海洋物探坐標轉換軟件的研究與開發管理

（中海油田服務股份有限公司，天津 300451）

海洋物探坐標轉換軟件的研究與開發管理

盧 賀

（中海油田服務股份有限公司，天津 300451）

本文論述了海洋物探和工程測量中所運用到的不同坐標系統及不同地圖投影方式之間的坐標轉換方法。其主要內容分為兩個方面：一是同一坐標系統下不同坐標之間的相互轉換；二是不同坐標系統之間的相互轉換。深入研究了在高斯投影和UTM投影情況下WGS-84、北京54、西安80三種坐標系統間平面坐標與大地坐標的轉換模型和算法，并用VB程序設計語言實現了這些模型和算法。

海洋物探；坐標轉換；WGS-84；工程測量

1 坐標系統間的相互轉換

坐標轉換包含兩個方面的內容，即坐標系轉換和坐標基準轉換。坐標系轉換是指空間點在同一參考橢球下、不同坐標形式的坐標轉換，包括大地坐標、空間直角坐標、站心坐標和平面坐標的相互轉換。坐標基準轉換是指空間點在不同參考橢球間的坐標轉換。

圖1 兩空間直角坐標系的比較

圖2 變換示意圖

在相同橢球參數下，對于大地坐標系與平面投影坐標系之間的相互轉換通常采用直接法來實現正解變換：f （B，L）→f （X，Y）或反解變換f （X，Y）→f（B，L）。

在相同橢球參數下，不同平面投影坐標系之間的相互轉換通常采用間接過渡法來實現：f1（X，Y）→f（B，L）→f2（X，Y）。

在不同橢球參數下的轉換問題采用間接過渡法來實現，而過渡的中心則是兩種大地坐標系的轉換即f1（B，L）→f2（B，L），由此可以看出大地坐標系之間的轉換可以看作是不同橢球間坐標系轉換的核心部分。

在不同橢球參數下，對于不同大地坐標系間的轉換我們采用七參數法。

1.2 大地坐標系與平面投影坐標系相互轉換

在不同橢球參數下，當大地坐標系向平面投影坐標系轉換時，實際上就是在大地坐標系轉換的基礎上，再完成一步在相同橢球參數下的大地坐標系與平面投影坐標系之間的轉換：f1（B，L）→f2（B，L）→f2（X，Y）；而平面投影坐標系向大地坐標系轉換時，實際上則是先完成在相同橢球參數下大地坐標向平面投影坐標的轉換后再進行一次大地坐標系的相互轉換：f1（X，Y）→f1（B，L）→f2（B，L） 。

圖3 程序流程圖

1.3 坐標系轉換模型和轉換方法

1.3.1 布爾莎模型

如圖1所示，兩空間直角坐標系為OS-XSYSZS和OT-XTYTZT。圖中r0為OT相對于OS的位置向量，εx、εy、εz為三個軸不平行而產生的歐勒角，m為尺度比不一致而產生的尺度比改正。

由圖1可得：

式（1-1）就是布爾莎轉換模型。

圖3 單點轉換（主界面）

圖4 選擇投影方式

圖5 分帶和中央經線設置

1.3.2 七參數法

當兩個空間直角坐標系的坐標轉換既有旋轉又有平移時，則存在三個平移參數和三個旋轉參數，再顧及兩個坐標系尺度不盡一致，從而還有一個尺度變化參數，共計有七個參數。相應的坐標變換公式為：

上式為兩個不同空間直角坐標之間的轉換模型，其中含有7個轉換參數，為了求得7個轉換參數，至少需要3個公共點，當多于3個公共點時，可按最小二乘法求得個參數的最或是值。

對于不同大地坐標系的換算，除包含三個平移參數、三個旋轉參數和一個尺度變化參數外，還包括兩個地球橢球元素變化參數。

1.4 地理坐標與平面坐標系之間的轉換

1.4.1 高斯坐標轉換

高斯坐標轉換分為正算和反算。

下面分別介紹：

1）高斯正算：由（B，L）→（x，y）

2）高斯反算：（x，y）→（B，L）

1.4.2 UTM投影坐標轉換

1）UTM正算[7]

