楊騫

關(guān)于ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法及精度評估研究

楊騫

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，甘肅蘭州 730000）

在構(gòu)建和運用地理信息體系時，常常會需要借助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來完成。在當(dāng)前國內(nèi)的測繪數(shù)據(jù)成果資料中，大部分1∶50000地形圖是采取西安80坐標(biāo)系建立的，還有部分地形圖采用北京54坐標(biāo)系完成的，我國已實現(xiàn)將國家現(xiàn)行的大地坐標(biāo)系向國家2000大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變過程。ArcGIS是建立地理信息體系的主流平臺，在國內(nèi)地理數(shù)據(jù)信息的產(chǎn)出、數(shù)據(jù)庫建立及系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)之中都獲得了廣泛采用，從而形成大量根據(jù)ArcGIS建立的矢量信息數(shù)據(jù)。文中深入分析了ArcGIS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，并且基于ArcGIS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式，針對國內(nèi)常用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對點位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度實施了評估。

ArcGIS；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；精度評估

近年來，伴隨信息技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、空間信息技術(shù)以及地理信息體系等技術(shù)的不斷發(fā)展與逐漸完善，國內(nèi)外針對地理信息體系的開發(fā)和應(yīng)用均已邁進入了新的發(fā)展階段。當(dāng)前，隨著地理信息數(shù)據(jù)的作用越發(fā)重要，各個行業(yè)對于地理信息數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間與精確度也都提出了越來越高的需求。而圖像圖形數(shù)據(jù)處理是地理信息數(shù)據(jù)之中最重要的一部分，把地理坐標(biāo)向平面體系中進行映射，則必須要利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來完成。以往常用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式精確度較低，且轉(zhuǎn)化的誤差也較大。ArcGIS是GIS的主流系統(tǒng)，被廣泛運用于系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)產(chǎn)出及數(shù)據(jù)庫建立之中，產(chǎn)生了基于ArcGIS系統(tǒng)的大量矢量數(shù)據(jù)信息。在當(dāng)前共同存在多類坐標(biāo)系的條件下，利用ArcGIS進行矢量坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的需要越來越多。文中分析了ArcGIS系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，可以達到ArcGIS系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)無損、高效、高精確度的轉(zhuǎn)換效果。

1　坐標(biāo)系分析

若要實施坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，則首先必須要對圖形轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系及目標(biāo)坐標(biāo)系進行了解，且坐標(biāo)系間最主要的差別就在地球橢球參數(shù)與坐標(biāo)投影上，該參數(shù)通常在進行坐標(biāo)系定義時便已給定。

1.1地球橢球參數(shù)分析

在地球測量時，用以表示地球的橢球被稱作地球橢球，一般也可稱為橢球，是數(shù)字形式的地球表示方式。對于幾何參數(shù)特定，且定向、定位的，用來表示某區(qū)域大地水準(zhǔn)面的橢球被稱為參考橢球。地面上所有觀測參數(shù)均應(yīng)被歸算于參考橢球上，同時在該面上開展計算分析過程。參考橢球面為計算測量大地的基準(zhǔn)面，并且也是地球形狀與地圖投影研究的參考面，通常坐標(biāo)體系不同，其所具備的橢球參數(shù)也會不同（表1中所示）。

表1　不同的坐標(biāo)系統(tǒng)的橢球參數(shù)表

1.2坐標(biāo)投影

一般來說，大地橢球體表面為曲面，所以，為了可以把不能展開的曲面繪制到平面上，通常需要采取某種數(shù)學(xué)方法以對平面坐標(biāo)和地理坐標(biāo)間關(guān)系進行確定。在平面與曲面間創(chuàng)建點點之間的函數(shù)表達式的方法即被稱作是地圖投影。投影實際上就是把大地橢球面內(nèi)各經(jīng)緯度上的點坐標(biāo)，根據(jù)特定數(shù)學(xué)關(guān)系向平面對應(yīng)的坐標(biāo)上進行轉(zhuǎn)換。當(dāng)前國內(nèi)采用的西安80、北京54坐標(biāo)體系都是利用Gauss-Kruger投影方式。我國地處地球北半部，為防止Y坐標(biāo)線產(chǎn)生負(fù)值，因此規(guī)定X軸西移500km，如此所有的坐標(biāo)均呈現(xiàn)為正值。

