關于ArcGIS坐標轉換方法及精度評估研究

楊騫

關于ArcGIS坐標轉換方法及精度評估研究

楊騫

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅蘭州 730000）

在構建和運用地理信息體系時，常常會需要借助坐標轉換來完成。在當前國內的測繪數據成果資料中，大部分1∶50000地形圖是采取西安80坐標系建立的，還有部分地形圖采用北京54坐標系完成的，我國已實現將國家現行的大地坐標系向國家2000大地坐標系的轉變過程。ArcGIS是建立地理信息體系的主流平臺，在國內地理數據信息的產出、數據庫建立及系統應用開發之中都獲得了廣泛采用，從而形成大量根據ArcGIS建立的矢量信息數據。文中深入分析了ArcGIS的坐標轉換方法，并且基于ArcGIS的坐標轉換形式，針對國內常用坐標系轉換系統，對點位坐標轉換精度實施了評估。

ArcGIS；坐標轉換；精度評估

近年來，伴隨信息技術、電子技術、數據庫技術、空間信息技術以及地理信息體系等技術的不斷發展與逐漸完善，國內外針對地理信息體系的開發和應用均已邁進入了新的發展階段。當前，隨著地理信息數據的作用越發重要，各個行業對于地理信息數據的響應時間與精確度也都提出了越來越高的需求。而圖像圖形數據處理是地理信息數據之中最重要的一部分，把地理坐標向平面體系中進行映射，則必須要利用坐標轉換來完成。以往常用的坐標轉換方式精確度較低，且轉化的誤差也較大。ArcGIS是GIS的主流系統，被廣泛運用于系統開發、數據產出及數據庫建立之中，產生了基于ArcGIS系統的大量矢量數據信息。在當前共同存在多類坐標系的條件下，利用ArcGIS進行矢量坐標數據轉換的需要越來越多。文中分析了ArcGIS系統矢量數據的坐標轉換方法，可以達到ArcGIS系統矢量數據無損、高效、高精確度的轉換效果。

1　坐標系分析

若要實施坐標系的轉換，則首先必須要對圖形轉換坐標系及目標坐標系進行了解，且坐標系間最主要的差別就在地球橢球參數與坐標投影上，該參數通常在進行坐標系定義時便已給定。

1.1地球橢球參數分析

在地球測量時，用以表示地球的橢球被稱作地球橢球，一般也可稱為橢球，是數字形式的地球表示方式。對于幾何參數特定，且定向、定位的，用來表示某區域大地水準面的橢球被稱為參考橢球。地面上所有觀測參數均應被歸算于參考橢球上，同時在該面上開展計算分析過程。參考橢球面為計算測量大地的基準面，并且也是地球形狀與地圖投影研究的參考面，通常坐標體系不同，其所具備的橢球參數也會不同（表1中所示）。

表1　不同的坐標系統的橢球參數表

1.2坐標投影

一般來說，大地橢球體表面為曲面，所以，為了可以把不能展開的曲面繪制到平面上，通常需要采取某種數學方法以對平面坐標和地理坐標間關系進行確定。在平面與曲面間創建點點之間的函數表達式的方法即被稱作是地圖投影。投影實際上就是把大地橢球面內各經緯度上的點坐標，根據特定數學關系向平面對應的坐標上進行轉換。當前國內采用的西安80、北京54坐標體系都是利用Gauss-Kruger投影方式。我國地處地球北半部，為防止Y坐標線產生負值，因此規定X軸西移500km，如此所有的坐標均呈現為正值。

2　ArcGIS坐標轉換方法

ArcGIS地理對照解決措施是把空間數據與坐標系進行分開儲存，因此在轉換坐標時，不但需要對地理參照系進行定義，還應了解空間坐標數據的處理形式。通常而言，ArcGIS包括兩套坐標體系，分別為投影坐標系和地理坐標系。后者是以經緯度對橢球或球表面上的點位參照系進行定義，前者是以三維、二維點線面等要素位置進行（x，y，z）參照系的定位。同時，在ArcGIS中預裝了全球數百類地理參照系，這里國內常會用到的包括北京54坐標系、西安80坐標系及2000大地坐標系等。此外，在這基礎之上，ArcGIS也包括有動態轉換、靜態轉換與即時轉換這三類轉換形式（如表2中所示）。

表2　ArcGIS3種坐標轉換方式的比較

由上可得，ArcGIS的坐標轉換方法，不論地理參照系的定義，或是地理空間坐標的轉換形式，均存有較為顯著的區別。對于ArcGIS空間坐標完成轉換的原理若無法做到深刻了解，則無法避免該坐標轉換形式被錯誤使用的可能性。

3　ArcGIS中坐標轉換

在ArcGIS系統中，全部數據均是通過圖層方式進行儲存的，所以在實施坐標轉換過程中，也必須依據圖層形式，即按照每個圖層實施轉換。在轉換坐標前，還應該定義總體工程和單個圖層的坐標體系，并且對坐標投影也應進行定義。

