基于GeoDatabase的天津地方坐標系至CGCS2000坐標轉換實現

汪林，閆偉，陳艷云

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.國家海洋信息中心，天津 300171)

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基于GeoDatabase的天津地方坐標系至CGCS2000坐標轉換實現

汪林1*，閆偉1，陳艷云2

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.國家海洋信息中心，天津 300171)

作為測繪成果的GIS數據多采用GeoDatabase數據模型進行存儲和管理，為避免重復測繪，需將GeoDatabase數據結構的GIS數據從天津地方坐標轉換至CGCS2000坐標系。本文從GeoDatabase數據模型的介紹入手，總結了坐標轉換相關的理論，并給出了天津地方坐標系轉換至CGCS2000坐標系的方法和步驟，實現了GeoDatabase數據結構的GIS數據從天津地方坐標系轉換至CGCS2000坐標系的轉換。最后分別從轉換前后從圖形一致性、線性方向一致性、屬性一致性、坐標轉換精度和坐標轉換效率加以論證。

坐標轉換；天津地方坐標系；CGCS2000坐標系

1 引 言

根據《中華人民共和國測繪法》，國家建立全國統一的大地坐標系。因建設、城市規劃和科學研究的需要，大城市和國家重大工程項目可建立相對獨立的平面坐標系統。我國于上世紀50年代和80年代，分別建立了國家大地坐標系統—北京54坐標系和西安80坐標系，測制了各種比例尺地形圖，為國民經濟和社會發展提供了基礎的測繪保障。上述兩種坐標系都是參心坐標系。隨著社會的進步，經濟建設、國防建設、社會發展和科學研究等都迫切的需要原點位于地球質量中心的坐標系統(簡稱地心坐標系)。我國自 2008 年7 月 1 日起正式啟用 2000 國家大地坐標系[1](簡稱CGCS2000坐標系)。采用地心坐標系，有利于采用現代空間技術對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點三維坐標，并提高測圖工作效率。

在啟用CGCS2000坐標系前，天津市為避免高斯投影變形帶來的不便，沿用的平面測繪基準為1990年天津市任意直角坐標系(簡稱天津90坐標系)。現有的天津90坐標系采用的是北京54坐標系的橢球及相關參數，是一個局部參心坐標系統。歷史原因造成該基準缺乏時空動態信息，現實性差，難以維持且精度低，作為現代大地測量的起算基準已經不能滿足天津市城市建設的快速發展對高精度標準的要求。為避免重復測繪，需要將已有的成果從天津90地方坐標系轉換成CGCS2000坐標系。而GIS數據作為測繪成果一種存儲管理的重要成果形式，多采用GeoDatabase的空間數據模型進行存儲，為此本文嘗試從GeoDatabase的模型出發，探討天津地方坐標系轉換至CGCS2000坐標系的理論與方法。

2 轉換理論與方法

2.1 GeoDatabase介紹

GeoDatabase是一個關系數據庫基礎上擴展的“面向對象數據庫”，又稱對象關系模型[2]。它將現實世界抽象為由若干對象類組成的數據模型，每個對象類有對應的屬性、行為和規則。GeoDatabase可將空間信息和屬性信息有效的組織在一起，能夠處理復雜的對象。

GeoDatabase作為存儲GIS數據的容器有三種類型：Personal Geodatabase、File Geodatabase和ArcSDE Geodatabase。Personal Geodatabase用微軟Access文件存儲數據，是將幾何數據存儲在二進制大字段中的MDB資料庫檔案，最大支持 2 GB。File GeoDatabase采用二進制文件格式存儲，每個表限制為 1 TB。ArcSDE GeoDatabase采用C/S架構的企業級GeoDatabase，支持多用戶共享、編輯和使用數據庫。

在GeoDatabase中，存儲的數據有四種：矢量數據，柵格數據，不規則三角網和地址與定位數據。其中矢量數據以要素集或要素類的形式實現，要素類具有表示幾何形狀和空間位置的特殊字段，名稱為“Shape”，字段類型為“Geometry”。Shape字段可以是以下七種幾何類型的一種：點、多點、折線、多邊形，注記，尺寸注記和多面體。以下主要介紹常見的點、線和面三種。

點是0維的幾何圖形，有一對(x，y)坐標和可選的高程值(Z)、測量值(M)。折線是相交或不相交的路徑有序幾何，折線是由路徑Path構成。多邊形用來表示面狀要素的幾何形狀，多邊形是由閉合的環Ring構成的。曲線Segment是路徑和環的基本組成，而曲線Segment包含四種基本類型：直線Line、圓弧CircularArc、橢圓弧EllipticArc和貝塞爾曲線BezierCurve。