2　ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法

ArcGIS地理對照解決措施是把空間數(shù)據(jù)與坐標(biāo)系進行分開儲存，因此在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)時，不但需要對地理參照系進行定義，還應(yīng)了解空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理形式。通常而言，ArcGIS包括兩套坐標(biāo)體系，分別為投影坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系。后者是以經(jīng)緯度對橢球或球表面上的點位參照系進行定義，前者是以三維、二維點線面等要素位置進行（x，y，z）參照系的定位。同時，在ArcGIS中預(yù)裝了全球數(shù)百類地理參照系，這里國內(nèi)常會用到的包括北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系及2000大地坐標(biāo)系等。此外，在這基礎(chǔ)之上，ArcGIS也包括有動態(tài)轉(zhuǎn)換、靜態(tài)轉(zhuǎn)換與即時轉(zhuǎn)換這三類轉(zhuǎn)換形式（如表2中所示）。

表2　ArcGIS3種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式的比較

由上可得，ArcGIS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，不論地理參照系的定義，或是地理空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換形式，均存有較為顯著的區(qū)別。對于ArcGIS空間坐標(biāo)完成轉(zhuǎn)換的原理若無法做到深刻了解，則無法避免該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式被錯誤使用的可能性。

3　ArcGIS中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在ArcGIS系統(tǒng)中，全部數(shù)據(jù)均是通過圖層方式進行儲存的，所以在實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中，也必須依據(jù)圖層形式，即按照每個圖層實施轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)前，還應(yīng)該定義總體工程和單個圖層的坐標(biāo)體系，并且對坐標(biāo)投影也應(yīng)進行定義。

3.1坐標(biāo)系的定義

在通過ArcGIS進行地圖的編制時，通常會產(chǎn)生多層數(shù)據(jù)，包括點、面、線等相關(guān)數(shù)據(jù)。在定義時，先應(yīng)對總體工程的坐標(biāo)系統(tǒng)開展，點開Data Frame Property選項卡之中的CoordinateSystem項，接著定義該工程所在處的坐標(biāo)體系。ArcGIS中帶著很多已完成定義過程的坐標(biāo)體系，包括：西安80、北京54、WGS-84等，并且對于西安80、北京54坐標(biāo)系定義根據(jù)3°帶與6°帶展開劃分，僅需按照工程所在處范圍實施選取。若是獨立的地方性坐標(biāo)體系，則需定義此坐標(biāo)系，選新建選項展開設(shè)置。在實現(xiàn)以上坐標(biāo)系的定義后，可以觀察到圖形之中坐標(biāo)顯出單位：degree或meter，然而此定義只是定義了工程的坐標(biāo)系統(tǒng)，對于各圖層并未產(chǎn)生影響，這個結(jié)果可利用查看各圖層Source選項卡得知（如圖1中所示）。

圖1　圖層屬性

進行任何圖層坐標(biāo)系的定義都可利用工具箱ArcToolbox來展開。在DataManagementTools工具欄中，有個工具ProjectionsandTransformations，可選用此工具中DefineProjection選項以定義圖層坐標(biāo)系。

3.2轉(zhuǎn)換參數(shù)的建立

坐標(biāo)體系間轉(zhuǎn)換主要包含在不同空間直角坐標(biāo)體系間轉(zhuǎn)換，在地球坐標(biāo)體系和空間直角坐標(biāo)間轉(zhuǎn)換，以及在高斯平面坐標(biāo)體系與大地坐標(biāo)體系間轉(zhuǎn)換等。ArcGIS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法包括七參數(shù)法和三參數(shù)法等。在定義轉(zhuǎn)換參數(shù)前，應(yīng)對需要進行區(qū)域轉(zhuǎn)換的參數(shù)展開計算。

3.3幾類坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換辦法

對于不同種類、大小和格式的數(shù)據(jù)，在ArcGIS之中所對應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式也各不相同。在ArcGIS的自帶Toolbox內(nèi)對于不同的數(shù)據(jù)坐標(biāo)體系，提供出兩個不同的轉(zhuǎn)換工具，即ProjectRaster和Project。

