基于ArcGIS 的歷史地形圖地理配準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

俞亞磊

（馬鞍山測(cè)繪技術(shù)院，安徽 馬鞍山 243000）

國(guó)土空間規(guī)劃是國(guó)家空間發(fā)展的指南，可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，是各類開發(fā)保護(hù)建設(shè)活動(dòng)的基本[1]。2019-05，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見》發(fā)布，空間規(guī)劃體系進(jìn)入重構(gòu)期。新時(shí)期的國(guó)土空間規(guī)劃，一方面擔(dān)負(fù)著解決過(guò)去“多規(guī)”并行遺留下來(lái)的各類問(wèn)題；另一方面又面臨著全域、全要素、全流程用途管制和空間治理的新形勢(shì)、新任務(wù)和新要求，迫切需要信息技術(shù)，特別是以空間獲取與分析為主要特征的測(cè)繪地理信息技術(shù)的有效支撐。測(cè)繪地理信息強(qiáng)大的地理空間數(shù)據(jù)獲取、整合、分析、可視化和基于模型的輔助決策能力，能為國(guó)土空間規(guī)劃全生命周期提供成體系的服務(wù)[2]。

歷史地形數(shù)據(jù)作為國(guó)土空間規(guī)劃中重要的參考數(shù)據(jù)，是不可或缺的。然而歷史地形數(shù)據(jù)的格式、坐標(biāo)系等不能滿足現(xiàn)在的技術(shù)規(guī)范要求，因此需要對(duì)其進(jìn)行一系列處理才能使用。本文以安徽省某地級(jí)市1987 年1∶1 000 分幅紙質(zhì)地形圖為例，基于ArcGIS 軟件對(duì)其進(jìn)行地理配準(zhǔn)、影像拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等處理，轉(zhuǎn)換成TIFF 格式，坐標(biāo)系為2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系。

1 掃描地形圖的地理配準(zhǔn)及拼接

地理配準(zhǔn)一般是指為沒(méi)有已知坐標(biāo)系統(tǒng)的柵格數(shù)據(jù)設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)，其原理是通過(guò)數(shù)據(jù)中的特征點(diǎn)與相對(duì)應(yīng)的具有已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)匹配，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)配準(zhǔn)，主要應(yīng)用于將一些掃描的地圖或通過(guò)一些航空設(shè)備拍攝得到的沒(méi)有空間參考信息的柵格數(shù)據(jù)對(duì)齊到準(zhǔn)確位置或配準(zhǔn)到地圖坐標(biāo)系[3]。

將紙質(zhì)的歷史分幅地形圖掃描后，需要對(duì)其進(jìn)行地理配準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換成真實(shí)坐標(biāo)。配準(zhǔn)步驟如下。

第一步，設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)屬性，加載影像。打開軟件ArcGIS，執(zhí)行菜單命令“視圖”—“數(shù)據(jù)框?qū)傩浴保O(shè)定數(shù)據(jù)框?qū)傩裕鴺?biāo)系：1954 北京坐標(biāo)系，中央子午線118.5°。添加“地理配準(zhǔn)”工具欄。把需要進(jìn)行配準(zhǔn)的影像增加到軟件中，將“地理配準(zhǔn)”工具條的“地理配準(zhǔn)”菜單下Auto Adjust（自動(dòng)校正）取消選擇。

第二步，錄入控制點(diǎn)（特征點(diǎn)）。在配準(zhǔn)中選擇標(biāo)準(zhǔn)分幅圖上的公里網(wǎng)格交點(diǎn)作為特征點(diǎn)，點(diǎn)擊“添加控制點(diǎn)”按鈕，使用該工具在掃描圖上精確到找一個(gè)特征點(diǎn)點(diǎn)擊，然后鼠標(biāo)右擊輸入該點(diǎn)實(shí)際的坐標(biāo)數(shù)值，如圖1 所示。

圖1 地理配準(zhǔn)添加控制點(diǎn)

采用相同的方法，在影像上增加多個(gè)特征點(diǎn)（一階多項(xiàng)式變換至少需要3 個(gè)，二階多項(xiàng)式變換至少需要7 個(gè)），輸入它們的實(shí)際坐標(biāo)。點(diǎn)擊“地理配準(zhǔn)”工具欄上的“查看鏈接表”按鈕。增加所有控制點(diǎn)，并檢查均方差（RMS）后，在“影像配準(zhǔn)”菜單下，點(diǎn)擊“更新地理配準(zhǔn)”。更新后，就變成真實(shí)的坐標(biāo)。

