采用Arc GIS進行坐標轉(zhuǎn)換的兩種方法對比研究

牛 亮 杜艷琴

（陜西華地勘察設(shè)計咨詢有限公司，陜西 西安710020）

0 引言

在很多行業(yè)中都會用到地圖，如土地利用規(guī)劃圖、現(xiàn)狀圖等。對于地圖中空間信息都是基于某個坐標系統(tǒng)進行量算的。在現(xiàn)實中，數(shù)據(jù)存在不同的坐標系統(tǒng)，如西安80坐標系、北京54坐標系，WGS84坐標系以及獨立地方坐標及各種城建坐標。即使是同一坐標系，其坐標的表示方式又有空間直角坐標、大地坐標、平面坐標等。因此需要將地圖數(shù)據(jù)從一種坐標系轉(zhuǎn)換成另外一種坐標系才能滿足工作的需要，如何進行坐標轉(zhuǎn)換并保證信息缺失較少或轉(zhuǎn)換后的地圖精度能滿足工作需要？

1 坐標轉(zhuǎn)換的方法

1.1 七參數(shù)法

坐標系轉(zhuǎn)換包括不同的參心坐標間的轉(zhuǎn)換，地心坐標系間的轉(zhuǎn)換，參心坐標系與地心坐標系間的轉(zhuǎn)換、相同坐標系的直角坐標（XYZ）與大地坐標（BLH）之間的坐標轉(zhuǎn)換，還有大地坐標與高斯平面坐標之間的轉(zhuǎn)換等。

本文主要研究的是不同橢球參考系下的空間直角坐標轉(zhuǎn)換問題。傳統(tǒng)方法主要有三參數(shù)和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法，其中精度較高的是七參數(shù)法。目前比較成熟的轉(zhuǎn)換模型有布爾沙-沃爾夫模型、莫洛金斯基模型及中國的武測模型等。這些模型從形式上看略有差別，但轉(zhuǎn)換結(jié)果是一樣的。這類模型共有7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，即三個平移參數(shù)，三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個尺度參數(shù)，根據(jù)具體情況可以減少這些參數(shù)以簡化計算，這樣就產(chǎn)生了三參數(shù)法和七參數(shù)法。一般情況下可以根據(jù)三個公共點坐標求出七個轉(zhuǎn)換參數(shù)。

WGS84與西安80坐標的轉(zhuǎn)換步驟：

1）（B，L）84—（X，Y，Z）84，空間大地坐標到空間直角坐標的轉(zhuǎn)換。

2）（X，Y，Z）84—（X，Y，Z）80，坐標基準的轉(zhuǎn)換，三參數(shù)法、七參數(shù)法。

3）（X，Y，Z）80—（B，L）80，空間直角坐標到空間大地坐標的轉(zhuǎn)換。

4）（B，L）80—（x，y）80， 高斯投影正算。

其中，第二步中轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算是最關(guān)鍵的，通常是在工作區(qū)內(nèi)，利用三個以上已知點的西安80坐標和所測的WGS84坐標，通過布爾沙-沃爾夫模型、莫洛金斯基模型及中國的武測模型等來求解七參數(shù)。在ArcGIS中提供了三參數(shù)和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。

1.2 矢量數(shù)據(jù)空間校正

ArcGIS空間校正（spatial adjustment）是將沒有坐標信息、坐標丟失或者被修改的數(shù)據(jù)校正到一定坐標下的過程。

該方法的原理：在需要轉(zhuǎn)換坐標區(qū)域獲取相同控制點的WGS84坐標和西安80坐標，一般來說可以通過GPS接收機采集WGS84坐標，而控制點的西安80坐標必須是已知的，可從測繪部門獲取，也可從西安80坐標地圖上選取。通過動態(tài)投影的方法將WGS84坐標的矢量數(shù)據(jù)定義坐標轉(zhuǎn)為80坐標（在ArcGIS中改變定義坐標并不改變坐標值）。將兩種坐標的控制點加載到ArcMAP中，并利用空間校正工具建立兩種坐標間的一對一鏈接文件，最后利用鏈接文件并選擇校正方法對已進行過動態(tài)投影的WGS84矢量數(shù)據(jù)進行校正。這樣就完成了將WGS84坐標轉(zhuǎn)換成西安80坐標的過程。

實現(xiàn)步驟如下：

1）控制點坐標獲取；

2）動態(tài)投影：建立個人數(shù)據(jù)庫并建立坐標系統(tǒng)為WGS84的數(shù)據(jù)集，導入80坐標系的矢量數(shù)據(jù)，再導出坐標定義為WGS84坐標的矢量數(shù)據(jù) （注意導出的必須是數(shù)據(jù)框或者是要導入的要素數(shù)據(jù)集的選項）；

3）建立西安80坐標和WGS84坐標的控制點要素層，并輸入相應的坐標數(shù)據(jù)；

4）建立WGS84坐標到西安80坐標的控制點一對一的鏈接文件；

5）選擇校正方法并對已經(jīng)動態(tài)投影的矢量數(shù)據(jù)進行空間校正。

其中，該過程的關(guān)鍵步驟是第四、五步，控制點坐標必須是相同控制點一對一對應，鏈接方向是WGS84坐標到西安80坐標。還有校正方法必須選擇正確，不同情況下選擇不同的校正變換方法。

