劉君臣,馮妍,楊玉忠,黃勇
(天津市測(cè)繪院,天津 300381)
本研究針對(duì)目前新疆測(cè)繪檔案資料館空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)中存在的效率低、工作量大等問(wèn)題,探索一種自動(dòng)化的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高效率的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可完成空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及輸出;坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算、查詢、入庫(kù);坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果的查詢輸出;控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果的查詢、輸出;圖幅號(hào)計(jì)算以及新舊圖號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換等工作。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作需要參考的資料主要有1∶10 萬(wàn)圖幅結(jié)合表、礦產(chǎn)分區(qū)圖、部分1∶10 萬(wàn)圖幅的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及礦產(chǎn)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。
進(jìn)行不同橢球基準(zhǔn)下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,首先,判斷坐標(biāo)點(diǎn)在1∶10 萬(wàn)圖幅的圖幅號(hào)和礦區(qū)號(hào)。然后,查找該圖幅或礦區(qū)有無(wú)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果,如有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),則將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)復(fù)制到現(xiàn)有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件中,進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置后便可得到轉(zhuǎn)換后的空間坐標(biāo)。接著,利用一個(gè)工具軟件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)文件生成正式的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換文檔,并修改相應(yīng)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(xiàn)在的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行不同基準(zhǔn)下的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,需要現(xiàn)將其反投影變換到大地坐標(biāo),然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得到轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)。在判斷點(diǎn)位所位于的礦區(qū)時(shí),需要打開礦區(qū)圖根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)人為判斷其所在的礦區(qū),如要坐標(biāo)點(diǎn)沒(méi)有同時(shí)位于一個(gè)礦區(qū)或者一個(gè)圖幅中,則需要將其按照礦區(qū)或者圖幅組織成不同的文件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
從以上的工作流程來(lái)看,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的效率是非常低的,既耗時(shí),又容易出錯(cuò)。由于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)比較多,一個(gè)自動(dòng)、快速的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件是非常有必要的。
根據(jù)我國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)及新疆測(cè)繪檔案資料館坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀,本軟件主要實(shí)現(xiàn)基于北京54、西安80、國(guó)家2000、WGS84 等4 種橢球基準(zhǔn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及某一橢球基準(zhǔn)下的投影變換。由坐標(biāo)點(diǎn)位快速提取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是快速、自動(dòng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。本軟件采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)的分析功能判斷坐標(biāo)點(diǎn)所在圖幅或礦區(qū),并在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),進(jìn)而進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。最終,輸出為可直接打印的正式文檔。本軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示:
圖1 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、輸出模塊主要實(shí)現(xiàn)不同橢球基準(zhǔn)之間的坐標(biāo)變換以及相同橢球基準(zhǔn)下投影變換,最終自動(dòng)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果文件的輸出。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式有布爾莎7 參數(shù)、4 參數(shù)、3 參數(shù)轉(zhuǎn)換等方式,空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的流程如圖2 所示:
圖2 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程
本軟件對(duì)于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的需求主要在于通過(guò)點(diǎn)來(lái)判斷該點(diǎn)屬于哪一10 萬(wàn)圖幅或者礦區(qū),對(duì)于判斷點(diǎn)所位于的10 萬(wàn)圖幅號(hào)是可以計(jì)算出來(lái)的,沒(méi)有必要用空間分析功能。但是,不采用空間分析功能來(lái)判斷某一點(diǎn)所位于的礦區(qū)是非常困難的,甚至不可能的。如果采用大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)將是一個(gè)非常大的浪費(fèi),而且安裝部署都比較繁瑣。因此,選擇一個(gè)小型、輕便的空間數(shù)據(jù)庫(kù)是十分必要的。
本軟件選擇了PostgreSQL+ PostGIS。PostgreSQL是目前發(fā)展非常快,應(yīng)用非常廣泛,社區(qū)技術(shù)支持非常好,被譽(yù)為是目前最先進(jìn)的一款開源對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。讓PostgreSQL 更加強(qiáng)大的一面是其空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展PostGIS 的支持。由于有PostGIS 的支持,可以將PostgreSQL 優(yōu)良的特性和強(qiáng)大的功能充分的發(fā)揮在海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理中,為空間數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)提供又一優(yōu)良的解決方案,并且其開源和免費(fèi)的特性更是能夠滿足許多低成本應(yīng)用的需求。PostGIS 可以通過(guò)空間數(shù)據(jù)操作符與空間操作函數(shù)提供強(qiáng)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(fā)語(yǔ)言,大大的增加的開發(fā)的靈活性。
