ArcGIS坐标转换方法及其精度评估

赵慧慧，葛 莹，肖胜昌，王 冲，杨林波

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 测绘地理信息分院，云南 昆明 650051）

ArcGIS坐标转换方法及其精度评估

赵慧慧1，葛 莹1，肖胜昌2，王 冲2，杨林波2

（1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 测绘地理信息分院，云南 昆明 650051）

ArcGIS提供了静态转换、动态转换和即时转换3种坐标转换方法。基于我国1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系，选定等级较高、分布均匀的坐标成果点，利用静态转换、动态转换和即时转换进行坐标转换方法精度分析。

坐标转换；精度评估；ArcGIS软件；地理数据库

在地理信息系统建设与应用中，经常需要进行空间坐标转换[1-3]。在我国现行的测绘成果中，仍有大量数据采用1980西安坐标系，甚至是1954北京坐标系[4-6]，按照国务院要求，我国将在2016年前完成现行国家大地坐标系向2000国家大地坐标系的过渡[7]。ArcGIS作为主流的地理信息系统平台，广泛应用于我国的地理信息数据生产、建库和应用系统的开发中，形成了大批基于ArcGIS软件的矢量数据[8,9]。当前关于ArcGIS软件的坐标转换研究，主要集中在坐标系讨论和坐标转换程序开发方面，坐标转换方式对空间数据精度的影响评估却不多见。本文将针对该问题进行深入探讨，在综述ArcGIS坐标转换方式的基础上，针对我国常用的坐标系，进行点位坐标转换的精度评估与检核。

1 ArcGIS的坐标转换

ArcGIS地理参照处理策略是将空间数据和坐标系分离存储[10]，所以坐标转换时，不仅要定义地理参照系，还要考虑空间数据坐标处理方式。一般来说，ArcGIS软件包含2套坐标系统：地理坐标系和投影坐标系[11,12]。前者是用经度和纬度定义球或椭球面上点位的参照系[13]，后者是为二维或三维点、线、面要素的位置定位的（x，y，z）参照系[14]。ArcGIS软件预置了全世界上百种地理参照系，其中我国常用的地理坐标系有1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系。

在此基础上，ArcGIS软件提供了静态转换、动态转换和即时转换3种空间坐标转换方法，见表1。

表1 ArcGIS 3种坐标转换方式的比较

由此可知，对于ArcGIS坐标转换，无论是地理参照系定义还是空间坐标转换方式，都存在较明显的差异。如果不能深入理解ArcGIS空间坐标转换的实现机理，空间坐标转换方式的误用则不可避免。

2 实验的设计与组织

2.1 数据准备

本文选定某区域12个均匀分布的坐标成果点，覆盖范围约为1 209 km2。按照研究目的，选择了3套地理坐标系（1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系），以及基于这3套地理坐标系的高斯-克吕格投影坐标。

2.2 实验设计和步骤

2.2.1 实验设计

为了分析ArcGIS静态转换、动态转换和即时转换3种坐标转换方法，针对1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系，本文设计了3组点位坐标转换实验：①1954北京坐标系向1980西安坐标系转换（简称Beijing1954 to Xi'an1980）；②1954北京坐标系向2000国家大地坐标系转换（简称Beijing1954 to CGCS2000）；③1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换（简称Xi'an1980 to CGCS2000）。

2.2.2 实验流程

实验前，以“Beijing1954 to CGCS2000”为例，说明本文的实验流程：

1）选择点位坐标转换模型。选择二维七参数转换模型，利用ArcGIS的Data Management Tools/Projection and Transformation/Create Custom Geographic Transformation工具，定义“Beijing1954 to CGCS2000”坐标转换模型参数。

2）生成shapefile文件。在ArcGIS中，生成基于Beijing1954的 shapefile文件，将12个坐标成果展绘到该文件。

3）实现静态转换。利用ArcGIS的Data Management Tools/Projection and Transformation/Feature/Projection工具，实现静态转换。

4）添加点位坐标属性。利用Data Management Tools/Features下的Add XY Coordinates工具，将坐标字段添加到属性表，得到转换后坐标。

5）实现动态转换。在ArcCatalog环境下，创建Geodatabase数据库，先以CGCS2000为地理坐标系建立要素数据集，再用ArcGIS Import功能将建立的要素类导入要素数据集，完成动态转换。

6）实现即时转换。在ArcMap环境下，先添加CGCS2000控制点坐标文件，再添加Beijing1954的shapefile文件。此时，12个控制点坐标自动从Beijing1954坐标系配准至CGCS2000坐标系，实现坐标系的即时转换。

