李恒民，陳永波，李娜，張照杰

(山東正元地理信息工程有限責任公司，山東濟南 250101)

1 引言

空間地理數(shù)據(jù)庫一般都具有空間參考屬性，空間參考定義了該數(shù)據(jù)集的地理坐標系統(tǒng)或投影坐標系統(tǒng)，沒有坐標系統(tǒng)的地理數(shù)據(jù)在生產(chǎn)應用過程中是毫無意義的［1］。由于數(shù)據(jù)在使用過程中，不同坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無法同時在一個系統(tǒng)中予以加載，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必然涉及坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，需要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行坐標系統(tǒng)定義或進行坐標系統(tǒng)及投影轉(zhuǎn)換，針對不同精度要求，對數(shù)據(jù)進行相應的地圖投影和坐標轉(zhuǎn)換在實際應用中顯得尤其重要。

2 坐標轉(zhuǎn)換與地圖投影的基本概念

2.1 坐標轉(zhuǎn)換的基本概念

坐標系統(tǒng)之間的坐標轉(zhuǎn)換包括:不同參心坐標系之間的轉(zhuǎn)換;參心坐標系與地心坐標系之間的轉(zhuǎn)換;相同坐標系內(nèi)坐標形式如:直角坐標、高斯平面坐標與大地坐標之間的轉(zhuǎn)換。兩個坐標系轉(zhuǎn)換時，如果原點相同，只需要做3次旋轉(zhuǎn)即可完成轉(zhuǎn)換;如果原點不同，則需要對坐標軸進行平移和旋轉(zhuǎn);如果坐標系的尺度不同，只要增加一個尺度變化因子即可;而大地坐標和高斯投影平面坐標之間的轉(zhuǎn)換，僅需要進行高斯投影正反算，通過設置中央子午線經(jīng)度和參考橢球、投影面來實現(xiàn)［2］。

常用的坐標轉(zhuǎn)換方法為七參數(shù)轉(zhuǎn)換法，即3個平移因子(X平移，Y平移，Z平移)，3個旋轉(zhuǎn)因子(X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn))，一個比例因子(也叫尺度變化K)，參數(shù)的獲取為地區(qū)測繪部門提供或通過已知點求解［3］。也有的采用三參數(shù)、四參數(shù)轉(zhuǎn)換法，需要根據(jù)轉(zhuǎn)換要求的精度和已知點的數(shù)量或已知轉(zhuǎn)換參數(shù)的個數(shù)確定采用何種轉(zhuǎn)換方式。

2.2 ArcMap中的動態(tài)投影

動態(tài)投影是ArcMap中一種對Data Frame(工作區(qū))空間參考或?qū)尤階rcMap工作區(qū)中數(shù)據(jù)的投影變換。動態(tài)投影是對數(shù)據(jù)顯示形態(tài)的改變，未使用坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，未修改數(shù)據(jù)文件存儲的實際數(shù)據(jù)坐標值，要想保存動態(tài)投影的設置，需要采用輸出時保存框架坐標的方法，精度要求不高時，可以使用動態(tài)投影進行坐標轉(zhuǎn)換［4］。

2.3 ArcCatalog中的坐標系統(tǒng)描述

在ArcCatalog中定義數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)描述，操作方法為:在數(shù)據(jù)上鼠標右鍵→Properties→XY Coordinate System，其中定義坐標系統(tǒng)描述的方法有 New、Modify、Select、Import，對于系統(tǒng)中未預先定義的坐標系，一般采用New、Modify的方式，輸入自己設定的坐標投影參數(shù)，系統(tǒng)中預定義的坐標系可以采用Select的方式，對于已有相同坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)的情況，可以直接用Import導入已知坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)的坐標系，作為此次設置的坐標系統(tǒng)描述。但在這里定義了數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)信息后，數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)信息都對應到與該數(shù)據(jù)同名而后綴名為.prj的文件當中，數(shù)據(jù)本身并未發(fā)生投影變換，這里改的僅僅是對數(shù)據(jù)坐標系統(tǒng)信息的一個描述。但這個描述也是非常重要的，對數(shù)據(jù)的投影變換、量測等操作均需要已知橢球參數(shù)及投影方法［4］。

