張云飛 趙紫鋒

（1.河南省地圖院，河南 鄭州 450003；2.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003）

1 概述

2O世紀5O年代和80年代，我國分別建立了1954北京坐標系和1980西安坐標系，兩者均是以參考橢球中心為原點的坐標系(簡稱參心坐標系)，測制了各種比例尺地形圖。1954北京坐標系采用的是克拉索夫斯基橢球體，該橢球在計算和定位過程中，沒有采用中國的數(shù)據(jù)，在中國范圍內(nèi)符合得不好，不能滿足高精度定位以及地球科學、空間科學和戰(zhàn)略武器發(fā)展的需要[1]。20世紀70年代，我國的大地測量工作者完成了全國一、二等天文大地網(wǎng)的布測。經(jīng)過整體平差，采用1975年IUGG第十六屆大會推薦的參考橢球參數(shù)，我國建立了1980西安坐標系，該坐標系在我國經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)和科學研究中發(fā)揮了巨大作用。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國民經(jīng)濟建設(shè)、國防建設(shè)、科學研究等對坐標系提出了新的要求。地心坐標系是以地球質(zhì)心為原點建立的空間直角坐標系，有利于采用現(xiàn)代空間技術(shù)對坐標系進行維護和快速更新，測定高精度大地控制點三維坐標，提高測圖工作效率，于是我國采用了2000國家大地坐標系。2000國家大地坐標系是全球地心坐標系在我國的具體體現(xiàn)，其原點為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心。z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議極地方向（BIH國際時間局），x軸指向BIH1984.0定義的零子午面與協(xié)議赤道的交點，y軸按右手坐標系確定[2]。

1954北京坐標系、1980西安坐標系和2000國家大地坐標系曾共同使用，但這三種坐標系參考橢球、高程基準不統(tǒng)一，導致行業(yè)間、部門間地理信息空間數(shù)據(jù)無法直接對接，形成信息孤島。因此，國務(wù)院要求，自2018年7月1日起，我國全面使用2000國家大地坐標系，2018年6月底前全面完成2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換工作。

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)庫建設(shè)中，產(chǎn)生了基于ArcGIS系統(tǒng)的大量矢量數(shù)據(jù)信息。本文在實際工程應(yīng)用中，研究了如何利用ArcGIS軟件，快速準確地將矢量數(shù)據(jù)從其他坐標系轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標系。

2 ArcGIS坐標轉(zhuǎn)換方法

ArcGIS有七參數(shù)法和空間校正法兩種方法實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換。

2.1 七參數(shù)法

任意兩種空間直角坐標系都可以通過一定的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放進行互相轉(zhuǎn)換[3]，轉(zhuǎn)換模型如下：

式中?x、?y、?z為x軸、y軸、z軸上的平移量，ωx、ωy、ωz為x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)量，m為縮放量。轉(zhuǎn)換模型共有7個參數(shù)，因此稱為七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。當工程范圍較小時，可以不考慮旋轉(zhuǎn)和縮放，只考慮3個平移參數(shù)，即三參數(shù)轉(zhuǎn)換模型。三參數(shù)模型是七參數(shù)模型的特殊情況。ArcGIS提供多種基于三參數(shù)和七參數(shù)的變換方法。

ArcGIS系統(tǒng)可以通過轉(zhuǎn)換參數(shù)對矢量數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換，但是沒有轉(zhuǎn)換參數(shù)計算功能，坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)需在其他專業(yè)軟件中求取。ArcGIS系統(tǒng)實現(xiàn)七參數(shù)轉(zhuǎn)換步驟如下：

（1）選取控制點：選取源坐標系和目標坐標系的同名控制點，控制點要覆蓋整個工程范圍，且均勻分布。

（2）利用控制點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)：將控制點數(shù)據(jù)導入COORD GM軟件中計算七參數(shù),如圖1所示。

（3）創(chuàng)建自定義坐標變換：設(shè)置地理變換名稱，輸入地理坐標系設(shè)置為源坐標系的地理坐標系，輸出地理坐標系設(shè)置為目標投影的地理坐標系，選擇自定義地理變換方法，在相應(yīng)的位置填入步驟（2）計算的轉(zhuǎn)換參數(shù)，如圖2所示。

圖1 COORD GM軟件中計算七參數(shù)

圖2 使用ArcGIS創(chuàng)建自定義坐標變換

（4）使用創(chuàng)建的坐標變換對數(shù)據(jù)進行投影變換，如圖3所示。

圖3 使用創(chuàng)建的坐標變換對數(shù)據(jù)進行投影變換

2.2 空間校正

ArcGIS空間校正工具可提供用于對齊和整合數(shù)據(jù)的交互式方式?？臻g校正支持多種校正方法，可校正所有可編輯的數(shù)據(jù)源。它通常用于已從其他源導入數(shù)據(jù)的場合。可執(zhí)行的一些任務(wù)包括：將數(shù)據(jù)從一個坐標系轉(zhuǎn)換到另一個坐標系中；糾正幾何變形；將沿著某一圖層的邊的要素與鄰接圖層的要素對齊；以及在圖層之間復(fù)制屬性。

