淺談石家莊坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件的編制

李杰

(石家莊市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050019)

1 引言

根據(jù)國(guó)家測(cè)繪局2008年第2號(hào)公告要求，各地加緊建立適合于地方的基于2000地球橢球的坐標(biāo)系統(tǒng)。隨著新坐標(biāo)系統(tǒng)的建立，為了保證原有數(shù)據(jù)的有效利用，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換工作的緊迫性日益凸顯。

商業(yè)轉(zhuǎn)換軟件通用性強(qiáng)，在控制測(cè)量以及少量坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)能夠滿足需要，面對(duì)大量多源數(shù)據(jù)和復(fù)雜多步驟轉(zhuǎn)換時(shí)則顯得無(wú)能為力或事倍功半。例如:各種大量矢量圖形(如dwg、dgn等圖形數(shù)據(jù))的轉(zhuǎn)換;一些需要多步驟組合(如先換帶再轉(zhuǎn)換等)才能完成的轉(zhuǎn)換等。

基于以上情況，想要便捷、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，有必要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況研發(fā)自己的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換軟件，將各種日常參數(shù)固化到軟件中，把各種組合轉(zhuǎn)換集成為一鍵操作，減少出錯(cuò)幾率，提高工作效率。

石家莊市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院中標(biāo)承擔(dān)了“建立石家莊城市坐標(biāo)系統(tǒng)”項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)方案要求，需要編制石家莊坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件，實(shí)現(xiàn)石家莊目前各種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，本文將結(jié)合該項(xiàng)目闡述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的編制過(guò)程，本文不涉及轉(zhuǎn)換求參，只探討軟件編制問(wèn)題。

2 坐標(biāo)系現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代，石家莊市的建設(shè)部門(mén)建立石家莊地方坐標(biāo)系統(tǒng)，經(jīng)3次重大改造和擴(kuò)測(cè)，一直使用至今;近十年來(lái)，石家莊市國(guó)土資源局和市房產(chǎn)局建立石家莊市坐標(biāo)系，以滿足城市發(fā)展中不同專(zhuān)業(yè)、不同用途和對(duì)控制面積上的需求。

截至目前，石家莊市主要涉及3個(gè)國(guó)家坐標(biāo)系和2個(gè)地方坐標(biāo)系，分別是1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和新建立的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系以及石家莊地方坐標(biāo)系和石家莊市坐標(biāo)系。

基于“共建共享”目的，石家莊市政府要求整合現(xiàn)有的坐標(biāo)系統(tǒng)，以便統(tǒng)一到新建立的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系上，編制坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件成為今后啟用、推行和應(yīng)用新坐標(biāo)系的重要抓手。

3 軟件功能介紹

考慮到編程的便捷性，選擇基于.NET Framework框架，選用Visual Studio 2005為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，AutoCAD作為輔助圖形平臺(tái)來(lái)完成軟件研發(fā)工作。

結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)方案以及實(shí)際需要，將軟件功能分為5個(gè)功能模塊，分別是登錄、轉(zhuǎn)換、高斯換算、求解轉(zhuǎn)換參數(shù)和幫助模塊。

3.1 登錄模塊

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換屬于涉密工作，轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格保密，因此軟件設(shè)計(jì)了登錄模塊，具體功能有用戶注冊(cè)、用戶登錄、刪除用戶、更改密碼和日志管理等，通過(guò)用戶名與密碼設(shè)定管理權(quán)限。

初次登錄需要授權(quán)才能使用，計(jì)算機(jī)不存儲(chǔ)用戶密碼原碼，只存儲(chǔ)其散列碼，原碼與散列碼之間轉(zhuǎn)換的不可逆性，可以起到較好的保密效果。

3.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是軟件的核心部分，主要功能有:源坐標(biāo)系和目的坐標(biāo)系的選取、坐標(biāo)源文件與目的文件的選取、平面轉(zhuǎn)換四參數(shù)的調(diào)存(包含讀取、調(diào)取和保存參數(shù))、坐標(biāo)文件轉(zhuǎn)換、單點(diǎn)轉(zhuǎn)換以及矢量dwg數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

