淮南矿区测量坐标系统转换软件设计与实现

杨旭 朱亚洲

（安徽理工大学 测绘学院 安徽淮南 232001）

1 引言

我国坐标系统众多，如旧北京54 坐标系、1980国家大地坐标系、2000 国家大地坐标系及 WGS-84坐标系，坐标系间的转换是测绘基础工作之一。国家测绘局于 2008 年 6 月 18 日发布公告:自 2008年7 月1 日起，我国启用2000 国家大地坐标系。淮南矿区的测绘成果（各类图件、坐标等）基本上是1954 年北京坐标系下的成果，因此为实现向2000国家大地坐标系下成果的过渡，必须建立淮南矿区的坐标系统转换模型，研制坐标系统转换软件。这将有助于加快启用 2000 国家大地坐标系、1980 国家大地坐标系进程，统一矿区测绘基准、促进和保证矿山安全生产。

图1:软件设计流程图

2 软件设计

2.1 软件设计思路

在本软件中，涉及到同一坐标系统内部的换算和不同坐标系统之间的转换两种主要功能。同一坐标系统内部的换算是指在同一坐标系统（如1980国家大地坐标系）内空间直角坐标与大地坐标、大地坐标与高斯平面直角坐标之间的相互换算；不同坐标系统之间的转换是指在两个坐标系统（如 WGS-84大地坐标系与1954 北京坐标系）之间的转换，可以在空间直角坐标系统间进行，也可以在高斯平面直角坐标系统间进行。采用正确的数据处理模型，是确保“淮南矿区测量坐标系统转换软件”计算结果正确性的前提。

进行坐标转换的基本思路是:根据坐标联测点的两套坐标，建立两坐标系间的坐标转换模型（ 空间坐标系统转换模型有“布尔沙”、 “莫罗金斯基”、“霍蒂内”和“维斯”等模型；平面坐标系统转换模型有四参数等模型）；然后采用最小二乘法或抗差估计方法求解转换参数，并对转换参数的显著性进行检验；最后，进行坐标转换，并对转换后成果的质量进行评价（点位中误差、边长中误差、坐标方位角中误差），此外，为评价所选择的转换模型在整个测区的适用性，还需对转换模型的精度进行评定（内部符合精度与外部检核精度）。软件设计流程图如图1所示。

2.2 软件主要功能

1）高斯正算与反算。

2）高斯换带计算。

3）大地坐标与空间直角坐标之间的互换。

4）不同平面坐标系统之间的转换。

5）不同三维坐标基准之间的转换。

6）实现AUTOCAD 电子版图纸在不同坐标系统间的转换。

对于各种转换与计算均支持单点转换和文件批量转换两种方式。本软件的功能设计采用模块化设 计，如图2所示。

图2:坐标转换软件功能设计

3 软件实现

3.1 软件运行主要界面

1）工程管理

工程管理包括工程的打开、新建、删除、移出、另存、还原、清空回收站等操作，由“已有工程”、“回收站”和“工程属性”等三部分及其它按钮组成。

2）软件引擎器

坐标系统转换引擎器由“基本配置”页、“处理模型”页、“输入输出”页等三页和“确定”、 “关闭”、 “帮助”等三个按钮组成。以对进行坐标系统转换时的坐标系、投影带、数据处理模型、输出成果等进行配置，从而实现两坐标系统间的坐标转换。

①“基本配置”页面由“工程目标”、 “坐标系统”、 “源坐标系”、 “目标坐标系”、 “投影带”和“投影面”等部分组成，以对该工程的任务进行设置。

②“处理模型”页面包括“空间坐标系统转换模型”、 “平面坐标系统转换模型”和“参数估计”等三个定义框（如图3所示），用于“建立模型”时设置两坐标系统转换的转换模型及转换参数的估计方法。

至于空间或平面坐标系统转换参数的估计方法，提供了“最小二乘估计”和“抗差估计”两种估计方法。对于一般用户，仅提供最小二乘估计功能；对于特许授权用户提供一般抗差估计和高崩溃污染率抗差估计功能，以消除不稳定基准点对求解转换参数的影响。抗差模型由“等价权模型”和“抗差参数模型”共同构成，软件提供了 6 种不同的抗差等价权模型，其中前 3 种为高崩溃污染率等价权模型，对粗差的抵抗能力较强；后 3 种为普通的等价权模型，对粗差的抵抗能力也较好。

