县级地理信息成果坐标转换方法研究与应用

县级地理信息成果坐标转换方法研究与应用
张志勋;常永青;朱理想;王庆;张凤梅
【摘要】新中国成立以来,针对国土资源管理、城市规划和工程建设需要,我国先后启用了 1954 年北京坐标系、1980 西安坐标系,但受当时技术条件等制约,精度偏低,已无法满足当前经济发展要求.2008 年7月1 日起,我国开始启用2000 国家大地坐标系.原有县级地理信息成果大部分为 1980 西安坐标系或 1954年北京坐标系,因此亟待实现地理信息成果从1980 西安坐标系向2000 国家大地坐标系的转换.本文首先分析了县级地理信息成果的特点,提出了采用二维四参数坐标转换模型,并通过软件实现了成果的坐标转换.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2018(032)012
【总页数】4页(P1532-1535)
【关键词】2000国家大地坐标系;坐标转换;二维四参数;地理信息成果
【作者】张志勋;常永青;朱理想;王庆;张凤梅
【作者单位】如皋市勘测院,江苏南通 226500;南京市规划局,江苏南京 210029;南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏南京 210019;南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏南京 210019;南京市测绘勘察研究院股份有限公司,江苏南京210019
【正文语种】中文
【中图分类】P226+.3
0 引言
1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球参数,以原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据,平差我国东北及东部区一等锁而建立[1]。

1980西安坐标系采用的是IUGG1975年推荐的椭球参数,根据多点椭球定位方式进行定位,并对全国天文大地网进行整体平差后建立的。

1980西安坐标系采用多点定位,在我国按1°×1°间隔,均匀选取922个点,组成弧度测量方程,按高程异常平方和最小原则确定大地原点的垂线偏差和高程异常。

椭球短轴平行于地球地轴(由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向);首子午面平行于格林尼治平均天文子午面;椭球面同似大地水准面在我国境内最密合。

正常高以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准[2]。

2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心,2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向,该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算,定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转,X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面(历元2000.0)的交点,Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。

采用广义相对论意义下的尺度。

2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为：
长半轴 a=6378137 m
扁率 f=1/298.257222101
地心引力常数
GM=3.986004418×1014 m3 s-2
自转角速度ω=7.292l15×10-5 rad s-1
建国初期为满足当时建设需要,我国采用了1954年北京坐标系,但是无法满足现代化测量的需求[3]。

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议,确定重新定
位,建立我国新的坐标系,即1980国家大地坐标系。

陈俊勇[4]提出了CGCS2000坐标系启用的时间及对现有地图的影响。

1954年北京坐标系和1980西安坐标系均为参心坐标系,CGCS2000坐标系为地心坐标系,其椭球定位方式与全球大地水准面最密合,同时可以更好的带动我国空间、卫星遥感技术的发展和应用。

魏子卿[5]提到了2000中国大地坐标系与美国所建立的WGS84的比较。

文献[6]提到了控制点的分类和技术要求。

姚宜斌[7]、吕建芬[8]、任沂军[9]提出了基于AutoCAD 文件的图件坐标转换方法,范冲[10]提出了基于FME 的CAD 数据坐标转换工具。

谭玲[11]、张丹[12]指出不同比例尺的DOM转换方法不相同。

1 坐标转换模型及精度评价
1.1 二维四参数转换模型
县级的控制点一般为D、E级GPS控制点和一、二导线点,而D、E级GPS控制点由省市测绘行政主管部门提供。

县级已有地形图通常为1∶500、1∶1000、
1∶2000的大比例尺地形图。

数字正射影像(DOM)通常为航空摄影影像,分辨率为0.1 m、0.3 m等,比例尺为1∶2000。

文献[13]指出对于省级以下控制点平面坐标转换、相对独立的平面坐标系统与2000国家大地坐标系的联系宜采用二维四参数转换模型。

二维四参数转换模型
(1)
式中，x1,y1为原坐标系下平面直角坐标,单位为m;x2,y2为2000国家大地坐标系下的平面直角坐标,单位为m;Δx,Δy为平移参数,单位为m;α为旋转参数,单位为弧度;m为尺度参数,无量纲。

1.2 转换精度评价
坐标转换精度可采用内符合和外符合精度评价。

坐标转换精度通过计算转换参数的
重合点残差中误差来评估,点位精度需满足残差小于3倍点位中误差。

(1)内符合精度计算公式如下：
重合点残差V=重合点转换坐标值-重合点已知坐标值
(2)
平面点位中误差
(3)
式中,Mx为平面坐标x残差中误差My为平面坐标y残差中误差点位个数。

当点位个数小于20时,取算术平均值作为中误差。

(2)外部符合精度检核方法如下：
①利用未参与计算转换参数的重合点作为检核点,要求不少于6个点数且均匀分布;
②选择由转换参数计算的点坐标与其已知点坐标进行比较。

2 实例分析
2.1 设计方案
如皋市位于东经120°20′～120°50′,中央子午线选取120°,3度分带,现有基础地理数据的坐标系为1980西安坐标系和1985国家高程基准。

2.1.1 一、二级导线控制点坐标转换流程
(1) 重合点选取
选用两个坐标系下均有坐标成果的控制点,要求等级精度高、局部变形小、分布均匀、覆盖全区域,且不得少于6个。

