謝衛(wèi)華

（河源市國土資源測繪院，河源517000）

1 引言

我國目前常用的坐標(biāo)系有1954年北京坐標(biāo)系，1980 西安坐標(biāo)系和2000 國家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，簡稱CGCS2000）三種坐標(biāo)系以及眾多的地方獨立坐標(biāo)系。根據(jù)《國土資源部國家測繪地理信息局關(guān)于加快使用2000 國家大地坐標(biāo)系的通知》（國土資發(fā)〔2017〕30 號）要求，2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國土資源空間數(shù)據(jù)向2000 國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，2018年7月1日起全面使用2000國家大地坐標(biāo)系。

由于歷史原因，河源市原住建部門和原國土部門之間坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一，同一地區(qū)存在不同坐標(biāo)基準(zhǔn)下的測繪成果重復(fù)、圖件與數(shù)據(jù)無法拼接等現(xiàn)象。采用不同的坐標(biāo)基準(zhǔn)，造成了測繪成果無法統(tǒng)一共享使用以及重復(fù)建設(shè)和巨大的浪費，也給社會各部門應(yīng)用帶來諸多不便，容易引發(fā)質(zhì)量安全問題，客觀上影響了全市經(jīng)濟社會建設(shè)和城市建設(shè)，已逐漸成為限制河源市數(shù)字城市建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。

為解決好這一難題，河源市于2016 至2018年間完成了全市范圍CGCS2000 坐標(biāo)框架網(wǎng)（B 級GNSS 網(wǎng)，19 點）、基本網(wǎng)（C 級GNSS 網(wǎng)，111 點）建設(shè)，建立了河源市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系［1］。按照廣東省自然資源廳統(tǒng)一要求，河源市需要建立一套全市統(tǒng)一的2000 國家大地坐標(biāo)框架，完成全市已有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)向CGCS2000 轉(zhuǎn)換統(tǒng)一，全面開始使用CGCS2000。在已有坐標(biāo)基準(zhǔn)控制網(wǎng)成果分析基礎(chǔ)上，通過外業(yè)聯(lián)測，利用公共點成果，建立了已有坐標(biāo)基準(zhǔn)向CGCS2000 的轉(zhuǎn)換聯(lián)系及高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，在較短的時間內(nèi)解決了原來坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一所帶來的相關(guān)問題，實現(xiàn)真正全面應(yīng)用2000國家大地坐標(biāo)系［2］。

本文主要討論河源市范圍整體1980 西安坐標(biāo)系到CGCS2000 坐標(biāo)系和市轄區(qū)市測繪院及住建部門已有坐標(biāo)系到CGCS2000 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換建立與應(yīng)用。

2 轉(zhuǎn)換參數(shù)計算流程與模型

2.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)計算流程

總體上，轉(zhuǎn)換參數(shù)計算按以下步驟進行［3］：

a）按轉(zhuǎn)換區(qū)域選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換模型；

b）按重合點選取原則選擇重合點；

c）將重合點代入轉(zhuǎn)換模型，利用最小二乘法計算轉(zhuǎn)換參數(shù)；

d）用得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算重合點坐標(biāo)殘差；

e）剔除殘差大于3倍點位中誤差的重合點；

f）重復(fù)上述b）到e）的計算過程，直至重合點坐標(biāo)殘差均小于3倍點位中誤差；

g）最終用于計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的重合點數(shù)量與轉(zhuǎn)換區(qū)域大小有關(guān)，但不得少于6個；

h）根據(jù)最終確定的重合點，利用最小二乘法計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

當(dāng)然，為了進一步確保坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的可靠性、精確性，通常在開展測繪成果轉(zhuǎn)換前還可進行外業(yè)實地點位觀測檢驗工作。

2.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型

建立相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000 國家大地坐標(biāo)系聯(lián)系時，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型一般采用平面四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，重合點較多時多項式擬合模型［4］，如下。

2.2.1 二維四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型

其中，x0，y0為平移參數(shù)，α為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，m為尺度參數(shù)。x2，y2為2000 國家大地坐標(biāo)系下的平面直角坐標(biāo)，x1，y1為原坐標(biāo)系下平面直角坐標(biāo)。坐標(biāo)單位為米。

2.2.2 多項式擬合模型

式中：x1、y1，原平面直角坐標(biāo)；x2、y2，目標(biāo)平面直角坐標(biāo)；Δx、Δy，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換改正量，用下式計算；

其中a0...a5為系數(shù)，i為重合點序號，通過最小二乘求解。

2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度估計

（1）重合點殘差V V=重合點轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值-重合點已知坐標(biāo)值。