2 ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換實例

2.1 七參數(shù)轉(zhuǎn)換

在ArcGIS 10中只需兩步就能夠從WGS84坐標轉(zhuǎn)換為西安80坐標。以陜西省基準地價數(shù)據(jù)庫（以下簡稱省數(shù)據(jù)庫）為例詳述轉(zhuǎn)換過程。省數(shù)據(jù)庫不同市、縣（區(qū)）采用的坐標系統(tǒng)并不統(tǒng)一，有些為北京54坐標系，有些為地方獨立坐標系，更多的地方所采用的西安80坐標系，為了項目需要，在此我們將省數(shù)據(jù)庫的坐標系統(tǒng)一轉(zhuǎn)為WGS84坐標。

由于Google Earth影像圖 （簡稱影像圖）上的坐標為WGS84坐標，因此，根據(jù)影像圖和矢量圖上選取同名點作為轉(zhuǎn)換坐標的控制點。

七參數(shù)轉(zhuǎn)換法步驟如下：

1）計算七參數(shù)

ArcGIS軟件本身不能計算七參數(shù)，需借助COORD軟件。求七參數(shù)時要注意源坐標和目標坐標的選擇，源坐標為經(jīng)緯度，目標坐標為XY坐標，在求七參數(shù)是可以反過來求，輸入WGS84坐標后再輸入西安80坐標，求得七參數(shù)再求其相反數(shù)即是80坐標轉(zhuǎn)換成WGS84坐標的七參數(shù)。

2）創(chuàng)建七參數(shù)地理坐標轉(zhuǎn)換

在ArcGIS10中打開ArcToolbox中的數(shù)據(jù)管理工具-＞投影和變換中打開創(chuàng)建自定義地理（坐標）變換工具。在地理（坐標）變換名稱中輸入一個轉(zhuǎn)換名稱，如xian80TOwgs84_咸陽市區(qū)；在輸入地理坐標系中輸入源坐標系名稱，在輸出地理坐標系中輸入目標坐標系名稱；在方法中選擇COORDINATE_FRAME或者POSITION_VECTOR，然后輸入之前求解的七參數(shù)。

3）對源數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換

在ArcGIS10中打開投影工具。輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)換后的名稱，并在輸出坐標系中輸入要轉(zhuǎn)換成的坐標系統(tǒng)如：Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36。在地理（坐標）變換中選擇剛才自定義的地理變換xian80TOwgs84_咸陽市區(qū)。點擊確定完成坐標轉(zhuǎn)換。

2.2 在ArcGIS中實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)空間校正

這種方法的關(guān)鍵是在谷歌地球和源矢量數(shù)據(jù)上找同名點，位置越精確，其精度越高，實現(xiàn)步驟如下：

1）動態(tài)投影

建立數(shù)據(jù)庫并建立坐標系統(tǒng)為WGS84的數(shù)據(jù)集，導入西安80坐標系的源矢量數(shù)據(jù)，再導出矢量數(shù)據(jù)（導出的必須是數(shù)據(jù)框或是要導入的要素數(shù)據(jù)集的選項），這樣導出的矢量數(shù)據(jù)的定義坐標就變?yōu)閃GS84坐標系統(tǒng)。

2）控制點坐標的選取

在數(shù)據(jù)庫中建立坐標系統(tǒng)為西安80坐標的控制點要素層。根據(jù)谷歌地圖影像及源矢量圖找其同名點，在谷歌地圖上用新建地標工具標定控制點（如圖1所示），同時將源矢量數(shù)據(jù)作為地圖在ArcGIS上的80控制點要素層上標定相同位置點。控制點選取時位置要選在明顯地物點上，并分布均衡。將谷歌地圖上標定的控制點保存為ArcGIS可以識別的KML格式的數(shù)據(jù)，這樣就可以將選取的同名點坐標同時顯示在ArcGIS。

3）矢量數(shù)據(jù)的空間校正

根據(jù)選取的同名點，利用空間校正工具建立一對一的鏈接關(guān)系，方向為西安80坐標指向WGS84坐標。

在鏈接表中將殘差較大的點刪除，如果剩余四個點殘差仍較大時，則需重新選取控制點，直到殘差滿足精度要求為止。

校正方法一般選擇仿射變換，利用控制點形成的鏈接文件對已進行過動態(tài)投影的源矢量數(shù)據(jù)進行空間校正，這樣就完成了西安80坐標向WGS84坐標的轉(zhuǎn)換

為了檢驗轉(zhuǎn)換效果，可以將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)生成KMZ文件，在谷歌地球中加載和影像圖對比，以查看轉(zhuǎn)換后矢量數(shù)據(jù)與影像是否能套合(如圖 2)。

圖1 控制點標定

圖2 轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 總結(jié)

上述兩種方法均可以實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換，精度也可以滿足要求。但從其過程來看，兩種方法的工作效率不同。七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法需要專門的軟件計算七參數(shù)，中間的步驟較多，較為復雜，花費的時間較長，效率較低，且對源數(shù)據(jù)的精度要求較高，而且不適用于地方獨立坐標。而空間校正的方法效率則較高，且簡單易行，任何坐標都可以轉(zhuǎn)換，即使源數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移也可以保證坐標正確轉(zhuǎn)換，這也是實際工作中采取的方法，經(jīng)實踐證明只要源矢量數(shù)據(jù)坐標精度高的情況下坐標轉(zhuǎn)換的精度較高。