淺談石家莊坐標系統轉換軟件的編制

李杰

(石家莊市勘察測繪設計研究院，河北石家莊 050019)

1 引言

根據國家測繪局2008年第2號公告要求，各地加緊建立適合于地方的基于2000地球橢球的坐標系統。隨著新坐標系統的建立，為了保證原有數據的有效利用，坐標系轉換工作的緊迫性日益凸顯。

商業轉換軟件通用性強，在控制測量以及少量坐標數據轉換時能夠滿足需要，面對大量多源數據和復雜多步驟轉換時則顯得無能為力或事倍功半。例如:各種大量矢量圖形(如dwg、dgn等圖形數據)的轉換;一些需要多步驟組合(如先換帶再轉換等)才能完成的轉換等。

基于以上情況，想要便捷、準確實現坐標系轉換，有必要結合當地實際情況研發自己的坐標系轉換軟件，將各種日常參數固化到軟件中，把各種組合轉換集成為一鍵操作，減少出錯幾率，提高工作效率。

石家莊市勘察測繪設計研究院中標承擔了“建立石家莊城市坐標系統”項目，根據項目技術方案要求，需要編制石家莊坐標系統轉換軟件，實現石家莊目前各種坐標系之間的轉換，本文將結合該項目闡述坐標轉換的編制過程，本文不涉及轉換求參，只探討軟件編制問題。

2 坐標系現狀

20世紀50年代，石家莊市的建設部門建立石家莊地方坐標系統，經3次重大改造和擴測，一直使用至今;近十年來，石家莊市國土資源局和市房產局建立石家莊市坐標系，以滿足城市發展中不同專業、不同用途和對控制面積上的需求。

截至目前，石家莊市主要涉及3個國家坐標系和2個地方坐標系，分別是1954年北京坐標系、1980西安坐標系和新建立的2000國家大地坐標系以及石家莊地方坐標系和石家莊市坐標系。

基于“共建共享”目的，石家莊市政府要求整合現有的坐標系統，以便統一到新建立的2000國家大地坐標系上，編制坐標系統轉換軟件成為今后啟用、推行和應用新坐標系的重要抓手。

3 軟件功能介紹

考慮到編程的便捷性，選擇基于.NET Framework框架，選用Visual Studio 2005為開發平臺，AutoCAD作為輔助圖形平臺來完成軟件研發工作。

結合項目技術方案以及實際需要，將軟件功能分為5個功能模塊，分別是登錄、轉換、高斯換算、求解轉換參數和幫助模塊。

3.1 登錄模塊

坐標轉換屬于涉密工作，轉換參數應嚴格保密，因此軟件設計了登錄模塊，具體功能有用戶注冊、用戶登錄、刪除用戶、更改密碼和日志管理等，通過用戶名與密碼設定管理權限。

初次登錄需要授權才能使用，計算機不存儲用戶密碼原碼，只存儲其散列碼，原碼與散列碼之間轉換的不可逆性，可以起到較好的保密效果。

3.2 坐標系轉換模塊

坐標系轉換是軟件的核心部分，主要功能有:源坐標系和目的坐標系的選取、坐標源文件與目的文件的選取、平面轉換四參數的調存(包含讀取、調取和保存參數)、坐標文件轉換、單點轉換以及矢量dwg數據轉換等。

通過列表框選擇各種坐標系，根據轉換坐標系名稱，調用固化在軟件中的轉換參數，固化轉換參數隱藏顯示，以起到保密作用。僅當選擇自定義坐標系轉換時才彈出轉換參數對話框，輸入參數進行轉換。

為實現方便快捷轉換，我們在數據處理細節上進行了挖掘。如:坐標數據文件分隔符可以是“，”、“;”、“”或TAB等，不論是中文英文還是全角半角，均能自動識別;單點轉換時，支持從 WPS、Word、Excel、Auto-CAD中直接粘貼數據，支持在AutoCAD中直接點選坐標等，錄入數據便捷，用戶體驗感覺上佳;為了提高轉換效率，將通常需要幾步轉換的組合操作集成在一起，實現一鍵轉換，減少出錯幾率。

dwg數據轉換功能針對AutoCAD圖形文件轉換，提供3種轉換方式。第1種，基于整幅圖的快速轉換，根據當前圖形的左下角與右上角坐標實施快速兩點轉換，用時短，精度低;第2種，基于實體的快速變換，創建選擇集，遍歷實體，獲取實體的矩形包圍盒完成轉換，用時較短，精度較高;第3種，基于坐標點的嚴密轉換，通過判定實體的類型，獲取其特征點坐標，逐點轉換，耗時長，精度最高。實際轉換時，可根據項目精度需求選擇其中一種方式轉換，靈活便捷。