通過(guò)列表框選擇各種坐標(biāo)系，根據(jù)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系名稱，調(diào)用固化在軟件中的轉(zhuǎn)換參數(shù)，固化轉(zhuǎn)換參數(shù)隱藏顯示，以起到保密作用。僅當(dāng)選擇自定義坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)才彈出轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)話框，輸入?yún)?shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為實(shí)現(xiàn)方便快捷轉(zhuǎn)換，我們?cè)跀?shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)上進(jìn)行了挖掘。如:坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件分隔符可以是“，”、“;”、“”或TAB等，不論是中文英文還是全角半角，均能自動(dòng)識(shí)別;單點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，支持從 WPS、Word、Excel、Auto-CAD中直接粘貼數(shù)據(jù)，支持在AutoCAD中直接點(diǎn)選坐標(biāo)等，錄入數(shù)據(jù)便捷，用戶體驗(yàn)感覺(jué)上佳;為了提高轉(zhuǎn)換效率，將通常需要幾步轉(zhuǎn)換的組合操作集成在一起，實(shí)現(xiàn)一鍵轉(zhuǎn)換，減少出錯(cuò)幾率。

dwg數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能針對(duì)AutoCAD圖形文件轉(zhuǎn)換，提供3種轉(zhuǎn)換方式。第1種，基于整幅圖的快速轉(zhuǎn)換，根據(jù)當(dāng)前圖形的左下角與右上角坐標(biāo)實(shí)施快速兩點(diǎn)轉(zhuǎn)換，用時(shí)短，精度低;第2種，基于實(shí)體的快速變換，創(chuàng)建選擇集，遍歷實(shí)體，獲取實(shí)體的矩形包圍盒完成轉(zhuǎn)換，用時(shí)較短，精度較高;第3種，基于坐標(biāo)點(diǎn)的嚴(yán)密轉(zhuǎn)換，通過(guò)判定實(shí)體的類(lèi)型，獲取其特征點(diǎn)坐標(biāo)，逐點(diǎn)轉(zhuǎn)換，耗時(shí)長(zhǎng)，精度最高。實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)，可根據(jù)項(xiàng)目精度需求選擇其中一種方式轉(zhuǎn)換，靈活便捷。

3.3 高斯換算模塊

主要有高斯正算、反算、換帶與dwg圖形轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)提供大地主題計(jì)算工具。

高斯正算與反算完成指定橢球下經(jīng)緯度與直角坐標(biāo)的互算，高斯換帶完成不同中央子午線下直角坐標(biāo)的計(jì)算，dwg圖形轉(zhuǎn)換功能與換帶配合使用;大地主題計(jì)算主要完成特定橢球下諸如各種球面半徑、子午線收斂角、大地距離與方位以及球面面積等的計(jì)算。

3.4 最小二乘求解轉(zhuǎn)換參數(shù)模塊

根據(jù)源坐標(biāo)文件與目的坐標(biāo)文件，首先進(jìn)行坐標(biāo)重心化處理，然后利用最小二乘法求解坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的平面四參數(shù)，并給出精度評(píng)定，提供參數(shù)保存工具，以備坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模塊調(diào)用。

3.5 幫助文檔

介紹軟件的安裝、注冊(cè)、運(yùn)行以及操作，便于初學(xué)者掌握軟件使用方法。

3.6 關(guān)鍵點(diǎn)介紹

軟件編制過(guò)程中，關(guān)鍵點(diǎn)為數(shù)學(xué)模型的選取。軟件涉及的主要數(shù)學(xué)模型有高斯正反算和換帶模型、大地主題計(jì)算相關(guān)模型和平面四參數(shù)變換模型等。前兩個(gè)模型各教科書(shū)和參考書(shū)上多有明確的計(jì)算公式，直接引用或組合計(jì)算即可;平面四參數(shù)變換模型多數(shù)資料上求解相對(duì)復(fù)雜，要進(jìn)行誤差方程線性化繁瑣。

