（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451）

海洋物探坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件的研究與開發(fā)管理

盧 賀

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300451）

本文論述了海洋物探和工程測量中所運用到的不同坐標(biāo)系統(tǒng)及不同地圖投影方式之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。其主要內(nèi)容分為兩個方面：一是同一坐標(biāo)系統(tǒng)下不同坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換；二是不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換。深入研究了在高斯投影和UTM投影情況下WGS-84、北京54、西安80三種坐標(biāo)系統(tǒng)間平面坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模型和算法，并用VB程序設(shè)計語言實現(xiàn)了這些模型和算法。

海洋物探；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；WGS-84；工程測量

1 坐標(biāo)系統(tǒng)間的相互轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包含兩個方面的內(nèi)容，即坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是指空間點在同一參考橢球下、不同坐標(biāo)形式的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括大地坐標(biāo)、空間直角坐標(biāo)、站心坐標(biāo)和平面坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是指空間點在不同參考橢球間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖1 兩空間直角坐標(biāo)系的比較

圖2 變換示意圖

在相同橢球參數(shù)下，對于大地坐標(biāo)系與平面投影坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換通常采用直接法來實現(xiàn)正解變換：f （B，L）→f （X，Y）或反解變換f （X，Y）→f（B，L）。

在相同橢球參數(shù)下，不同平面投影坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換通常采用間接過渡法來實現(xiàn)：f1（X，Y）→f（B，L）→f2（X，Y）。

在不同橢球參數(shù)下的轉(zhuǎn)換問題采用間接過渡法來實現(xiàn)，而過渡的中心則是兩種大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換即f1（B，L）→f2（B，L），由此可以看出大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換可以看作是不同橢球間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的核心部分。

在不同橢球參數(shù)下，對于不同大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換我們采用七參數(shù)法。

1.2 大地坐標(biāo)系與平面投影坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換

在不同橢球參數(shù)下，當(dāng)大地坐標(biāo)系向平面投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時，實際上就是在大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，再完成一步在相同橢球參數(shù)下的大地坐標(biāo)系與平面投影坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換：f1（B，L）→f2（B，L）→f2（X，Y）；而平面投影坐標(biāo)系向大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時，實際上則是先完成在相同橢球參數(shù)下大地坐標(biāo)向平面投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行一次大地坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換：f1（X，Y）→f1（B，L）→f2（B，L） 。

圖3 程序流程圖

1.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模型和轉(zhuǎn)換方法

1.3.1 布爾莎模型

如圖1所示，兩空間直角坐標(biāo)系為OS-XSYSZS和OT-XTYTZT。圖中r0為OT相對于OS的位置向量，εx、εy、εz為三個軸不平行而產(chǎn)生的歐勒角，m為尺度比不一致而產(chǎn)生的尺度比改正。

由圖1可得：

式（1-1）就是布爾莎轉(zhuǎn)換模型。

圖3 單點轉(zhuǎn)換（主界面）

圖4 選擇投影方式

圖5 分帶和中央經(jīng)線設(shè)置

1.3.2 七參數(shù)法

當(dāng)兩個空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換既有旋轉(zhuǎn)又有平移時，則存在三個平移參數(shù)和三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)，再顧及兩個坐標(biāo)系尺度不盡一致，從而還有一個尺度變化參數(shù)，共計有七個參數(shù)。相應(yīng)的坐標(biāo)變換公式為：

上式為兩個不同空間直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換模型，其中含有7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，為了求得7個轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少需要3個公共點，當(dāng)多于3個公共點時，可按最小二乘法求得個參數(shù)的最或是值。

對于不同大地坐標(biāo)系的換算，除包含三個平移參數(shù)、三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個尺度變化參數(shù)外，還包括兩個地球橢球元素變化參數(shù)。

1.4 地理坐標(biāo)與平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

1.4.1 高斯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

高斯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分為正算和反算。

下面分別介紹：

1）高斯正算：由（B，L）→（x，y）

2）高斯反算：（x，y）→（B，L）

1.4.2 UTM投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1）UTM正算[7]

UTM正算公式：（B，L）→（X，Y），原點緯度0，中央經(jīng)度L0。

2）UTM反算[7]

UTM投影反算公式：（X，Y）→（B，L），原點緯度0，中央經(jīng)度L0。具體公式參考文獻(xiàn)[7]。

2 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件的實現(xiàn)

