數字正射影像圖向2000國家大地坐標系轉換的原理和方法

張濤 外力 李小勇 楊光

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鐵路局，河南 鄭州 450052；3.河南省基礎地理信息中心，河南鄭州450003）

數字正射影像圖向2000國家大地坐標系轉換的原理和方法

張濤1外力2李小勇3楊光1

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鐵路局，河南 鄭州 450052；3.河南省基礎地理信息中心，河南鄭州450003）

主要介紹橢球間七參數坐標轉換的算法實現，并通過自主開發軟件以實際的轉換案例詳細地介紹數字正射影像圖向2000國家大地坐標系轉換的方法流程。

橢球間七參數坐標轉換；數字正射影像；DOM ；2000國家大地坐標系；坐標系統轉換

1 背景

中國于上世紀50年代和80年代分別建立了1954北京坐標系和1980西安坐標系。1954北京坐標系[1]和1980西安坐標系均屬于參心坐標系統[2]。但是參照國際通行做法，采用地心坐標系統，可以更好地闡明地球上各種地理和物理現象, 特別是描述空間物體的運動。2008年3月，中國國土資源部正式上報國務院《關于中國采用2000國家大地坐標系的請示》，于2008年4月獲得國務院批準。自2008年7月1日起，中國將全面啟用2000國家大地坐標系，2000國家大地坐標系即為地心坐標系[3]。

依據《國土資源部 國家測繪地理信息局關于加快使用2000國家大地坐標系的通知》要求，國土資源系統將于2018年6月底前，完成省級、市縣級國土資源主管部門所屬存量數據向2000國家大地坐標系的轉換工作，采用相對獨立平面坐標系的與2000國家大地坐標系建立有效聯系；2018年7月1日起，各級國土資源主管部門之間的數據上傳、下發等全面采用2000國家大地坐標系。

面對數字正射影像圖成果向2000國家大地坐標系轉換的實際工作需求，目前可以采用現有的ERDAS、ARCGIS、GlobalMapper等國外商業軟件來進行轉換。本文將另辟途徑介紹一種通過自主開發軟件實現數字正射影像圖成果向2000國家大地坐標系轉換的原理和方法。

2 算法過程

坐標轉換的數學公式涉及同橢球下高斯正反算[4]和橢球間七參數轉換[5]。高斯正反算比較常規，本文不作贅述。橢球間七參數轉換將作為本文的核心算法進行闡述。數字影像采樣插值算法采用經典的雙線性內插算法，也不再作詳細說明。

橢球間七參數轉換算法流程：以某一目標點A，中央子午線114度，西安80坐標高斯投影坐標X80、Y80、Z80轉換為對應2000國家大地坐標系目標點B，中央子午線114度，高斯投影坐標X2000、Y2000、Z2000為例按照以下算法流程進行，實現流程框圖如圖1所示。

（1）通過高斯反算將西安80源投影坐標X80、Y80、Z80轉換為西安 80橢球經緯度 B80、L80、H80；

（2）將西安80橢球經緯度B80、L80、H80轉換為80橢球空間直角坐標系坐標X、Y、Z；

（3）將80橢球空間直角坐標系坐標X、Y、Z通過平移、縮放和旋轉，七參數轉化為2000橢球空間直角坐標系坐標X、Y、Z；

圖1 實現的流程框圖

（4）將2000橢球空間直角坐標系坐標X、Y、Z轉換為2000橢球下經緯度坐標B2000、L2000、H2000；

（5）通過高斯正算將2000橢球下經緯度坐標B2000、L2000、H2000轉換為目標點坐標2000國家大地坐標系投影坐標 X2000、Y2000、Z2000。

3 自主開發軟件介紹和轉換案例

3.1 自主開發軟件主界面

自主軟件基于VC++6.0、OPENCV和GDAL/OGR開發，影像的讀取、存儲方面，Erdas imagine格式采用GDAL庫，TIF、BMP、JPG、PNG影像格式采用OPENCV庫，數值計算和影像重采樣處理等專業影像處理算法為提高處理效率和兼容性均采用底層開發[4]。軟件主界面如圖2所示。

圖2 開發程序的主界面

3.2 軟件功能介紹

軟件能夠對(*.jpg *.bmp *.tif *.img)格式數字正射影像，（*.shp）shapefile格式數字線劃圖，(*.las)格式激光點云，(*.dem)格式數字高程模型，（*.txt）明碼格式控制點進行批量坐標系統轉換。坐標系統轉換包括：

