采用Arc GIS進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的兩種方法對(duì)比研究

牛 亮 杜艷琴

（陜西華地勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安710020）

0 引言

在很多行業(yè)中都會(huì)用到地圖，如土地利用規(guī)劃圖、現(xiàn)狀圖等。對(duì)于地圖中空間信息都是基于某個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行量算的。在現(xiàn)實(shí)中，數(shù)據(jù)存在不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，如西安80坐標(biāo)系、北京54坐標(biāo)系，WGS84坐標(biāo)系以及獨(dú)立地方坐標(biāo)及各種城建坐標(biāo)。即使是同一坐標(biāo)系，其坐標(biāo)的表示方式又有空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)、平面坐標(biāo)等。因此需要將地圖數(shù)據(jù)從一種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成另外一種坐標(biāo)系才能滿足工作的需要，如何進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并保證信息缺失較少或轉(zhuǎn)換后的地圖精度能滿足工作需要？

1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法

1.1 七參數(shù)法

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換包括不同的參心坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換，地心坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，參心坐標(biāo)系與地心坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換、相同坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)（XYZ）與大地坐標(biāo)（BLH）之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，還有大地坐標(biāo)與高斯平面坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換等。

本文主要研究的是不同橢球參考系下的空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。傳統(tǒng)方法主要有三參數(shù)和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法，其中精度較高的是七參數(shù)法。目前比較成熟的轉(zhuǎn)換模型有布爾沙-沃爾夫模型、莫洛金斯基模型及中國(guó)的武測(cè)模型等。這些模型從形式上看略有差別，但轉(zhuǎn)換結(jié)果是一樣的。這類模型共有7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，即三個(gè)平移參數(shù)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度參數(shù)，根據(jù)具體情況可以減少這些參數(shù)以簡(jiǎn)化計(jì)算，這樣就產(chǎn)生了三參數(shù)法和七參數(shù)法。一般情況下可以根據(jù)三個(gè)公共點(diǎn)坐標(biāo)求出七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

WGS84與西安80坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換步驟：

1）（B，L）84—（X，Y，Z）84，空間大地坐標(biāo)到空間直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

2）（X，Y，Z）84—（X，Y，Z）80，坐標(biāo)基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，三參數(shù)法、七參數(shù)法。

3）（X，Y，Z）80—（B，L）80，空間直角坐標(biāo)到空間大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

4）（B，L）80—（x，y）80， 高斯投影正算。

其中，第二步中轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算是最關(guān)鍵的，通常是在工作區(qū)內(nèi)，利用三個(gè)以上已知點(diǎn)的西安80坐標(biāo)和所測(cè)的WGS84坐標(biāo)，通過布爾沙-沃爾夫模型、莫洛金斯基模型及中國(guó)的武測(cè)模型等來求解七參數(shù)。在ArcGIS中提供了三參數(shù)和七參數(shù)轉(zhuǎn)換法。

1.2 矢量數(shù)據(jù)空間校正

ArcGIS空間校正（spatial adjustment）是將沒有坐標(biāo)信息、坐標(biāo)丟失或者被修改的數(shù)據(jù)校正到一定坐標(biāo)下的過程。

該方法的原理：在需要轉(zhuǎn)換坐標(biāo)區(qū)域獲取相同控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)和西安80坐標(biāo)，一般來說可以通過GPS接收機(jī)采集WGS84坐標(biāo)，而控制點(diǎn)的西安80坐標(biāo)必須是已知的，可從測(cè)繪部門獲取，也可從西安80坐標(biāo)地圖上選取。通過動(dòng)態(tài)投影的方法將WGS84坐標(biāo)的矢量數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)轉(zhuǎn)為80坐標(biāo)（在ArcGIS中改變定義坐標(biāo)并不改變坐標(biāo)值）。將兩種坐標(biāo)的控制點(diǎn)加載到ArcMAP中，并利用空間校正工具建立兩種坐標(biāo)間的一對(duì)一鏈接文件，最后利用鏈接文件并選擇校正方法對(duì)已進(jìn)行過動(dòng)態(tài)投影的WGS84矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。這樣就完成了將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成西安80坐標(biāo)的過程。

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）控制點(diǎn)坐標(biāo)獲取；

2）動(dòng)態(tài)投影：建立個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)并建立坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84的數(shù)據(jù)集，導(dǎo)入80坐標(biāo)系的矢量數(shù)據(jù)，再導(dǎo)出坐標(biāo)定義為WGS84坐標(biāo)的矢量數(shù)據(jù) （注意導(dǎo)出的必須是數(shù)據(jù)框或者是要導(dǎo)入的要素?cái)?shù)據(jù)集的選項(xiàng)）；

3）建立西安80坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)的控制點(diǎn)要素層，并輸入相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

4）建立WGS84坐標(biāo)到西安80坐標(biāo)的控制點(diǎn)一對(duì)一的鏈接文件；

5）選擇校正方法并對(duì)已經(jīng)動(dòng)態(tài)投影的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校正。

其中，該過程的關(guān)鍵步驟是第四、五步，控制點(diǎn)坐標(biāo)必須是相同控制點(diǎn)一對(duì)一對(duì)應(yīng)，鏈接方向是WGS84坐標(biāo)到西安80坐標(biāo)。還有校正方法必須選擇正確，不同情況下選擇不同的校正變換方法。