第三步，由于標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖有圖幅邊框，為了不影響后續(xù)拼接工作，需要裁剪去除圖幅邊框，重采樣?xùn)鸥裆尚碌臇鸥裎募｜c(diǎn)擊ArcToolBox—數(shù)據(jù)管理—柵格—柵格處理—裁剪，選擇配準(zhǔn)的影像，輸入XY的最大最小值（按內(nèi)圖框四個(gè)角點(diǎn)裁剪），設(shè)置輸出文件名（圖幅號(hào).tif）。

第四步，所有分幅地形圖配準(zhǔn)好之后，利用ArcToolBox—數(shù)據(jù)管理—柵格—柵格數(shù)據(jù)集—鑲嵌至新柵格工具，進(jìn)行影像拼接生成一張總圖，數(shù)據(jù)格式為TIFF 格式。

2 柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

分幅地形圖配準(zhǔn)拼接后，坐標(biāo)系為1954 北京坐標(biāo)系，需要轉(zhuǎn)換為2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系才能滿足作為國(guó)土空間規(guī)劃基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)的要求。不同坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換主要利用重合點(diǎn)的兩種坐標(biāo)，選擇具有一定密度且分布均勻的重合點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換模型計(jì)算兩坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4]。

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

按照擇優(yōu)、均勻分布原則，收集兩套坐標(biāo)系的12 個(gè)重合點(diǎn)，即1954 北京坐標(biāo)系和2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系，中央子午線為118.5°，其中7 個(gè)點(diǎn)用于求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，5 個(gè)點(diǎn)作為精度檢核。轉(zhuǎn)換模型選擇布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型（7 個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)分別為平移參數(shù)3 個(gè)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)3 個(gè)、尺度參數(shù)1 個(gè)）[5]。

由于ArcGIS 軟件不能求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要借助COORD軟件。在COORD 軟件中添加橢球參數(shù)與地圖投影，輸入重合點(diǎn)坐標(biāo)，選擇轉(zhuǎn)換模型布爾莎七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型[6]。利用最小二乘法作為約束條件計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

根據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)系重合點(diǎn)坐標(biāo)，分析轉(zhuǎn)換殘差，轉(zhuǎn)換殘差即重合點(diǎn)轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)與已知坐標(biāo)之差，計(jì)算坐標(biāo)殘差中誤差來(lái)評(píng)估坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，若殘差大于3倍中誤差，剔除該點(diǎn)，重新計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到精度達(dá)到要求為止。

2.2 創(chuàng)建自定義地理坐標(biāo)變換

轉(zhuǎn)換參數(shù)求解后，在ArcGIS 軟件工具箱中“創(chuàng)建自定義地理變換”工具，定義地理變換名稱為54To2000，設(shè)置輸入地理坐標(biāo)系為GCS_Beijing_1954，輸出地理坐標(biāo)系為GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，方法選擇COORDINATE_FRAME，輸入最終合格的轉(zhuǎn)換七參數(shù)[7]，如圖2 所示。

圖2 自定義地理坐標(biāo)變換

2.3 柵格數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

打開工具箱中的“投影投影”工具，在對(duì)話框中輸入輸出的柵格數(shù)據(jù)和名稱，在輸出坐標(biāo)系中填入要轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)系統(tǒng)。在地理坐標(biāo)變換中選擇上一步創(chuàng)建的自定義地理變換：54To2000，點(diǎn)擊確定就得到2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系的歷史地形圖數(shù)據(jù)。

2.4 轉(zhuǎn)換精度分析

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的2000 坐標(biāo)系的歷史地形圖進(jìn)行精度檢驗(yàn)，在圖上選取沒(méi)有變化的明顯地物點(diǎn)如建筑物房角點(diǎn)，實(shí)地檢測(cè)后，精度符合要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)ArcGIS 平臺(tái)，對(duì)歷史地形圖進(jìn)行地理配準(zhǔn)、影像拼接、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，得到的2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系的歷史地形圖柵格數(shù)據(jù)，為國(guó)土空間規(guī)劃提供了重要的數(shù)據(jù)來(lái)源。同時(shí)證明，結(jié)合COORD 軟件與ArcGIS 進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，是一種高效、可行的解決方案。