國土空間數據向2000坐標系轉換軟件開發

吳志春

摘? 要? 本文探討了國土資源空間數據從其他坐標系向2000國家大地坐標系轉換的技術方法，根據轉換流程編制了坐標轉換軟件，通過實例驗證了轉換方法的可行性和轉換精度的可靠性，并在湖南省多個市縣投入使用，取得了良好的效果。

關鍵詞? 坐標轉換;空間數據;轉換模型;2000國家大地坐標系

中圖分類號：P226.3 文獻標識碼：A

文章編號：1672-5603（2020）03-80-5

Abstract： The technical methods for the conversion of land and resources spatial data from other coordinate systems to the 2000 national geodetic coordinate system were discussed. The coordinate conversion software was compiled. The feasibility and accuracy of the conversion method were verified by examples. The coordinate conversion software were put into use in many cities and counties in Hunan Province and obtained a good outcome.

Keywords： coordinate conversion; spatial data; conversion model; CGCS2000

為構建統一的坐標系統，滿足經濟社會發展和生產建設需要，自然資源部（原國土資源部）和原國家測繪地理信息局于2017年3月10日下發了《關于加快使用2000國家大地坐標系的通知》，決定于2018年6月底前完成全系統各類國土資源空間數據向2000國家大地坐標系的轉換[1]。在啟用2000國家大地坐標系之前，我國國土資源領域積累了海量的1954年北京坐標系和1980西安坐標系的相關的空間數據資料，而舊坐標系的空間數據主要是服務于地形測繪、國土資源管理的DWG格式圖件資料。研究如何高效的將存量的國土空間數據轉換至2000國家大地坐標系，具有重要意義。本文就湖南省存量的國土和規劃空間數據向2000國家大地坐標系轉換的技術路線和流程進行了研究探索，開發設計了國土空間數據的坐標轉換軟件，并通過實例驗證了轉換流程和軟件滿足坐標轉換實用性和轉換精度要求。

1? 坐標轉換模型和方法流程

目前可采納的坐標轉換模型有多種，但在實際運用過程中應用最多的坐標轉換模型是平面四參數和布爾莎七參數坐標轉換模型。下面以空間坐標數據從西安80坐標系向2000國家大地坐標系轉換為例進行介紹。

1.1? 平面四參數模型

在范圍小于100平方公里的局部地區，可采用平面四參數模型進行坐標轉換，精度能夠滿足日常轉換要求[2]。平面四參數模型是一種平面直角坐標轉換模型，模型包含的4個坐標轉換參數分別是兩個平移參數、一個旋轉參數、一個尺度參數[3-5]。具體轉換公式如下所示：

其中，x0，y0為平移參數，α為旋轉參數，為尺度參數，x2000，y2000為2000國家大地坐標系下的平面直角坐標，x80，y80為西安80坐標系下的平面直角坐標，坐標單位為米。在平面四參數解算過程中，一般選取3個以上同時具有80坐標和2000坐標的共同點進行四參數的解算，解算主要依據最小二乘法間接平差進行迭代求解，計算出滿足點位中誤差要求的參數。

1.2? 布爾莎七參數模型

在大范圍的不同橢球基準的坐標轉換中，往往使用比較嚴密的布爾莎七參數模型，進行坐標轉換[6]。布爾莎七參數模型涉及7個參數，包含3個平移參數、3個旋轉參數和1個尺度參數[7]。布爾莎七參數轉換模型如下所示：

式中，3個平移參數，3個旋轉參數，1個尺度參數。為2000國家大地坐標系下的空間直角坐標，為西安80坐標系下的空間直角坐標，坐標單位為米。

下面以西安80坐標系轉換到2000國家大地坐標系為例，介紹布爾莎七參數一般解算過程，選取4個以上同時具有80坐標和2000坐標的共同點進行七參數的解算，解算主要依據最小二乘法間接平差進行迭代計算，計算出滿足點位中誤差要求的參數，具體解算方法如圖1所示。

1.3 坐標轉換方法流程

根據坐標轉換原理及方法步驟，可得出坐標轉換的具體過程。首先是確定所用的坐標轉換模型，其次根據坐標模型進行解算坐標轉換參數，最后根據解算后的轉換參數進行坐標轉換。下面以將矢量數據從西安80坐標系平面坐標轉換為2000國家大地坐標系平面坐標為例，分別介紹四參數和七參數的具體轉換流程。其中平面四參數模型的具體轉換流程如圖2所示，布爾莎七參數模型的具體轉換流程如圖3所示。

