浙江测绘2010年第1期 ・51・ 关于坐标系转换工作中转换方法的选择 王定良 ,肖龙鑫 ,谢俊莹 (1.衢州市测绘院,衢州324000;2.象山县测绘设计院,象山315700) 摘要:对直接四参数法、配合换带的四参数法、七参数法和线性回归拟合逼近法四种坐标系转换方法的运用进行了比较,认为 坐标系转换工作中关于转换方法的选择。可以根据转换面积大小和坐标系的椭球参数、投影方法等的获取情况进行选 择。 关键词:坐标转换;四参数;七参数 1 .刖,hl/- ̄再 很多地方在建设基础地理信息数据库的过程中 都会遇到不同坐标系的转换问题,坐标系的转换是 一项严谨、复杂的技术,其方法也有多种。选用一种 合适的坐标系转换方法既能对精度有所保证,又能 节省工作量。本文对多种坐标系转换的方法的运用 进行了比较,总结出坐标系转换工作中的一些体会。 2四种坐标系转换方法介绍 2.1直接四参数法 将一个平面坐标系统转换为另一个平面坐标系 统时,称前者为原始坐标系,记为( ,Y);后者为目标 坐标系,记为( ,Y)。坐标系转换中的四参数法是一 种相似转换模型,其转换公式为: = ・(cosax-sinay) (1) ,,= 斗k・(sinax+cosay) (2) 式中:( ,△ )为平移因子; 为旋转因子; 为 尺度因子,即通常所说的四参数。 2.2配合换带的四参数法 此坐标转换方法的流程如图l所示。 宁波市坐标系 宁波市坐标系 厶产l20。3O ,y值加常数为600Km Lo=120。30 ,Y值加常数为600Km : \ / \ / 过渡平面直角坐标系 过渡平面直角坐标系 L ̄123。.Y值加常数为500Kin L ̄123。,Y值加常数为500Km 1954北京(抵偿)坐标系 审 1954北京(抵偿)坐标系 L ̄123。.Y值加常数为500Km Lo=123。.Y值加常数为500Km 图1坐标转换方法的流程一 2.3七参数法 此坐标转换方法的流程图2所示。 图2坐标转换方法的流程二 2.4线性回归拟合逼近法 此方法实际上是一种拟合算法,数学模型采用 线性回归拟合逼近,回归参数采用二次方程拟合。显 然。回归模型可以获得更高的拟合精度。当控制网的 局部性系统误差(或形变)较明显时,采用回归模型 可以获得更高的转换精度。 线性回归拟合逼近法的转换公式为: + ( )口l・10 (’,一Y )啦・l0 ( ) ・10 +(,,一Y^)2( ・10 ̄+(x-X )(Y—y ) ・10-8 (3) y== bo+(x-X )6l・10 (y—Y )62・10"+(x-X )263・10-8 +(’,一Y ) b4・1O暹+(戈— )(Y—y )6 5・l0_8 (4) 式中:ao、 、…a,5为纵坐标x的6个回归参数; bo,b 、…b 为横坐标Y的6个回归参数; 、y 是转 换区域的重心点。对于一个转换区域来说它们是已 知值。 此方法须知道6个点的原始坐标和目标坐标, 可以很容易地求解由式(3)、式(4)组成的线性方程 组,得到ao、 、…06、bo,b 、…b5 12个参数。如果已知 6个以上重合点坐标,采用经典最小二乘法求解法 方程得到l2个参数值。 ・52・ 浙江测绘2010年第1期 3坐标系转换方法在实际工作中的运用 以象山县四等GPS控制网中成果为原始数据, 分别运用以上四种方法进行坐标系转换,并列出所 计算的转换参数的残差。 3.1坐标系转换所运用的数据情况 围内均匀分布,控制面积达1600Km2。其成果共有3 套坐标,分别为1954北京坐标系、1980西安坐标 系、宁波市坐标系,均为控制网整网平差成果, 不存在控制点间多次平差造成的不兼容现象。以上 情况为坐标系转换工作提供了良好的基础。三套坐 象山县四等GPS控制网共有81点,在全县范 标系的参数情况见表1。 表1三套坐标系的参数情况 坐标系名称 宁波坐标系 54坐标系 参考椭球 54参考椭球 54参考椭球 投影面 大地水准面 参考椭球面 子午线 l21。30 123。 陆地离开子午线距离 最小6km.最大47km 最小96km,最大140km Y坐标加常数 600Km 50OKm 80坐标系 I80参考椭球 参考椭球面 123。 