淺析2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換
——以韶關(guān)市為例

鄭伯楨

（韶關(guān)市國土資源技術(shù)中心廣東韶關(guān)512026）

淺析2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換
——以韶關(guān)市為例

鄭伯楨

（韶關(guān)市國土資源技術(shù)中心廣東韶關(guān)512026）

為解決韶關(guān)市不同地區(qū)之間、同一地區(qū)不同時期的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)體系互不相同給國土資源管理、信息化工作帶來的諸多制約和不便，現(xiàn)利用GPS靜態(tài)觀測技術(shù)求取參數(shù)、確定模型，并開發(fā)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理軟件對現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果2000國家大地坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為統(tǒng)籌全市地理信息資源，實現(xiàn)省、市、縣、區(qū)節(jié)點的互聯(lián)互通、共建共享提供數(shù)據(jù)支持，也為下一步社會各應(yīng)用部門數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供統(tǒng)一平臺，并為坐標(biāo)系進(jìn)行維護(hù)和快速更新、數(shù)字城市、數(shù)字縣區(qū)等信息化建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。

2000國家大地坐標(biāo)系；坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；參數(shù)

1 引言

面對空間技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛普及，在創(chuàng)建數(shù)字地球、數(shù)字中國的過程中，需要一個以全球參考基準(zhǔn)框架為背景的、全國統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)一致的坐標(biāo)系統(tǒng)來處理國家、區(qū)域、海洋與全球化的資源、環(huán)境、社會和信息等問題。單純采用目前參心、二維、低精度、靜態(tài)的大地坐標(biāo)系統(tǒng)和相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施作為我國現(xiàn)行應(yīng)用的測繪基準(zhǔn)，必然會帶來愈來愈多不協(xié)調(diào)問題，產(chǎn)生眾多矛盾，制約高新技術(shù)的應(yīng)用。這導(dǎo)致先進(jìn)的對地觀測技術(shù)所獲取的測繪成果在使用時的精度損失，無法全面滿足現(xiàn)勢性較高的城市建設(shè)、行業(yè)部門對高精度測繪地理信息服務(wù)的要求。

鑒于上述原因，如何實現(xiàn)坐標(biāo)系的“平穩(wěn)過渡”，又能滿足測繪工作的需要，這是測繪工作者必須研究解決的問題。在這樣的背景下，國家組織相關(guān)科研單位對大地坐標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)理論進(jìn)行研究并進(jìn)行實踐，取得了重大成果。2008年7月1日正式啟用2000國家大地坐標(biāo)系（China Geodetic CoordinateSystem，CGCS2000）。

2 技術(shù)設(shè)計

在我市已有1980西安坐標(biāo)系控制點數(shù)據(jù)成果的基礎(chǔ)上，采購覆蓋作業(yè)范圍的控制點2000國家大地坐標(biāo)系坐標(biāo)成果，并利用GPS靜態(tài)觀測技術(shù)求取剩余已有控制點的2000國家大地坐標(biāo)系成果。均勻選取覆蓋作業(yè)范圍的控制點作為求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的同名點，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具求出1980西安坐標(biāo)系至2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行檢核。利用求取的轉(zhuǎn)換參數(shù)將市區(qū)其他已有控制點成果、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、1：2000影像圖數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)及地理實體數(shù)據(jù)進(jìn)行2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換完畢的所有數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理、建庫。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 韶關(guān)市區(qū)2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換技術(shù)流程圖

3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.1 GPS控制點觀測及計算

本控制網(wǎng)由C級網(wǎng)和D級網(wǎng)共同組成，采用TBC進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，該軟件能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)量短基線數(shù)據(jù)進(jìn)行精確解算，同時提供自由網(wǎng)和約束網(wǎng)不同類型的網(wǎng)平差，提交較為完善的精度指標(biāo)，GPS觀測網(wǎng)共有46個點組成，全網(wǎng)共獲得了290條基線（網(wǎng)形如圖2）；本測區(qū)外業(yè)觀測共使用7臺TrimbleGPS接收機進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，各種儀器在進(jìn)測區(qū)前都進(jìn)行過檢驗，具有可靠的穩(wěn)定性，符合要求，選定衛(wèi)星幾何圖形強度較好的觀測時間安排施測計劃和調(diào)度表。