利用空間校正工具實現(xiàn)坐標變換的步驟如下：

（1）動態(tài)投影：加載范圍區(qū)內(nèi)空間參考為目標投影的矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)框空間參考設(shè)置為目標投影，再導入空間參考為其他坐標系的矢量文件。

（2）建立源坐標系到目標坐標系的一對一的鏈接文件，如圖4所示。

圖4 使用空間校正對數(shù)據(jù)進行坐標變換

（3）選擇校正方法對源坐標系矢量數(shù)據(jù)進行空間校正。

（4）將校正后的矢量文件空間參考定義為目標投影。

3 兩種方法的比較

七參數(shù)法和空間校正法均能實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)在不同坐標系下無損、高效、高精確度的轉(zhuǎn)換。但在實際轉(zhuǎn)換過程中，由于數(shù)據(jù)源的限制，兩種轉(zhuǎn)換方法有不同的適用范圍。七參數(shù)法與空間校正法對比如表1所示。

表1 兩種轉(zhuǎn)換方法優(yōu)缺點對比

七參數(shù)法需要獲取范圍區(qū)源坐標系和目標坐標系的同名控制點，而控制點屬于機密數(shù)據(jù)，掌握在當?shù)販y繪主管部門手中，不易獲取。而且七參數(shù)法轉(zhuǎn)換要求源矢量數(shù)據(jù)的空間參考是已知且正確的，未知空間參考的矢量數(shù)據(jù)不能進行坐標轉(zhuǎn)換。

七參數(shù)法的優(yōu)點在于操作便捷，七參數(shù)是對兩個坐標系的參考橢球進行變換，同一參考橢球下的投影變換內(nèi)置在了變換過程中。因此在設(shè)置完轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可以實現(xiàn)對應(yīng)橢球下任意投影到另一橢球的任意投影的變換。例如在創(chuàng)建工程范圍內(nèi)1980西安坐標系到2000國家大地坐標系變換后，使用該變換可以將西安80地理坐標系或西安80任意帶投影坐標系變換到CGCS2000地理坐標系或2000任意帶投影坐標系。變換后矢量數(shù)據(jù)被存儲為目標投影的矢量數(shù)據(jù)。

空間校正法實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換時對數(shù)據(jù)的要求很低，無需控制點數(shù)據(jù)，也不必知道源矢量數(shù)據(jù)的空間參考，源矢量數(shù)據(jù)如存在偏移、變形情況也可在轉(zhuǎn)換過程中得到糾正。但空間校正需要源矢量數(shù)據(jù)對應(yīng)的目標投影數(shù)據(jù)，以便在建立源坐標系到目標坐標系的一對一的鏈接文件時獲取正確的坐標位置。手動添加鏈接點存在一定的誤差，鏈接點選取好壞直接影響轉(zhuǎn)換的精度，因此需剔除殘差值大的鏈接點。ArcGIS空間校正提供仿射變換、投影變換、相似變換、橡皮頁變換等多種變換方式，選取不同的變換方式，轉(zhuǎn)換的結(jié)果也有所不同?？臻g校正后還需重新定義轉(zhuǎn)換后的矢量數(shù)據(jù)的空間參考。

因此，在控制點及矢量數(shù)據(jù)空間參考已知的情況下，通過七參數(shù)法可以快速、批量化實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換。在無控制點或空間參考未知的情況下，通過空間校正，也可實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)的高精度坐標轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

本文詳細介紹了ArcGIS實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換的兩種方式，并對比了兩種方式的異同，根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換工作中遇到的實際情況，給出了兩種方式在坐標轉(zhuǎn)換工作中的適用范圍。結(jié)合七參數(shù)法和空間校正法，可解決2000國家大地坐標系轉(zhuǎn)換工作中遇到的大多數(shù)問題，助力坐標系轉(zhuǎn)換工作順利完 成。

[1]李平,盧立．ArcGIS中幾種坐標系轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用研究[J]．城市勘測,2012(1)：87-88．

[2]周衛(wèi),張彥彥,龍毅．圖形坐標轉(zhuǎn)換方法與實現(xiàn)[J]．地球信息科學,2007,9(2)：101-105．

[3]潘元進,何美琳,李聰,等．2000坐標系轉(zhuǎn)換模型的試驗分析與研究[J]．測繪工程,2012,32(4)：25-28．