7）评估坐标转换精度。转换后坐标分别与CGCS2000真实坐标进行比较，对实验结果进行统计性描述，绘制误差曲线，分析坐标转换精度，得出相关结论。

3 实验结果与分析

本文选取点位中误差作为精度评价指标，计算公式如下：

3.1 统计描述

本文完成了3组实验，分别是“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”以及“Beijing1954 to Xi'an1980”，基本上涵盖了目前国内测绘生产中常见的坐标转换。各组实验结果及其统计描述性质列于表2～4。

表2 Beijing1954 to CGCS2000实验结果的描述性统计

1）实验1 ：Beijing1954 to CGCS2000。由表2可知，ArcGIS坐标转换方式对点位坐标精度会产生较大影响。在ArcGIS软件中，“Beijing1954 to CGCS2000”静态转换最好，动态转换和即时转换方式次之，且后两种方式之间的点位坐标精度差异较小，而静态转换与动态转换、即时转换之间相差却较大。因此，在空间坐标转换时，尽量考虑静态转换。

2）实验2：Xi'an1980 to CGCS2000。由表3可知，从坐标转换方式上来看，实验2与实验1的研究结论相似。但是，对于静态转换，“Xi'an1980 to CGCS2000”坐标转换精度稍高于“Beijing1954 to CGCS2000”；对于动态转换和即时转换，“Beijing1954 to CGCS2000”明显高于“Xi'an1980 to CGCS2000”坐标转换精度。

3）实验3：Beijing1954 to Xi'an1980。由表4可知，从不同坐标系间的转换上来看，实验3与实验1有相似结论，即在ArcGIS环境下，“Beijing1954 to Xi'an1980”静态转换最好，动态转换和即时转换次之，且后两种方式之间的空间数据精度差异较小，静态转换与动态转换、即时转换之间相差很大。

表3 Xi'an1980 to CGCS2000实验结果的描述性统计

表4 Beijing1954 to Xi'an1980实验结果的描述性统计

总的来说，对于静态转换，“Beijing1954 to Xi'an1980”坐标转换精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000”坐标转换精度最低；而对于动态转换和即时转换，“Beijing1954 to CGCS2000”坐标转换精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”坐标转换精度最低。

3.2 实验精度的分析

从点位中误差的角度，运用ArcGIS静态转换、动态转换和即时转换3种方式，对“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”、“Beijing1954 to Xi'an1980”3种坐标转换的空间坐标转换精度进行分析（见表5）。

表5 3种坐标转换方式平均点位中误差的比较

由表5可知，就平均中误差来说，静态转换最好，动态转换和即时转换次之，且静态转换与动态转换或即时转换的精度差距较大。对于静态转换而言，“Beijing1954 to Xi'an1980”数据精度最高（0.199），其次是“Xi'an1980 to CGCS2000”（1.260），精度最低的是“Beijing1954 to CGCS2000”（1.480）。

进一步地绘制3种坐标转换的点位中误差曲线如图1、图2所示。

图1 静态转换的点位中误差曲线图

由图1可知，针对静态转换方式，“Beijing1954 to Xi'an1980”的精度比“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度高得多。另外，12个点位中误差曲线形状相似，表明误差变化趋势一致。

图2 点位中误差曲线图

由图2可知，无论是动态转换还是即时转换，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度最低。

推测导致ArcGIS空间坐标转换误差的原因是：① 地理坐标系的定义完全不同，1954北京坐标系、1980西安坐标系是参心坐标系，而2000国家大地坐标系是地心坐标系；②ArcGIS软件的空间坐标转换方法机理不同，但ArcGIS并没有对外公布这些转换机理；③由于地理坐标转换参数具有时空限制性，所以转换参数解算误差也是空间坐标转换误差来源；④ 对于动态转换和即时转换，其空间坐标转换主要目的是单纯满足制图可视化需要，对其坐标精度没有做出明确要求。

4 结 语

ArcGIS空间坐标转换方式不同，对点位坐标转换精度的影响也不同；另一方面，在同一种空间坐标转换方式下，不同坐标系之间的转换精度也不相同，具体地说：

1）对于静态转换、动态转换和即时转换而言，无论是“Beijing1954 to Xi'an1980”，还是“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi'an1980 to CGCS2000”，静态转换的点位精度较高，动态转换和即时转换次之，且后两者之间的精度相差不大。

2）在静态转换中，“Beijing1954 to Xi'an1980”的精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最低；在动态转换和即时转换中，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980 to CGCS2000”的精度最低。

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B

1672-4623（2016）03-0073-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.023

赵慧慧,硕士, 研究方向为GIS工程及空间分析应用。

2015-05-07。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41071347）；云南省重大科技专项资助项目（2013ZB006）。