（2）平面點位中誤差

式中：Mx，平面坐標(biāo)x殘差中誤差；My，平面坐標(biāo)y殘差中誤差；n為點位個數(shù)。

3 轉(zhuǎn)換參數(shù)確定

3.1 已有坐標(biāo)基準(zhǔn)分析

通過對河源市局（包括市測繪院）及住建部門調(diào)研，收集到已有測繪基準(zhǔn)下的相關(guān)控制網(wǎng)成果，包括點位圖、聯(lián)測圖、原始觀測數(shù)據(jù)、解算過程資料和最終成果等。已有坐標(biāo)基準(zhǔn)總體情況如表1所示。

表1 河源市及市轄區(qū)已有坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)計表

從表1 可知，河源市局及市測繪院主要采用1980 西安坐標(biāo)系，住建部門主要采用基于1954年北京坐標(biāo)系的獨立坐標(biāo)系。其中，河源市局使用的1980 西安坐標(biāo)系全市范圍覆蓋、使用較多、應(yīng)用面廣，市測繪院使用的1980 西安坐標(biāo)系主要運用于市區(qū)平時地籍測量，住建部門使用的獨立坐標(biāo)系為住建部門日常發(fā)證使用。由于三個坐標(biāo)基準(zhǔn)控制網(wǎng)分批在不同年代建設(shè)，相互間未建立轉(zhuǎn)換聯(lián)系。

因此，為保障已有存量成果的坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一與應(yīng)用，需分別建立到CGCS2000 的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并完成相應(yīng)坐標(biāo)基準(zhǔn)下已有測繪成果數(shù)據(jù)向CGCS2000 的轉(zhuǎn)換。為后文方便敘述，河源市局坐標(biāo)基準(zhǔn)稱為坐標(biāo)基準(zhǔn)一、市測繪院坐標(biāo)基準(zhǔn)稱為坐標(biāo)基準(zhǔn)二、住建部門坐標(biāo)基準(zhǔn)稱為坐標(biāo)基準(zhǔn)三。

3.2 聯(lián)測點選取

選取相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與2000 國家大地坐標(biāo)系的重合點的原則如下：擇優(yōu)選取地方控制網(wǎng)的起算點、高精度控制點、周圍國家高精度的控制點，大中城市至少選取5 個重合點（城外4個，市內(nèi)中心1個）；小城市在城市外圍至少選取4個重合點，重合點要分布均勻，包圍城市區(qū)域，并在城市內(nèi)部至少6個均勻分布的重合點對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度進行檢核［2］。

三個控制網(wǎng)建設(shè)年代時間較長，加之河源市城市建設(shè)發(fā)展迅速，各控制網(wǎng)多數(shù)控制點已破壞，通過對已有控制點進行普查，選擇點位保存完好的全部已有坐標(biāo)基準(zhǔn)控制點作為聯(lián)測點，按C 級GNSS 控制網(wǎng)納入河源市CGCS2000 坐標(biāo)基準(zhǔn)基本網(wǎng)進行了統(tǒng)一聯(lián)測。坐標(biāo)基準(zhǔn)一、坐標(biāo)基準(zhǔn)二、坐標(biāo)基準(zhǔn)三聯(lián)測點位分布分別如圖1—3所示。

圖1 坐標(biāo)基準(zhǔn)一聯(lián)測點分布

3.3 轉(zhuǎn)換參數(shù)計算

本次需確定的轉(zhuǎn)換參數(shù)包括1954年北京坐標(biāo)系到2000 國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)和1980 西安坐標(biāo)系到2000 國家大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。已有坐標(biāo)基準(zhǔn)均為平面直角坐標(biāo)系，利用已有兩種坐標(biāo)系的重合點，本次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用平面四參數(shù)、多項式擬合模型，按照轉(zhuǎn)換參數(shù)計算流程完成了轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算分析［5-7］。

通過計算分析，三個坐標(biāo)基準(zhǔn)具體轉(zhuǎn)換公共點選擇情況見下圖1—3，其最終選用的轉(zhuǎn)換模型、轉(zhuǎn)換精度見表2所示。

圖2 坐標(biāo)基準(zhǔn)二聯(lián)測點分布

圖3 坐標(biāo)基準(zhǔn)三聯(lián)測點分布

表2 不同轉(zhuǎn)換模型下的精度分析表

3.4 外業(yè)精度檢核

通過在坐標(biāo)基準(zhǔn)應(yīng)用范圍內(nèi)，從已有地形圖數(shù)據(jù)中均勻選取明顯地物點，對已選取的地物檢測點通過河源市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（HYCORS）網(wǎng)絡(luò)RTK 實測得到其2000 國家大地坐標(biāo)成果。地物檢測點按網(wǎng)絡(luò)RTK 圖根要求測量，在每個觀測點使用三腳架或?qū)χ袟U架設(shè)儀器且量取儀器高兩次，開機前后各一次；每個檢測點每次初始化觀測歷元不少于20 個；觀測結(jié)果取兩次觀測所有歷元成果的平均值［8］。

