大區域非解析空間數據坐標無縫轉換技術研究

張濤,勞潔英,常永青,王慶(．南京市規劃局,江蘇南京 009; ．滁州學院地理信息與旅游學院,安徽滁州 9000; ．南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 009)

大區域非解析空間數據坐標無縫轉換技術研究

張濤1?,勞潔英2,常永青1,王慶3
(1．南京市規劃局,江蘇南京 210029; 2．滁州學院地理信息與旅游學院,安徽滁州 239000; 3．南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

摘 要:剖析現有大區域非解析空間數據坐標轉換方法主要缺陷的基礎上,研究建立了以地理經緯網線為基本約束,以大地線長度為權重因子的分區無縫空間數據坐標轉換模型。實驗測試表明,基于不同大小的經緯網格約束,該模型不僅能滿足不同尺度空間數據坐標轉換精度,而且避免了在不同轉換區域邊界處的空間數據二次接邊,具有較好的實用性。

關鍵詞:坐標轉換;經緯網約束;空間數據;大區域

1 引 言

在以信息技術為代表的當代新技術革命中,人們用前所未有的能力去獲取關于地球和人類社會的巨量信息,例如數字地球、數字國家、數字城市等建設。在這個過程中,大區域的自然資源與地理空間數據庫的建設與管理,已成為各個地方空間基礎設施建設的主要任務。因此,實際應用中會經常面臨大量的空間坐標轉換工作,且他們之間沒有嚴密的數學解析關系,這使得空間數據的坐標轉換已成為多源空間數據集成和測繪生產等過程中經常發生的基本操作。

目前,建立解析變換和非解析變換[1～10]方法獲得國內外眾多學者的關注,研究重點是非解析變換模型。現有的坐標轉換方法仍然存在兩個比較突出的問題:一是當前的研究大多數集中在小區域坐標轉換,在大區域坐標轉換的過程中,傳統的投影分帶方法將大區域投影到平面上產生的變形太大,轉換精度不能有效保證。二是利用圖幅網格約束的球面坐標轉換能夠解決投影變形問題,但是會帶來相鄰圖幅二次接邊過程。如將整個大區域數據當成一個圖幅來處理,整個圖幅變換后不會出現邊界不一致需要拼接的問題,但是很顯然圖幅內部轉換精度達不到要求;如果將大區域內的每個圖幅單獨進行坐標變換,各個圖幅的轉換精度能夠達到要求,但是每個圖幅的圖廓邊界將面臨不重合,圖幅間需要重新拼接。

針對傳統的方法不能完成大區域非解析空間坐標的無縫轉換問題,本文借鑒逐格網轉換思想,構建以球面為基準,以圖幅網格為約束,以球面距離為加權因子的大區域非解析空間坐標快速轉換新方法,以期實現大區域空間坐標全覆蓋、無重疊、無縫隙、高精度、高效率的轉換。

2 圖幅格網約束坐標轉換原理

逐圖幅格網約束的空間坐標轉換的基本思想是,首先是在整個大區域內,依據不同比例尺要求,按照一定的圖幅間隔,將整個大區域數據劃分為小的圖幅格網單元,然后對空間數據進行逐經圖幅網糾正。對具體的任意數據點來說,以該點所在圖幅格網的格網點作為控制點,采用球面距離加權的方法進行加權求和轉換。所謂球面距離加權是以數據點和圖幅網交點構成的區域的兩條邊線長度為加權因子,分別將對應格網點的權重和改正量相乘再求和,則為數據點的改正量。具體實現如圖1所示:

圖1　基于經緯網約束的空間數據坐標變換示意圖

對于圖幅格網內任意一個點P(B,L)或P(X,Y),其改正量(△B,△L)或(△X,△Y)應該與四個格網點改正量以及權重相關。每個格網點對應的權重為P點的坐標與格網點構成的區域邊線長度相乘。假設D1、D2、D3、D4為其邊線長。

改正量(△B,△L)有如下計算公式:

其中:∑D=D1×D2+D2×D3+D3×D4+D4×D1。

當點P位于經緯(圖幅)格網點P2上時,D1= 0, D2= 0,△B=△B2,△L=△L2。所以,點P位于格網點Pi時,改正量只與該點有關;