本文平面四參數(shù)變換求解采用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的解耦算法［3］，較總體最小二乘平差方便直觀，易于編程實(shí)現(xiàn)。平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型為:

式中，X1，Y1為源坐標(biāo)，X2，Y2為目的坐標(biāo)，dx，dy為平移參數(shù)，m為尺度參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

首先，根據(jù)源坐標(biāo)數(shù)據(jù)和目的坐標(biāo)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出各自的重心坐標(biāo)X1G、Y1G和X2G、Y2G，將各點(diǎn)坐標(biāo)分別重心化得到點(diǎn)集;其次計(jì)算∑()的平方根得到縮放系數(shù)m，計(jì)算∑的反余切得到旋轉(zhuǎn)角度 α，將 X1G、Y1G和 X2G、Y2G以及求得的 m、α 代入式(1)計(jì)算出dx，dy;最后根據(jù)四參數(shù)進(jìn)行精度評(píng)定。

4 軟件測(cè)試

軟件測(cè)試采用白盒測(cè)試與黑盒測(cè)試相結(jié)合(以黑盒測(cè)試為主)的方式進(jìn)行，確保軟件使用正確性。

白盒測(cè)試針對(duì)主要數(shù)學(xué)模型，由精通測(cè)繪與編程的人員對(duì)程序源代碼進(jìn)行檢查。

黑盒測(cè)試主要采用算例進(jìn)行，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和商業(yè)軟件結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證軟件輸出結(jié)果的正確性。檢查人員分為2組，第1組2人為專(zhuān)業(yè)測(cè)繪技術(shù)人員，具備10年以上相關(guān)測(cè)繪經(jīng)驗(yàn)，從測(cè)繪專(zhuān)業(yè)角度驗(yàn)證軟件;第2組2人為有編程經(jīng)歷人員，從計(jì)算機(jī)軟件學(xué)角度驗(yàn)證軟件。

測(cè)試時(shí)，要求2人獨(dú)立測(cè)試或其中1人測(cè)試另1人旁站檢查，做到檢測(cè)結(jié)果正確無(wú)誤。測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，兩人首先達(dá)成一致意見(jiàn)，共同核準(zhǔn)，確有分歧時(shí)，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人召集相關(guān)人員進(jìn)行商定。

填寫(xiě)軟件檢查記錄，測(cè)試結(jié)束后，編寫(xiě)檢查報(bào)告。

5 結(jié)語(yǔ)

石家莊坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件，經(jīng)過(guò)測(cè)試與試用，用戶反映良好，主要特點(diǎn)如下:

(1)功能齊全，操作便捷，達(dá)到(局部超過(guò))項(xiàng)目方案的技術(shù)要求。

(2)數(shù)據(jù)輸入智能化、自動(dòng)化，能識(shí)別多種格式的數(shù)據(jù)，粘貼到輸入框后能自動(dòng)分離至相應(yīng)輸入框，錄入便捷;可批量轉(zhuǎn)換dwg圖形文件，便于今后應(yīng)用。

(3)各種參數(shù)固化到軟件中，對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行封裝，多步驟轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)一鍵操作，降低出錯(cuò)幾率，提高了工作效率。

［1］石家莊市國(guó)土資源局.石家莊市測(cè)量數(shù)據(jù)整合工程總體技術(shù)方案［R］.2010.

［2］石家莊市勘察測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院.建立石家莊城市坐標(biāo)系技術(shù)總結(jié)［R］.2011.

［3］杜蘭，王若璞，王占統(tǒng)等.平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解耦算法［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012(1):26～28.

［4］邱衛(wèi)寧，陶本藻，姚宜斌等.測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論與方法［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2008.

［5］孔建，姚宜斌，許雙安.整體最小二乘求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30(5):74 ～78.