空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉君臣，馮妍，楊玉忠，黃勇

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引 言

本研究針對目前新疆測繪檔案資料館空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)中存在的效率低、工作量大等問題，探索一種自動化的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)自動化、高效率的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及輸出;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算、查詢、入庫;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果的查詢輸出;控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果的查詢、輸出;圖幅號計(jì)算以及新舊圖號之間的相互轉(zhuǎn)換等工作。

2 現(xiàn)有資料及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作需要參考的資料主要有1∶10 萬圖幅結(jié)合表、礦產(chǎn)分區(qū)圖、部分1∶10 萬圖幅的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及礦產(chǎn)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

進(jìn)行不同橢球基準(zhǔn)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，首先，判斷坐標(biāo)點(diǎn)在1∶10 萬圖幅的圖幅號和礦區(qū)號。然后，查找該圖幅或礦區(qū)有無坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果，如有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，則將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)復(fù)制到現(xiàn)有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置后便可得到轉(zhuǎn)換后的空間坐標(biāo)。接著，利用一個(gè)工具軟件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)文件生成正式的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換文檔，并修改相應(yīng)客戶單位名稱及日期。最后，打印正式的文檔并蓋章，交接給客戶。另外，利用現(xiàn)在的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行不同基準(zhǔn)下的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，需要現(xiàn)將其反投影變換到大地坐標(biāo)，然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)。在判斷點(diǎn)位所位于的礦區(qū)時(shí)，需要打開礦區(qū)圖根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)人為判斷其所在的礦區(qū)，如要坐標(biāo)點(diǎn)沒有同時(shí)位于一個(gè)礦區(qū)或者一個(gè)圖幅中，則需要將其按照礦區(qū)或者圖幅組織成不同的文件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

從以上的工作流程來看，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的效率是非常低的，既耗時(shí)，又容易出錯(cuò)。由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)比較多，一個(gè)自動、快速的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件是非常有必要的。

3 軟件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)我國坐標(biāo)系統(tǒng)及新疆測繪檔案資料館坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀，本軟件主要實(shí)現(xiàn)基于北京54、西安80、國家2000、WGS84 等4 種橢球基準(zhǔn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及某一橢球基準(zhǔn)下的投影變換。由坐標(biāo)點(diǎn)位快速提取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是快速、自動的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。本軟件采用空間數(shù)據(jù)庫的分析功能判斷坐標(biāo)點(diǎn)所在圖幅或礦區(qū)，并在數(shù)據(jù)庫中檢索相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。最終，輸出為可直接打印的正式文檔。本軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示:

圖1 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)不同橢球基準(zhǔn)之間的坐標(biāo)變換以及相同橢球基準(zhǔn)下投影變換，最終自動完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果文件的輸出。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式有布爾莎7 參數(shù)、4 參數(shù)、3 參數(shù)轉(zhuǎn)換等方式，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的流程如圖2 所示:

圖2 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

4 關(guān)鍵問題的解決

4.1 空間數(shù)據(jù)庫選取

本軟件對于空間數(shù)據(jù)庫的需求主要在于通過點(diǎn)來判斷該點(diǎn)屬于哪一10 萬圖幅或者礦區(qū)，對于判斷點(diǎn)所位于的10 萬圖幅號是可以計(jì)算出來的，沒有必要用空間分析功能。但是，不采用空間分析功能來判斷某一點(diǎn)所位于的礦區(qū)是非常困難的，甚至不可能的。如果采用大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫將是一個(gè)非常大的浪費(fèi)，而且安裝部署都比較繁瑣。因此，選擇一個(gè)小型、輕便的空間數(shù)據(jù)庫是十分必要的。

本軟件選擇了PostgreSQL+ PostGIS。PostgreSQL是目前發(fā)展非常快，應(yīng)用非常廣泛，社區(qū)技術(shù)支持非常好，被譽(yù)為是目前最先進(jìn)的一款開源對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。讓PostgreSQL 更加強(qiáng)大的一面是其空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展PostGIS 的支持。由于有PostGIS 的支持，可以將PostgreSQL 優(yōu)良的特性和強(qiáng)大的功能充分的發(fā)揮在海量空間數(shù)據(jù)的存儲與管理中，為空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)提供又一優(yōu)良的解決方案，并且其開源和免費(fèi)的特性更是能夠滿足許多低成本應(yīng)用的需求。PostGIS 可以通過空間數(shù)據(jù)操作符與空間操作函數(shù)提供強(qiáng)大的幾何要素編輯功能與空間分析功能，另外，它還支持多種開發(fā)語言，大大的增加的開發(fā)的靈活性。

4.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)讀取

對于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的讀取分為窗體讀取和數(shù)據(jù)庫讀取，對于某些臨時(shí)性的轉(zhuǎn)換參數(shù)可以采用窗體輸入或窗體讀取的方式獲得轉(zhuǎn)換參數(shù)，而對于已經(jīng)入庫的標(biāo)準(zhǔn)圖幅及礦區(qū)對應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接從數(shù)據(jù)庫中讀取。關(guān)于從數(shù)據(jù)庫讀取坐標(biāo)參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換詳細(xì)流程如圖3 所示。