2.2 坐標轉換理論

測量坐標系常見的形式分為大地坐標系、空間直角坐標系和平面直角坐標系[3]。同一基準下，大地坐標和空間直角坐標之間的互相換算公式，文獻[4]已做過推導。大地坐標與平面坐標的轉換關系可通過高斯投影正反算公式進行轉換，文獻[5]詳細描述并進行應用。而空間直角坐標與平面直角坐標之間的轉換通常經大地坐標過渡而間接進行轉換。

針對不同地球橢球基準下的大地坐標系、空間直角坐標系、平面直角坐標系也能進行相互轉換，但一般在不同基準下的同一坐標系統下進行轉換。不同基準下的空間直角轉換模型較常見的主要有布爾沙模型、莫洛金斯基模型和武測模型[6]，三種模型均有七個參數(包括三平移參數、三旋轉參數和一個尺度參數)。一般在精度要求不高，較小測區范圍內可用三平移參數代替七參數進行轉換。

不同基準下的大地坐標系轉換通常包括廣義大地坐標微分公式轉換模型、基于平面直角坐標的坐標轉換模型。前者通常是由已知的公共點求其轉換參數或通過已知參數實現不同大地坐標系之間的直接轉換。后者一般是將大地坐標系轉換為同一基準下的空間直角坐標，然后將求出的空間直角坐標作為過渡，進行不同空間直角坐標之間的轉換，最后再將轉換后的新基準下的空間直角坐標轉換為大地坐標，從而間接的實現大地坐標系間的轉換。

廣義大地坐標微分公式轉換模型[7]的轉換參數有九個，除進行不同基準大地坐標轉換所需的七參數外還需增加轉換之間兩地球橢球長半軸和扁率的變化值二參數，通常情況下這兩參數是已知的。廣義大地坐標微分公式轉換模型根據應用一般又分為三維七參數模型、二維七參數模型[8]。三維七參數模型適用于全國及省級橢球面3°及以上不同地球橢球基準下的大地坐標系統間控制點坐標轉換。二維七參數模型適用于全國及省級適用于橢球面3°及以上不同地球橢球基準下的大地坐標系統間控制點坐標轉換。對于1954年北京坐標系、1980西安坐標系向2000國家大地坐標系的轉換，由于這兩個參心系下的大地高的精度較低，建議采用二維七參數轉換模型。

基于平面直角坐標的坐標轉換模型又包含相似變換模型、正形轉換模型和多項式轉換模型。其中相似轉換模型(簡稱二維四參數模型)包含二平移參數、一旋轉參數和一尺度參數共四參數，適用于小范圍內不同高斯投影平面坐標系間的轉換，沒有考慮兩坐標系間的局部變形和誤差積累，轉換精度較低。相似轉換模型可適用于省級以下小范圍內控制點平面坐標轉換、相對獨立的平面坐標系統與2000國家大地坐標系的聯系。正形轉換模型[9]依據的是轉換過程中小范圍內圖形保持相似，長度與方向脫離關系，而僅與點的位置有關。正形轉換相比相似轉換模型精度要高，適用于大范圍的坐標轉換，但是同樣只能用于高斯投影坐標系之間的轉換，不能解決投影變形。多項式轉換模型[10]是一種采用平面坐標位置作為因變量的二維坐標變換方法，如果轉換區域較大，公共點較多，可選擇更高階參數的多項式來提高精度。該轉換模型坐標轉換精度高，但轉換后的精度需進行檢核，適用于全國或大范圍的擬合，多用于相對獨立的平面坐標系統轉換。

2.3 坐標轉換方法

天津地方坐標系向CGCS2000大地坐標轉換方法步驟[11]如下：

(1)重合點選取。選用天津地方坐標系和CGCS2000國家大地坐標系坐標的控制點作為重合點。重合點選取的基本原則是：等級高、精度高、分布均勻、覆蓋整個轉換區域、局部變形小。

(2)轉換數學模型確定。天津地方坐標系作為北京54坐標系的局部投影坐標系，其參心坐標系的大地高通常是未知或不能精確獲取的，無法使用三維坐標轉換模型。另大地坐標向二維平面進行高斯投影過程中發生的變形在天津市域范圍內不能忽略的，所以適合于二維七參數模型。