當點P位于經緯(圖幅)格網線P2P3上時,則D2= 0,因此:

那么改正量(△B,△L)就受該線上兩個格網點P2,P3所控制,其權重比值可簡化為D3:D1。因此,對于相鄰經緯(圖幅)格網來說,其格網的變換不受其他要素所影響,變換之后能夠保證格網完全重合。

3 逐圖幅格網轉換實現過程

(1)圖幅網的布設。在不同的比例尺下,按照圖幅(一定的經差和緯差)完成圖幅網的布設,每個格網點記錄當前坐標值和待轉換目標坐標值。這樣,格網點的變換改正值就為待轉換目標坐標值與當前坐標值之差。

(2)坐標變換計算。讀取待轉換數據坐標點P (B,L),先按照格網索引快速定位到所在格網,然后計算P點到圖廓邊線的距離D1、D2、D3、D4和圖廓點的權重W1、W2、W3、W4,最后利用第二部分的公式計算得到坐標變換值。其中涉及的計算有:

①格網行列號的計算:如圖2所示,設經緯網左下角的坐標為P0(B0,L0),P點坐標為(B,L),則P點的行列號(i,j)計算公式為:

i=(int)(L-L0) /2,j=(int)(B-B0) /3(6)

圖2　行列號計算

圖3　球面距離計算

②球面距離的計算:如圖3所示根據P點的行列號可計算出P1(B1,L1)和P2(B2,L2)的坐標,B1=B0+ (j?3),L1=L0+(i?2),B2=B1+3,L2=L1+2。則P到經緯格網四邊的距離D1、D2、D3、D4分別為:π

③格網點權重的計算:P1的權重為W1= D1×D2/ ∑D,P2的權重為W2=D1×D4/∑D,P3的權重為W3= D2×D3/∑D,P4的權重為W4=D3×D4/∑D,其中

④代入坐標轉換的公式計算P點的改正值(△B, △L)。

(3)應用實踐

該方法用在南京市市域92南京地方系向2008南京地方坐標系成果轉換的項目中,成果經過外業檢測,成果質量滿足技術設計要求,并通過南京市規劃局組織的專家驗收,達到了項目預定的目標。

4 結論與展望

(1)研究表明,該模型在精度、效率及轉換結果等方面,均能較好滿足不具有嚴密數學解析關系的大區域空間數據坐標得要求。尤其當前我國在不斷完善和發展空間坐標系統,對實現高精度、高效率的空間坐標轉換具有良好的應用性。

(2)由于一些坐標系下的控制點坐標信息具有保密性,這使得許多基層單位不能規范完成。該模型不需要提供高度保密的控制點坐標信息,避免了保密和公共服務的矛盾。

(3)本文中構建的模型是基于標準地形圖進行分幅,其每個圖幅是面積不等的規則圖形。如果進行面積相等或圖形不規則區域的空間坐標轉換該模型是否適用,值得深入研究。

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Research on Seamless Conversion Technology of Large Area Non Analytic Spatial Data

Zhang Tao1,Lao Jieying2,ChangYongqing1,Wang Qing3
(1．Nanjing Planning Bureau,Nanjing 210029,China; 2．College of Chuzhou Geographic Information and Tourism College,Chuzhou 239000,China; 3．Nanjing Institute of Surveying,Mapping &Geotechnical Investigation,Co．,Ltd．,Nanjing 210019,China)

Abstract:Based on the analysis of the main defects of the existing large area non analytical spatial data coordinate transformation method,the paper studies the spatial data conversion model based on the geographic latitude and longitude as the weight factor．Experiments show that the model can not only satisfy the conversion accuracy of different scale spatial data,but also avoid the spatial data of two times,which has good practicability．

Key words:coordinate transformation;the network constraint;spatial data;large area

文章編號:1672-8262(2015)06-66-03中圖分類號:P226+．3

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—09—07

作者簡介:張濤(1963—),男,高級工程師,主要從事測繪管理、沉降監測方面的研究。

基金項目:國家自然科學基金(41174002 )