最小96km.最大140km 5OOKm 3.2直接四参数法 表2 1954北京坐标系转1980西安坐标系转换参数残差(直接四参数法) 点名 XS01 残差(mm) 2 点名 XS18 残差(mm) l 点名 X¥35 残差(mm) 5 点名 X¥52 残差(mm) 2 点名 X¥69 残差(mm) 1 XS02 XS03 XS04 XS05 XS06 XS07 XS08 XS09 XS1O XSl1 XS12 XS13 XS14 XS15 XSl6 XS17 2 2 3 2 1 2 2 1 2 1 2 1 1 2 0 1 XS19 X¥20 XS21 X¥22 X¥23 X¥24 X¥25 X¥26 X¥27 X¥28 X¥29 X¥30 XS31 X¥32 X¥33 X¥34 l l 1 2 2 2 3 2 1 0 2 0 3 5 5 3 X¥36 X¥37 X¥38 X¥39 XS40 Xs4l XS42 XS43 X¥44 XS45 XS46 XS47 XS48 XS49 X¥50 XS5l 4 2 2 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 X¥53 X¥54 X¥55 X¥56 X¥57 X¥58 X¥59 X¥60 XS61 X¥62 X¥63 XS64 X¥65 X¥66 X¥67 X¥68 2 1 1 1 1 2 l l l 0 1 1 l 2 2 1 X¥70 XS71 X¥72 X¥73 X¥74 X¥75 X¥76 X¥77 X¥78 X¥79 X¥80 XS8l 2 2 3 4 l 4 4 2 1 0 1 1 注:残差最大值为5mm.中误差为2.1mmo 表3 1980西安坐标系转宁波市坐标系转换参数残差(直接四参数法) 点名 XS01 残差(m) 1.140 点名 XS18 残差(m) 0.579 点名 X¥35 残差(m) 0.949 点名 X¥52 残差(m) 0.627 点名 X¥69 残差(m) 0.497 XS02 XS03 0.801 0.968 XS19 X¥20 0.456 0.548 X¥36 XS37 0.710 0.477 X¥53 X¥54 0.610 0.320 X¥70 XS71 0.447 0.563 浙江测绘2010年第1期 ・53・ XSO4 XS05 XS06 XS07 XS08 XS09 XS1O XS11 XS12 XS13 XS14 XS15 XS16 XSl7 0.491 0.869 0.209 0.322 0.661 O.106 0.651 0.245 0.350 0.355 0.504 0.728 0-35l 0.506 XS21 X¥22 X¥23 X¥24 X¥25 X¥26 X¥27 X¥28 X¥29 X¥30 XS31 X¥32 X¥33 X¥34 0.468 0.513 1.298 1.476 1.286 1.035 0.460 0.539 0.9l2 0.739 0.749 1.677 1.248 1.1l7 X¥38 X¥39 X¥40 XS41 X¥42 X¥43 X¥44 X¥45 X¥46 X¥47 X¥48 X¥49 X¥50 XS51 0.345 0.571 0.797 0.621 0.420 0.438 0.489 0.5lO 0.5O1 1.118 0.432 0.4l5 0.520 0.435 X¥55 X¥56 X¥57 X¥58 X¥59 X¥60 XS61 X¥62 X¥63 X¥64 X¥65 X¥66 X¥67 X¥68 0.207 0.208 0.377 0.596 0.499 0.348 0.214 0.486 0.064 0.229 O.449 0.509 0.357 0.222 X¥72 X¥73 X¥74 X¥75 X¥76 X¥77 X¥78 X¥79 X¥80 XS81 0.659 0.977 1.515 1.070 1.555 O.814 0.764 0.696 1.292 O.351 注:残差最大值为1.677m.