圖3 從數(shù)據(jù)庫讀取參數(shù)的流程

4.3 大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

在不同橢球基準(zhǔn)下的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是否成功的關(guān)鍵。目前，常用的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型在應(yīng)用范圍、計(jì)算速度及有效性等方面都存在著一定的局限性，如在地球內(nèi)部、低緯度地區(qū)、地心或地極附近，不能有效地進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果錯(cuò)誤或不收斂現(xiàn)象。由大地測量學(xué)得知，由(B、L、H)換算為(x，y，z)稱為正解，可以很簡單地由本文中的公式組(1)直接得到。對于由(x，y，z)解算(B、L、H)的反解，乃是國內(nèi)外大地測量學(xué)者近二十年來經(jīng)常討論的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

本軟件采用了根據(jù)Bowring 研究思路導(dǎo)出的轉(zhuǎn)換公式組(2)，這組公式既簡單又具有很高的計(jì)算精度，能夠滿足本軟件的精度要求。

4.4 計(jì)算成果的利用

本軟件的計(jì)算成果主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果。計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)成果既可以為后面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換自動提供轉(zhuǎn)換參數(shù)，還可供查詢及輸出。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果則可以用于坐標(biāo)成果的查詢、輸出及統(tǒng)計(jì)，為其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。成果利用如圖4 所示:

圖4 成果利用

5 軟件的實(shí)現(xiàn)

本軟件采用C#語言開發(fā)，開發(fā)工具為VS2010，主要引用了Npgsql 類庫，該類庫為．NET 連接PostgreSQL數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動程序。除此之外，作者編寫了GeoTrans、DataBase、Print2Word、Matrix 四個(gè)類庫。GeoTrans 類庫封裝了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及參數(shù)計(jì)算等方面的類和接口，Data-Base 類庫封裝了讀取配置文件連接數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫操作等方法，Print2Word 類庫封裝了將坐標(biāo)數(shù)據(jù)按照Word 模板輸出到Word 文檔的方法，Matrix 封裝了關(guān)于矩陣的常規(guī)運(yùn)算方法。應(yīng)用程序(App)與類庫間的組織結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用程序及類庫間的組織結(jié)構(gòu)

軟件界面設(shè)計(jì)力求簡潔，選擇某一個(gè)功能模塊不會產(chǎn)生新的窗口。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后可以將坐標(biāo)成果輸出為Word 文檔，直接打印即可。除此之外，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的同時(shí)還生成了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換報(bào)告，報(bào)告中對轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，得出轉(zhuǎn)換前后的經(jīng)緯度差異。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的界面如圖6 所示。

圖6 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)

6 精度分析

本軟件精度測試區(qū)域位于新疆伊犁哈沙克自治州，1∶10 萬圖幅號分別為L－45－008、K－44－008。下面以北京54 坐標(biāo)系(以下簡稱54)向西安80 坐標(biāo)系(以下簡稱80)轉(zhuǎn)換為例，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度分析。

從以下數(shù)據(jù)表可分析出，x 方向點(diǎn)位中誤差為0.042 418 m，y 方向誤差為0.022 659 m，點(diǎn)位中誤差為0.048 091 m，完全滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)要求的。另外，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度與控制點(diǎn)的選取有很大的關(guān)系，控制點(diǎn)精度高且均勻分布，計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)則更準(zhǔn)確，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度則更高。

7 結(jié) 論

該軟件的操作符合新疆測繪檔案資料館坐標(biāo)轉(zhuǎn)換作業(yè)流程，操作方便、簡單，快捷，能很好滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)的需求。空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)能夠進(jìn)行高效、自動化的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把工作人員從繁重的重復(fù)工作中解脫出來; 能夠?qū)v史的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果進(jìn)行快速檢索、輸出;能夠?qū)刂泣c(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果進(jìn)行計(jì)算、查詢、入庫及維護(hù)更新。總之，該軟件不僅可以提高工作人員的效率，提升服務(wù)能力，而且能在自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會信息化中發(fā)揮重要作用，能更好地服務(wù)于各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

54 至80 轉(zhuǎn)換驗(yàn)證點(diǎn)精度分析 表1

［1］GB/T 13989－92．國家基本比例尺地形圖分幅和編號［S］．

［2］2000 國家大地坐標(biāo)系推廣應(yīng)用交流與培訓(xùn)教材［R］．2010．

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［4］黃謨濤，翟國君，管錚等．空間直角坐標(biāo)和大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換［J］．解放軍測繪學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，15(3) :164 －168．

［5］張玢．基于PostGIS 的海岸保護(hù)與利用規(guī)劃空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．大連:遼寧師范大學(xué)，2009．