淺析2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換
——以韶關(guān)市為例

鄭伯楨

（韶關(guān)市國(guó)土資源技術(shù)中心廣東韶關(guān)512026）

淺析2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換
——以韶關(guān)市為例

鄭伯楨

（韶關(guān)市國(guó)土資源技術(shù)中心廣東韶關(guān)512026）

為解決韶關(guān)市不同地區(qū)之間、同一地區(qū)不同時(shí)期的基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)體系互不相同給國(guó)土資源管理、信息化工作帶來(lái)的諸多制約和不便，現(xiàn)利用GPS靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)求取參數(shù)、確定模型，并開(kāi)發(fā)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理軟件對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果2000國(guó)家大地坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為統(tǒng)籌全市地理信息資源，實(shí)現(xiàn)省、市、縣、區(qū)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通、共建共享提供數(shù)據(jù)支持，也為下一步社會(huì)各應(yīng)用部門(mén)數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供統(tǒng)一平臺(tái)，并為坐標(biāo)系進(jìn)行維護(hù)和快速更新、數(shù)字城市、數(shù)字縣區(qū)等信息化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；參數(shù)

1 引言

面對(duì)空間技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛普及，在創(chuàng)建數(shù)字地球、數(shù)字中國(guó)的過(guò)程中，需要一個(gè)以全球參考基準(zhǔn)框架為背景的、全國(guó)統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)一致的坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)處理國(guó)家、區(qū)域、海洋與全球化的資源、環(huán)境、社會(huì)和信息等問(wèn)題。單純采用目前參心、二維、低精度、靜態(tài)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施作為我國(guó)現(xiàn)行應(yīng)用的測(cè)繪基準(zhǔn)，必然會(huì)帶來(lái)愈來(lái)愈多不協(xié)調(diào)問(wèn)題，產(chǎn)生眾多矛盾，制約高新技術(shù)的應(yīng)用。這導(dǎo)致先進(jìn)的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)所獲取的測(cè)繪成果在使用時(shí)的精度損失，無(wú)法全面滿足現(xiàn)勢(shì)性較高的城市建設(shè)、行業(yè)部門(mén)對(duì)高精度測(cè)繪地理信息服務(wù)的要求。

鑒于上述原因，如何實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的“平穩(wěn)過(guò)渡”，又能滿足測(cè)繪工作的需要，這是測(cè)繪工作者必須研究解決的問(wèn)題。在這樣的背景下，國(guó)家組織相關(guān)科研單位對(duì)大地坐標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)理論進(jìn)行研究并進(jìn)行實(shí)踐，取得了重大成果。2008年7月1日正式啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic CoordinateSystem，CGCS2000）。

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

在我市已有1980西安坐標(biāo)系控制點(diǎn)數(shù)據(jù)成果的基礎(chǔ)上，采購(gòu)覆蓋作業(yè)范圍的控制點(diǎn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)成果，并利用GPS靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)求取剩余已有控制點(diǎn)的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系成果。均勻選取覆蓋作業(yè)范圍的控制點(diǎn)作為求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的同名點(diǎn)，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具求出1980西安坐標(biāo)系至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行檢核。利用求取的轉(zhuǎn)換參數(shù)將市區(qū)其他已有控制點(diǎn)成果、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、1：2000影像圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)及地理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換完畢的所有數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理、建庫(kù)。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 韶關(guān)市區(qū)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換技術(shù)流程圖

3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.1 GPS控制點(diǎn)觀測(cè)及計(jì)算

本控制網(wǎng)由C級(jí)網(wǎng)和D級(jí)網(wǎng)共同組成，采用TBC進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，該軟件能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)量短基線數(shù)據(jù)進(jìn)行精確解算，同時(shí)提供自由網(wǎng)和約束網(wǎng)不同類(lèi)型的網(wǎng)平差，提交較為完善的精度指標(biāo)，GPS觀測(cè)網(wǎng)共有46個(gè)點(diǎn)組成，全網(wǎng)共獲得了290條基線（網(wǎng)形如圖2）；本測(cè)區(qū)外業(yè)觀測(cè)共使用7臺(tái)TrimbleGPS接收機(jī)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，各種儀器在進(jìn)測(cè)區(qū)前都進(jìn)行過(guò)檢驗(yàn)，具有可靠的穩(wěn)定性，符合要求，選定衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度較好的觀測(cè)時(shí)間安排施測(cè)計(jì)劃和調(diào)度表。

