郭偉鵬，沈松雨

（1.廣州城市信息研究所有限公司，廣州 510665；2.公安部第三研究所，上海 200031）

本研究基于國家測繪地理信息相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，依托自然資源部對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作要求，面向?qū)臻g坐標(biāo)轉(zhuǎn)換有需求的各種企事業(yè)單位和個人，設(shè)計(jì)并研發(fā)出一款適用于常用坐標(biāo)系互相轉(zhuǎn)換，大體量數(shù)據(jù)快速批量轉(zhuǎn)換，云模式部署的支持多共享賦能途徑的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為相關(guān)用戶提供穩(wěn)定的服務(wù)支撐。云模式環(huán)境，通過彈性的云服務(wù)對系統(tǒng)自身服務(wù)進(jìn)行調(diào)整，解決傳統(tǒng)在線服務(wù)系統(tǒng)中存在的問題[1]。

1 研究方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 設(shè)計(jì)原則

考慮到空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需求的專業(yè)性、廣泛適用性特點(diǎn)，本研究在設(shè)計(jì)過程中主要遵循以下幾個設(shè)計(jì)原則。

（1）完備性原則。本研究設(shè)計(jì)時要充分捕獲坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作中的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)具備常用空間坐標(biāo)系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換的基本能力，覆蓋系統(tǒng)主要使用場景。

（2）擴(kuò)展性原則。在不缺少必要功能的情況下，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，比如方便新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換類型或轉(zhuǎn)換算法的添加，而不侵入系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和布局，以便于快速適應(yīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法的擴(kuò)展。

（3）統(tǒng)一性原則。系統(tǒng)中的各個部件需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和要求，并且在不同使用場景下具備相對的統(tǒng)一性，如參數(shù)配置入口、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換類型選擇等。

（4）易用性原則。系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和用戶交互界面設(shè)計(jì)應(yīng)充分顧及用戶的工作場景和操作習(xí)慣，幫助用戶快速高效地完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。

（5）可靠性原則。根據(jù)地理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)需要滿足大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和多數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)換的需求[2]。系統(tǒng)需要具有較高的可靠性，保障轉(zhuǎn)換的成功率，避免用戶做重復(fù)無效操作，從而使用戶提高工作效率。

（6）高效性原則。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等前沿科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展[3]，日常辦公對效率的要求越來越高，系統(tǒng)需要具備大體量數(shù)據(jù)批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換能力。

1.1.2 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)基于自然資源部相關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)、七參數(shù)等轉(zhuǎn)換模型設(shè)計(jì)開發(fā)，兼容阿里云、騰訊云、華為云和天翼云等市場主流公有云平臺。

IaaS是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service，IaaS），該層主要依托云平臺的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載均衡和容器等資源，作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐部分。

PaaS是平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS），該層主要是依托云平臺的存儲組件，包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫Mysql，緩存數(shù)據(jù)庫Redis，文件數(shù)據(jù)庫Mongodb或?qū)ο蟠鎯?，?shí)時計(jì)算引擎Spark2。

DaaS是數(shù)據(jù)即服務(wù)（Data as a Service，DaaS），該層通過對數(shù)據(jù)、服務(wù)等資源的集中化管理，形成數(shù)據(jù)服務(wù)的方式注冊到空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)共享網(wǎng)關(guān)上，統(tǒng)一對外提供服務(wù)。

SaaS是軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS），該層是將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作為軟件工具直接提供給用戶使用，不需要用戶在本地安裝軟件，便于用戶隨時隨地使用本系統(tǒng)。

1.1.3 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括登錄首頁、系統(tǒng)介紹、開發(fā)幫助、系統(tǒng)管理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換5個模塊。其中登錄首頁主要完成新用戶注冊、用戶登錄驗(yàn)證；系統(tǒng)介紹則介紹了系統(tǒng)特點(diǎn)、坐標(biāo)系的基本知識和轉(zhuǎn)換模型介紹；開發(fā)幫助主要面向二次開發(fā)用戶，用戶可基于系統(tǒng)提供的JS API和服務(wù)API完成自己的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)平臺的開發(fā)，同時也提供開發(fā)指南類文檔下載和問題反饋入口；系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)用戶管理、權(quán)限管理、角色管理和操作日志的記錄；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)的核心模塊，主要包括參數(shù)配置、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換成果Excel或逗號分隔值文件格式（Comma-Separated Values，CSV）導(dǎo)出功能。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 轉(zhuǎn)換模型

