基于ArcGIS Engine的GPS坐標轉換

鄒 博，傅民倉，王 偉

(1.武警工程大學研究生管理大隊，陜西西安 710086，2.武警工程大學通信工程系，陜西西安 710086;3.陜西省公安廳警衛(wèi)局，陜西西安 710065)

隨著信息化進程的推進和計算機及網(wǎng)絡技術的普及，GPS設備的定位精度已能滿足大多數(shù)領域的需求，特別是GPS實時動態(tài)定位(RTK)技術的發(fā)展，使得GPS與GIS技術相結合的技術在政府管理與決策、城市規(guī)劃與土地管理、城市公共設施管理、防災減災、產(chǎn)品交易、智能交通和導航以及公共服務等領域發(fā)揮越來越重要的作用。

一般GPS接收到的定位信息是基于WGS－84坐標系統(tǒng)的，而我國所采用的電子地圖基本是基于北京－54坐標系。GPS接收到的數(shù)據(jù)不能直接應用于電子地圖上，兩者會有0～120 m的系統(tǒng)偏差，無法達到精確定位的需求。所以要把WGS－84坐標系下的GPS定位信息轉換到北京－54坐標系下，這樣才能通過電子地圖實時準確地顯示GPS定位信息。為將GPS坐標轉換到電子地圖所采用的北京－54坐標系中，首先需要在已知控制點上進行GPS觀測，得到其在WGS－84坐標系中的坐標，然后利用某種坐標轉換模型求坐標轉換參數(shù)，這樣就可以利用所求的轉換參數(shù)對其它GPS定位點進行坐標轉換［1］。

文中采用VisuaI C#開發(fā)語言和Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境，結合ESRI公司ArcGIS Engine 10嵌入式開發(fā)組件提供的相關接口，以模塊化思想設計開發(fā)能夠靈活移植、具備良好擴展性和穩(wěn)定性的GPS定位顯示系統(tǒng)。應用結果表明，該系統(tǒng)具有較好的適應性與快捷性，且能滿足精度的要求。

1 坐標系與投影

1.1 坐標系

WGS－84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標系統(tǒng)。WGS－84坐標系是美國國防部研制確定的大地坐標系，是一種協(xié)議地球坐標系。WGS－84坐標系的定義如圖1所示:原點是地球的質心，空間直角坐標系的Z軸指向BIH(1984.0)定義的地極(CTP)方向，即國際協(xié)議原點CIO，它由IAU和IUGG共同推薦。X軸指向BIH定義的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z，X軸構成右手坐標系［1］。這是一個國際協(xié)議地球參考系統(tǒng)(ITRS)，是目前國際上統(tǒng)一采用的大地坐標系。

圖1 WGS－84坐標系

1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系。該坐標系源于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標系，但又不完全與其相同。如大地點高程是以1956年青島驗潮站求出的黃海平均海面為基準;高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差結果為起算值，按我國天文水準路線推算出來的。我國地形圖上的平面坐標位置主要以這個數(shù)據(jù)為基準推算［2］。WGS－84坐標系和北京－54坐標系的橢球參數(shù)如表1所示。

表1 WGS－84坐標系和北京－54坐標系的橢球參數(shù)

1.2 坐標投影

我國大中比例尺地圖均采用高斯－克呂格投影，該投影規(guī)定中央經(jīng)線為X軸;赤道為Y軸;中央經(jīng)線與赤道交點為坐標原點;X值在北半球為正;南半球為負;Y值在中央經(jīng)線以東為正;中央經(jīng)線以西為負。由于我國疆域均在北半球，x值均為正值，為了避免y值出現(xiàn)負值，規(guī)定各投影帶的坐標縱軸均西移500 km，中央經(jīng)線上原橫坐標值由0變?yōu)?00 km［3］。其通常是按6°和3°分帶投影，1∶2.5 ～1∶50 萬比例尺地形圖采用經(jīng)差6°分帶，1∶1萬比例尺的地形圖采用經(jīng)差3°分帶。具體分帶法是:6°分帶從本初子午線開始，按經(jīng)差6°為一個投影帶自西向東劃分，全球共分60個投影帶;3°投影帶是從東經(jīng)1.5°開始，按經(jīng)差3°為一個投影帶自西向東劃分，全球共分120個投影帶。我國的經(jīng)度范圍西起73°東至135°，可分成6°帶11個，各帶中央經(jīng)線依次為 75°、81°、87°、…、123°、129°、135°，或3°帶22 個。

2 七參數(shù)坐標轉換算法

WGS－84坐標是指經(jīng)緯度坐標的表示方法，北京－54坐標是指經(jīng)過高斯投影的平面直角坐標的表示方法。WGS－84與北京－54是兩種不同的大地基準面，不同的參考橢球體。因而兩種坐標系下，同一個點的坐標是不同的。當要把GPS接收到的點(WGS－84坐標系統(tǒng))疊加到北京－54坐標系統(tǒng)的底圖上，就會發(fā)現(xiàn)兩者不能準確重合GPS點，即“與實際地點發(fā)生了偏移”。這就要求把這些GPS點從WGS－84的坐標系統(tǒng)轉換成北京－54的坐標系統(tǒng)。

在GPS測量中應用較多，且嚴格、精密的轉換方法，為經(jīng)典的三維赫爾墨特轉換方法［4］。地方局部坐標系的原點相對于WGS－84系統(tǒng)的原點的偏差(DX，DY，DZ)，稱為地方局部坐標系對于WGS－84地心坐標系的3個平移參數(shù)。由于地方局部坐標系的3個坐標軸不可能嚴格與WGS－84地心坐標系的對應軸平行，需要分別旋轉一個微小的角度才能達到平行的要求，所以產(chǎn)生了3 個定向參數(shù)(εx，εy，εz)。最后，考慮到兩個橢球的大小彼此不一樣，存在一個地方坐標系相對于WGS－84地心坐標系統(tǒng)的尺度因子。根據(jù)以上思路建立起來的坐標轉換模型，因為含有7個參數(shù)，所以通常被稱為七參數(shù)法。其轉換流程圖如圖2所示。