UTM正算公式：（B，L）→（X，Y），原點緯度0，中央經度L0。

2）UTM反算[7]

UTM投影反算公式：（X，Y）→（B，L），原點緯度0，中央經度L0。具體公式參考文獻[7]。

2 坐標系統轉換軟件的實現

為了提高軟件的交互性和實用性，本軟件應用面向對象開發語言VB6.0來實現。坐標轉換方法和模型采用7參數法和布爾莎（Boolsa）模型。

2.1 坐標轉換軟件詳細說明

2.1.1 程序流程圖

本程序流程比較簡單，流程圖如圖3所示。

坐標轉換軟件單點轉換批量轉換同一橢球基準下的坐標轉換不同橢球基準下的坐標轉換高斯投影UTM投影已知點個數（≥3）計算七參數七參數轉換選擇原始坐標系，目標坐標系并設置中央經線和分帶。輸入原始數據坐標轉換輸出目標數據

2.1.2 程序功能實現介紹

下面按程序的功能操作流程分界面逐個介紹。

（1） 單點轉換

單點轉換界面（如圖3）可分為6個不同區域，首先最上面是菜單欄，菜單欄包括文件、投影設置、計算七參數、顯示設置七參數、坐標轉換等菜單。菜單欄下面是用來設置原始坐標和轉換后坐標類型的區域，可對原始坐標和轉換后坐標類型進行設置。并且可以選擇輸入大地坐標的數據格式，大地坐標的輸入格式有3種分別為：①度：分：秒；②度：分；③度。在該區域輸入源坐標和輸出轉換后的坐標；再往下是顯示區域，在該文本內可以顯示坐標轉換的結果，如左側點的空間直角坐標、轉換后的空間直角坐標和轉換后的大地坐標；最下邊是顯示時間和日期的區域。

（2）投影設置

投影設置菜單下包括三個子菜單，分別是選擇投影方式菜單、分帶設置菜單、中央經線設置菜單。如圖4所示，選擇投影方式界面比較簡單主要分兩個區域，左邊部分是用來選擇所要使用的投影方式，包括高斯投影和UTM投影；右邊是用來確定選擇的按鈕。如圖2-4所示，分帶和中央經線設置界面也比較簡單，左邊用來設置要轉換的坐標是按3度還是按6度帶投影；右邊部分是供在高斯正反算時輸入投影帶的中央子午線，其輸入格式是按度分秒一次用冒號“∶”隔開。

2.2 坐標轉換軟件的設計和優化

2.2.1 坐標轉換軟件的設計

該軟件總共由10個模塊和6個窗體成，10個模塊分別為高斯反算模塊、高斯正算模塊、七參數求取模塊、矩陣計算模塊、變量類型定義模塊、帶號判斷模塊、BLH到XYZ模塊、XYZ到BLH模塊、設置顯示模塊和度分秒_弧度模塊。6個窗體分別為主窗體、七參數計算窗體、投影設置窗體、數據顯示窗體、七參數設置窗體等。這6個窗體在上面的功能介紹中已經涉及到，限于篇幅不再進行詳述。

2.2.2 坐標轉換軟件的優化

（1）為了提高運算速度，在程序設計中，用計算出來的多項式的值直接來代替多項式。

（2）針對要求精度省略適當的多項式。

（3）三角函數優化法，對于坐標轉換中大量的三角函數計算采用的方法是：先把所需要三角函數的值計算出來，以數組的形式存儲，然后根據需要調用。

[1]李春燕，王家海，鄭艷.通用地理坐標轉換類設計與實現[J].遼寧工程技術大學學報，2006，25：66-68.

[2] 趙長勝，喬仰文，張貴元.空間直角坐標向高斯平面坐標轉換時精度轉換公式及其應用[J].阜新礦業學院學報（自然科學版），1996，15（03）：299-303.

[3]曹先華.兩種不同坐標系之間的轉換[J].施工技術研究與應用，2002，06：53-54.

P208 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：A

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