兰溪市国土数据资料坐标转换工作的思考

章永斌

【摘 要】论文从不同坐标系的定义出发，阐述了坐标转换的原理和方法，并以1980西安坐标系转换到2000国家坐标系为例，给出了ArcGIS下将兰溪市国土数据资料从1980西安坐标系转换到2000国家坐标系的有效方法，以期对其他单位地理数据坐标转换有所帮助。

【Abstract】Starting from the definition of different coordinate systems， the paper expounds the principle and method of coordinate transformation. And taking the conversion of Xi'an geodetic coordinate system 1980 to national coordinate system 2000 as an example， the effective method of converting the land data of Lanxi from Xi'an geodetic coordinate system 1980 to national coordinate system 2000 under ArcGIS is given. Hoping to provide some help for the coordinate conversion of geographical data of other units.

【關键词】坐标系；坐标转换；1980西安坐标系；2000国家坐标系

【Keywords】 coordinate system； coordinate transformation； Xi'an geodetic coordinate system 1980； national coordinate system 2000

【中图分类号】S29 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0091-031 引言

依据国家测绘地理信息局发布的公告，2000国家坐标系从2008年7月1日开始启用，2000国家坐标系转换与现行国家坐标系、衔接的需要8-10年过渡期；在过渡期内现有地理信息系统应逐步转换到2000国家坐标系，2008年7月1日后新建的地理信息系统，必须采用2000国家坐标系。由于1980西安坐标系已经采用20多年，兰溪市国土资源局从1998年开始启用1980西安坐标系测绘数据，工作中形成了大量的国土数据资料和相关的信息系统采用了1980西安坐标系测绘数据成果，于是面临着大量的国土数据资料的坐标转换问题。

2 我国不同时期所采用的坐标系

在上世纪50年代和80年代分别创建了1954年北京坐标系与1980西安坐标系，测制了各种比例尺地形图，由于受当时技术条件限制，传统技术是实现中国大地坐标系的主要依赖手段。1954北京坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球体，该椭球长轴为6378245M，短轴为6356863.0188M，扁率为1/298.3，坐标起算原点在前苏联的普尔科沃，该系统在定位和计算过程中，没有采用中国的数据，它在中国范围内不适合，不能满足高精度定位以及空间科学、地球科学和战略武器发展的需要。

在上世纪70年代，经过我国大地测量工作者们二十多年的艰巨努力，终于完成了全国一、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，建立了1980西安坐标系，该椭球长轴为6378140M，短轴为6356755.2882M，扁率为1/298.257，坐标起算原点在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。它在定位和计算过程中，采用了中国的数据，该系统在中国范围内非常符合，在中国建设发展和科学研究领域发挥了巨大作用。

20088年4月国务院正式批准2000国家坐标系是我国当前最新的国家坐标系，它的原点为包括大气、海洋的整个地球的质量中心，Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，X轴由原点指向格林尼治参考子午面与历元2000.0地球参考椭球的赤道面的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。该椭球长轴为6378137M，短轴为6356752.3141M，扁率为1/298.257。

当前GPS发展过程中，国际上以及手机GPS用户采用WGS-84坐标系，该坐标系由于框架、历元混乱，因此其精度较底。它与2000国家坐标系相比实质是一样的，属于地心坐标系，采用的地球参考椭球非常接近，扁率差异所引起的椭球面上的纬度和高度变化最大达0.1MM，当前测量精度范围内，其差异可以忽略，也可以说该坐标系与2000国家坐标系相容至CM级水平。

3 坐标投影

地球上的点用经纬度表示的是地理坐标系，也称大地坐标系。由于地理坐标系不够方便，所以人们比较习惯于使用平面坐标系，平面坐标系分别用xy表示。把球体表面的坐标转成平面坐标需要一定的手段，这个手段称为投影。由于投影方法也不是唯一的，但是投影就是为了一个目的，务求使当地坐标最准确。目前就有好多投影方法，比如高斯投影、墨卡托投影等。