2 ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)例

2.1 七參數(shù)轉(zhuǎn)換

在ArcGIS 10中只需兩步就能夠從WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)。以陜西省基準(zhǔn)地價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱省數(shù)據(jù)庫(kù)）為例詳述轉(zhuǎn)換過程。省數(shù)據(jù)庫(kù)不同市、縣（區(qū)）采用的坐標(biāo)系統(tǒng)并不統(tǒng)一，有些為北京54坐標(biāo)系，有些為地方獨(dú)立坐標(biāo)系，更多的地方所采用的西安80坐標(biāo)系，為了項(xiàng)目需要，在此我們將省數(shù)據(jù)庫(kù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)為WGS84坐標(biāo)。

由于Google Earth影像圖 （簡(jiǎn)稱影像圖）上的坐標(biāo)為WGS84坐標(biāo)，因此，根據(jù)影像圖和矢量圖上選取同名點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的控制點(diǎn)。

七參數(shù)轉(zhuǎn)換法步驟如下：

1）計(jì)算七參數(shù)

ArcGIS軟件本身不能計(jì)算七參數(shù)，需借助COORD軟件。求七參數(shù)時(shí)要注意源坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)的選擇，源坐標(biāo)為經(jīng)緯度，目標(biāo)坐標(biāo)為XY坐標(biāo)，在求七參數(shù)是可以反過來求，輸入WGS84坐標(biāo)后再輸入西安80坐標(biāo)，求得七參數(shù)再求其相反數(shù)即是80坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)的七參數(shù)。

2）創(chuàng)建七參數(shù)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在ArcGIS10中打開ArcToolbox中的數(shù)據(jù)管理工具-＞投影和變換中打開創(chuàng)建自定義地理（坐標(biāo)）變換工具。在地理（坐標(biāo)）變換名稱中輸入一個(gè)轉(zhuǎn)換名稱，如xian80TOwgs84_咸陽市區(qū)；在輸入地理坐標(biāo)系中輸入源坐標(biāo)系名稱，在輸出地理坐標(biāo)系中輸入目標(biāo)坐標(biāo)系名稱；在方法中選擇COORDINATE_FRAME或者POSITION_VECTOR，然后輸入之前求解的七參數(shù)。

3）對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在ArcGIS10中打開投影工具。輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)換后的名稱，并在輸出坐標(biāo)系中輸入要轉(zhuǎn)換成的坐標(biāo)系統(tǒng)如：Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36。在地理（坐標(biāo)）變換中選擇剛才自定義的地理變換xian80TOwgs84_咸陽市區(qū)。點(diǎn)擊確定完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.2 在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)空間校正

這種方法的關(guān)鍵是在谷歌地球和源矢量數(shù)據(jù)上找同名點(diǎn)，位置越精確，其精度越高，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）動(dòng)態(tài)投影

建立數(shù)據(jù)庫(kù)并建立坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84的數(shù)據(jù)集，導(dǎo)入西安80坐標(biāo)系的源矢量數(shù)據(jù)，再導(dǎo)出矢量數(shù)據(jù)（導(dǎo)出的必須是數(shù)據(jù)框或是要導(dǎo)入的要素?cái)?shù)據(jù)集的選項(xiàng)），這樣導(dǎo)出的矢量數(shù)據(jù)的定義坐標(biāo)就變?yōu)閃GS84坐標(biāo)系統(tǒng)。

2）控制點(diǎn)坐標(biāo)的選取

在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立坐標(biāo)系統(tǒng)為西安80坐標(biāo)的控制點(diǎn)要素層。根據(jù)谷歌地圖影像及源矢量圖找其同名點(diǎn)，在谷歌地圖上用新建地標(biāo)工具標(biāo)定控制點(diǎn)（如圖1所示），同時(shí)將源矢量數(shù)據(jù)作為地圖在ArcGIS上的80控制點(diǎn)要素層上標(biāo)定相同位置點(diǎn)。控制點(diǎn)選取時(shí)位置要選在明顯地物點(diǎn)上，并分布均衡。將谷歌地圖上標(biāo)定的控制點(diǎn)保存為ArcGIS可以識(shí)別的KML格式的數(shù)據(jù)，這樣就可以將選取的同名點(diǎn)坐標(biāo)同時(shí)顯示在ArcGIS。

3）矢量數(shù)據(jù)的空間校正

根據(jù)選取的同名點(diǎn)，利用空間校正工具建立一對(duì)一的鏈接關(guān)系，方向?yàn)槲靼?0坐標(biāo)指向WGS84坐標(biāo)。

在鏈接表中將殘差較大的點(diǎn)刪除，如果剩余四個(gè)點(diǎn)殘差仍較大時(shí)，則需重新選取控制點(diǎn)，直到殘差滿足精度要求為止。

校正方法一般選擇仿射變換，利用控制點(diǎn)形成的鏈接文件對(duì)已進(jìn)行過動(dòng)態(tài)投影的源矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校正，這樣就完成了西安80坐標(biāo)向WGS84坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)換效果，可以將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)生成KMZ文件，在谷歌地球中加載和影像圖對(duì)比，以查看轉(zhuǎn)換后矢量數(shù)據(jù)與影像是否能套合(如圖 2)。

圖1 控制點(diǎn)標(biāo)定

圖2 轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 總結(jié)

上述兩種方法均可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，精度也可以滿足要求。但從其過程來看，兩種方法的工作效率不同。七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法需要專門的軟件計(jì)算七參數(shù)，中間的步驟較多，較為復(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，且對(duì)源數(shù)據(jù)的精度要求較高，而且不適用于地方獨(dú)立坐標(biāo)。而空間校正的方法效率則較高，且簡(jiǎn)單易行，任何坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換，即使源數(shù)據(jù)發(fā)生了偏移也可以保證坐標(biāo)正確轉(zhuǎn)換，這也是實(shí)際工作中采取的方法，經(jīng)實(shí)踐證明只要源矢量數(shù)據(jù)坐標(biāo)精度高的情況下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度較高。