區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換有多種數(shù)學(xué)模型[4]，不同坐標(biāo)系成果之間的轉(zhuǎn)換模型一般有二維和三維2種轉(zhuǎn)換模式[5]，空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型是本系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)的核心功能。本系統(tǒng)主要以2017年國家測繪地理信息局組織制定并批準(zhǔn)發(fā)布的測繪地理信息行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH/T 2014—2016《大地測量控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)范》為基線，并參考其中的轉(zhuǎn)換模型公式對二維七參數(shù)大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、二維四參數(shù)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、多項(xiàng)式擬合模型、三維四參數(shù)空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、三維七參數(shù)大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型、布爾莎模型和莫洛金斯基模型進(jìn)行建立。其中，四參數(shù)模型是指采用2個平移參數(shù)、1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個尺度參數(shù)描述2個平面坐標(biāo)系之間的線性變換[6]。

CGCS2000是本系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的核心，其模型參數(shù)如下。

原點(diǎn)：包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心。

X軸：由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與赤道面，即歷元2 000.0的交點(diǎn)。

Z軸：由原點(diǎn)指向歷元2 000.0的地球參考極的方向。

Y軸：與X軸、Z軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系的方向。

其詳細(xì)橢球體如圖3所示。

圖3 參考橢球體

橢球體參數(shù)如下。

α=6 378 137 m，

式中：α為長半軸，m。

f=1/298.257 222 101，

式中：f為扁率。

GM=3.986 004 418×1 014 m3/s2，

式中：GM為地心引力常數(shù)。

ω=7.292 115×10-5rad/s，

式中：ω為地球自轉(zhuǎn)角速度。

需要注意的是，互聯(lián)網(wǎng)地圖的坐標(biāo)通常以經(jīng)緯度形式顯示，不同互聯(lián)網(wǎng)地圖采用的參考橢球不同[7]。

1.2.2 批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用前端應(yīng)用交互調(diào)用批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)驅(qū)動腳本提交Spark2任務(wù)，并將任務(wù)結(jié)果輸入到文件數(shù)據(jù)庫，將文件唯一標(biāo)識id返回給前端應(yīng)用的技術(shù)路線，其詳細(xì)數(shù)據(jù)及操作流程如圖4所示。

圖4中，為避免非登錄用戶不合理地占用計(jì)算資源，首先批量操作需是合法用戶方可使用，因此用戶的第一個操作是登錄操作。登錄成功后用戶可將待轉(zhuǎn)換坐標(biāo)的文檔上傳，并根據(jù)用戶操作界面執(zhí)行批量轉(zhuǎn)換操作。大體量數(shù)據(jù)的批量轉(zhuǎn)換操作是采用Spark2實(shí)時計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)，因此內(nèi)部先要提交Spark任務(wù)，并將文件加載后進(jìn)行實(shí)時計(jì)算；計(jì)算成功后將成果文件上傳到文件服務(wù)器，并將文件id反饋給用戶。用戶看到轉(zhuǎn)換完成后，可對成果文件進(jìn)行下載。本過程將大體量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作分階段處理，并通過實(shí)時計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)，提高了轉(zhuǎn)換效率和用戶體驗(yàn)。

圖4 批量流程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換核心流程

1.3 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

1.3.1 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境見表1。

表1 開發(fā)環(huán)境

1.3.2 運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境見表2（以部署實(shí)現(xiàn)的某公有云測試環(huán)境為例）。

表2 運(yùn)行環(huán)境

1.3.3 運(yùn)行效果

在表1開發(fā)環(huán)境下，七參數(shù)模型算法，北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)CGCS2000坐標(biāo)系，批量空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運(yùn)行效果見表3。

表3 批量空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換運(yùn)行效果

2 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)與開發(fā)成果表明，本系統(tǒng)支持CH/T 2014—2016《大地測量控制點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)規(guī)范》要求的全部轉(zhuǎn)換方法，并提供互聯(lián)網(wǎng)地圖廠商的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，支持坐標(biāo)類型豐富。另外本文提出了基于實(shí)時計(jì)算引擎Spark2的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法可有效提高批量數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。同時本系統(tǒng)提供JS API和Web服務(wù)API供坐標(biāo)轉(zhuǎn)換開發(fā)人員使用。前端用戶集成JS API即可在前端針對少量的坐標(biāo)進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換。Web服務(wù)API則支持服務(wù)器端二次開發(fā)。另外本系統(tǒng)作為軟件即服務(wù)（SaaS）工具提供服務(wù)，提高了服務(wù)賦能方式。因此，本系統(tǒng)在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換類型支持度、批量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效率和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換賦能方式等方面均有一定的優(yōu)勢，對自然資源相關(guān)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換開發(fā)和使用人員具有一定參考價(jià)值。