我国的投影坐标系主要采用高斯-克吕格投影，分为6度和3度分带投影，1：2.5万-1：50万比例尺地形图采用经差6度分带，1：1万比例尺的地形图采用经差3度分带。具体分带法是：6度分带从本初子午线（格林尼治天文台所在的子午线）开始，按经差6度为一个投影带自西向东划分，全球共分60个投影带，中国跨13-23带；3度投影带是从东经1度30分经线（1.5°）开始，按经差3度为一个投影带自西向东划分，全球共分120个投影带，中国跨25-45带。该投影的特点：在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线，并以中央子午线和赤道的交点O作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴，以赤道的投影为横坐标轴，形成高斯平面直角坐标系。因此这种投影，将中央经线投影为直线，其长度没有变形，其余经线为凹向中央子午线的曲线，距离中央经线愈远，变形愈大；赤道线投影后是直线，但其长度有变形，除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；经线与纬线投影后保持正交。所以高斯-克吕格投影采用分带投影，目的就是使投影带边缘的变形不致过大。

兰溪建成区位于东经119°18，按照国家高斯-克吕格投影3度分带，其中央子午线为东经120°，由于兰溪建成区东经119°18，落在东经120°中央子午线投影带边缘，其国家控制点坐标应用到工程测量上，投影变形过大，历史上兰溪采用将东经120°中央子午线投影带的国家控制点坐标平移转换到东经119°18，作为中央子午线的投影带坐标，建立兰溪独立坐标系，以消除因投影带边缘变形过大对工程测量的影响。因此兰溪市国土数据资料所涉及的坐标系一般都是在东经119°18，作为中央子午线的投影带下，将测量数据的坐标进行整体平差后，再把坐标数据平移转换到东经120°中央子午线投影带下的数据坐标，提交上述数据资料。

4 Bursa七参数坐标转换方法和流程

坐标转换就是利用拥有两种坐标系坐标的重合点，采用坐标转换模型，利用最小二乘法原理，得到相应的目标坐标系的坐标。由于Bursa七参数转换模型理论比较严密，一般测量界坐标转换大多采用Bursa七参数为三维模型，其转换模型有3个平移参数，3个旋转参数和1个尺度参数。本次兰溪市国土数据资料坐标转换工作也采用Bursa七参数转换模型。

重合点的选取一般遵循高等级、高精度、分布均匀、覆盖整个转换区域等原则，并尽量避免选取变形或沉降较大区域的点，因此本次兰溪市国土数据资料坐标转换工作主要利用城镇地籍数字化测量时上交的地籍一级控制点，并对所有的地籍一级控制点重新委托测量2000国家大地坐标系的坐标。按照坐标转换选取坐标的重合点的要求，每批6个重合点，6个重合点尽量均匀分布在兰溪市市域范围，采用Bursa七参数为三维模型，采用最小二乘法原理求解转换七参数；运用求解的转换七参数对其他的坐标的重合点进行转换，得到求算的2000国家大地坐标系的坐标，并将求算的2000国家大地坐标系的坐标与实测的2000国家大地坐标系的坐标进行比较，计算重合点坐标残差，剔除残差大于3倍单位权中误差的重合点，直到重合点坐标残差小于3倍单位权中误差的重合点，确定重合点计算转换七参数；使用其它地籍一级控制点未参与计算转换参数的重合点作为外部检核点，利用已确定的转换七参数计算这些外部检核点2000国家大地坐标系的坐标，与该外部检核点的实测2000国家大地坐标系的坐标进行比较，并求算坐标转换残差。残差检核公式是否符合精度要求，當绝大多数外部检核点坐标转换残差符合精度要求，经过大量的试算与分析剔除一些变化大的重合点，最后确定转换七参数，并计算转换中误差，并上报市地理信息管理处存档，便于今后其他兄弟单位坐标转换使用；利用最后确定的转换七参数，将所有的地籍二级控制点和地籍图根点坐标转换成2000国家大地坐标系的坐标。