中误差为0.729m。 3.3配合换带的四参数法 表4 1980西安坐标系转宁波市坐标系转换参数残差(配合换带的四参数法) 点名 XS01 残差(mln) 1 点名 XSl8 残差(min) 1 点名 X¥35 残差(mm) 4 点名 X¥52 残差(mm) 1 点名 X¥69 残差(mm) 1 XS02 XS03 XSo4 XS05 XS06 XS07 XS08 XS09 XS1O XSl1 XSl2 XS13 XSl4 XSl5 XS16 XSl7 2 1 3 l 0 l 1 0 2 1 2 2 l 1 O l XS19 X¥20 XS2l X¥22 X¥23 X¥24 X¥25 X¥26 X¥27 X¥28 X¥29 X¥30 XS3l X¥32 X¥33 X¥34 l l 1 2 2 1 3 2 0 1 l 0 3 5 5 3 X¥36 X¥37 XS38 X¥39 X¥40 XS4l X¥42 X¥43 XS44 X¥45 X¥46 X¥47 X¥48 X¥49 X¥50 XS51 5 2 0 3 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 X¥53 X¥54 X¥55 X¥56 X¥57 X¥58 X¥59 X¥60 XS61 X¥62 X¥63 X¥64 X¥65 X¥66 X¥67 X¥68 1 2 2 2 2 2 1 1 2 l 1 1 0 2 2 1 X¥70 XS71 X¥72 X¥73 X¥74 X¥75 X¥76 X¥77 X¥78 X¥79 X¥80 XS8l l 2 3 3 l 4 3 2 1 0 l , 1 注:残差最大值为5mm,中误差为1.2mm。 ・54・ 浙江测绘2010年第1期 3.4七参数法 表5 1980西安坐标系转宁波市坐标系转换参数残差(七参数法) 点名 XS01 残差(mm) 1 点名 XS18 残差(mlT1) 1 点名 X¥35 残差(ITIITI) 4 点名 X¥52 残差(ITIITI) 2 点名 X¥69 残差(mm) 0 XS02 XS03 XS04 XS05 1 1 3 1 XS19 XS20 XS21 X¥22 2 1 1 2 X¥36 X¥37 X¥38 X¥39 5 2 1 4 X¥53 X¥54 X¥55 X¥56 l 2 2 2 X¥70 XS71 X¥72 X¥73 l 2 3 4 XS06 XS07 XS08 XS09 XS1O XS1l 1 1 1 O 2 1 X¥23 X¥24 X¥25 X¥26 X¥27 X¥28 l 1 2 2 1 1 X¥40 XS41 XS42 X¥43 X¥44 X¥45 2 2 1 l 1 1 X¥57 X¥58 X¥59 X¥60 XS61 X¥62 1 2 1 0 2 l XS74 X¥75 X¥76 X¥77 X¥78 X¥79 2 4 4 2 1 0 I XS12 2 X¥29 l X¥46 1 X¥63 1 X¥80 1 l XS13 XS14 XS15 XS16 2 1 1 2 X¥30 XS31 X¥32 X¥33 1 3 5 5 X¥47 X¥48 X¥49 X¥50 1 2 2 3 X¥64 X¥65 X¥66 X¥67 1 1 2 2 XS81 1 XS17 l X¥34 3 XS5l 2 X¥68 1 注:残差最大值为5mm,中误差为2.Omm。 3.5线性回归拟合逼近法 由线性回归拟合逼近法的数学模型可知,其参 据全部参与求解计算,其联立的方程之多、工作量较 大。现选取在全县范围均匀分布的22点参与求解计 数多达12个,把整个县域内的四等GPS控制点数 算,其余59点作为检核点。 表6 1980西安坐标系转宁波市坐标系转换参数残差f线性回归拟合逼近法) 点名 XS07 XS15 XS16 X¥22 X¥23 残差(1TIITI) O l 2 1 2 点名 X¥26 X¥29 XS31 X¥32 X¥38 残差(nMn) 2 l 3 1 2 点名 X¥40 X¥46 X¥52 X¥56 X¥58 残差(mlT1) 2 4 3 4 3 点名 X¥66 X¥68 X¥73 X¥74 X¥76 残差(mm) 5 6 7 l0 10 点名 X¥77 X¥79 残差(mm) 7 5 注:残差最大值为lOmm,中误差为4.6mm。 