張濤,勞潔英,常永青,王慶(．南京市規(guī)劃局,江蘇南京 009; ．滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)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(qū)域非解析空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)無縫轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

張濤1?,勞潔英2,常永青1,王慶3
(1．南京市規(guī)劃局,江蘇南京 210029; 2．滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)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(xiàn)有大區(qū)域非解析空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法主要缺陷的基礎(chǔ)上,研究建立了以地理經(jīng)緯網(wǎng)線為基本約束,以大地線長度為權(quán)重因子的分區(qū)無縫空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型。實驗測試表明,基于不同大小的經(jīng)緯網(wǎng)格約束,該模型不僅能滿足不同尺度空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度,而且避免了在不同轉(zhuǎn)換區(qū)域邊界處的空間數(shù)據(jù)二次接邊,具有較好的實用性。

關(guān)鍵詞:坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;經(jīng)緯網(wǎng)約束;空間數(shù)據(jù);大區(qū)域

1 引 言

在以信息技術(shù)為代表的當(dāng)代新技術(shù)革命中,人們用前所未有的能力去獲取關(guān)于地球和人類社會的巨量信息,例如數(shù)字地球、數(shù)字國家、數(shù)字城市等建設(shè)。在這個過程中,大區(qū)域的自然資源與地理空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與管理,已成為各個地方空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要任務(wù)。因此,實際應(yīng)用中會經(jīng)常面臨大量的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作,且他們之間沒有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)解析關(guān)系,這使得空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換已成為多源空間數(shù)據(jù)集成和測繪生產(chǎn)等過程中經(jīng)常發(fā)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(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注,研究重點是非解析變換模型?，F(xiàn)有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法仍然存在兩個比較突出的問題:一是當(dāng)前的研究大多數(shù)集中在小區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,在大區(qū)域坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程中,傳統(tǒng)的投影分帶方法將大區(qū)域投影到平面上產(chǎn)生的變形太大,轉(zhuǎn)換精度不能有效保證。二是利用圖幅網(wǎng)格約束的球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(qū)域數(shù)據(jù)當(dāng)成一個圖幅來處理,整個圖幅變換后不會出現(xiàn)邊界不一致需要拼接的問題,但是很顯然圖幅內(nèi)部轉(zhuǎn)換精度達(dá)不到要求;如果將大區(qū)域內(nèi)的每個圖幅單獨進(jìn)行坐標(biāo)變換,各個圖幅的轉(zhuǎn)換精度能夠達(dá)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(tǒng)的方法不能完成大區(qū)域非解析空間坐標(biāo)的無縫轉(zhuǎn)換問題,本文借鑒逐格網(wǎng)轉(zhuǎn)換思想,構(gòu)建以球面為基準(zhǔn),以圖幅網(wǎng)格為約束,以球面距離為加權(quán)因子的大區(qū)域非解析空間坐標(biāo)快速轉(zhuǎn)換新方法,以期實現(xiàn)大區(qū)域空間坐標(biāo)全覆蓋、無重疊、無縫隙、高精度、高效率的轉(zhuǎn)換。

2 圖幅格網(wǎng)約束坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

逐圖幅格網(wǎng)約束的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本思想是,首先是在整個大區(qū)域內(nèi),依據(jù)不同比例尺要求,按照一定的圖幅間隔,將整個大區(qū)域數(shù)據(jù)劃分為小的圖幅格網(wǎng)單元,然后對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行逐經(jīng)圖幅網(wǎng)糾正。對具體的任意數(shù)據(jù)點來說,以該點所在圖幅格網(wǎng)的格網(wǎng)點作為控制點,采用球面距離加權(quán)的方法進(jìn)行加權(quán)求和轉(zhuǎn)換。所謂球面距離加權(quán)是以數(shù)據(jù)點和圖幅網(wǎng)交點構(gòu)成的區(qū)域的兩條邊線長度為加權(quán)因子,分別將對應(yīng)格網(wǎng)點的權(quán)重和改正量相乘再求和,則為數(shù)據(jù)點的改正量。具體實現(xiàn)如圖1所示:

圖1　基于經(jīng)緯網(wǎng)約束的空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換示意圖

對于圖幅格網(wǎng)內(nèi)任意一個點P(B,L)或P(X,Y),其改正量(△B,△L)或(△X,△Y)應(yīng)該與四個格網(wǎng)點改正量以及權(quán)重相關(guān)。每個格網(wǎng)點對應(yīng)的權(quán)重為P點的坐標(biāo)與格網(wǎng)點構(gòu)成的區(qū)域邊線長度相乘。假設(shè)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(dāng)點P位于經(jīng)緯(圖幅)格網(wǎng)點P2上時,D1= 0, D2= 0,△B=△B2,△L=△L2。所以,點P位于格網(wǎng)點Pi時,改正量只與該點有關(guān);

當(dāng)點P位于經(jīng)緯(圖幅)格網(wǎng)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(wǎng)點P2,P3所控制,其權(quán)重比值可簡化為D3:D1。因此,對于相鄰經(jīng)緯(圖幅)格網(wǎng)來說,其格網(wǎng)的變換不受其他要素所影響,變換之后能夠保證格網(wǎng)完全重合。

3 逐圖幅格網(wǎng)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程

(1)圖幅網(wǎng)的布設(shè)。在不同的比例尺下,按照圖幅(一定的經(jīng)差和緯差)完成圖幅網(wǎng)的布設(shè),每個格網(wǎng)點記錄當(dāng)前坐標(biāo)值和待轉(zhuǎn)換目標(biāo)坐標(biāo)值。這樣,格網(wǎng)點的變換改正值就為待轉(zhuǎn)換目標(biāo)坐標(biāo)值與當(dāng)前坐標(biāo)值之差。

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

①格網(wǎng)行列號的計算:如圖2所示,設(shè)經(jīng)緯網(wǎng)左下角的坐標(biāo)為P0(B0,L0),P點坐標(biāo)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(jù)P點的行列號可計算出P1(B1,L1)和P2(B2,L2)的坐標(biāo),B1=B0+ (j?3),L1=L0+(i?2),B2=B1+3,L2=L1+2。則P到經(jīng)緯格網(wǎng)四邊的距離D1、D2、D3、D4分別為:π

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

④代入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式計算P點的改正值(△B, △L)。

(3)應(yīng)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(biāo)系成果轉(zhuǎn)換的項目中,成果經(jīng)過外業(yè)檢測,成果質(zhì)量滿足技術(shù)設(shè)計要求,并通過南京市規(guī)劃局組織的專家驗收,達(dá)到了項目預(yù)定的目標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

(1)研究表明,該模型在精度、效率及轉(zhuǎn)換結(jié)果等方面,均能較好滿足不具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)解析關(guān)系的大區(qū)域空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)得要求。尤其當(dāng)前我國在不斷完善和發(fā)展空間坐標(biāo)系統(tǒng),對實現(xiàn)高精度、高效率的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換具有良好的應(yīng)用性。

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

(3)本文中構(gòu)建的模型是基于標(biāo)準(zhǔn)地形圖進(jìn)行分幅,其每個圖幅是面積不等的規(guī)則圖形。如果進(jìn)行面積相等或圖形不規(guī)則區(qū)域的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(xiàn)標(biāo)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(jiān)測方面的研究。

基金項目:國家自然科學(xué)基金(41174002 )