圖2 GPS網(wǎng)型圖

為檢核本網(wǎng)基線的精度，在WGS-84坐標(biāo)系下，使用TBC平差軟件以測(cè)區(qū)中心位置G24的WGS-84坐2標(biāo)（概略坐標(biāo)）為起算點(diǎn)，采用上面選取的181條基線進(jìn)行三維無(wú)約束平差計(jì)算。韶關(guān)市GPS-D級(jí)控制網(wǎng)最后平差，選擇經(jīng)過(guò)前面檢核的181條合格基線，使用TBC平差軟件進(jìn)行，3°帶投影，以東經(jīng)114°為中央子午線，進(jìn)行三維約束平差，控制網(wǎng)選擇6個(gè)GPS C級(jí)點(diǎn)作為起算數(shù)據(jù)。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算模型確定

項(xiàng)目轉(zhuǎn)換模型選用七參數(shù)布爾莎模型直接對(duì)兩坐標(biāo)系在空間直角坐標(biāo)系范疇進(jìn)行變換。公式如下：

其中，下標(biāo)1、2分別表示兩個(gè)不同坐標(biāo)基準(zhǔn)下的空間直角坐標(biāo)。△X、△Y和△Z為三個(gè)平移參數(shù)，δu為尺度參數(shù)，εX、εY和εZ為三個(gè)旋轉(zhuǎn)歐拉角。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求取

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)數(shù)值為：

長(zhǎng)半軸：a＝6378137m

扁率：f=1/298.257222101

地心引力常數(shù)：GM＝3.986004418×1014m3s-2

自轉(zhuǎn)角速度：ω＝7.292l15×10-5rad/s

重合點(diǎn)的獲取一方面是通過(guò)實(shí)測(cè)獲取，另一方面是通過(guò)收集獲取。選取原則是：盡量選取足夠的高等級(jí)、高精度且分布均勻的點(diǎn)作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的重合點(diǎn)。采用二維轉(zhuǎn)換模式至少選取2個(gè)以上的重合點(diǎn)，采用三維轉(zhuǎn)換模式至少選取3個(gè)以上的重合點(diǎn)，重合點(diǎn)及檢查點(diǎn)的分布要覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)域且盡量分布均勻。考慮到韶關(guān)市的作業(yè)區(qū)范圍及已有控制點(diǎn)分布情況，選擇以下20個(gè)控制點(diǎn)作為重合點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 重合點(diǎn)觀測(cè)設(shè)計(jì)圖

計(jì)算七參數(shù)，可以選用最小二乘或抗差估計(jì)法，選擇最小二乘或抗差估計(jì)計(jì)算七參數(shù)讀入源坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)，得到從源坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并對(duì)以上兩種方法計(jì)算的結(jié)果取平均，得到最終的七參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)施步驟：

（1）收集、整理轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)重合點(diǎn)成果；

（2）分析、選取用于計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點(diǎn)；

（3）確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型；

（4）兩坐標(biāo)系下重合點(diǎn)坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換。若采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，則要將重合點(diǎn)的兩坐標(biāo)系坐標(biāo)換算同一投影帶的高斯平面坐標(biāo)，若采用Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，則要將重合點(diǎn)的兩坐標(biāo)系坐標(biāo)換算成各坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)；

（5）據(jù)確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型利用最小二乘法初步計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；

（6）分析重合點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差，根據(jù)轉(zhuǎn)換殘差剔除粗差點(diǎn)。一般的若殘差大于3倍殘差中誤差則認(rèn)為是粗差予以剔除，然后重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到滿足一定的精度要求為止；

（7）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差滿足精度要求（合格）時(shí)，計(jì)算最終的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)并估計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度；