2.4 投影變換

投影變換與動態(tài)投影不同，是真正意義上的坐標變換，如果數(shù)據(jù)沒有任何空間參考信息，則ArcCatalog坐標系統(tǒng)描述顯示為Unknown，對數(shù)據(jù)進行投影變換的方法為:利用Define Projection工具，定義坐標系統(tǒng)Coordinate System，(這個坐標系統(tǒng)可以是系統(tǒng)自帶，可以是自己定義，也可以是已知數(shù)據(jù)的坐標系);再利用Feature→Project或 Raster→Project Raster工具來對數(shù)據(jù)進行投影變換。

不同的坐標投影所基于的橢球體及Datum不同，需要在坐標投影時制定轉(zhuǎn)換參數(shù)，我們國家使用的1954年北京坐標系和1980西安坐標系，在變換到其他坐標系統(tǒng)時，需要提供一個Geographic Transformation，即提供轉(zhuǎn)換參數(shù)。這種變換方法可以根據(jù)已知的轉(zhuǎn)換參數(shù)個數(shù)選擇變換方法，完成對數(shù)據(jù)的投影變換，數(shù)據(jù)本身坐標值隨著發(fā)生變化。

2.5 創(chuàng)建投影變換模板并實現(xiàn)投影變換

在 ArcGIS應用中，通過 ArcToolBox→Data Management Tools→ Projections and Transformations→ Feature→Project或Raster→Project來實現(xiàn)兩個矢量數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)坐標系之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。首先選擇要轉(zhuǎn)換的文件或數(shù)據(jù)集，如果文件或數(shù)據(jù)集已有坐標系統(tǒng)，將自帶顯示此坐標系，然后選擇轉(zhuǎn)換后的坐標系統(tǒng)，并選擇地理變換模板(Geographic Transformation)下拉框中自動加載可用的模板。如果沒有可選項，需要用戶自定義［5］。地理變換模板通過 ArcToolBox→ Data Management Tools→ Projections and Transformations→ Create Custom Geographic Transformation來創(chuàng)建。

3 ArcGIS Engine接口實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)地圖投影與坐標轉(zhuǎn)換

3.1 IGeometry.Project方法

Public void Project(string FeaturePath，int FromXYName，int ToXYName);

該方法對實現(xiàn)IGeoemtry的對象進行投影操作，參數(shù)為所要轉(zhuǎn)換的要素路徑、轉(zhuǎn)換前坐標空間參考EPSG整數(shù)值，如WGS-84坐標對應 4 326，1980西安坐標系3°帶120°對應2 385等，也可以在系統(tǒng)中直接采用ESRI坐標求整得到，如設置:

以下代碼中實現(xiàn)了對Igeoemtry對象從一個空間參考到另一個空間參考的投影操作:

定義好轉(zhuǎn)換坐標參考后，需要對轉(zhuǎn)換的要素進行讀取，首先獲取系統(tǒng)打開文件的路徑FilePath及文件名FileName.文件打開后，需要設置工作空間，并對空間數(shù)據(jù)的每個要素進行遍歷處理，此處實現(xiàn)對打開的SHP文件進行轉(zhuǎn)換，SDE數(shù)據(jù)Feature類似。

IGeometry接口的Project方法提供的投影操作實現(xiàn)了最基本的坐標轉(zhuǎn)換功能.實際數(shù)據(jù)處理過程中，比較明確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后空間參考信息情況下一般用此方法作坐標轉(zhuǎn)換，不同投影帶之間的坐標轉(zhuǎn)換就是一個典型。

3.2 ITransform2D接口方法

ITransform2D接口不僅提供了圖形平移，旋轉(zhuǎn)和縮放，還提供了更加強大的坐標轉(zhuǎn)換方法Transform.其定義如下:

在該方法中，參數(shù)direction是轉(zhuǎn)換方向，transformation是一個Itransformation接口，而Itransformation接口由很多類實現(xiàn)，這意味著不同的實現(xiàn)類，所包含的坐標轉(zhuǎn)換數(shù)學公式是不一樣的，這里面包括二次多項式轉(zhuǎn)換(AffineTransformation2D)，AbridgedMolodensky轉(zhuǎn)換(AbridgedMolodenskyTransformation)等。

