ArcGIS 坐标转换方法及其精度评估

【技术】ArcGIS 坐标转换方法及其精度评估

2017-06-20 测绘之家

来源：《地理空间信息》2016 年3 月第14 卷第3 期

作者：赵慧慧，葛莹，肖胜昌，王冲，杨林波

摘要

ArcGIS 提供了静态转换、动态转换和即时转换3 种坐标转换方法。基于我国1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系，选定等级较高、分布均匀的坐标成果点，利用静态转换、动态转换和即时转换进行坐标转换方法精度分析。

关键词：坐标转换;精度评估;ArcGIS 软件;地理数据库

在地理信息系统建设与应用中，经常需要进行空间坐标转换[1-3]。在我国现行的测绘成果中，仍有大量数据采用1980 西安坐标系，甚至是1954 北京坐标系[4-6]，按照国务院要求，我国将在2016 年前完成现行国家大地坐标系向2000 国家大地坐标系的过渡[7]。ArcGIS 作为主流的地理信息系统平台，广泛应用于我国的地理信息数据生产、建库和应用系统的开发中，形成了大批基于ArcGIS 软件的矢量数据[8,9]。当前关于ArcGIS软件的坐标转换研究，主要集中在坐标系讨论和坐标转换程序开发方面，坐标转换方式对空间数据精度的影响评估却不多见。本文将针对该问题进行深入探讨，在综述ArcGIS 坐标转换方式的基础上，针对我国常用的坐标系，进行点位坐标转换的精度评估与检核。

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ArcGIS 的坐标转换

ArcGIS 地理参照处理策略是将空间数据和坐标系分离存储[10]，所以坐标转换时，不仅要定义地理参照系，还要考虑空间数据坐标处理方式。一般来说，ArcGIS软件包含2 套坐标系统：地理坐标系和投影坐标系[11,12]。前者是用经度和纬度定义球或椭球面上点位的参照系[13]，后者是为二维或三维点、线、面要素的位置定位的(x，y，z)参照系[14]。ArcGIS 软件预置了全世界上百种地理参照系，其中我国常用的地理坐标系有1954北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系。

在此基础上，ArcGIS 软件提供了静态转换、动态转换和即时转换3 种空间坐标转换方法，见表1。

由此可知，对于ArcGIS 坐标转换，无论是地理参照系定义还是空间坐标转换方式，都存在较明显的差异。如果不能深入理解ArcGIS 空间坐标转换的实现机理，空间坐标转换方式的误用则不可避免。

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实验的设计与组织

2.1 数据准备

本文选定某区域12 个均匀分布的坐标成果点，覆盖范围约为1 209 km2。按照研究目

的，选择了3 套地理坐标系(1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000国家大地坐标系)，以及基于这3 套地理坐标系的高斯-克吕格投影坐标。

2.2 实验设计和步骤

2.2.1 实验设计

为了分析ArcGIS 静态转换、动态转换和即时转换3 种坐标转换方法，针对1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系，本文设计了3 组点位坐标转换实验：①1954 北京坐标系向1980 西安坐标系转换(简称Beijing1954 to Xi'an1980);②1954 北京坐标系向2000 国家大地坐标系转换(简称Beijing1954to CGCS2000);③1980 西安坐标系向2000 国家大地坐标系转换(简称Xi'an1980 to CGCS2000)。

2.2.2 实验流程

实验前，以“Beijing1954 to CGCS2000”为例，说明本文的实验流程：

1)选择点位坐标转换模型。选择二维七参数转换模型，利用ArcGIS 的Data Management Tools/Projection and Transformation/Create Custom Geographic Transformation 工具，定义“Beijing1954 to CGCS2000”坐标转换模型参数。

2)生成shapefile文件。在ArcGIS 中，生成基于Beijing1954 的shapefile文件，将12 个坐标成果展绘到该文件。

3)实现静态转换。利用ArcGIS 的Data ManagementTools/Projection and Transformation/Feature/Projection工具，实现静态转换。

4) 添加点位坐标属性。利用Data ManagementTools/Features 下的Add XY Coordinates 工具，将坐标字段添加到属性表，得到转换后坐标。

5)实现动态转换。在ArcCatalog环境下，创建Geodatabase 数据库，先以CGCS2000 为地理坐标系建立要素数据集，再用ArcGIS Import 功能将建立的要素类导入要素数据集，完成动态转换。

6) 实现即时转换。在ArcMap环境下，先添加CGCS2000 控制点坐标文件，再添加Beijing1954的shapefile文件。此时，12 个控制点坐标自动从Beijing1954 坐标系配准至CGCS2000 坐标系，实现坐标系的即时转换。

7) 评估坐标转换精度。转换后坐标分别与CGCS2000 真实坐标进行比较，对实验结果进行统计性描述，绘制误差曲线，分析坐标转换精度，得出相关结论。

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实验结果与分析

本文选取点位中误差作为精度评价指标，计算公式如下：

3.1 统计描述

本文完成了3 组实验，分别是“Beijing1954 toCGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”以及“Beijing1954to Xi'an1980”，基本上涵盖了目前国内测绘生产中常见的坐标转换。各组实验结果及其统计描述性质列于表2~4。

1)实验1 ：Beijing1954 to CGCS2000。由表2 可知，ArcGIS 坐标转换方式对点位坐标精度会产生较大影响。在ArcGIS 软件中，“Beijing1954 to CGCS2000”静态转换最好，动态转换和即时转换方式次之，且后两种方式之间的点位坐标精度差异较小，而静态转换与动态转