所列的20個(gè)方程，才能解算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.3 轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算利用基于AutoCAD開發(fā)的專用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換插件進(jìn)行(圖2)。該插件支持高斯投影轉(zhuǎn)換、平面坐標(biāo)擬合(仿射變換、二維四參數(shù)、平面多項(xiàng)式擬合…)等多種轉(zhuǎn)換模型。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算界面

根據(jù)項(xiàng)目需求，選擇了平面多項(xiàng)式擬合模型(階數(shù)為3)，將選擇的控制點(diǎn)導(dǎo)入后，計(jì)算重合的殘差，得到的結(jié)果如表1。

表1 控制點(diǎn)殘差表/m

從點(diǎn)位殘差列表中可以看出，控制點(diǎn)的內(nèi)符合精度較高，最大點(diǎn)位殘差為7 mm，完全滿足項(xiàng)目的精度要求，控制點(diǎn)均可用于轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算。

3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理分析

在AutoCAD中，一般使用符號(hào)塊(Block)來表示點(diǎn)狀地物，如水準(zhǔn)點(diǎn)、圖根點(diǎn)、路燈等；使用直線(Line)或多段線(Polyline)來表示線狀地物，如圍墻、道路、河流等；使用閉合多段線來表示面狀地物，如房屋、面狀水系等；使用單行文字來表示各類注記，如房屋層次、地名等。根據(jù)《轉(zhuǎn)換規(guī)程》要求，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，需將要素的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都轉(zhuǎn)換到CGCS2000下。因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的基本思路就是將原坐標(biāo)根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算一個(gè)新的坐標(biāo)，然后進(jìn)行更新即可完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)生成的轉(zhuǎn)換函數(shù)基本形式如公式(3)：

CoordTrans(X1,Y1,X2,Y2)

(3)

式(3)中，X1、Y1表示代入的原坐標(biāo)，X2、Y2表示返回的原坐標(biāo)。

符號(hào)塊與注記的具體轉(zhuǎn)換方法如下：

(1)獲取對(duì)象的定位點(diǎn)(Position屬性)；

(2)將原定位點(diǎn)的坐標(biāo)代入，使用CoordTrans函數(shù)，求取新的坐標(biāo)；

(3)更新對(duì)象的定位點(diǎn)；

(4)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

多段線的具體轉(zhuǎn)換方法如下：

(1)遍歷對(duì)象的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)；

(2)將原節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)代入，使用CoordTrans函數(shù)，求取新的坐標(biāo)；

(3)使用新的坐標(biāo)，更新對(duì)象的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；

(4)返回步驟(1)，再次獲取，直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)都更新一次；

(5)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

對(duì)于其它類型的AutoCAD對(duì)象，轉(zhuǎn)換的基本方法與上述類似。專用的AutoCAD坐標(biāo)轉(zhuǎn)換插件也是基于該原理開發(fā)。

4 項(xiàng)目實(shí)施

首先收集需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)按“坐標(biāo)一致性”的原則分類， 按照上文描述的轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)換原理，使用相應(yīng)的控制點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)坐標(biāo)批量轉(zhuǎn)到CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下。

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，應(yīng)對(duì)原始數(shù)據(jù)按原來圖形中使用坐標(biāo)系進(jìn)行人工分類。分類時(shí)，需要將圖中非點(diǎn)狀符號(hào)之外的圖塊進(jìn)行炸碎處理，否則轉(zhuǎn)換誤差較大。在預(yù)處理階段，還應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，設(shè)置檢查點(diǎn)主要目的有兩個(gè)：一是進(jìn)行精度驗(yàn)證；二是檢查作業(yè)過程中有無漏轉(zhuǎn)換、多次轉(zhuǎn)換的行為[4-5]。為了后期檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度，需要將10個(gè)檢查點(diǎn)加入到每個(gè)圖形中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后再跟已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)換模型的精度。使用AutoLisp語(yǔ)言批量將檢查點(diǎn)添加到每個(gè)圖形中，AutoLisp代碼如下[6-7]：

(defun InsertJCD()

(command “-layer” “n” “C28F5099-4B9C-4918-9FC9-1CE8A15013F6” “”);新建圖層

(command “-insert” “JCD”檢核點(diǎn)坐標(biāo) 1 1 0)

;插入檢核點(diǎn)，執(zhí)行10次)

(InsertJCD)

將上述代碼保存為InsertJCD.lsp文件，使用AutoCAD的批處理工具進(jìn)行批量運(yùn)行(圖3)。

圖3 AutoCAD批處理界面

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在完成的圖形數(shù)據(jù)分類整理及檢查點(diǎn)添加后，再利用 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換插件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 。 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以使用單幅圖轉(zhuǎn)換、選擇對(duì)象轉(zhuǎn)換、多幅圖批量轉(zhuǎn)換三種方式。因?yàn)閳D形數(shù)據(jù)已經(jīng)在前期完成分類，所以本項(xiàng)目選擇多幅圖批量轉(zhuǎn)換模式(圖4)。

圖4 地形圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面

多幅批量轉(zhuǎn)換時(shí)無需在前臺(tái)打開圖形，轉(zhuǎn)換效率很高。本項(xiàng)目六個(gè)批次共計(jì)轉(zhuǎn)換地形圖12000多幅，每幅圖平均用時(shí)約16秒。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，每個(gè)批次需 隨機(jī)抽取一定數(shù)量的圖進(jìn)行質(zhì)量檢查，以免出現(xiàn)要素丟漏的情況。

4.3 檢查點(diǎn)處理

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，每幅圖中都添加了檢查點(diǎn)。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后，將這些檢查點(diǎn)以文件的形式提取出來并刪除。

5 精度驗(yàn)證

在進(jìn)行地形數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，將10個(gè)控制點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并與原來已知的2000坐標(biāo) 比較，用于檢查坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度。本項(xiàng)目 對(duì)每 套控制點(diǎn)成果文件都進(jìn)行了精度驗(yàn)證，表2中的驗(yàn)證結(jié)果為1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中，最大點(diǎn)位誤差為0.8 cm，最小點(diǎn)位誤差為0.1 cm，點(diǎn)位中誤差為0.4 cm，所有結(jié)果符合規(guī)程的精度要求。

表2 1980西安坐標(biāo)系轉(zhuǎn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的精度統(tǒng)計(jì)表/m

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以地形圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換項(xiàng)目為例，提出了一種基于AutoCAD 實(shí)施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)際轉(zhuǎn)換驗(yàn)證，轉(zhuǎn)換結(jié)果符合國(guó)家相關(guān)規(guī)程要求，并且該項(xiàng)目轉(zhuǎn)換地形圖的平均用時(shí)僅為16 s。因此，本文提出的基于AutoCAD的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法可以高效、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際工作中，該方法不僅能夠加快整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)展，而且能提升轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。