4数据分析 (1)从转换精度方面来分析,以上各数据显示, 四种转换方法的优良性为:“配合换带四参数法”优 于“七参数法”和“直接四参数法”优于“线性回归拟 (2)从转换方法的流程的复杂程度来看,“直接 四参数法”和“线性回归拟合逼近法”简单于“配合换 带四参数法”和“七参数法”。 (3)从转换参数求解的复杂程度来看,“直接四 参数法”和“配合换带四参数法”简单于“七参数法” 简单于“线性回归拟合逼近法”。 合逼近法”。 浙江测绘2010年第1期 ・55・ 表7检核点精度情况 点名 XS01 XS02 XS03 XS04 XS05 XS06 XS08 残差(nlln) 1 1 l 2 l l 0 点名 XS14 XS17 XS18 XS19 X¥20 XS21 X¥24 残差(mm) 1 2 1 1 2 2 1 点名 X¥34 X¥35 X¥36 X¥37 X¥39 XS41 X¥42 残差(mm) l 3 4 3 4 2 3 点名 X¥49 X¥50 XS51 X¥53 X¥54 X¥55 X¥57 残差(n'ln1) 3 2 3 3 5 5 3 点名 X¥64 X¥65 X¥67 X¥69 X¥70 XS71 X¥72 残差(rnn1) 5 5 5 5 5 6 6 XS09 XS10 XSl1 XS12 XS13 2 l 2 1 2 X¥25 X¥27 X¥28 X¥30 X¥33 3 1 1 1 2 X¥43 X¥44 X¥45 X¥47 X¥48 3 3 3 9 3 X¥59 X¥60 XS61 X¥62 X¥63 4 4 5 4 5 X¥75 X¥78 X¥80 XS81 7 6 8 3 注:残差最大值为9mm,中误差为3.6mm。 (4)从转换方法的数学模型来看,“直接四参数 法”、“线性回归拟合逼近法”可以不需要知道原坐标 系、目标坐标系建立的椭球参数、子午线、投影 方法等,而“配合换带的四参数法”和“七参数法”因 为需进行坐标正反算、空间坐标计算,以上要素必须 知道。 在各区块内的控制点个数税减,由此计算出的四参 数可靠性差。 使用“配合换带的四参数法”进行坐标系转换, 可以解决不同子午线坐标系之间转换,纵横坐 标缩放系数不一样、转换面积较小的的问题。 “七参数法”还需进行高程异常改正。我国现行 高程基准为正常高系统,而大地坐标和空间大地坐 5结束语 以上介绍的四种转换方法各有优缺点,对于不 同的项目可以根据坐标系转换范围的面积大小和其 它一些实际情况选择不同的方法以保证项目的产品 质量和经济效益。 在实际工作中,除“直接四参数法”不适合某些 情况的转换外,其它三种转换方法的精度都能满足 工程项目的需要,精度的差别细微。因此,作如下建 议: 标采用的为椭球高。由于高程异常改正数的精确值 难于得到,对七参数求解的精度会有微小的影响。 (5)从转换面积的大小和范围来看,“七参数法” 理论上不受转换面积大小的控制,但受参与求解七 参数的两套坐系成果的质量的影响。分区块进行“七 参数法”坐标系转换可以提高转换的精度。 (6)由表2、表3可以看出,“直接四参数法”适 用于同一子午线坐标系之间的转换。由于“直接 四参数法”的比例参数K值对于纵、横坐标是一样 的,当子午线不同且面积较大时,求解的转换参 数的残差特别巨大。同样使用“直接四参数法”,对整 个县域划分成10 km 10km的区块、各区块之间重 (1)在小于10平方公里的范围内进行转换,使 用“直接四参数法”即能保证精度。其转换方法简单、 参数易于求解,且不需要知道原坐标系、目标坐标系 建立的椭球参数、子午线、投影方法等。 (2)小于100平方公里的范围内进行转换,建议 使用“配合换带的四参数法”。如果原坐标系、目标坐 标系建立的椭球参数、子午线、投影方法等参数 叠lkm,分别利用落在各区块内的四等GPS控制点 进行各区块的四参数求解,其残差基本能达到≤ 0.04m的精度。