(3)轉換參數計算及剔除粗差點。首先需要將天津地方坐標系的控制點反投影成北京54坐標系所對應的大地坐標點，然后將重合點代入模型利用最小二乘法計算轉換參數。用得到的轉換參數計算重合點坐標殘差，剔除殘差大于3倍點位中誤差的重合點，然后再代入模型計算直至重合點坐標殘差均小于3倍點位中誤差。最終用于計算轉換參數的重合點數量與轉換區域大小有關，但不得少于6個。

(4)外部檢驗。選擇部分重合點作為外部檢核點，不參與轉換參數計算，用轉換參數計算這些點的轉換坐標與已知坐標進行比較進行外部檢核。應選定至少6個均勻分布的重合點對坐標轉換精度進行檢核。

3 實驗與分析

第一次全國國情普查項目[12]中需要將大量的天津90坐標ArcGIS Geodatabase格式的測繪成果轉換至國家要求的CGCS2000坐標系。然而本人單位使用的西安坐標轉換軟件(簡稱“西安軟件”)不支持ArgGIS 10.X高版本的GDB文件格式，且轉換速度很慢。因此開發了支持ArcGIS GDB文件格式的高效率坐標轉換軟件(簡稱“測繪院軟件”)。

本文的實驗是在Vistual Studio 2010環境下，用C#和ArcObjects10.2.2作為基本的開發語言和平臺，采用組件開發技術，實現GeoDatabase結構下的數據從天津90坐標系到國家GCCS2000坐標的轉換。

GeoDatabase結構下的坐標轉換并不是簡單的點到點的轉換，雖然通過2.2節方法最后能過得到點轉換點的坐標，但基于GeoDatabase的轉換需充分考慮其本身的數據結構、要素幾何模型等。基本思路是首先創建一個遍歷GeoDatabase數據結構中的要素類，然后創建一個與轉換前要素類相同的Schema，但其空間參考需更改為CGCS2000。然后判斷要素類的幾何類型。如果是點則遍歷點要素直接進行轉換。如果是折線，則遍歷折線要素獲取要素幾何進而得到路徑Path集合。然后遍歷Path獲取曲線Segment集合，判斷曲線Segment類型并通過轉換后的點重新構造生成新的Segment，然后逆向最終得到轉換后的要素幾何。多邊形的轉換需充分考慮多邊形的內部Ring和外部Ring。多邊形轉換首先應遍歷多邊形要素獲取多邊形的幾何包GeometryBag進而通過遞歸獲取幾何包的內部Ring和外部Ring，然后遍歷內部Ring和外部Ring同樣獲取曲線Segment幾何，判斷曲線Segment類型并通過轉換后的點重新構造生成新的Segment，只不過如果是外部Ring的時候，在逆向通過Ring構造多邊形幾何的時候需要反轉外部Ring的方向才能保證幾何一致。后再將重新轉換后的幾何和屬性創建要素，然后將新的要素寫入轉換后的要素類中，最后就生成了轉換為CGCS2000坐標系統的GeoDatabase數據。

實驗數據為兩組：第一組數據為國情普查[12]中2014年底上交國家局的7幅圖中的地表覆蓋和國情要素成果；第二組數據為天津全市域地表覆蓋成果中的旱地、高密度低矮房屋建筑區和低密度低矮房屋建筑區成果，GDB文件大小為413 M，包含 448 643個圖斑，約 3 952萬個頂點。第二組測試數據分布如圖1所示，范圍覆蓋天津全市域。

圖1 第二組測試數據分布范圍

第一組測試數據格式轉換如圖2所示。

圖2 第一組測試數據轉換流程

第二組測試數據格式轉換如圖3所示。

圖3 第二組測試數據轉換流程

將兩組測試原始數據分別用圖2、圖3所示流程轉換至CGCS2000坐標系GeoDatabase文件，后對比分析測繪院軟件和西安軟件轉換的CGCS2000的GeoDatabase文件，驗證測繪院轉換軟件的圖形一致性、線性方向一致性、屬性一致性、坐標轉換精度。同時對比測繪院軟件與西安軟件轉換同一組數據所耗時間，評估測繪院轉換軟件效率。

轉換圖形一致性測試采用第一組數據中的覆蓋LCA層、HYDA層、LCTL層和SFCP層，用ArcMap軟件的按位置選擇(菜單“選擇→按屬性選擇→與源圖層要素完全相同”)，驗證測繪院軟件與西安軟件轉換后的GDB文件的幾何是否一一匹配。

