國土空間數(shù)據(jù)向2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換軟件開發(fā)

吳志春

摘? 要? 本文探討了國土資源空間數(shù)據(jù)從其他坐標(biāo)系向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法，根據(jù)轉(zhuǎn)換流程編制了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，通過實例驗證了轉(zhuǎn)換方法的可行性和轉(zhuǎn)換精度的可靠性，并在湖南省多個市縣投入使用，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞? 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;空間數(shù)據(jù);轉(zhuǎn)換模型;2000國家大地坐標(biāo)系

中圖分類號：P226.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5603（2020）03-80-5

Abstract： The technical methods for the conversion of land and resources spatial data from other coordinate systems to the 2000 national geodetic coordinate system were discussed. The coordinate conversion software was compiled. The feasibility and accuracy of the conversion method were verified by examples. The coordinate conversion software were put into use in many cities and counties in Hunan Province and obtained a good outcome.

Keywords： coordinate conversion; spatial data; conversion model; CGCS2000

為構(gòu)建統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和生產(chǎn)建設(shè)需要，自然資源部（原國土資源部）和原國家測繪地理信息局于2017年3月10日下發(fā)了《關(guān)于加快使用2000國家大地坐標(biāo)系的通知》，決定于2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國土資源空間數(shù)據(jù)向2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[1]。在啟用2000國家大地坐標(biāo)系之前，我國國土資源領(lǐng)域積累了海量的1954年北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系的相關(guān)的空間數(shù)據(jù)資料，而舊坐標(biāo)系的空間數(shù)據(jù)主要是服務(wù)于地形測繪、國土資源管理的DWG格式圖件資料。研究如何高效的將存量的國土空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標(biāo)系，具有重要意義。本文就湖南省存量的國土和規(guī)劃空間數(shù)據(jù)向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的技術(shù)路線和流程進(jìn)行了研究探索，開發(fā)設(shè)計了國土空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，并通過實例驗證了轉(zhuǎn)換流程和軟件滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實用性和轉(zhuǎn)換精度要求。

1? 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型和方法流程

目前可采納的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型有多種，但在實際運用過程中應(yīng)用最多的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型是平面四參數(shù)和布爾莎七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。下面以空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)從西安80坐標(biāo)系向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為例進(jìn)行介紹。

1.1? 平面四參數(shù)模型

在范圍小于100平方公里的局部地區(qū)，可采用平面四參數(shù)模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，精度能夠滿足日常轉(zhuǎn)換要求[2]。平面四參數(shù)模型是一種平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，模型包含的4個坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)分別是兩個平移參數(shù)、一個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、一個尺度參數(shù)[3-5]。具體轉(zhuǎn)換公式如下所示：

其中，x0，y0為平移參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，為尺度參數(shù)，x2000，y2000為2000國家大地坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，x80，y80為西安80坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，坐標(biāo)單位為米。在平面四參數(shù)解算過程中，一般選取3個以上同時具有80坐標(biāo)和2000坐標(biāo)的共同點進(jìn)行四參數(shù)的解算，解算主要依據(jù)最小二乘法間接平差進(jìn)行迭代求解，計算出滿足點位中誤差要求的參數(shù)。

1.2? 布爾莎七參數(shù)模型

在大范圍的不同橢球基準(zhǔn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，往往使用比較嚴(yán)密的布爾莎七參數(shù)模型，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]。布爾莎七參數(shù)模型涉及7個參數(shù)，包含3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)[7]。布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型如下所示：

式中，3個平移參數(shù)，3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，1個尺度參數(shù)。為2000國家大地坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)，為西安80坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)，坐標(biāo)單位為米。

下面以西安80坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系為例，介紹布爾莎七參數(shù)一般解算過程，選取4個以上同時具有80坐標(biāo)和2000坐標(biāo)的共同點進(jìn)行七參數(shù)的解算，解算主要依據(jù)最小二乘法間接平差進(jìn)行迭代計算，計算出滿足點位中誤差要求的參數(shù)，具體解算方法如圖1所示。

1.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法流程

根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理及方法步驟，可得出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的具體過程。首先是確定所用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，其次根據(jù)坐標(biāo)模型進(jìn)行解算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，最后根據(jù)解算后的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。下面以將矢量數(shù)據(jù)從西安80坐標(biāo)系平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系平面坐標(biāo)為例，分別介紹四參數(shù)和七參數(shù)的具體轉(zhuǎn)換流程。其中平面四參數(shù)模型的具體轉(zhuǎn)換流程如圖2所示，布爾莎七參數(shù)模型的具體轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

2? 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)

2.1 國土空間的數(shù)據(jù)類型

我國普遍存在的國土空間數(shù)據(jù)有CAD格式的dwg和dxf數(shù)據(jù)，ArcGIS格式的shp、mdb、gdb數(shù)據(jù)，MapGIS格式的wp、wl、wt、hdf數(shù)據(jù)，柵格格式的tif、img、grd形式數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)。各種數(shù)據(jù)都可以使用平面四參數(shù)和布爾莎七參數(shù)模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)