但对落在重叠区域内的同点坐标,以 相邻各区块的四参数进行转换后的坐标进行比较, 其较差基本在0.10m左右波动。如果把区块继续划 无法获取。可以使用“线性回归拟合逼近法”。 (3)对于大于100平方公里面积的测绘项目来 说,一般情况是可以追溯到其坐标系建立的过程的 相关资料的,因此建议使用“七参数法”,以保证转换 的精度。如确实无法获取以上参数,可以使用“线性 小,则各区块之间的裂缝将以级数级增加,无法检核 与控制各区块重叠区域的精度。且区块的划小,对落 ・56・ 绘出版社,1994. 浙江测绘2010年第1期 回归拟合逼近法”。 参考文献: [1]王文中.控制测量.北京:地质出版社,1995,9. [2]朱华统,杨元喜,吕志乎.GPS坐标系统的变换.北京:测 [3]何育忠.平面直角坐标转换的简便计算.广东:珠江水 运,2003,8. [4]甘宗平,张新长.中山市石岐坐标向中山市统一坐标转 换参数的确定.北京:测绘通报,2002. (上接第24页) 角和技术支撑。镇海区已完成老城区5平方公里区 社会、经济发展做出积极贡献。 参考文献: [1]周信炎.信息化测绘:一个新的战略方向一访中国测绘学 会理事长杨凯.中国测绘报.2006。35. 域的三维仿真建模。 5 结束语 信息化测绘是信息化社会发展的根本需要.是 测绘技术发展的必然趋势。县域城市测绘单位要认 [2]杨欣欣.武汉大学:院士领衔自主创新.中国测绘报, 2008,84. [3]测绘发展战略研究项目组.中国测绘事业发展战略研究 报告.测绘出版社,2005. 清形势,找准定位,处理好与市级城市测绘单位的业 务关系与技术接口,及时转型,把握时机,坚定走信 息化测绘道路,努力为县域信息化建设及服务地方 [4]张继贤,唐新明,翟亮.关于我国信息化测绘技术体系建 设的思考.国家测绘局国土测绘司,信息化测绘论文集. 北京:测绘出版社.2008. (上接第47页) …. 理模型、空间运筹模型、空间复杂系统模型等内容。 。。’。 分析及时空分析篓坌 蛋 数,包括二维分析、DTM三维 4 GIS空间分析展望 。 二维分析有矢量数据空间分析、栅格数据空间 分析、空间统计分析等。三维分析包括三维模型建立 GIS空间分析理论和软件的完善和推广,使 GIS的应用者不断掌握和广泛使用其来解决不同的 领域的实际问题。实践中,人们发现当前的分析手段 和技术的局限性,从而促进了GIS空间分析理论与 方法的进一步发展和创新,如此往复。Haining认为, 地理信息科学包括地理信息系统软件和空间分析。 即GIS Science=GIS Software+Spatial Analysis 与显示、空间查询与定位、趋势面分析,表面积、体 积、坡度坡向、地形特征及可视域分析等。 时空析主要包括如下内容:时空数据建模、 时间量测、基于时间的数据平滑和综合、根据时空数 据变化进行统计分析、时空叠加分析、时间序列分析 及预测分析等。 这个概念,为把传统空间分析融合到地理信息系统 软件中,并最终建立地理信息科学这一学科指明了 方向。 参考文献: ③按应用层次复杂度分,包括空间查询与信息 提取、空间综合分析、模型构建、知识发现。 空间查询包括属性数据查询、位置特征查询及 区位查询;空间信息提取涉及空间位置、空间分布、 空间统计、空间关系、空间关联、空间对比、空间趋势 [1]汤,杨听.ArcGIS空间分析实验教程.北京:科学出 版社,2006. 和空间运动等的研究。空间综合分析涉及空间统计 分析、可视性分析、地下渗流分析、水文分析、网络分 析等内容。数据挖掘与知识发现则包括空间分类与 聚类、空间关联规则确定、空间异常发现与趋势预测 [2]刘湘南,黄方,王平,等.GIS空问分析原理与方法.北 京:科学出版社.20o5. [3]王劲峰.空间分析.北京:科学出版社,2006. [4]汤,刘学军,阊国年,等.北京:高等教育出版社, 2007. 等内容。模型构建包括空间机理模型、空间统计与机 [5]王劲峰,等.空间信息分析技术.地理研究,2005,5.