為了提高軟件的交互性和實用性，本軟件應(yīng)用面向?qū)ο箝_發(fā)語言VB6.0來實現(xiàn)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法和模型采用7參數(shù)法和布爾莎（Boolsa）模型。

2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件詳細(xì)說明

2.1.1 程序流程圖

本程序流程比較簡單，流程圖如圖3所示。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件單點轉(zhuǎn)換批量轉(zhuǎn)換同一橢球基準(zhǔn)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換不同橢球基準(zhǔn)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換高斯投影UTM投影已知點個數(shù)（≥3）計算七參數(shù)七參數(shù)轉(zhuǎn)換選擇原始坐標(biāo)系，目標(biāo)坐標(biāo)系并設(shè)置中央經(jīng)線和分帶。輸入原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換輸出目標(biāo)數(shù)據(jù)

2.1.2 程序功能實現(xiàn)介紹

下面按程序的功能操作流程分界面逐個介紹。

（1） 單點轉(zhuǎn)換

單點轉(zhuǎn)換界面（如圖3）可分為6個不同區(qū)域，首先最上面是菜單欄，菜單欄包括文件、投影設(shè)置、計算七參數(shù)、顯示設(shè)置七參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等菜單。菜單欄下面是用來設(shè)置原始坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)類型的區(qū)域，可對原始坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)類型進(jìn)行設(shè)置。并且可以選擇輸入大地坐標(biāo)的數(shù)據(jù)格式，大地坐標(biāo)的輸入格式有3種分別為：①度：分：秒；②度：分；③度。在該區(qū)域輸入源坐標(biāo)和輸出轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)；再往下是顯示區(qū)域，在該文本內(nèi)可以顯示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，如左側(cè)點的空間直角坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換后的空間直角坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換后的大地坐標(biāo)；最下邊是顯示時間和日期的區(qū)域。

（2）投影設(shè)置

投影設(shè)置菜單下包括三個子菜單，分別是選擇投影方式菜單、分帶設(shè)置菜單、中央經(jīng)線設(shè)置菜單。如圖4所示，選擇投影方式界面比較簡單主要分兩個區(qū)域，左邊部分是用來選擇所要使用的投影方式，包括高斯投影和UTM投影；右邊是用來確定選擇的按鈕。如圖2-4所示，分帶和中央經(jīng)線設(shè)置界面也比較簡單，左邊用來設(shè)置要轉(zhuǎn)換的坐標(biāo)是按3度還是按6度帶投影；右邊部分是供在高斯正反算時輸入投影帶的中央子午線，其輸入格式是按度分秒一次用冒號“∶”隔開。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計和優(yōu)化

2.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件的設(shè)計

該軟件總共由10個模塊和6個窗體成，10個模塊分別為高斯反算模塊、高斯正算模塊、七參數(shù)求取模塊、矩陣計算模塊、變量類型定義模塊、帶號判斷模塊、BLH到XYZ模塊、XYZ到BLH模塊、設(shè)置顯示模塊和度分秒_弧度模塊。6個窗體分別為主窗體、七參數(shù)計算窗體、投影設(shè)置窗體、數(shù)據(jù)顯示窗體、七參數(shù)設(shè)置窗體等。這6個窗體在上面的功能介紹中已經(jīng)涉及到，限于篇幅不再進(jìn)行詳述。

2.2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件的優(yōu)化

（1）為了提高運算速度，在程序設(shè)計中，用計算出來的多項式的值直接來代替多項式。

（2）針對要求精度省略適當(dāng)?shù)亩囗検健?/p>

（3）三角函數(shù)優(yōu)化法，對于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中大量的三角函數(shù)計算采用的方法是：先把所需要三角函數(shù)的值計算出來，以數(shù)組的形式存儲，然后根據(jù)需要調(diào)用。

[1]李春燕，王家海，鄭艷.通用地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換類設(shè)計與實現(xiàn)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，25：66-68.

[2] 趙長勝，喬仰文，張貴元.空間直角坐標(biāo)向高斯平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時精度轉(zhuǎn)換公式及其應(yīng)用[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1996，15（03）：299-303.

[3]曹先華.兩種不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換[J].施工技術(shù)研究與應(yīng)用，2002，06：53-54.

P208 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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