③“输入输出”页用于获取坐标系统转换时的数据和设置显示输出的内容，还有同一坐标系统中的坐标换算功能。“输入输出”页包括“导入数据”、“辅助功能”、 “坐标投影计算”和“输出成果”、“打开AutoCad 图形”等定义框，其结构见图4。

“辅助功能”定义框包括“导出 Excel 文件为Acess 数据库”和“导出Acess 数据库为文本文件”两个选项，用于获取用户格式的数据文件，然后软件自动转化为软件格式的数据文件，以进行下一步处理。

“坐标投影计算”是指同一坐标系统下的坐标换算，包括 “XYZ > BLH > xyH”（将空间直角坐标化为大地坐标，再投影到高斯平面上）、“BL > xy”（将大地坐标投影到高斯平面上）、“xyH > BLH >XYZ”（将高斯平面坐标和大地高转化为大地坐标，再转化为空间直角坐标）和“xy > BL”（将高斯平面坐标转化为大地坐标）等四个选项。选择不同选项时，要求打开的数据文件不同。

“打开 AutoCad 图形”是指根据解算的两坐标系统间的转换参数，将在源坐标系下的 AutoCad 图形转换成目标同一坐标系统下的坐标系下的AutoCad 图形。

图3:“处理模型”页面

图4:“输入输出”页面

3）软件数据管理系统

在“建立模型”或“坐标计算”时，当导入了数据文件后，出现“坐标系统转换数据管理系统”界面（如图5所示）。该界面主要由“数据库操作”窗口、“图形预览”窗口和“确定”、 “帮助”、 “入库”按钮组成。其中的“源坐标系”和“目标坐标系”是利用引擎器的设置值。

“图形预览”窗口:在导入文件后，图形预览中显示的图形是待转换点（红色）和坐标联测点（绿色）的关系图。修改（如定义了坐标转换基准点）后，单击“确定”按钮，图形预览中显示的图形会发生变化，其中待转换点仍用红色表示，基准点用兰色表示，而绿色表示的坐标转换外部检查点。

图5:坐标系统转换数据管理系统界面

图6:坐标系统转换区域

3.2 软件测试

进行本软件精度测试时，采用了新庄孜煤矿（14点）、谢桥煤矿（10 点）、张集煤矿（22 点）、李嘴孜煤矿（24 点）、潘一深部勘查区（24 点）、潘三深部勘查区（15 点）、谢桥矿南部勘查区（5点）、潘二矿（18 点）、谢家集一矿（22 点）、顾桥煤矿（26 点）、丁集煤矿（20 点）等矿区边界200 个点由1954 北京坐标系统转换到1980 国家大地坐标系统的公共点坐标，这200个点的控制区域约870km2，点位分布略图参见图6。

选择了200 个公共点中的A11、B03、C01、C13、C20、D24、E09、E16、H09、H12、I18、I22、J13、J17、K13、K17、K20 等分布较均匀的 17 个公共点为坐标系统转换的基准点，其它点为检查点(参见图5)。采用最小二乘估计进行坐标系统转换，按相应坐标转换模型的精度评价方法，均通过了显著性检验。解算的转换参数为:平移参数 x0=-47.1659m，y0=-52.8279，尺度比参数λ= +0.0000066332，旋转角参数为:θ= 1.42578023 (秒)，转换模型中误差为±0.2mm,转换模型内部符合精度±0.4mm。利用其它155 个公共点，对转换模型的外部精度进行检核，检核得的外部检核精度为±3.4mm。

因此，从本示例来看:本示例提供的1954 北京坐标系统和 1980 国家大地坐标系统的公共点的坐标是相互兼容的，不存在显著的差异；对于本示例而言，采用的转换方案是可行的，转换成果是可靠可用的；对于本示例而言，研发的本软件是正确可靠的。

4 结束语

本文建立了淮南矿区1954 年北京坐标系、1980国家大地坐标系、WGS-84 大地坐标系、2000 国家大地坐标系、其他坐标系之间的转换模型；建立了基于高崩溃污染率抗差估计技术的坐标系统转换模型参数解算方法，实现平差系统对稳定基准点的自动选择的目标；建立同一坐标系统内部坐标之间的换算（空间直角坐标、大地坐标、高斯平面坐标、投影带）模型。成功研发了“淮南矿区测量坐标系统转换软件，利用实际数据对研发的软件进行了测试，结果正确可靠，性能稳定。该软件实现了淮南矿区坐标转换和换算的自动化，提高了工作效率，实现了现行国家大地坐标系到 2000 国家大地坐标系之间的转换和衔接。

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