2? 坐標轉換軟件實現

2.1 國土空間的數據類型

我國普遍存在的國土空間數據有CAD格式的dwg和dxf數據，ArcGIS格式的shp、mdb、gdb數據，MapGIS格式的wp、wl、wt、hdf數據，柵格格式的tif、img、grd形式數據等空間數據。各種數據都可以使用平面四參數和布爾莎七參數模型進行坐標轉換。

2.2 坐標轉換軟件實現

針對國土空間的數據類型，分類進行坐標轉換，其中CAD格式和ARCGIS格式的空間數據是國土資源管理和測繪地理信息中采用最多的數據形式。本文以岳陽市2000國家大地坐標系坐標轉換軟件（圖4）為例對各類格式的數據向2000坐標轉換軟件開發進行具體闡述。

本文的坐標轉換程序開發采用Autodesk公司提供的AutoCAD二次開發組件ObjectARX+MicrosoftVisualStudio.NET開發，采用VC++開發語言在AutoCAD平臺下進行二次開發實現各種坐標轉換功能。由于大部分的CAD圖形沒有坐標參考信息，為方便用戶判斷DWG圖件的坐標系統，本文的轉換軟件以插件的形式內嵌于CAD程序中，如圖5所示。軟件提供平面四參數模型或布爾莎七參數轉換模型供用戶進行CAD圖形數據的坐標轉換。在具體的轉換中，用戶也可以使用自定義的轉換參數，也可以使用軟件自帶的參數進行指定區域的數據坐標轉換，其中自帶的轉換參數進行加密了處理，內置于軟件中以確保軟件自帶參數的保密性。

軟件基于布爾莎轉換七參數模型，也可提供軟件自帶轉換參數和用戶自定義的轉換參數供用戶進行ArcGIS格式數據的坐標轉換，具體如圖6所示。

在MapGIS轉換模塊中，根據MapGIS的文件格式，基于布爾莎轉換七參數模型，通過二進制的通過讀取其中的坐標值，通過布爾莎轉換七參數模型轉換坐標，寫入新的MapGIS文件，完成MapGIS格式數據的坐標轉換。

3? 數據轉換實例

本文以布爾莎七參數模型對1980西安坐標系地形圖進行坐標轉換為例，測試坐標轉換軟件轉換的實用性并進行精度評價[9]。選取岳陽市某幅1980西安坐標系的dwg地形圖，用CAD軟件打開，并使用本文研制的坐標轉換軟件進行坐標轉換，參數模型選擇岳陽市80轉2000七參數模型，根據地形圖的坐標投影情況，中央子午線選擇114度，如圖7所示，點擊轉換，即可將圖形數據轉換為2000國家大地坐標系的平面坐標系下，轉換過程方便快捷。

坐標轉換的精度由轉換方法、參數模型精度、計算機坐標計算的小數點取位共同決定。坐標轉換的整體轉換精度一般采用如下方法驗證：在計算模型參數時，采用同時具有兩個坐標系坐標的5個以上的共同點計算模型轉換參數，另外保留6個以上的共同點作為檢查點進行轉換精度的驗證。坐標轉換時，將整個圖幅和檢查點一起從原始坐標系轉換到目標坐標系下，計算轉換后的6個高精度檢查點的坐標與其在2000坐標系下的真實坐標的差值。本文使用軟件的布爾莎七參數轉換模型，驗證岳陽市的均勻分布的6個具有1980西安坐標系和2000國家坐標系在114度中央子午線高斯克里格投影下的投影坐標的轉換坐標誤差，具體轉換誤差如表1所示。

經過檢測，轉換后的數據與原始的2000坐標殘差最大值均小于0.005m，能夠滿足1：500比例尺地形圖的轉換精度要求[10]。由于其轉換精度的可靠性和操作的便捷性，本文所研發的坐標轉換軟件在岳陽市本級、汨羅市、湘陰縣、平江縣、臨湘市、洪江市、安化縣、益陽市本級、華容縣、通道縣、溆浦縣、中方縣等12個市縣國土資源局進行安裝和使用，方便國土局和其他單位的技術人員對遺漏的存量數據進行坐標轉換。

4? 結論

本文介紹了常見坐標轉換模型，研究對應的坐標轉換流程，并開發了相應的坐標轉換軟件，最后以數據實例驗證了坐標轉換軟件的實用性和精度，并在湖南省各個市縣國土資源部門安裝使用，取得了較好的效果。隨著國土資源管理數據的多樣化和多規合一的要求，后續涉及規劃、林業、水利等諸多部門的空間數據也需要統一到2000國家大地坐標系下，本文的研究成果對2000國家大地坐標系推廣應用以及存量空間數據坐標轉換工作具有一定的推進作用。

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