提取轉(zhuǎn)換后地形圖對應(yīng)地物點的2000 國家大地坐標(biāo)作為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值，與外業(yè)實測的2000 國家大地坐標(biāo)進行精度對比，三個坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換精度情況如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)換精度對比表單位：cm

通過外業(yè)檢測后可得出：計算的各轉(zhuǎn)換參數(shù)可靠，可應(yīng)用于實際轉(zhuǎn)換工作。

4 轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用

4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺設(shè)計與開發(fā)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺目標(biāo)是實現(xiàn)多種格式矢量、柵格數(shù)據(jù)在1954年北京坐標(biāo)系、1980 西安坐標(biāo)系、2000 國家大地坐標(biāo)系以及眾多地方獨立坐標(biāo)系之間的高精度無損坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并且保證轉(zhuǎn)換后測量成果數(shù)據(jù)的完整性，從而達到測繪成果坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一的目的，有利于地理空間信息資源共享，減少重復(fù)測繪和資源浪費，提高城市建設(shè)管理水平［9-10］。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺功能分為權(quán)限管理、控制點查詢、轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計、單點轉(zhuǎn)換、矢量/柵格轉(zhuǎn)換、高程轉(zhuǎn)換等功能，主要功能與關(guān)系如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺功能與關(guān)系圖

平臺采用SQLserver 數(shù)據(jù)庫管理現(xiàn)有全部轉(zhuǎn)換參數(shù)，以加密亂碼形式存儲。通過權(quán)限管理模塊，管理和分配系統(tǒng)登錄權(quán)限，包括可查看轉(zhuǎn)換模型關(guān)系、自定義坐標(biāo)系等功能的管理員和只能調(diào)用現(xiàn)有參數(shù)的普通用戶，保證轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密性。

控制點管理和轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計兩部分，支持用戶對現(xiàn)有控制成果進行管理，并自選公共點坐標(biāo)求取所需轉(zhuǎn)換參數(shù)，并自動存儲在平臺內(nèi)，方便后期調(diào)用。

單點轉(zhuǎn)換、矢量/柵格轉(zhuǎn)換等坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊支持現(xiàn)有主流形式數(shù)據(jù)使用參數(shù)模板轉(zhuǎn)換和同橢球基準(zhǔn)投影換帶計算兩個功能。操作流程只需選定原始數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)路徑，勾選所對應(yīng)轉(zhuǎn)換參數(shù)即可完成轉(zhuǎn)換。操作過程簡便清晰。

4.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺開發(fā)完成后對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進了行轉(zhuǎn)換，運行數(shù)據(jù)為河源市市本級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量約1.2T，數(shù)據(jù)格式包括dwg、shp、gdb、tif、asc、adf等。

由于原有各比例尺數(shù)據(jù)線畫圖數(shù)據(jù)量較大，主要工作量為數(shù)據(jù)整理工作，整個工作持續(xù)約1個月時間；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺能適應(yīng)河源市各單位現(xiàn)有測繪成果文件格式與規(guī)范下完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并且能夠保證轉(zhuǎn)換后圖形要素及屬性完整，滿足河源市統(tǒng)一測繪基準(zhǔn)應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語

河源市統(tǒng)一測繪基準(zhǔn)工作的重點是轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度和轉(zhuǎn)換平臺的無損高效。通過對已有成果資料分析、點位普查及高精度的統(tǒng)一聯(lián)測，保證了轉(zhuǎn)換參數(shù)的全覆蓋和高精度。通過構(gòu)建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平臺，實現(xiàn)了主流數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換。相信隨著統(tǒng)一測繪基準(zhǔn)工作的進一步推進，河源市能在較短的時間內(nèi)解決原來坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一所帶來的問題，實現(xiàn)真正全面應(yīng)用2000 國家大地坐標(biāo)系，從而有利于城市建設(shè)和開發(fā)納入一個統(tǒng)一的地理空間定位管理體系，實現(xiàn)測繪圖件與地理信息數(shù)據(jù)在全市范圍的無縫拼接；有利于為大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、權(quán)屬測量等各項工作提供強有力的測繪保障；有利于數(shù)字城市建設(shè)地理空間信息資源共享，減少重復(fù)測繪和資源浪費，提高城市建設(shè)管理水平。