（1）支持同橢球（克拉索夫橢球，IAG75橢球，WGS84，CGCS2000橢球以及自定義橢球）高斯克呂格、UTM、蘭勃特投影方式下自定義中央子午線的地理坐標和投影坐標互轉換；

（2）支持不同橢球間三維七參數轉換；

（3）支持不同橢球間二維七參數平面轉換和高程geoid 轉換[6]。

3.3 DOM坐標轉換案例

實際工程案例：將1∶1000大比例尺正射影像成果，從西安80坐標系統，高斯克呂格投影，中央子午線114度，轉換為2000國家大地坐標系統，高斯克呂格投影，中央子午線113.5度成果。

（1）點擊3.1主界面中“數字正射影像”按鈕，彈出界面如圖3所示。

圖3 數字影像批量坐標轉換界面

瀏覽選擇設置轉換前影像路徑和轉換后影像存儲路徑。

（2）點擊上一步驟“轉換”按鈕，彈出圖4界面。

設置轉換后影像成果的地面分辨率（可以升采樣和降采樣）[7]；設置轉換后空白區填充顏色；設置允許填漏的窗口尺寸以及濾波的方式。

（3）點擊上一步驟“確定”按鈕，彈出圖5界面。設置轉換影像對象源坐標系統參數。

圖4 數字正射影像轉換后參數設置界面

圖5 源坐標系統設置界面

（4）點擊上一步驟“接受設置”按鈕，彈出界面如圖6所示。

設置轉換影像對象目標坐標系統參數。

（5）點擊上一步驟“接受設置”按鈕，彈出界面如圖7所示。

圖6 目標坐標系統設置界面

圖7 高程轉換方式設置界面

設置高程轉換所采用的方式（三維轉換，二維轉換，二維轉換和高程異常模型改正）。

（6）點擊上一步驟“接受設置”按鈕，彈出界面如圖8所示。

圖8 跨橢球間轉換七參數設置界面

設置橢球間轉換的七參數（由測區至少4對實測三維坐標對解算而來）[8]。

（7）點擊上一步驟“接受設置”按鈕，程序自動運行直至全部影像對象處理完畢。

3.4 數字正射影像成果坐標轉換的效果

數字正射影像成果坐標轉換效果如圖9、圖10所示。

圖9 左為源DOM，右為目標DOM（坐標轉換產生的空白由紅色填充）

圖10 左為源DOM定向文件，右為目標坐標系統下定向文件

4 結束語

本文主要講述通過自主開發軟件實現數字正射影像圖成果向2000國家大地坐標系轉換的原理和方法。重點介紹了不同橢球之間七參數轉換的算法過程，并通過DOM西安80坐標向2000國家大地坐標系統轉換的實踐案例詳細介紹了自主開發軟件的使用方法和過程。自主掌握技術核心，為多種地理信息產品的坐標系統轉換提供了完整的工作流程和軟件解決方案。開發的軟件界面友好，算法穩健，數據對象與主流GIS軟件無縫對接兼容，具有實際的工程應用價值和經濟效益。

[1]董鴻聞．1954年北京坐標系的歷史注釋[J]．東北測繪，2001(2)：16-17，23．

[2]沈永年，孔慶瑜．1980西安坐標系快速高斯投影計算公式[J]．冶金測繪，1994(2)：36-41．

[3]寧津生，王華，程鵬飛，等．2000國家大地坐標系框架體系建設及其進展[J]．武漢大學學報(信息科學版)，2015(5)：569-573．

[4]鄧興升，湯仲安，花向紅，等．橢球變換后的高斯投影正反算算法[J]．大地測量與地球動力學，2010(2)：49-52．

[5]段文義，許燁璋，王靈鋒，等．一種基于CGCS2000框架的單橢球七參數轉換法[J]．測繪科學，2017(6)：50-54．

[6]李建成．最新中國陸地數字高程基準模型：重力似大地水準面CNGG2011[J]．測繪學報，2012(5)：651-660，669．

[7]江文婷，龔小謹，劉濟林．顏色指導的深度圖像升采樣算法的對比性研究[J]．杭州電子科技大學學報，2014(1)：21-24．

[8]李金嶺，劉鸝，喬書波，等．關于三維直角坐標七參數轉換模型求解的討論[J]．測繪科學，2010(4)：76-78．

張濤（1983—），男，漢族，注冊測繪師，主要從事攝影測量與遙感技術的工程應用與開發。E-mail:handsup123@163.com