下面代碼簡單實現(xiàn)了利用已知控制點進行坐標轉(zhuǎn)換的過程:

3.3 矢量數(shù)據(jù)地圖投影與坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

作者采用IGeometry.Project方法實現(xiàn)的矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換程序界面如圖1所示。

點擊打開文件，可以選擇需要轉(zhuǎn)換的矢量文件，選擇好后將放在轉(zhuǎn)換前文件列表中，坐標轉(zhuǎn)換前需要設定原坐標及其投影帶、目標坐標及其投影帶以及東偏移量，選擇好轉(zhuǎn)換前后的坐標系以及投影帶之后，點擊確定轉(zhuǎn)換就可以實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換。

圖1 矢量數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換

4 ArcGIS Engine接口實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)地圖投影與坐標轉(zhuǎn)換

4.1 影像坐標轉(zhuǎn)換

利用ArcGIS Engine自帶的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的影像數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換，首先需要定義坐標轉(zhuǎn)換空間參考:

下面的代碼，針對影像數(shù)據(jù).tif和.img格式的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換:其中，參數(shù)為源坐標系代碼和目標坐標系代碼，定義如3.1矢量數(shù)據(jù)投影變換中的坐標代碼定義;將柵格數(shù)據(jù)的存放位置與文件名分布定義為:FilePath和FileName。

4.2 影像糾正

影像數(shù)據(jù)糾正可以通過IrasterGeometryProc接口實現(xiàn)。該接口提供了影像Clip，F(xiàn)ilp，Merge，Mirror以及Mosaic等操作。如果通過控制點的方式對影像進行糾正處理可以通過該接口的wrap方法。該方法聲明如下:

參數(shù) sourceControlPoints和 targetControlPoint定義了轉(zhuǎn)換前后坐標系統(tǒng)中的控制點信息，transformType定義了坐標轉(zhuǎn)換方法，ipRaster是需要轉(zhuǎn)換的Raster對象。

以下代碼是該接口使用的例子，實現(xiàn)了利用控制點對柵格數(shù)據(jù)進行重投影的過程:參數(shù)rasterDataset為需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)集，sourcePoints為源坐標系控制點，targetPoints為目標坐標系控制點:

其中，有兩種方式保存轉(zhuǎn)換后的柵格數(shù)據(jù):改變原柵格數(shù)據(jù)集或建立新的數(shù)據(jù)集。需要注意的是當選擇不同的轉(zhuǎn)換類型時(參數(shù)transformType取值不同時)，對控制點的對數(shù)也有不同的要求.此外，使用Iraster-GeometryProc.Wrap方法，會略微改變影像圖的色彩值，當對一幅影像圖前后轉(zhuǎn)換作對比時會發(fā)現(xiàn)這種色彩的變化情況。

4.3 影像數(shù)據(jù)地圖投影與坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

作者根據(jù)上述坐標轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)的影像數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換程序界面如圖2所示。

圖2 影像數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換

點擊打開文件，可以選擇需要轉(zhuǎn)換的影像文件，選擇好后將放在轉(zhuǎn)換前文件列表中，坐標轉(zhuǎn)換前需要設定源坐標及其投影帶、目標坐標及其投影帶以及東偏移量，選擇好轉(zhuǎn)換前后的坐標系以及投影帶之后，點擊確定轉(zhuǎn)換就可以實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

文中詳細闡述了坐標轉(zhuǎn)換和地圖投影的基本概念，介紹了坐標轉(zhuǎn)換在ArcGIS中的實現(xiàn)方法，并通過代碼列舉，給出了利用ArcGIS Engine接口實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法及過程，實現(xiàn)了常見坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換過程中，對控制點求參數(shù)的應用全部封裝，用戶無法自主選擇參數(shù)轉(zhuǎn)換方式，需要在后續(xù)的程序中添加這些選項。

［1］王虎文.WGS-84坐標系與任意坐標系坐標轉(zhuǎn)換［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2004，5(30):18～19.

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［4］王解先，王軍，陸彩萍.WGS-84與北京54坐標的轉(zhuǎn)換問題［J］.大地測量與地球動力學，2003，23(3):70～73.

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