空間坐標轉換及成果管理系統的設計與實現

劉君臣，馮妍，楊玉忠，黃勇

(天津市測繪院，天津 300381)

1 引 言

本研究針對目前新疆測繪檔案資料館空間坐標轉換業務中存在的效率低、工作量大等問題，探索一種自動化的空間坐標轉換方法，實現自動化、高效率的空間坐標轉換及成果管理系統。該系統可完成空間坐標轉換及輸出;坐標轉換參數計算、查詢、入庫;坐標轉換成果的查詢輸出;控制點轉換參數成果的查詢、輸出;圖幅號計算以及新舊圖號之間的相互轉換等工作。

2 現有資料及坐標轉換流程

坐標轉換工作需要參考的資料主要有1∶10 萬圖幅結合表、礦產分區圖、部分1∶10 萬圖幅的坐標轉換參數及礦產區的坐標轉換參數。

進行不同橢球基準下的坐標轉換，首先，判斷坐標點在1∶10 萬圖幅的圖幅號和礦區號。然后，查找該圖幅或礦區有無坐標轉換參數成果，如有坐標轉換參數，則將坐標轉換參數復制到現有的坐標轉換軟件中，進行相應的參數設置后便可得到轉換后的空間坐標。接著，利用一個工具軟件坐標轉換前后的坐標文件生成正式的坐標轉換文檔，并修改相應客戶單位名稱及日期。最后，打印正式的文檔并蓋章，交接給客戶。另外，利用現在的坐標轉換工具進行不同基準下的平面坐標轉換，需要現將其反投影變換到大地坐標，然后利用坐標轉換參數得到轉換后的坐標。在判斷點位所位于的礦區時，需要打開礦區圖根據坐標點人為判斷其所在的礦區，如要坐標點沒有同時位于一個礦區或者一個圖幅中，則需要將其按照礦區或者圖幅組織成不同的文件進行坐標轉換。

從以上的工作流程來看，坐標轉換的效率是非常低的，既耗時，又容易出錯。由于坐標轉換業務比較多，一個自動、快速的坐標轉換軟件是非常有必要的。

3 軟件總體設計

根據我國坐標系統及新疆測繪檔案資料館坐標轉換業務的現狀，本軟件主要實現基于北京54、西安80、國家2000、WGS84 等4 種橢球基準的坐標轉換及某一橢球基準下的投影變換。由坐標點位快速提取坐標轉換參數是快速、自動的坐標轉換的關鍵。本軟件采用空間數據庫的分析功能判斷坐標點所在圖幅或礦區，并在數據庫中檢索相應的坐標轉換參數，進而進行坐標轉換。最終，輸出為可直接打印的正式文檔。本軟件的系統結構如圖1 所示:

圖1 空間坐標轉換及成果管理系統結構

坐標轉換、輸出模塊主要實現不同橢球基準之間的坐標變換以及相同橢球基準下投影變換，最終自動完成坐標轉換成果文件的輸出。坐標轉換的方式有布爾莎7 參數、4 參數、3 參數轉換等方式，空間坐標轉換的流程如圖2 所示:

圖2 空間坐標轉換流程

4 關鍵問題的解決

4.1 空間數據庫選取

本軟件對于空間數據庫的需求主要在于通過點來判斷該點屬于哪一10 萬圖幅或者礦區，對于判斷點所位于的10 萬圖幅號是可以計算出來的，沒有必要用空間分析功能。但是，不采用空間分析功能來判斷某一點所位于的礦區是非常困難的，甚至不可能的。如果采用大型商業數據庫將是一個非常大的浪費，而且安裝部署都比較繁瑣。因此，選擇一個小型、輕便的空間數據庫是十分必要的。

本軟件選擇了PostgreSQL+ PostGIS。PostgreSQL是目前發展非常快，應用非常廣泛，社區技術支持非常好，被譽為是目前最先進的一款開源對象關系數據庫管理系統。讓PostgreSQL 更加強大的一面是其空間數據擴展PostGIS 的支持。由于有PostGIS 的支持，可以將PostgreSQL 優良的特性和強大的功能充分的發揮在海量空間數據的存儲與管理中，為空間數據庫的實現提供又一優良的解決方案，并且其開源和免費的特性更是能夠滿足許多低成本應用的需求。PostGIS 可以通過空間數據操作符與空間操作函數提供強大的幾何要素編輯功能與空間分析功能，另外，它還支持多種開發語言，大大的增加的開發的靈活性。

4.2 坐標轉換參數讀取

對于坐標轉換參數的讀取分為窗體讀取和數據庫讀取，對于某些臨時性的轉換參數可以采用窗體輸入或窗體讀取的方式獲得轉換參數，而對于已經入庫的標準圖幅及礦區對應的坐標轉換參數可直接從數據庫中讀取。關于從數據庫讀取坐標參數的坐標轉換詳細流程如圖3 所示。