本区域高等级D、E级GPS控制点有已转换的1980西安坐标系和CGCS2000坐标系高斯平面坐标。

(2) 转换参数计算
a)利用选取的重合点和转换模型计算转换参数;b)求得的转换参数计算重合点坐标残差,若存在残差大于3倍点位中误差的重合点应剔除;c)重新计算坐标转换参数(重
复上述a)、b)计算过程),直到满足精度要求为止;d)根据最终确定的重合点,利用最小二乘法计算转换参数。

(3) 坐标转换
利用计算的转换参数,进行一、二级导线点坐标转换。

2.1.2 大比例尺矢量图坐标转换流程
测绘成果在图件存储过程中,多以CAD的DWG格式或DXF格式存储[14]。

其中DWG格式文件是二进制的,DXF格式文件是ASCII的。

DXF 文件由多个节组成,包括：
(1) 标题节(HEADER)：储存图形的一般信息;
(2) 类节(CLASSES)：定义图形中的类,其实例在块、实体和对象节中出现,其属性不变;
(3) 表节(TABLES)：包括块参照表、图层表、线型表等一系列表;
(4) 块节(BLOCKS)：定义块和构成块的实体;
(5) 实体节(ENTITIES)：包括图形中的图形对象或实体,以及被看作插入实体的块参照;
表1 控制点残差单位:m点号
X1Y1X2Y2ΔXΔYΔS7313∗∗∗.501∗∗∗.957∗∗∗.505∗∗∗.961-0.0035-
0.00410.00547021∗∗∗.647∗∗∗.385∗∗∗.643∗∗∗.3840.00360.00090.0037702 6∗∗∗.628∗∗∗.413∗∗∗.635∗∗∗.415-0.0066-
0.00200.00697062∗∗∗.166∗∗∗.295∗∗∗.164∗∗∗.2980.0019-
0.00280.00347114∗∗∗.591∗∗∗.650∗∗∗.584∗∗∗.6500.00710.00000.0071719 4∗∗∗.674∗∗∗.210∗∗∗.675∗∗∗.209-
0.00140.00080.00167201∗∗∗.091∗∗∗.506∗∗∗.092∗∗∗.499-
0.00100.00700.0071
注：(X1,Y1)为实际坐标,(X2,Y2)为转换后坐标。

(6) 对象节(OBJECTS)：包括图形中的非图形对;
多个配对的组码和组值组成了每个节,组码指示组值的类型。

每个节以组值为字符
串SECTION的0组开始,以组值为字符串ENDSEC的0组结束。

CAD文件中需转换的实体有点(POINT)、直线(LINE)、圆弧(ARC)和圆(CIRCLE)、文本(TEXT)、多段线(POLYLINE)、块(BLOCKS)。

其转换的主要流程：对CAD成图的地形地物要素,利用控制点计算时选用的转换参数和坐标转换模型进行逐要素
转换。

并同时适用于1∶500、1∶1000、1∶2000的比例尺。

2.1.3 1∶2000分幅DOM转换流程
因DOM影像为栅格数据,无法像矢量地形图进行逐要素转换。

本文提出的转换方法：(1)提取分幅栅格影像中心点和四角坐标;(2)利用控制点计算时选用的转换参数和坐标转换模型对中心点和四角坐标进行转换;(3)修改头文件坐标;(4)对转换后的影像镶嵌重采样;(5)重新分幅栅格影像。

本文提到的栅格影像转换方法,仅适用于大比例尺分幅影像的转换。

对于1∶5000、1∶1万等小比例尺暂不采用。

2.2 实现过程
2.2.1 转换精度验证
选取的控制点均匀分布在如皋市整个测区,并由市国土局进行提供。

计算得到点位中误差为0.0050 m,控制点最大残差0.0071 m,最小残差0.0034 m,内符合精度较好。

外符合精度通过网络RTK外业实测38个点,测点分布整个如皋市,经验证,所有测点的中误差0.0082 m,其中最大残差0.0160 m,最小残差0.0045 m。

2.2.2 软件定制
本文软件实现在ArcGIS和Visual Studio 2010环境下,采用C#语言编写。

主要分
5大模块,如图1。

图1 县级地理信息成果软件设计架构
(1) 我的工作台即软件主界面,包含创建任务、任务列表和配置。

其中创建任务主要用于选择源文件类型(txt文件、dwg文件、tiff文件等)和所转换坐标系类型;
(2) 任务监控主要实现对任务进度的追踪和查看;
(3) 系统设置主要用于用户和部门管理;
(4) 在线转换主要为控制点的直接转换;
(5) 日志管理即输入日志查询条件,查询日志列表。

3 结束语
针对1980西安坐标系与CGCS2000坐标系之间的转换,本文首先分析了县级地理信息成果的特点,然后在此基础选用了合适的坐标转换模型,并开发了一套国土空间数据坐标转换软件,最后通过实例验证了该软件实用有效。

文章讨论的县级地理信息成果坐标转换方法具有很典型的示例作用,不仅为县区城市规划、国土资源优化配置提供了强有力的支持,同时为基础地理信息数据的更新提供了技术保障。

但涉及内容还不够丰富,比如对于1980西安坐标系和CGCS2000坐标系经纬度的转换,部分县区有投影换带的情况,这将是以后的主要研究方向。

参考文献
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