圖2 GPS網(wǎng)型圖

為檢核本網(wǎng)基線的精度，在WGS-84坐標(biāo)系下，使用TBC平差軟件以測區(qū)中心位置G24的WGS-84坐2標(biāo)（概略坐標(biāo)）為起算點，采用上面選取的181條基線進(jìn)行三維無約束平差計算。韶關(guān)市GPS-D級控制網(wǎng)最后平差，選擇經(jīng)過前面檢核的181條合格基線，使用TBC平差軟件進(jìn)行，3°帶投影，以東經(jīng)114°為中央子午線，進(jìn)行三維約束平差，控制網(wǎng)選擇6個GPS C級點作為起算數(shù)據(jù)。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)計算模型確定

項目轉(zhuǎn)換模型選用七參數(shù)布爾莎模型直接對兩坐標(biāo)系在空間直角坐標(biāo)系范疇進(jìn)行變換。公式如下：

其中，下標(biāo)1、2分別表示兩個不同坐標(biāo)基準(zhǔn)下的空間直角坐標(biāo)。△X、△Y和△Z為三個平移參數(shù)，δu為尺度參數(shù)，εX、εY和εZ為三個旋轉(zhuǎn)歐拉角。

3.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求取

2000國家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)數(shù)值為：

長半軸：a＝6378137m

扁率：f=1/298.257222101

地心引力常數(shù)：GM＝3.986004418×1014m3s-2

自轉(zhuǎn)角速度：ω＝7.292l15×10-5rad/s

重合點的獲取一方面是通過實測獲取，另一方面是通過收集獲取。選取原則是：盡量選取足夠的高等級、高精度且分布均勻的點作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的重合點。采用二維轉(zhuǎn)換模式至少選取2個以上的重合點，采用三維轉(zhuǎn)換模式至少選取3個以上的重合點，重合點及檢查點的分布要覆蓋整個轉(zhuǎn)換區(qū)域且盡量分布均勻。考慮到韶關(guān)市的作業(yè)區(qū)范圍及已有控制點分布情況，選擇以下20個控制點作為重合點，如圖3所示。

圖3 重合點觀測設(shè)計圖

計算七參數(shù)，可以選用最小二乘或抗差估計法，選擇最小二乘或抗差估計計算七參數(shù)讀入源坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)，得到從源坐標(biāo)系到目標(biāo)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)，并對以上兩種方法計算的結(jié)果取平均，得到最終的七參數(shù)。

3.4 數(shù)據(jù)成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實施步驟：

（1）收集、整理轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)重合點成果；

（2）分析、選取用于計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點；

（3）確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計算方法與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型；

（4）兩坐標(biāo)系下重合點坐標(biāo)形式的轉(zhuǎn)換。若采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，則要將重合點的兩坐標(biāo)系坐標(biāo)換算同一投影帶的高斯平面坐標(biāo)，若采用Bursa七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，則要將重合點的兩坐標(biāo)系坐標(biāo)換算成各坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)；

（5）據(jù)確定的轉(zhuǎn)換方法與轉(zhuǎn)換模型利用最小二乘法初步計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；

（6）分析重合點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差，根據(jù)轉(zhuǎn)換殘差剔除粗差點。一般的若殘差大于3倍殘差中誤差則認(rèn)為是粗差予以剔除，然后重新計算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，直到滿足一定的精度要求為止；

（7）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換殘差滿足精度要求（合格）時，計算最終的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)并估計坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度；

（8）根據(jù)計算的轉(zhuǎn)換參數(shù)，按步驟轉(zhuǎn)換待轉(zhuǎn)換點的目標(biāo)坐標(biāo)系坐標(biāo)。

4 數(shù)據(jù)處理及建庫

4.1 矢量地圖數(shù)據(jù)

對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成2000國家坐標(biāo)系的矢量地圖進(jìn)行分級控制和配賦符號，主要表達(dá)境界、道路、鐵路、水系、居民地、植被及注記等要素。