實驗結果表明：第一組測試數據測繪院軟件轉換結果與西安軟件轉換結果圖形的幾何都是一一對應。如覆蓋LCA層的一致性測試結果如圖4示，其他圖層測試結果一致，不再一一列出。

圖4 覆蓋LCA層轉換一致性測試結果

轉換圖形一致性測試采用第一組數據中的HYDL層，用ArcMap軟件顯示對比測繪院軟件與西安軟件轉換后的Geodatabase文件的線起點到終點的方向是否一致。

實驗結果表明：第一組測試數據測繪院軟件轉換結果與西安軟件轉換結果圖形的線方向一致。如HYDL層的測試結果如圖5示。

圖5 HYDL層線方向一致性測試結果

轉換屬性一致性測試采用第一組測試數據中的LCA層，用DataReviewer軟件中重復幾何校驗工具，然后選擇“校驗屬性”可進行重復幾何中的屬性比較。

實驗結果表明：第一組測試數據測繪院軟件轉換結果與西安軟件轉換結果屬性一致。如LCA層的測試結果如圖6示。要素總共個數 16 776，重復幾何且屬性相等的要素個數也為 16 776個。

圖6 LCA層重復幾何且重復屬性比較

坐標轉換精度測試采用了第一組數據的HYDA層和第二組數據中的LCA層，首先使用ArcGIS數據管理工具箱→要素→要素折點轉點工具，提取面或線的所有頂點得到面或線對應的點層，然后通過數據管理工具箱→要素→添加XY坐標，將點層的X和Y坐標分別作為POINT_X和POINT_Y字段的形式添加到圖層屬性，然后采用工具箱→分析工具→疊加分析→空間連接，將兩組點層進行空間連接，生成一一對應的一組數據。 然后通過字段計算器將點層中的西安軟件生成的XY坐標與測繪院軟件生成的XY坐標做差處理。

對第一組數據：選取了HYDA層進行精度統計計算，其中測繪院軟件與西安軟件轉換結果x方向(經度方向)和y方向(緯度方向)的最大差值分別為9.0e-009°≈0.000 97 m和7.0e-009°≈0.000 76 m。

對第二組數據：選取低密度低矮房屋建筑區、高密度低矮房屋建筑區和旱地成果共 3 952萬個定點進行轉換，轉換如表1所示。

數據比較結果 表1

第二組數據出現了e-008級別上的偏差，進一步發現這些點對應的多邊形存在自相交的問題。

轉換效率比較是分別用測繪院軟件和西安軟件對測試數據進行坐標轉換，通過對比轉換時間評估測繪院軟件坐標轉換效率。第二組測試數據包含 448 643個圖斑，約 3 952萬個頂點，西安軟件完成坐標轉換用時約 48 h，測繪院軟件完成轉換用時 42 min。

對兩組測試數據的轉換分析顯示：測繪院軟件轉換結果與西安軟件轉換結果圖形一致，線方向一致，屬性一致，轉換誤差在允許范圍內，測繪院轉換效率高于西安軟件轉換效率。

4 結 語

本文總結了坐標轉換相關的理論和方法，結合天津地方坐標的特點，選用合適的坐標轉換方法，并結合測繪成果所使用的GeoDatabase數據模型，實現了天津地方坐標系向CGCS2000坐標轉換。本文還以GIS的角度分別從圖形一致性、線性方向一致性、屬性一致性、坐標轉換精度和坐標轉換效率進行比較，實驗證明本文的轉換結果有效可行。

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[10] 中國測繪科學研究院. 現有測繪成果轉換到2000國家大地坐標系技術指南[EB/OL].

Transformation of Tianjin Local Coordinate System to CGCS2000 Coordinate System Based on GeoDatabase

Wang Lin1，Yan Wei1，Chen Yanyun2

(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

GIS Data which is one of the most important results of surveying and mapping is often stored and managed by the geodatabase data model. In order to avoid duplication of surveying and mapping，We need to transform the GIS data of GeoDatabase structure from the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system.First of All，This article describes the GeoDatabase data model and summarizes the theory of coordinate transformation.Secendly，The article finds out the method and the steps of transforming the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system.Then，We realize the GIS data of GeoDatabase structure transforming from the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system with the experiment.Finally，it is proved effective and feasible from the graphical consistency，the linear direction consistency，the attribute consistency，the coordinate conversion precision and the coordinate conversion efficiency.

coordinate transformation；local coordinate system of Tianjin；the CGCS2000 coordinate system

1672-8262(2016)05-114-06

P226.3

B

2016—04—12

汪林(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事城市測繪與地理信息系統開發技術工作。