圖2 七參數(shù)坐標轉換流程

在WGS－84坐標與北京－54坐標的轉換過程中，首先要求出坐標轉換參數(shù)。鑒于我國使用不同的坐標基準，各地的重力值又有很大差異，所以很難確定一套適合全國且精度較好的轉換參數(shù)。

通常求解七參數(shù)的做法是:在工作區(qū)內(nèi)找3個以上的已知點，利用已知點的北京－54坐標和所測WGS－84坐標，通過一定的數(shù)學模型，求解七參數(shù)。若多選幾個已知點，通過平差的方法可以獲得較好的精度［5］。在ArcGIS Engine中提供了七參數(shù)轉換法。

其中，m為尺度比參數(shù);εx，εy，εz為旋轉參數(shù);ΔX0，ΔY0，ΔZ0為平移參數(shù)。

對該公式進行變換

解算這7個參數(shù)，至少要用到3個已知點，采用間接平差模型進行解算

其中，V為殘差矩陣;X為未知七參數(shù);A為系數(shù)矩陣;L為閉合差。

在得到7個未知參數(shù)后，可得到完整的坐標轉換計算過程:(1)WGS－84空間大地坐標(B84，L84)到WGS －84 空間直角坐標(X84，Y84，Z84)的轉換。(2)坐標基準的轉換，WGS－84空間直角坐標(X84，Y84，Z84)通過七參數(shù)轉換為北京－54空間直角坐標(X54，Y54，Z54)。(3)北京 －54 空間直角坐標(X54，Y54，Z54)到北京－54空間大地坐標(B54，L54，H54)的轉換。(4)北京－54空間大地坐標(B54，L54)經(jīng)過高斯投影正算公式轉換為平面直角坐標(X54，Y54)

高斯平面坐標轉換完成后，還要判斷其所處在3°或6°帶的第幾度帶上。得到帶號，將帶號乘以1 000 000再加上500 000后，結果加到Y坐標上去，最終得到高斯平面坐標。

3 基于ArcGIS Engine的GPS坐標轉換

3.1 坐標轉換

通過ArcGIS Engine中的IGeometry.Project方法即可進行投影。該方法將一個幾何要素投影到新的空間參考內(nèi)，實現(xiàn)了最基本的坐標轉換功能。這里選擇的坐標平面為esriSRProjCS_Beijing1954GK_23N。該坐標平面僅把北京附近的坐標投影在平面上。由于投影面積變小，所以投影經(jīng)度提高。但有些經(jīng)緯度不能轉換。實際數(shù)據(jù)處理過程中，比較明確數(shù)據(jù)轉換前后空間參考信息情況下一般用此方法作坐標轉換，不同投影帶之間的坐標轉換就是一個典型。如圖3所示為Point對象從一個空間參考到另一個空間參考的坐標轉換流程。

圖3 坐標轉換流程圖

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Visual C#開發(fā)語言和Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境，結合ESRI公司ArcGIS Engine 10嵌入式開發(fā)組件提供的相關接口，做出地圖顯示部分。先導入經(jīng)過校正的影像圖，再通過坐標轉換程序將WGS－84坐標轉換為北京－54坐標，然后將轉換好的坐標導入到顯示系統(tǒng)之中，生成ArcGIS Engine的shp格式文件并添加到地圖上，系統(tǒng)提供地圖瀏覽、查詢、縮放等簡單功能。圖4為西安市某點的WGS－84空間直角坐標到北京－54空間直角坐標的坐標轉換窗體。

圖5所示為7參數(shù)的計算窗體。其中，控制點的源坐標為WGS－84坐標系下的空間直角坐標，該坐標值是Google earth中獲得的經(jīng)緯度坐標通過坐標投影

轉換得來的。目標坐標為與源坐標對應的北京－54坐標系下的空間大地坐標，可以從電子地圖中查找到其經(jīng)緯度值，再經(jīng)過坐標投影得到。通過設置具體的控制點坐標，計算出坐標轉換過程中的7個參數(shù)。

4 結束語

在使用AE作GIS開發(fā)的時通常需要作經(jīng)緯度和平面坐標的相互轉換。由于經(jīng)緯度是球面坐標，而平面坐標是X－Y的笛卡爾坐標系統(tǒng)，因此存在轉換問題。文中介紹了WGS－84坐標系和北京－54坐標系之間的坐標轉換過程。采用ESRI公司ArcGIS Engine 10嵌入式開發(fā)組件設計開發(fā)GPS定位顯示系統(tǒng)。通過IGeometry接口的Project方法實現(xiàn)了坐標轉換功能。在實際應用中，該系統(tǒng)能夠較好地滿足GPS定位中坐標轉換精度的需求。

［1］徐仕琪，張曉帆，周可法，等.關于利用七參數(shù)法進行WGS－84和BJ－54坐標轉換問題的探討［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(5):33 －38.

［2］謝寧.GPS坐標轉換方法的精度對比分析［J］.硅谷，2011(4):30－31.

［3］李平，盧立.ArcGIS中幾種坐標系轉換方法的應用研究［J］.城市勘測，2012(1):87 －90.

［4］程連柱.幾種常用的GPS坐標轉換方法［J］.光盤技術，2008(4):52－53.

［5］吳自金，顏旭賢.實時動態(tài)(RTK)測量中坐標轉換參數(shù)計算的幾種方法［J］.城市建設理論研究，2011(25):36－37.