對(duì)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的讀取分為窗體讀取和數(shù)據(jù)庫(kù)讀取,對(duì)于某些臨時(shí)性的轉(zhuǎn)換參數(shù)可以采用窗體輸入或窗體讀取的方式獲得轉(zhuǎn)換參數(shù),而對(duì)于已經(jīng)入庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)圖幅及礦區(qū)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取。關(guān)于從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取坐標(biāo)參數(shù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換詳細(xì)流程如圖3 所示。
圖3 從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取參數(shù)的流程
在不同橢球基準(zhǔn)下的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中,大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是否成功的關(guān)鍵。目前,常用的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型在應(yīng)用范圍、計(jì)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(nèi)部、低緯度地區(qū)、地心或地極附近,不能有效地進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果錯(cuò)誤或不收斂現(xiàn)象。由大地測(cè)量學(xué)得知,由(B、L、H)換算為(x,y,z)稱為正解,可以很簡(jiǎn)單地由本文中的公式組(1)直接得到。對(duì)于由(x,y,z)解算(B、L、H)的反解,乃是國(guó)內(nèi)外大地測(cè)量學(xué)者近二十年來(lái)經(jīng)常討論的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。
本軟件采用了根據(jù)Bowring 研究思路導(dǎo)出的轉(zhuǎn)換公式組(2),這組公式既簡(jiǎn)單又具有很高的計(jì)算精度,能夠滿足本軟件的精度要求。
本軟件的計(jì)算成果主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果。計(jì)算的轉(zhuǎn)換參數(shù)成果既可以為后面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換自動(dòng)提供轉(zhuǎn)換參數(shù),還可供查詢及輸出。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果則可以用于坐標(biāo)成果的查詢、輸出及統(tǒng)計(jì),為其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。成果利用如圖4 所示:
圖4 成果利用
本軟件采用C#語(yǔ)言開發(fā),開發(fā)工具為VS2010,主要引用了Npgsql 類庫(kù),該類庫(kù)為.NET 連接PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的驅(qū)動(dòng)程序。除此之外,作者編寫了GeoTrans、DataBase、Print2Word、Matrix 四個(gè)類庫(kù)。GeoTrans 類庫(kù)封裝了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及參數(shù)計(jì)算等方面的類和接口,Data-Base 類庫(kù)封裝了讀取配置文件連接數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)操作等方法,Print2Word 類庫(kù)封裝了將坐標(biāo)數(shù)據(jù)按照Word 模板輸出到Word 文檔的方法,Matrix 封裝了關(guān)于矩陣的常規(guī)運(yùn)算方法。應(yīng)用程序(App)與類庫(kù)間的組織結(jié)構(gòu)如圖5 所示。
圖5 應(yīng)用程序及類庫(kù)間的組織結(jié)構(gòu)
軟件界面設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)潔,選擇某一個(gè)功能模塊不會(huì)產(chǎn)生新的窗口。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后可以將坐標(biāo)成果輸出為Word 文檔,直接打印即可。除此之外,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的同時(shí)還生成了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換報(bào)告,報(bào)告中對(duì)轉(zhuǎn)換前后的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,得出轉(zhuǎn)換前后的經(jīng)緯度差異。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的界面如圖6 所示。
圖6 空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)
本軟件精度測(cè)試區(qū)域位于新疆伊犁哈沙克自治州,1∶10 萬(wàn)圖幅號(hào)分別為L(zhǎng)-45-008、K-44-008。下面以北京54 坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱54)向西安80 坐標(biāo)系(以下簡(jiǎn)稱80)轉(zhuǎn)換為例,進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度分析。
從以下數(shù)據(jù)表可分析出,x 方向點(diǎn)位中誤差為0.042 418 m,y 方向誤差為0.022 659 m,點(diǎn)位中誤差為0.048 091 m,完全滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)要求的。另外,通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度與控制點(diǎn)的選取有很大的關(guān)系,控制點(diǎn)精度高且均勻分布,計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)則更準(zhǔn)確,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度則更高。
該軟件的操作符合新疆測(cè)繪檔案資料館坐標(biāo)轉(zhuǎn)換作業(yè)流程,操作方便、簡(jiǎn)單,快捷,能很好滿足坐標(biāo)轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)的需求??臻g坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及成果管理系統(tǒng)能夠進(jìn)行高效、自動(dòng)化的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,把工作人員從繁重的重復(fù)工作中解脫出來(lái); 能夠?qū)v史的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成果進(jìn)行快速檢索、輸出;能夠?qū)刂泣c(diǎn)轉(zhuǎn)換參數(shù)成果進(jìn)行計(jì)算、查詢、入庫(kù)及維護(hù)更新??傊?,該軟件不僅可以提高工作人員的效率,提升服務(wù)能力,而且能在自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)信息化中發(fā)揮重要作用,能更好地服務(wù)于各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。
54 至80 轉(zhuǎn)換驗(yàn)證點(diǎn)精度分析 表1
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