針對國土空間的數(shù)據(jù)類型，分類進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中CAD格式和ARCGIS格式的空間數(shù)據(jù)是國土資源管理和測繪地理信息中采用最多的數(shù)據(jù)形式。本文以岳陽市2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件（圖4）為例對各類格式的數(shù)據(jù)向2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件開發(fā)進(jìn)行具體闡述。

本文的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序開發(fā)采用Autodesk公司提供的AutoCAD二次開發(fā)組件ObjectARX+MicrosoftVisualStudio.NET開發(fā)，采用VC++開發(fā)語言在AutoCAD平臺下進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)各種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。由于大部分的CAD圖形沒有坐標(biāo)參考信息，為方便用戶判斷DWG圖件的坐標(biāo)系統(tǒng)，本文的轉(zhuǎn)換軟件以插件的形式內(nèi)嵌于CAD程序中，如圖5所示。軟件提供平面四參數(shù)模型或布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型供用戶進(jìn)行CAD圖形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在具體的轉(zhuǎn)換中，用戶也可以使用自定義的轉(zhuǎn)換參數(shù)，也可以使用軟件自帶的參數(shù)進(jìn)行指定區(qū)域的數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中自帶的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行加密了處理，內(nèi)置于軟件中以確保軟件自帶參數(shù)的保密性。

軟件基于布爾莎轉(zhuǎn)換七參數(shù)模型，也可提供軟件自帶轉(zhuǎn)換參數(shù)和用戶自定義的轉(zhuǎn)換參數(shù)供用戶進(jìn)行ArcGIS格式數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，具體如圖6所示。

在MapGIS轉(zhuǎn)換模塊中，根據(jù)MapGIS的文件格式，基于布爾莎轉(zhuǎn)換七參數(shù)模型，通過二進(jìn)制的通過讀取其中的坐標(biāo)值，通過布爾莎轉(zhuǎn)換七參數(shù)模型轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，寫入新的MapGIS文件，完成MapGIS格式數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3? 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實例

本文以布爾莎七參數(shù)模型對1980西安坐標(biāo)系地形圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為例，測試坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換的實用性并進(jìn)行精度評價[9]。選取岳陽市某幅1980西安坐標(biāo)系的dwg地形圖，用CAD軟件打開，并使用本文研制的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，參數(shù)模型選擇岳陽市80轉(zhuǎn)2000七參數(shù)模型，根據(jù)地形圖的坐標(biāo)投影情況，中央子午線選擇114度，如圖7所示，點擊轉(zhuǎn)換，即可將圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系的平面坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換過程方便快捷。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度由轉(zhuǎn)換方法、參數(shù)模型精度、計算機坐標(biāo)計算的小數(shù)點取位共同決定。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的整體轉(zhuǎn)換精度一般采用如下方法驗證：在計算模型參數(shù)時，采用同時具有兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)的5個以上的共同點計算模型轉(zhuǎn)換參數(shù)，另外保留6個以上的共同點作為檢查點進(jìn)行轉(zhuǎn)換精度的驗證。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，將整個圖幅和檢查點一起從原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到目標(biāo)坐標(biāo)系下，計算轉(zhuǎn)換后的6個高精度檢查點的坐標(biāo)與其在2000坐標(biāo)系下的真實坐標(biāo)的差值。本文使用軟件的布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，驗證岳陽市的均勻分布的6個具有1980西安坐標(biāo)系和2000國家坐標(biāo)系在114度中央子午線高斯克里格投影下的投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)誤差，具體轉(zhuǎn)換誤差如表1所示。

經(jīng)過檢測，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與原始的2000坐標(biāo)殘差最大值均小于0.005m，能夠滿足1：500比例尺地形圖的轉(zhuǎn)換精度要求[10]。由于其轉(zhuǎn)換精度的可靠性和操作的便捷性，本文所研發(fā)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件在岳陽市本級、汨羅市、湘陰縣、平江縣、臨湘市、洪江市、安化縣、益陽市本級、華容縣、通道縣、溆浦縣、中方縣等12個市縣國土資源局進(jìn)行安裝和使用，方便國土局和其他單位的技術(shù)人員對遺漏的存量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4? 結(jié)論

本文介紹了常見坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，研究對應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程，并開發(fā)了相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，最后以數(shù)據(jù)實例驗證了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件的實用性和精度，并在湖南省各個市縣國土資源部門安裝使用，取得了較好的效果。隨著國土資源管理數(shù)據(jù)的多樣化和多規(guī)合一的要求，后續(xù)涉及規(guī)劃、林業(yè)、水利等諸多部門的空間數(shù)據(jù)也需要統(tǒng)一到2000國家大地坐標(biāo)系下，本文的研究成果對2000國家大地坐標(biāo)系推廣應(yīng)用以及存量空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作具有一定的推進(jìn)作用。

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