基于ArcGIS 的歷史地形圖地理配準及坐標轉換

俞亞磊

（馬鞍山測繪技術院，安徽 馬鞍山 243000）

國土空間規(guī)劃是國家空間發(fā)展的指南，可持續(xù)發(fā)展的空間藍圖，是各類開發(fā)保護建設活動的基本[1]。2019-05，《中共中央國務院關于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施的若干意見》發(fā)布，空間規(guī)劃體系進入重構期。新時期的國土空間規(guī)劃，一方面擔負著解決過去“多規(guī)”并行遺留下來的各類問題；另一方面又面臨著全域、全要素、全流程用途管制和空間治理的新形勢、新任務和新要求，迫切需要信息技術，特別是以空間獲取與分析為主要特征的測繪地理信息技術的有效支撐。測繪地理信息強大的地理空間數(shù)據(jù)獲取、整合、分析、可視化和基于模型的輔助決策能力，能為國土空間規(guī)劃全生命周期提供成體系的服務[2]。

歷史地形數(shù)據(jù)作為國土空間規(guī)劃中重要的參考數(shù)據(jù)，是不可或缺的。然而歷史地形數(shù)據(jù)的格式、坐標系等不能滿足現(xiàn)在的技術規(guī)范要求，因此需要對其進行一系列處理才能使用。本文以安徽省某地級市1987 年1∶1 000 分幅紙質地形圖為例，基于ArcGIS 軟件對其進行地理配準、影像拼接、坐標系轉換等處理，轉換成TIFF 格式，坐標系為2000 國家大地坐標系。

1 掃描地形圖的地理配準及拼接

地理配準一般是指為沒有已知坐標系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)設置坐標系統(tǒng)，其原理是通過數(shù)據(jù)中的特征點與相對應的具有已知坐標的控制點匹配，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)的坐標配準，主要應用于將一些掃描的地圖或通過一些航空設備拍攝得到的沒有空間參考信息的柵格數(shù)據(jù)對齊到準確位置或配準到地圖坐標系[3]。

將紙質的歷史分幅地形圖掃描后，需要對其進行地理配準，轉換成真實坐標。配準步驟如下。

第一步，設置數(shù)據(jù)庫屬性，加載影像。打開軟件ArcGIS，執(zhí)行菜單命令“視圖”—“數(shù)據(jù)框屬性”，設定數(shù)據(jù)框屬性，坐標系：1954 北京坐標系，中央子午線118.5°。添加“地理配準”工具欄。把需要進行配準的影像增加到軟件中，將“地理配準”工具條的“地理配準”菜單下Auto Adjust（自動校正）取消選擇。

第二步，錄入控制點（特征點）。在配準中選擇標準分幅圖上的公里網(wǎng)格交點作為特征點，點擊“添加控制點”按鈕，使用該工具在掃描圖上精確到找一個特征點點擊，然后鼠標右擊輸入該點實際的坐標數(shù)值，如圖1 所示。

圖1 地理配準添加控制點

采用相同的方法，在影像上增加多個特征點（一階多項式變換至少需要3 個，二階多項式變換至少需要7 個），輸入它們的實際坐標。點擊“地理配準”工具欄上的“查看鏈接表”按鈕。增加所有控制點，并檢查均方差（RMS）后，在“影像配準”菜單下，點擊“更新地理配準”。更新后，就變成真實的坐標。

第三步，由于標準分幅地形圖有圖幅邊框，為了不影響后續(xù)拼接工作，需要裁剪去除圖幅邊框，重采樣柵格生成新的柵格文件。點擊ArcToolBox—數(shù)據(jù)管理—柵格—柵格處理—裁剪，選擇配準的影像，輸入XY的最大最小值（按內(nèi)圖框四個角點裁剪），設置輸出文件名（圖幅號.tif）。

第四步，所有分幅地形圖配準好之后，利用ArcToolBox—數(shù)據(jù)管理—柵格—柵格數(shù)據(jù)集—鑲嵌至新柵格工具，進行影像拼接生成一張總圖，數(shù)據(jù)格式為TIFF 格式。

2 柵格數(shù)據(jù)坐標轉換

分幅地形圖配準拼接后，坐標系為1954 北京坐標系，需要轉換為2000 國家大地坐標系才能滿足作為國土空間規(guī)劃基礎參考數(shù)據(jù)的要求。不同坐標系的轉換主要利用重合點的兩種坐標，選擇具有一定密度且分布均勻的重合點，采用適當?shù)淖鴺宿D換模型計算兩坐標系之間的坐標轉換參數(shù)，從而實現(xiàn)坐標轉換[4]。

2.1 坐標轉換參數(shù)計算

按照擇優(yōu)、均勻分布原則，收集兩套坐標系的12 個重合點，即1954 北京坐標系和2000 國家大地坐標系，中央子午線為118.5°，其中7 個點用于求取轉換參數(shù)，5 個點作為精度檢核。轉換模型選擇布爾莎七參數(shù)轉換模型（7 個轉換參數(shù)分別為平移參數(shù)3 個、旋轉參數(shù)3 個、尺度參數(shù)1 個）[5]。

由于ArcGIS 軟件不能求解轉換參數(shù)，需要借助COORD軟件。在COORD 軟件中添加橢球參數(shù)與地圖投影，輸入重合點坐標，選擇轉換模型布爾莎七參數(shù)轉換模型[6]。利用最小二乘法作為約束條件計算轉換參數(shù)。

根據(jù)轉換參數(shù)計算目標坐標系重合點坐標，分析轉換殘差，轉換殘差即重合點轉換后坐標與已知坐標之差，計算坐標殘差中誤差來評估坐標轉換精度，若殘差大于3倍中誤差，剔除該點，重新計算坐標轉換參數(shù)，直到精度達到要求為止。

2.2 創(chuàng)建自定義地理坐標變換

轉換參數(shù)求解后，在ArcGIS 軟件工具箱中“創(chuàng)建自定義地理變換”工具，定義地理變換名稱為54To2000，設置輸入地理坐標系為GCS_Beijing_1954，輸出地理坐標系為GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，方法選擇COORDINATE_FRAME，輸入最終合格的轉換七參數(shù)[7]，如圖2 所示。

圖2 自定義地理坐標變換

2.3 柵格數(shù)據(jù)坐標轉換

打開工具箱中的“投影投影”工具，在對話框中輸入輸出的柵格數(shù)據(jù)和名稱，在輸出坐標系中填入要轉換的坐標系統(tǒng)。在地理坐標變換中選擇上一步創(chuàng)建的自定義地理變換：54To2000，點擊確定就得到2000 國家大地坐標系的歷史地形圖數(shù)據(jù)。

2.4 轉換精度分析

坐標轉換之后，需要對轉換后的2000 坐標系的歷史地形圖進行精度檢驗，在圖上選取沒有變化的明顯地物點如建筑物房角點，實地檢測后，精度符合要求。

3 結束語

本文通過ArcGIS 平臺，對歷史地形圖進行地理配準、影像拼接、坐標系轉換，得到的2000 國家大地坐標系的歷史地形圖柵格數(shù)據(jù)，為國土空間規(guī)劃提供了重要的數(shù)據(jù)來源。同時證明，結合COORD 軟件與ArcGIS 進行矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的坐標轉換，是一種高效、可行的解決方案。