1）矢量圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。ArcGIS對于shp格式數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)類型所設(shè)置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法為通過Toolbox工具箱中Project選項進行（轉(zhuǎn)換方式如圖2所示）。

圖2　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的流程圖

2）影像圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在測繪時所用影像圖大多是正射影像圖（DOM）。此處既有整幅拼接數(shù)據(jù)，也存在分幅數(shù)據(jù)。在對DOM實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，通常在DOM建立中便已完成，如需在應(yīng)用DOM中開展坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，則對于不同的數(shù)據(jù)量大小能用兩類方式：DOM分幅，對于小數(shù)據(jù)量，可以選擇Toolbox中Project Raster來實施轉(zhuǎn)換，且在轉(zhuǎn)換時要和矢量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換相一致。完成拼接后的DOM數(shù)據(jù)，一般數(shù)據(jù)量很大。此時，選擇ProjectRaster工具實施轉(zhuǎn)換會造成系統(tǒng)崩潰，因此，可以采取數(shù)據(jù)輸出形式以轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。如將西安80轉(zhuǎn)換成北京54，做法包括：先定義DOM的坐標(biāo)系為西安80，之后再對Transformation的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行定義，然后利用結(jié)果輸出便能得出所需的北京54坐標(biāo)系DOM數(shù)據(jù)信息。該法最大可處理的影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能達到30G。

4　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度評估

為了評估坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度質(zhì)量，在某區(qū)域選擇15個控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，已知它的精準(zhǔn)西安80坐標(biāo)信息，根據(jù)以上方法以對此點的圖層實施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。先采取七參數(shù)法來計算出該區(qū)域的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)參數(shù)，獲得坐標(biāo)的3個轉(zhuǎn)動分量、3個偏移量以及1個尺度因子這七參數(shù)，針對ArcGIS中的圖層坐標(biāo)體系設(shè)置其轉(zhuǎn)換形式。由西安80坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成北京54坐標(biāo)，可得最終的數(shù)據(jù)精度（如表3中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)），表內(nèi)數(shù)據(jù)單位是米。

表3　利用ArcGIS轉(zhuǎn)換坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度表

由上表可看到，通過ArcGIS軟件對坐標(biāo)系按照七參數(shù)法進行轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)精確度可以達到地形圖的精確度需要?，F(xiàn)分析引起ArcGIS轉(zhuǎn)換坐標(biāo)誤差的因素為：北京54坐標(biāo)系和西安80坐標(biāo)系都屬于參心坐標(biāo)系，但是在定義地理坐標(biāo)體系時也存在差異；ArcGIS地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理存在差別，然而ArcGIS并未向外部公布該轉(zhuǎn)換的原理；因轉(zhuǎn)換空間坐標(biāo)參數(shù)有著時空上的制約，因此計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時的誤差也會來源于轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的數(shù)據(jù)誤差。

5　結(jié)語

ArcGIS具有不同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換形式，因此，對于控制點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換質(zhì)量的影響會不相同，并且在相同地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法下，由于坐標(biāo)系選取不同，其轉(zhuǎn)換的精度也將不同。文中基于具體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換項目，針對實現(xiàn)ArcGIS系統(tǒng)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法展開了分析與研究，并對轉(zhuǎn)換項目中所遇問題開展總結(jié)與探討，從而希望可以為相關(guān)項目技術(shù)人員提供一些經(jīng)驗上的參考。此外，因空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)在進行轉(zhuǎn)換時比較復(fù)雜，所以在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)中，方案完成還必須針對實際數(shù)據(jù)狀況做好完善與改進措施。

［1］ 趙慧慧，葛瑩.ArcGIS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法及其精度評估［J］.地理空間信息.2016（03）.

［2］ 李平，盧立.ArcGIS中幾種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究［J］.城市勘測.2012（01）.

［3］ 周衛(wèi)，張彥彥，龍毅.圖形坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法與實現(xiàn)［J］.地球信息科學(xué).2007（02）.

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