基于ArcGIS的矢量数据坐标转换方法研究

张云飞 赵紫锋

（1.河南省地图院，河南 郑州 450003；2.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003）

1 概述

2O世纪5O年代和80年代，我国分别建立了1954北京坐标系和1980西安坐标系，两者均是以参考椭球中心为原点的坐标系(简称参心坐标系)，测制了各种比例尺地形图。1954北京坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球体，该椭球在计算和定位过程中，没有采用中国的数据，在中国范围内符合得不好，不能满足高精度定位以及地球科学、空间科学和战略武器发展的需要[1]。20世纪70年代，我国的大地测量工作者完成了全国一、二等天文大地网的布测。经过整体平差，采用1975年IUGG第十六届大会推荐的参考椭球参数，我国建立了1980西安坐标系，该坐标系在我国经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大作用。

随着我国经济的快速发展，国民经济建设、国防建设、科学研究等对坐标系提出了新的要求。地心坐标系是以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，提高测图工作效率，于是我国采用了2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），x轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，y轴按右手坐标系确定[2]。

1954北京坐标系、1980西安坐标系和2000国家大地坐标系曾共同使用，但这三种坐标系参考椭球、高程基准不统一，导致行业间、部门间地理信息空间数据无法直接对接，形成信息孤岛。因此，国务院要求，自2018年7月1日起，我国全面使用2000国家大地坐标系，2018年6月底前全面完成2000国家大地坐标系转换工作。

ArcGIS是GIS的主流系统，被广泛运用于系统开发、数据产出及数据库建设中，产生了基于ArcGIS系统的大量矢量数据信息。本文在实际工程应用中，研究了如何利用ArcGIS软件，快速准确地将矢量数据从其他坐标系转换到2000国家大地坐标系。

2 ArcGIS坐标转换方法

ArcGIS有七参数法和空间校正法两种方法实现坐标转换。

2.1 七参数法

任意两种空间直角坐标系都可以通过一定的平移、旋转、缩放进行互相转换[3]，转换模型如下：

式中∆x、∆y、∆z为x轴、y轴、z轴上的平移量，ωx、ωy、ωz为x轴、y轴、z轴的旋转量，m为缩放量。转换模型共有7个参数，因此称为七参数转换模型。当工程范围较小时，可以不考虑旋转和缩放，只考虑3个平移参数，即三参数转换模型。三参数模型是七参数模型的特殊情况。ArcGIS提供多种基于三参数和七参数的变换方法。

ArcGIS系统可以通过转换参数对矢量数据进行投影转换，但是没有转换参数计算功能，坐标转换参数需在其他专业软件中求取。ArcGIS系统实现七参数转换步骤如下：

（1）选取控制点：选取源坐标系和目标坐标系的同名控制点，控制点要覆盖整个工程范围，且均匀分布。

（2）利用控制点计算转换参数：将控制点数据导入COORD GM软件中计算七参数,如图1所示。

（3）创建自定义坐标变换：设置地理变换名称，输入地理坐标系设置为源坐标系的地理坐标系，输出地理坐标系设置为目标投影的地理坐标系，选择自定义地理变换方法，在相应的位置填入步骤（2）计算的转换参数，如图2所示。

图1 COORD GM软件中计算七参数

图2 使用ArcGIS创建自定义坐标变换

（4）使用创建的坐标变换对数据进行投影变换，如图3所示。

图3 使用创建的坐标变换对数据进行投影变换

2.2 空间校正

ArcGIS空间校正工具可提供用于对齐和整合数据的交互式方式。空间校正支持多种校正方法，可校正所有可编辑的数据源。它通常用于已从其他源导入数据的场合。可执行的一些任务包括：将数据从一个坐标系转换到另一个坐标系中；纠正几何变形；将沿着某一图层的边的要素与邻接图层的要素对齐；以及在图层之间复制属性。

利用空间校正工具实现坐标变换的步骤如下：

（1）动态投影：加载范围区内空间参考为目标投影的矢量数据，数据框空间参考设置为目标投影，再导入空间参考为其他坐标系的矢量文件。

（2）建立源坐标系到目标坐标系的一对一的链接文件，如图4所示。

图4 使用空间校正对数据进行坐标变换

（3）选择校正方法对源坐标系矢量数据进行空间校正。

（4）将校正后的矢量文件空间参考定义为目标投影。

3 两种方法的比较

七参数法和空间校正法均能实现矢量数据在不同坐标系下无损、高效、高精确度的转换。但在实际转换过程中，由于数据源的限制，两种转换方法有不同的适用范围。七参数法与空间校正法对比如表1所示。

表1 两种转换方法优缺点对比

七参数法需要获取范围区源坐标系和目标坐标系的同名控制点，而控制点属于机密数据，掌握在当地测绘主管部门手中，不易获取。而且七参数法转换要求源矢量数据的空间参考是已知且正确的，未知空间参考的矢量数据不能进行坐标转换。

七参数法的优点在于操作便捷，七参数是对两个坐标系的参考椭球进行变换，同一参考椭球下的投影变换内置在了变换过程中。因此在设置完转换参数后，可以实现对应椭球下任意投影到另一椭球的任意投影的变换。例如在创建工程范围内1980西安坐标系到2000国家大地坐标系变换后，使用该变换可以将西安80地理坐标系或西安80任意带投影坐标系变换到CGCS2000地理坐标系或2000任意带投影坐标系。变换后矢量数据被存储为目标投影的矢量数据。

空间校正法实现坐标转换时对数据的要求很低，无需控制点数据，也不必知道源矢量数据的空间参考，源矢量数据如存在偏移、变形情况也可在转换过程中得到纠正。但空间校正需要源矢量数据对应的目标投影数据，以便在建立源坐标系到目标坐标系的一对一的链接文件时获取正确的坐标位置。手动添加链接点存在一定的误差，链接点选取好坏直接影响转换的精度，因此需剔除残差值大的链接点。ArcGIS空间校正提供仿射变换、投影变换、相似变换、橡皮页变换等多种变换方式，选取不同的变换方式，转换的结果也有所不同。空间校正后还需重新定义转换后的矢量数据的空间参考。

因此，在控制点及矢量数据空间参考已知的情况下，通过七参数法可以快速、批量化实现矢量数据的坐标转换。在无控制点或空间参考未知的情况下，通过空间校正，也可实现矢量数据的高精度坐标转换。

4 结束语

本文详细介绍了ArcGIS实现矢量数据坐标转换的两种方式，并对比了两种方式的异同，根据坐标转换工作中遇到的实际情况，给出了两种方式在坐标转换工作中的适用范围。结合七参数法和空间校正法，可解决2000国家大地坐标系转换工作中遇到的大多数问题，助力坐标系转换工作顺利完 成。

[1]李平,卢立．ArcGIS中几种坐标系转换方法的应用研究[J]．城市勘测,2012(1)：87-88．

[2]周卫,张彦彦,龙毅．图形坐标转换方法与实现[J]．地球信息科学,2007,9(2)：101-105．

[3]潘元进,何美琳,李聪,等．2000坐标系转换模型的试验分析与研究[J]．测绘工程,2012,32(4)：25-28．