（1）SHP等文件數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換入庫：對已經(jīng)加工處理的矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和入庫，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入公共地理框架庫中；加工編輯處理；制圖美化：包括地圖符號化和地圖整飾；切片生成瓦片地圖數(shù)據(jù)。

（2）將整理完成的2000國家大地坐標(biāo)系的電子地圖矢量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的MXD地圖配置方案進(jìn)行切片。將ArcGIS的MXD工作空間切片生成瓦片地圖數(shù)據(jù)。

主要流程如圖4所示。

4.2 18～20級影像地圖數(shù)據(jù)

影像數(shù)據(jù)的處理與建庫需要經(jīng)過以下流程：

（1）數(shù)據(jù)校正。影像數(shù)據(jù)幾何校正是糾正影像拍攝時因地形等因素產(chǎn)生的幾何變形，并賦予數(shù)據(jù)真實的空間坐標(biāo)，以供用戶使用。

影像數(shù)據(jù)校正必須有控制資料，如：合理分布的校正控制點。這些點可以從已有控制資料（如地形圖）通過內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點方法選取、也可以用野外實測獲得。對于高分辨遙感影像的幾何校正，內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點一般采用大比例尺地形圖，如1：500或1：1000的地形圖；野外實測一般采用GPS定位測量方法完成。

（2）數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換。影像數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換主要是解決各數(shù)據(jù)的投影不一致，從而統(tǒng)一數(shù)據(jù)坐標(biāo)系，方便用戶使用，使用前期獲取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)將數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換至2000國家大地坐標(biāo)系。

（3）數(shù)據(jù)拼接。影像數(shù)據(jù)拼接是通過對相鄰影像的無縫拼接處理，保持地物連續(xù)一致性的基礎(chǔ)上，去除重疊區(qū)多余影像，從而形成整景影像。

（4）數(shù)據(jù)融合。影像數(shù)據(jù)融合是通過高級影像處理技術(shù)來復(fù)合多源遙感影像，以達(dá)到全色和多光譜數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補，增強空間細(xì)節(jié)，減少顏色失真，形成對地面目標(biāo)較完整的信息描述。

4.3 地名地址數(shù)據(jù)

圖4 矢量地圖數(shù)據(jù)處理流程圖

地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫方法：

地名地址數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源包括SHP地名庫文件、Excel地址庫。地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫方法如圖5所示。

圖5 地名地址數(shù)據(jù)的處理與建庫方法

5 結(jié)論

本文以韶關(guān)市為例，利用GPS靜態(tài)觀測技術(shù)，通過對高等級、高精度且分布均勻的重合點進(jìn)行相應(yīng)平差處理，確定了韶關(guān)市2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型，完成了轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算；并利用轉(zhuǎn)換軟件的處理，完成了已有數(shù)據(jù)成果向2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。實踐中驗證了驗證該轉(zhuǎn)換方法的可行性及數(shù)據(jù)成果的可靠性，但由于各方面原因，還存在一些相關(guān)問題在今后的時間里有待進(jìn)一步解決。如數(shù)據(jù)體系有待進(jìn)一步完善，數(shù)據(jù)覆蓋率有待進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)需要持續(xù)進(jìn)行更新，同時對于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)成果也需要進(jìn)一步加強管理，有效利用，實現(xiàn)共享。

[1]魏子卿.我國大地坐標(biāo)系的換代問題[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2003，28（2）：138～143.

[2]楊元喜，徐天河.不同坐標(biāo)系綜合變換法[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2001，26（6）：509～513.

[3]林曉靜，張小紅，郭斐.ITRF2005與CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與精度分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010（06）：118～124.

[4]曾安敏.基于擬合推估的1980先坐標(biāo)系到2000國家大地坐標(biāo)系的變換[J].大地測量與地球動力學(xué)，2008，28（5）：157～160.

P226.+3

A

1004-7344（2016）30-0190-02

2016-9-15

鄭伯楨（1980-），男，本科，主要從事測繪工作。