（8）根據(jù)計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)，按步驟轉(zhuǎn)換待轉(zhuǎn)換點(diǎn)的目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4 數(shù)據(jù)處理及建庫(kù)

4.1 矢量地圖數(shù)據(jù)

對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2000國(guó)家坐標(biāo)系的矢量地圖進(jìn)行分級(jí)控制和配賦符號(hào)，主要表達(dá)境界、道路、鐵路、水系、居民地、植被及注記等要素。

（1）SHP等文件數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫(kù)：對(duì)已經(jīng)加工處理的矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和入庫(kù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入公共地理框架庫(kù)中；加工編輯處理；制圖美化：包括地圖符號(hào)化和地圖整飾；切片生成瓦片地圖數(shù)據(jù)。

（2）將整理完成的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的電子地圖矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的MXD地圖配置方案進(jìn)行切片。將ArcGIS的MXD工作空間切片生成瓦片地圖數(shù)據(jù)。

主要流程如圖4所示。

4.2 18～20級(jí)影像地圖數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)的處理與建庫(kù)需要經(jīng)過(guò)以下流程：

（1）數(shù)據(jù)校正。影像數(shù)據(jù)幾何校正是糾正影像拍攝時(shí)因地形等因素產(chǎn)生的幾何變形，并賦予數(shù)據(jù)真實(shí)的空間坐標(biāo)，以供用戶使用。

影像數(shù)據(jù)校正必須有控制資料，如：合理分布的校正控制點(diǎn)。這些點(diǎn)可以從已有控制資料（如地形圖）通過(guò)內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點(diǎn)方法選取、也可以用野外實(shí)測(cè)獲得。對(duì)于高分辨遙感影像的幾何校正，內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點(diǎn)一般采用大比例尺地形圖，如1：500或1：1000的地形圖；野外實(shí)測(cè)一般采用GPS定位測(cè)量方法完成。

（2）數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換。影像數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換主要是解決各數(shù)據(jù)的投影不一致，從而統(tǒng)一數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，方便用戶使用，使用前期獲取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)將數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換至2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

（3）數(shù)據(jù)拼接。影像數(shù)據(jù)拼接是通過(guò)對(duì)相鄰影像的無(wú)縫拼接處理，保持地物連續(xù)一致性的基礎(chǔ)上，去除重疊區(qū)多余影像，從而形成整景影像。

（4）數(shù)據(jù)融合。影像數(shù)據(jù)融合是通過(guò)高級(jí)影像處理技術(shù)來(lái)復(fù)合多源遙感影像，以達(dá)到全色和多光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)空間細(xì)節(jié)，減少顏色失真，形成對(duì)地面目標(biāo)較完整的信息描述。

4.3 地名地址數(shù)據(jù)

圖4 矢量地圖數(shù)據(jù)處理流程圖

地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫(kù)方法：

地名地址數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來(lái)源包括SHP地名庫(kù)文件、Excel地址庫(kù)。地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫(kù)方法如圖5所示。

圖5 地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫(kù)方法

5 結(jié)論

本文以韶關(guān)市為例，利用GPS靜態(tài)觀測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)高等級(jí)、高精度且分布均勻的重合點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)平差處理，確定了韶關(guān)市2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，完成了轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算；并利用轉(zhuǎn)換軟件的處理，完成了已有數(shù)據(jù)成果向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。實(shí)踐中驗(yàn)證了驗(yàn)證該轉(zhuǎn)換方法的可行性及數(shù)據(jù)成果的可靠性，但由于各方面原因，還存在一些相關(guān)問(wèn)題在今后的時(shí)間里有待進(jìn)一步解決。如數(shù)據(jù)體系有待進(jìn)一步完善，數(shù)據(jù)覆蓋率有待進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)需要持續(xù)進(jìn)行更新，同時(shí)對(duì)于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)成果也需要進(jìn)一步加強(qiáng)管理，有效利用，實(shí)現(xiàn)共享。

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P226.+3

A

1004-7344（2016）30-0190-02

2016-9-15

鄭伯楨（1980-），男，本科，主要從事測(cè)繪工作。