圖3 從數據庫讀取參數的流程

4.3 大地坐標轉換模型

在不同橢球基準下的空間坐標轉換中，大地坐標轉換模型是坐標轉換是否成功的關鍵。目前，常用的大地坐標轉換模型在應用范圍、計算速度及有效性等方面都存在著一定的局限性，如在地球內部、低緯度地區、地心或地極附近，不能有效地進行坐標轉換，甚至出現轉換結果錯誤或不收斂現象。由大地測量學得知，由(B、L、H)換算為(x，y，z)稱為正解，可以很簡單地由本文中的公式組(1)直接得到。對于由(x，y，z)解算(B、L、H)的反解，乃是國內外大地測量學者近二十年來經常討論的一個熱點問題。

本軟件采用了根據Bowring 研究思路導出的轉換公式組(2)，這組公式既簡單又具有很高的計算精度，能夠滿足本軟件的精度要求。

4.4 計算成果的利用

本軟件的計算成果主要包括坐標轉換參數成果及坐標轉換成果。計算的轉換參數成果既可以為后面的坐標轉換自動提供轉換參數，還可供查詢及輸出。坐標轉換成果則可以用于坐標成果的查詢、輸出及統計，為其他應用提供數據支撐。成果利用如圖4 所示:

圖4 成果利用

5 軟件的實現

本軟件采用C#語言開發，開發工具為VS2010，主要引用了Npgsql 類庫，該類庫為．NET 連接PostgreSQL數據庫的驅動程序。除此之外，作者編寫了GeoTrans、DataBase、Print2Word、Matrix 四個類庫。GeoTrans 類庫封裝了坐標轉換及參數計算等方面的類和接口，Data-Base 類庫封裝了讀取配置文件連接數據庫及數據庫操作等方法，Print2Word 類庫封裝了將坐標數據按照Word 模板輸出到Word 文檔的方法，Matrix 封裝了關于矩陣的常規運算方法。應用程序(App)與類庫間的組織結構如圖5 所示。

圖5 應用程序及類庫間的組織結構

軟件界面設計力求簡潔，選擇某一個功能模塊不會產生新的窗口。坐標轉換完成后可以將坐標成果輸出為Word 文檔，直接打印即可。除此之外，坐標轉換的同時還生成了坐標轉換報告，報告中對轉換前后的坐標進行對比分析，得出轉換前后的經緯度差異。坐標轉換的界面如圖6 所示。

圖6 空間坐標轉換及成果管理系統

6 精度分析

本軟件精度測試區域位于新疆伊犁哈沙克自治州，1∶10 萬圖幅號分別為L－45－008、K－44－008。下面以北京54 坐標系(以下簡稱54)向西安80 坐標系(以下簡稱80)轉換為例，進行坐標轉換精度分析。

從以下數據表可分析出，x 方向點位中誤差為0.042 418 m，y 方向誤差為0.022 659 m，點位中誤差為0.048 091 m，完全滿足坐標轉換業務要求的。另外，通過實驗證實，坐標轉換的精度與控制點的選取有很大的關系，控制點精度高且均勻分布，計算的坐標轉換參數則更準確，坐標轉換的精度則更高。

7 結 論

該軟件的操作符合新疆測繪檔案資料館坐標轉換作業流程，操作方便、簡單，快捷，能很好滿足坐標轉換業務的需求。空間坐標轉換及成果管理系統能夠進行高效、自動化的空間坐標轉換，把工作人員從繁重的重復工作中解脫出來; 能夠對歷史的空間坐標轉換成果進行快速檢索、輸出;能夠對控制點轉換參數成果進行計算、查詢、入庫及維護更新。總之，該軟件不僅可以提高工作人員的效率，提升服務能力，而且能在自治區的經濟建設和社會信息化中發揮重要作用，能更好地服務于各項經濟建設。

54 至80 轉換驗證點精度分析 表1

［1］GB/T 13989－92．國家基本比例尺地形圖分幅和編號［S］．

［2］2000 國家大地坐標系推廣應用交流與培訓教材［R］．2010．

［3］程鵬飛，成英燕，文漢江等．2000 國家大地坐標系實用寶典［M］．北京:測繪出版社，2008．

［4］黃謨濤，翟國君，管錚等．空間直角坐標和大地坐標的轉換［J］．解放軍測繪學院學報，1998，15(3) :164 －168．

［5］張玢．基于PostGIS 的海岸保護與利用規劃空間數據庫設計與實現［D］．大連:遼寧師范大學，2009．