張濤 外力 李小勇 楊光

（1.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鐵路局，河南 鄭州 450052；3.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州450003）

數(shù)字正射影像圖向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的原理和方法

張濤1外力2李小勇3楊光1

（1.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450002；2.鄭州鐵路局，河南 鄭州 450052；3.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南鄭州450003）

主要介紹橢球間七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法實(shí)現(xiàn)，并通過自主開發(fā)軟件以實(shí)際的轉(zhuǎn)換案例詳細(xì)地介紹數(shù)字正射影像圖向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法流程。

橢球間七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；數(shù)字正射影像；DOM ；2000國家大地坐標(biāo)系；坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

1 背景

中國于上世紀(jì)50年代和80年代分別建立了1954北京坐標(biāo)系和1980西安坐標(biāo)系。1954北京坐標(biāo)系[1]和1980西安坐標(biāo)系均屬于參心坐標(biāo)系統(tǒng)[2]。但是參照國際通行做法，采用地心坐標(biāo)系統(tǒng)，可以更好地闡明地球上各種地理和物理現(xiàn)象, 特別是描述空間物體的運(yùn)動(dòng)。2008年3月，中國國土資源部正式上報(bào)國務(wù)院《關(guān)于中國采用2000國家大地坐標(biāo)系的請(qǐng)示》，于2008年4月獲得國務(wù)院批準(zhǔn)。自2008年7月1日起，中國將全面啟用2000國家大地坐標(biāo)系，2000國家大地坐標(biāo)系即為地心坐標(biāo)系[3]。

依據(jù)《國土資源部 國家測(cè)繪地理信息局關(guān)于加快使用2000國家大地坐標(biāo)系的通知》要求，國土資源系統(tǒng)將于2018年6月底前，完成省級(jí)、市縣級(jí)國土資源主管部門所屬存量數(shù)據(jù)向2000國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換工作，采用相對(duì)獨(dú)立平面坐標(biāo)系的與2000國家大地坐標(biāo)系建立有效聯(lián)系；2018年7月1日起，各級(jí)國土資源主管部門之間的數(shù)據(jù)上傳、下發(fā)等全面采用2000國家大地坐標(biāo)系。

面對(duì)數(shù)字正射影像圖成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的實(shí)際工作需求，目前可以采用現(xiàn)有的ERDAS、ARCGIS、GlobalMapper等國外商業(yè)軟件來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文將另辟途徑介紹一種通過自主開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字正射影像圖成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的原理和方法。

2 算法過程

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)公式涉及同橢球下高斯正反算[4]和橢球間七參數(shù)轉(zhuǎn)換[5]。高斯正反算比較常規(guī)，本文不作贅述。橢球間七參數(shù)轉(zhuǎn)換將作為本文的核心算法進(jìn)行闡述。數(shù)字影像采樣插值算法采用經(jīng)典的雙線性內(nèi)插算法，也不再作詳細(xì)說明。

橢球間七參數(shù)轉(zhuǎn)換算法流程：以某一目標(biāo)點(diǎn)A，中央子午線114度，西安80坐標(biāo)高斯投影坐標(biāo)X80、Y80、Z80轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)2000國家大地坐標(biāo)系目標(biāo)點(diǎn)B，中央子午線114度，高斯投影坐標(biāo)X2000、Y2000、Z2000為例按照以下算法流程進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)流程框圖如圖1所示。

（1）通過高斯反算將西安80源投影坐標(biāo)X80、Y80、Z80轉(zhuǎn)換為西安 80橢球經(jīng)緯度 B80、L80、H80；

（2）將西安80橢球經(jīng)緯度B80、L80、H80轉(zhuǎn)換為80橢球空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)X、Y、Z；

（3）將80橢球空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)X、Y、Z通過平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，七參數(shù)轉(zhuǎn)化為2000橢球空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)X、Y、Z；

圖1 實(shí)現(xiàn)的流程框圖

（4）將2000橢球空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)X、Y、Z轉(zhuǎn)換為2000橢球下經(jīng)緯度坐標(biāo)B2000、L2000、H2000；

（5）通過高斯正算將2000橢球下經(jīng)緯度坐標(biāo)B2000、L2000、H2000轉(zhuǎn)換為目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)2000國家大地坐標(biāo)系投影坐標(biāo) X2000、Y2000、Z2000。

3 自主開發(fā)軟件介紹和轉(zhuǎn)換案例

3.1 自主開發(fā)軟件主界面

自主軟件基于VC++6.0、OPENCV和GDAL/OGR開發(fā)，影像的讀取、存儲(chǔ)方面，Erdas imagine格式采用GDAL庫，TIF、BMP、JPG、PNG影像格式采用OPENCV庫，數(shù)值計(jì)算和影像重采樣處理等專業(yè)影像處理算法為提高處理效率和兼容性均采用底層開發(fā)[4]。軟件主界面如圖2所示。

