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(yùn)用地理信息體系時(shí)，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(shí)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(diǎn)位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度實(shí)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(jìn)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(gè)行業(yè)對于地理信息數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)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(jìn)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(yùn)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(jìn)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(dá)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(shí)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(jìn)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(jìn)行坐標(biāo)系定義時(shí)便已給定。

1.1地球橢球參數(shù)分析

在地球測量時(shí)，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(shí)在該面上開展計(jì)算分析過程。參考橢球面為計(jì)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(jìn)行確定。在平面與曲面間創(chuàng)建點(diǎn)點(diǎn)之間的函數(shù)表達(dá)式的方法即被稱作是地圖投影。投影實(shí)際上就是把大地橢球面內(nèi)各經(jīng)緯度上的點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行分開儲存，因此在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)時(shí)，不但需要對地理參照系進(jìn)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(diǎn)位參照系進(jìn)行定義，前者是以三維、二維點(diǎn)線面等要素位置進(jìn)行（x，y，z）參照系的定位。同時(shí)，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(shí)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(cuò)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(jìn)行儲存的，所以在實(shí)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(gè)圖層實(shí)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(gè)圖層的坐標(biāo)體系，并且對坐標(biāo)投影也應(yīng)進(jìn)行定義。

3.1坐標(biāo)系的定義

在通過ArcGIS進(jìn)行地圖的編制時(shí)，通常會產(chǎn)生多層數(shù)據(jù)，包括點(diǎn)、面、線等相關(guān)數(shù)據(jù)。在定義時(shí)，先應(yīng)對總體工程的坐標(biāo)系統(tǒng)開展，點(diǎn)開Data Frame Property選項(xiàng)卡之中的CoordinateSystem項(xiàng)，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(shí)施選取。若是獨(dú)立的地方性坐標(biāo)體系，則需定義此坐標(biāo)系，選新建選項(xiàng)展開設(shè)置。在實(shí)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(gè)結(jié)果可利用查看各圖層Source選項(xiàng)卡得知（如圖1中所示）。

圖1　圖層屬性

進(jìn)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(gè)工具ProjectionsandTransformations，可選用此工具中DefineProjection選項(xiàng)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(jìn)行區(qū)域轉(zhuǎn)換的參數(shù)展開計(jì)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(gè)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(xiàng)進(jìn)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(shí)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(shí)施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，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(shí)施轉(zhuǎn)換，且在轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)，選擇ProjectRaster工具實(shí)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(jìn)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(dá)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(gè)控制點(diǎn)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(diǎn)的圖層實(shí)施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。先采取七參數(shù)法來計(jì)算出該區(qū)域的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)參數(shù)，獲得坐標(biāo)的3個(gè)轉(zhuǎn)動分量、3個(gè)偏移量以及1個(gè)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)精確度可以達(dá)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(shí)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(shí)空上的制約，因此計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)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(diǎn)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(xiàng)目，針對實(shí)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(xiàng)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(xiàng)目技術(shù)人員提供一些經(jīng)驗(yàn)上的參考。此外，因空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)際數(shù)據(jù)狀況做好完善與改進(jìn)措施。

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