基于ArcGIS 的历史地形图地理配准及坐标转换

俞亚磊

（马鞍山测绘技术院，安徽 马鞍山 243000）

国土空间规划是国家空间发展的指南，可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本[1]。2019-05，《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》发布，空间规划体系进入重构期。新时期的国土空间规划，一方面担负着解决过去“多规”并行遗留下来的各类问题；另一方面又面临着全域、全要素、全流程用途管制和空间治理的新形势、新任务和新要求，迫切需要信息技术，特别是以空间获取与分析为主要特征的测绘地理信息技术的有效支撑。测绘地理信息强大的地理空间数据获取、整合、分析、可视化和基于模型的辅助决策能力，能为国土空间规划全生命周期提供成体系的服务[2]。

历史地形数据作为国土空间规划中重要的参考数据，是不可或缺的。然而历史地形数据的格式、坐标系等不能满足现在的技术规范要求，因此需要对其进行一系列处理才能使用。本文以安徽省某地级市1987 年1∶1 000 分幅纸质地形图为例，基于ArcGIS 软件对其进行地理配准、影像拼接、坐标系转换等处理，转换成TIFF 格式，坐标系为2000 国家大地坐标系。

1 扫描地形图的地理配准及拼接

地理配准一般是指为没有已知坐标系统的栅格数据设置坐标系统，其原理是通过数据中的特征点与相对应的具有已知坐标的控制点匹配，实现整个数据的坐标配准，主要应用于将一些扫描的地图或通过一些航空设备拍摄得到的没有空间参考信息的栅格数据对齐到准确位置或配准到地图坐标系[3]。

将纸质的历史分幅地形图扫描后，需要对其进行地理配准，转换成真实坐标。配准步骤如下。

第一步，设置数据库属性，加载影像。打开软件ArcGIS，执行菜单命令“视图”—“数据框属性”，设定数据框属性，坐标系：1954 北京坐标系，中央子午线118.5°。添加“地理配准”工具栏。把需要进行配准的影像增加到软件中，将“地理配准”工具条的“地理配准”菜单下Auto Adjust（自动校正）取消选择。

第二步，录入控制点（特征点）。在配准中选择标准分幅图上的公里网格交点作为特征点，点击“添加控制点”按钮，使用该工具在扫描图上精确到找一个特征点点击，然后鼠标右击输入该点实际的坐标数值，如图1 所示。

图1 地理配准添加控制点

采用相同的方法，在影像上增加多个特征点（一阶多项式变换至少需要3 个，二阶多项式变换至少需要7 个），输入它们的实际坐标。点击“地理配准”工具栏上的“查看链接表”按钮。增加所有控制点，并检查均方差（RMS）后，在“影像配准”菜单下，点击“更新地理配准”。更新后，就变成真实的坐标。

第三步，由于标准分幅地形图有图幅边框，为了不影响后续拼接工作，需要裁剪去除图幅边框，重采样栅格生成新的栅格文件。点击ArcToolBox—数据管理—栅格—栅格处理—裁剪，选择配准的影像，输入XY的最大最小值（按内图框四个角点裁剪），设置输出文件名（图幅号.tif）。

第四步，所有分幅地形图配准好之后，利用ArcToolBox—数据管理—栅格—栅格数据集—镶嵌至新栅格工具，进行影像拼接生成一张总图，数据格式为TIFF 格式。

2 栅格数据坐标转换

分幅地形图配准拼接后，坐标系为1954 北京坐标系，需要转换为2000 国家大地坐标系才能满足作为国土空间规划基础参考数据的要求。不同坐标系的转换主要利用重合点的两种坐标，选择具有一定密度且分布均匀的重合点，采用适当的坐标转换模型计算两坐标系之间的坐标转换参数，从而实现坐标转换[4]。

2.1 坐标转换参数计算

按照择优、均匀分布原则，收集两套坐标系的12 个重合点，即1954 北京坐标系和2000 国家大地坐标系，中央子午线为118.5°，其中7 个点用于求取转换参数，5 个点作为精度检核。转换模型选择布尔莎七参数转换模型（7 个转换参数分别为平移参数3 个、旋转参数3 个、尺度参数1 个）[5]。

由于ArcGIS 软件不能求解转换参数，需要借助COORD软件。在COORD 软件中添加椭球参数与地图投影，输入重合点坐标，选择转换模型布尔莎七参数转换模型[6]。利用最小二乘法作为约束条件计算转换参数。

根据转换参数计算目标坐标系重合点坐标，分析转换残差，转换残差即重合点转换后坐标与已知坐标之差，计算坐标残差中误差来评估坐标转换精度，若残差大于3倍中误差，剔除该点，重新计算坐标转换参数，直到精度达到要求为止。

2.2 创建自定义地理坐标变换

转换参数求解后，在ArcGIS 软件工具箱中“创建自定义地理变换”工具，定义地理变换名称为54To2000，设置输入地理坐标系为GCS_Beijing_1954，输出地理坐标系为GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000，方法选择COORDINATE_FRAME，输入最终合格的转换七参数[7]，如图2 所示。

图2 自定义地理坐标变换

2.3 栅格数据坐标转换

打开工具箱中的“投影投影”工具，在对话框中输入输出的栅格数据和名称，在输出坐标系中填入要转换的坐标系统。在地理坐标变换中选择上一步创建的自定义地理变换：54To2000，点击确定就得到2000 国家大地坐标系的历史地形图数据。

2.4 转换精度分析

坐标转换之后，需要对转换后的2000 坐标系的历史地形图进行精度检验，在图上选取没有变化的明显地物点如建筑物房角点，实地检测后，精度符合要求。

3 结束语

本文通过ArcGIS 平台，对历史地形图进行地理配准、影像拼接、坐标系转换，得到的2000 国家大地坐标系的历史地形图栅格数据，为国土空间规划提供了重要的数据来源。同时证明，结合COORD 软件与ArcGIS 进行矢量数据和栅格数据的坐标转换，是一种高效、可行的解决方案。