4.1 转换参数的计算步骤

①按照转换区域，选取合适的转换模型；

②通过选取重合点，计算转换参数；

③计算重合点坐标残差，剔除残差大于3倍单位权重误差的重合点；

④重复上述②和③，使重合点坐标残差均小于3倍单位权重误差，并且计算转换参数的重合点数量根据转换模型确定。本次采用七参数转换模型时，重合点不少于6个；

⑤由确定的重合点计算转换参数。

4.2 坐标转换

通过利用转换参数进行坐标转换，而求得各控制点在2000国家大地坐标系坐标。

v（转换残差）=已知点2000国家大地坐标系的平面坐标-转换求算的该点2000国家大地坐标系平面坐标

X坐标转换中误差：MX=∑△vx2/n

Y标转换中误差：MY=∑△vy2/n

转换中误差：M=（MX2+MY2）/2

4.3 外部符合精度检核的方法

①把未参与计算转换参数的重合点作为外部检核点，其中点数一般不少于6个并且均匀分布；

②利用转换参数计算外部检核点的坐标与该外部检核点的已知坐标进行比较，检核公式同坐标转换残差计算公式相同。

5 兰溪市国土历史数据资料坐标的转换

实现空间矢量数据、栅格数据、文本文件数据、Oracle数据库空间矢量数及切片影像数据坐标转换。依据实际工作需要将全系统的数据分出层次，分步骤向2000国家大地坐标系进行坐标转换。首先优先转换国土资源管理基础平台数据，满足国家规定时间使用2000国家大地坐标后的国土资源管理要求。其次对使用频率较低的历史档案数据在后续的工作中逐步转换。同时对已有地籍图根点以上的控制点，用Bursa七参数坐标转换方法和流程求解的参数，一次性转换成国家2000坐标系，便于今后工程测量的需要，同时对Bursa七参数坐标转换方法和流程所求解的参数报备测绘管理部门，便于其他测量单位在兰溪区域范围内测量坐标转换使用。最后，一直以来，兰溪市各部门北京54坐标系转换西安80坐标系已有固定的转换参数，为避免坐标系多次转换造成数据衔接误差，在兰溪市各部门北京54坐标系转换2000国家大地坐标系的实际工作中，应该按照固定的转换参数将兰溪市各部门北京54坐标系转换成西安80坐标系，再将数据按80系与2000国家大地坐标系的新参数进行转换。

矢量数据管理单元的转换：

①首先取得80系各要素的坐标，逐一计算其2000系下各要素的坐标。

②并且将2000系下各要素的坐标写回原要素。

③添加2000系下新的方里格网层及标注，删除原方里格网数据层及标注。

该数据为CGCS200，其范围为原80系范围。

④数据编辑、邻带之间接边、拓扑重建。

⑤先进行数据相互拼接，再按2000系标准图幅范围进行裁切。

⑥更新相关字段属性值。

⑦在元数据中，增加2000系下4个图廓角点坐标，椭球长半径、椭球扁率、所采用的大地基准以及产品更新日期。

矢量数据空间数据库的转换：连接后台数据库，先把每个要素类加载空间数据库中，再读取各要素80系坐标，然后逐一计算2000系下各要素坐标，将2000系下的要素存储到空间数据库中新建的要素类，具体方法如下：

①新建一个新的要素类要与原要素类结构相同；

②通过先获取各要素80系坐标，来逐点计算2000系下各要素的坐标；

③将2000系下要素写入新建要素类；

④先添加2000系下新的方里格网层，再删除原方里格网数据层；

⑤更新相关字段属性值。

栅格数据的转换：

①对1：1万标准分幅DOM读取80系头文件中定位坐标，计算DOM中心点坐标“改正量”，按照像素关系计算移动量（像素数），避免图幅之间接边数据重新采样；

②先进行数据相互拼接，再按2000系标准图幅范围及重叠像素进行裁切；

③DOM数据匀色处理；

④更改数据头文件中定位坐标；

⑤在元数据中，增加2000系图廓坐标范围，椭球长半径、椭球扁率、所采用的大地基准以及产品更新日期。对标准分幅DOM读取80系头文件中定位坐标，计算DOM中心点坐标“改正量”，按照像素关系计算移动量（像素数），避免图幅之间接边数据重新采样；更改数据头文件中定位坐标。

通过对历年的国土调查矢量数据库和地籍矢量数据库以及历年航片、卫片进行坐标转换，以达到国家对国土数据上报必须使用国家2000坐标系的要求。