圖2 開發(fā)程序的主界面

3.2 軟件功能介紹

軟件能夠?qū)?*.jpg *.bmp *.tif *.img)格式數(shù)字正射影像，（*.shp）shapefile格式數(shù)字線劃圖，(*.las)格式激光點(diǎn)云，(*.dem)格式數(shù)字高程模型，（*.txt）明碼格式控制點(diǎn)進(jìn)行批量坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換包括：

（1）支持同橢球（克拉索夫橢球，IAG75橢球，WGS84，CGCS2000橢球以及自定義橢球）高斯克呂格、UTM、蘭勃特投影方式下自定義中央子午線的地理坐標(biāo)和投影坐標(biāo)互轉(zhuǎn)換；

（2）支持不同橢球間三維七參數(shù)轉(zhuǎn)換；

（3）支持不同橢球間二維七參數(shù)平面轉(zhuǎn)換和高程geoid 轉(zhuǎn)換[6]。

3.3 DOM坐標(biāo)轉(zhuǎn)換案例

實(shí)際工程案例：將1∶1000大比例尺正射影像成果，從西安80坐標(biāo)系統(tǒng)，高斯克呂格投影，中央子午線114度，轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，高斯克呂格投影，中央子午線113.5度成果。

（1）點(diǎn)擊3.1主界面中“數(shù)字正射影像”按鈕，彈出界面如圖3所示。

圖3 數(shù)字影像批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換界面

瀏覽選擇設(shè)置轉(zhuǎn)換前影像路徑和轉(zhuǎn)換后影像存儲(chǔ)路徑。

（2）點(diǎn)擊上一步驟“轉(zhuǎn)換”按鈕，彈出圖4界面。

設(shè)置轉(zhuǎn)換后影像成果的地面分辨率（可以升采樣和降采樣）[7]；設(shè)置轉(zhuǎn)換后空白區(qū)填充顏色；設(shè)置允許填漏的窗口尺寸以及濾波的方式。

（3）點(diǎn)擊上一步驟“確定”按鈕，彈出圖5界面。設(shè)置轉(zhuǎn)換影像對(duì)象源坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)。

圖4 數(shù)字正射影像轉(zhuǎn)換后參數(shù)設(shè)置界面

圖5 源坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置界面

（4）點(diǎn)擊上一步驟“接受設(shè)置”按鈕，彈出界面如圖6所示。

設(shè)置轉(zhuǎn)換影像對(duì)象目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)。

（5）點(diǎn)擊上一步驟“接受設(shè)置”按鈕，彈出界面如圖7所示。

圖6 目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置界面

圖7 高程轉(zhuǎn)換方式設(shè)置界面

設(shè)置高程轉(zhuǎn)換所采用的方式（三維轉(zhuǎn)換，二維轉(zhuǎn)換，二維轉(zhuǎn)換和高程異常模型改正）。

（6）點(diǎn)擊上一步驟“接受設(shè)置”按鈕，彈出界面如圖8所示。

圖8 跨橢球間轉(zhuǎn)換七參數(shù)設(shè)置界面

設(shè)置橢球間轉(zhuǎn)換的七參數(shù)（由測(cè)區(qū)至少4對(duì)實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)對(duì)解算而來）[8]。

（7）點(diǎn)擊上一步驟“接受設(shè)置”按鈕，程序自動(dòng)運(yùn)行直至全部影像對(duì)象處理完畢。

3.4 數(shù)字正射影像成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的效果

數(shù)字正射影像成果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效果如圖9、圖10所示。

圖9 左為源DOM，右為目標(biāo)DOM（坐標(biāo)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的空白由紅色填充）

圖10 左為源DOM定向文件，右為目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)下定向文件

4 結(jié)束語

本文主要講述通過自主開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字正射影像圖成果向2000國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的原理和方法。重點(diǎn)介紹了不同橢球之間七參數(shù)轉(zhuǎn)換的算法過程，并通過DOM西安80坐標(biāo)向2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的實(shí)踐案例詳細(xì)介紹了自主開發(fā)軟件的使用方法和過程。自主掌握技術(shù)核心，為多種地理信息產(chǎn)品的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換提供了完整的工作流程和軟件解決方案。開發(fā)的軟件界面友好，算法穩(wěn)健，數(shù)據(jù)對(duì)象與主流GIS軟件無縫對(duì)接兼容，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]董鴻聞．1954年北京坐標(biāo)系的歷史注釋[J]．東北測(cè)繪，2001(2)：16-17，23．

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[3]寧津生，王華，程鵬飛，等．2000國家大地坐標(biāo)系框架體系建設(shè)及其進(jìn)展[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2015(5)：569-573．

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張濤（1983—），男，漢族，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事攝影測(cè)量與遙感技術(shù)的工程應(yīng)用與開發(fā)。E-mail:handsup123@163.com