3.1坐標系的定義

在通過ArcGIS進行地圖的編制時，通常會產生多層數據，包括點、面、線等相關數據。在定義時，先應對總體工程的坐標系統開展，點開Data Frame Property選項卡之中的CoordinateSystem項，接著定義該工程所在處的坐標體系。ArcGIS中帶著很多已完成定義過程的坐標體系，包括：西安80、北京54、WGS-84等，并且對于西安80、北京54坐標系定義根據3°帶與6°帶展開劃分，僅需按照工程所在處范圍實施選取。若是獨立的地方性坐標體系，則需定義此坐標系，選新建選項展開設置。在實現以上坐標系的定義后，可以觀察到圖形之中坐標顯出單位：degree或meter，然而此定義只是定義了工程的坐標系統，對于各圖層并未產生影響，這個結果可利用查看各圖層Source選項卡得知（如圖1中所示）。

圖1　圖層屬性

進行任何圖層坐標系的定義都可利用工具箱ArcToolbox來展開。在DataManagementTools工具欄中，有個工具ProjectionsandTransformations，可選用此工具中DefineProjection選項以定義圖層坐標系。

3.2轉換參數的建立

坐標體系間轉換主要包含在不同空間直角坐標體系間轉換，在地球坐標體系和空間直角坐標間轉換，以及在高斯平面坐標體系與大地坐標體系間轉換等。ArcGIS的坐標轉換方法包括七參數法和三參數法等。在定義轉換參數前，應對需要進行區域轉換的參數展開計算。

3.3幾類坐標體系的轉換辦法

對于不同種類、大小和格式的數據，在ArcGIS之中所對應的坐標轉換方式也各不相同。在ArcGIS的自帶Toolbox內對于不同的數據坐標體系，提供出兩個不同的轉換工具，即ProjectRaster和Project。

1）矢量圖的坐標轉換。ArcGIS對于shp格式數據和矢量數據類型所設置的坐標轉換方法為通過Toolbox工具箱中Project選項進行（轉換方式如圖2所示）。

圖2　坐標轉換的流程圖

2）影像圖的坐標轉換。在測繪時所用影像圖大多是正射影像圖（DOM）。此處既有整幅拼接數據，也存在分幅數據。在對DOM實施坐標轉換時，通常在DOM建立中便已完成，如需在應用DOM中開展坐標轉換，則對于不同的數據量大小能用兩類方式：DOM分幅，對于小數據量，可以選擇Toolbox中Project Raster來實施轉換，且在轉換時要和矢量坐標轉換相一致。完成拼接后的DOM數據，一般數據量很大。此時，選擇ProjectRaster工具實施轉換會造成系統崩潰，因此，可以采取數據輸出形式以轉換坐標系。如將西安80轉換成北京54，做法包括：先定義DOM的坐標系為西安80，之后再對Transformation的轉換參數進行定義，然后利用結果輸出便能得出所需的北京54坐標系DOM數據信息。該法最大可處理的影像坐標轉換數據能達到30G。

4　坐標轉換精度評估

為了評估坐標轉換的精度質量，在某區域選擇15個控制點坐標數據，已知它的精準西安80坐標信息，根據以上方法以對此點的圖層實施坐標轉換。先采取七參數法來計算出該區域的轉換坐標參數，獲得坐標的3個轉動分量、3個偏移量以及1個尺度因子這七參數，針對ArcGIS中的圖層坐標體系設置其轉換形式。由西安80坐標轉換成北京54坐標，可得最終的數據精度（如表3中坐標轉換數據），表內數據單位是米。

表3　利用ArcGIS轉換坐標數據的精度表

由上表可看到，通過ArcGIS軟件對坐標系按照七參數法進行轉換，其數據精確度可以達到地形圖的精確度需要。現分析引起ArcGIS轉換坐標誤差的因素為：北京54坐標系和西安80坐標系都屬于參心坐標系，但是在定義地理坐標體系時也存在差異；ArcGIS地理坐標轉換的原理存在差別，然而ArcGIS并未向外部公布該轉換的原理；因轉換空間坐標參數有著時空上的制約，因此計算轉換參數時的誤差也會來源于轉換坐標的數據誤差。

5　結語

ArcGIS具有不同的坐標轉換形式，因此，對于控制點坐標轉換質量的影響會不相同，并且在相同地理坐標轉換法下，由于坐標系選取不同，其轉換的精度也將不同。文中基于具體的坐標轉換項目，針對實現ArcGIS系統地理坐標轉換方法展開了分析與研究，并對轉換項目中所遇問題開展總結與探討，從而希望可以為相關項目技術人員提供一些經驗上的參考。此外，因空間數據坐標在進行轉換時比較復雜，所以在轉換坐標中，方案完成還必須針對實際數據狀況做好完善與改進措施。

［1］ 趙慧慧，葛瑩.ArcGIS坐標轉換方法及其精度評估［J］.地理空間信息.2016（03）.

［2］ 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（01）.

［3］ 周衛，張彥彥，龍毅.圖形坐標轉換方法與實現［J］.地球信息科學.2007（02）.

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