3.3 高斯換算模塊

主要有高斯正算、反算、換帶與dwg圖形轉換功能，同時提供大地主題計算工具。

高斯正算與反算完成指定橢球下經緯度與直角坐標的互算，高斯換帶完成不同中央子午線下直角坐標的計算，dwg圖形轉換功能與換帶配合使用;大地主題計算主要完成特定橢球下諸如各種球面半徑、子午線收斂角、大地距離與方位以及球面面積等的計算。

3.4 最小二乘求解轉換參數模塊

根據源坐標文件與目的坐標文件，首先進行坐標重心化處理，然后利用最小二乘法求解坐標系之間轉換的平面四參數，并給出精度評定，提供參數保存工具，以備坐標系轉換模塊調用。

3.5 幫助文檔

介紹軟件的安裝、注冊、運行以及操作，便于初學者掌握軟件使用方法。

3.6 關鍵點介紹

軟件編制過程中，關鍵點為數學模型的選取。軟件涉及的主要數學模型有高斯正反算和換帶模型、大地主題計算相關模型和平面四參數變換模型等。前兩個模型各教科書和參考書上多有明確的計算公式，直接引用或組合計算即可;平面四參數變換模型多數資料上求解相對復雜，要進行誤差方程線性化繁瑣。

本文平面四參數變換求解采用坐標系轉換參數的解耦算法［3］，較總體最小二乘平差方便直觀，易于編程實現。平面四參數轉換模型為:

式中，X1，Y1為源坐標，X2，Y2為目的坐標，dx，dy為平移參數，m為尺度參數，α為旋轉參數。

首先，根據源坐標數據和目的坐標數據分別計算出各自的重心坐標X1G、Y1G和X2G、Y2G，將各點坐標分別重心化得到點集;其次計算∑()的平方根得到縮放系數m，計算∑的反余切得到旋轉角度 α，將 X1G、Y1G和 X2G、Y2G以及求得的 m、α 代入式(1)計算出dx，dy;最后根據四參數進行精度評定。

4 軟件測試

軟件測試采用白盒測試與黑盒測試相結合(以黑盒測試為主)的方式進行，確保軟件使用正確性。

白盒測試針對主要數學模型，由精通測繪與編程的人員對程序源代碼進行檢查。

黑盒測試主要采用算例進行，通過與實測數據和商業軟件結果比對，驗證軟件輸出結果的正確性。檢查人員分為2組，第1組2人為專業測繪技術人員，具備10年以上相關測繪經驗，從測繪專業角度驗證軟件;第2組2人為有編程經歷人員，從計算機軟件學角度驗證軟件。

測試時，要求2人獨立測試或其中1人測試另1人旁站檢查，做到檢測結果正確無誤。測試出現問題時，兩人首先達成一致意見，共同核準，確有分歧時，由項目負責人召集相關人員進行商定。

填寫軟件檢查記錄，測試結束后，編寫檢查報告。

5 結語

石家莊坐標系統轉換軟件，經過測試與試用，用戶反映良好，主要特點如下:

(1)功能齊全，操作便捷，達到(局部超過)項目方案的技術要求。

(2)數據輸入智能化、自動化，能識別多種格式的數據，粘貼到輸入框后能自動分離至相應輸入框，錄入便捷;可批量轉換dwg圖形文件，便于今后應用。

(3)各種參數固化到軟件中，對轉換過程進行封裝，多步驟轉換過程實現一鍵操作，降低出錯幾率，提高了工作效率。

［1］石家莊市國土資源局.石家莊市測量數據整合工程總體技術方案［R］.2010.

［2］石家莊市勘察測繪設計研究院.建立石家莊城市坐標系技術總結［R］.2011.

［3］杜蘭，王若璞，王占統等.平面坐標轉換參數的解耦算法［J］.測繪通報，2012(1):26～28.

［4］邱衛寧，陶本藻，姚宜斌等.測量數據處理理論與方法［M］.武漢:武漢大學出版社，2008.

［5］孔建，姚宜斌，許雙安.整體最小二乘求取坐標轉換參數［J］.大地測量與地球動力學，2010，30(5):74 ～78.