当前测绘数据坐标转换与统一的研究

当前测绘数据坐标转换与统一的研究

——以江苏省江阴市为例

楚振庭  赵  健

江阴市国土资源局，江苏江阴、214400

摘  要：本文对当前国土资源系统实际测绘工作中所遇到的多套空间坐标数据相互转换的突出问题进行了深入的研究，并就其实现方法和过程进行了较为详细地描述，针对实现过程中采用的关键技术加以说明，并通过具体实例分析了该方法的可靠性和实用性，为即将开展的“二调”成果的利用工作提供测绘保障    服务。

关键词：北京坐标系 西安坐标系 七参数坐标转换法  精度分析 坐标数据格式转换

1 引言

江阴市国土资源局从成立以来，测绘坐标数据一直沿用1954年北京坐标系，与江阴市规划局的坐标系保持着一致性，在2003年开始建立大比例尺城乡一体化地籍信息系统时，为保证历史测绘数据的延续性仍然延续使用了1954年北京坐标系，为降低东部地区变形误差将中央子午线由120度修改至120度20分。1980年西安大地坐标系是在1954年北京坐标系的基础上完成的，在全国天文大地网统一平差后, 提供了全国统一、精度较高的1980年西安大地坐标系的控制点坐标。江阴市国土资源局按国土资源部的统一要求，在第二次全国土地大调查的图件更新中采用了1980年西安大地坐标系。

因此，目前江阴市国土资源局正在和即将使用的测量坐标数据有三套：即数字国土坐标、规划局坐标、二调坐标。由于历史等多种原因，这三套坐标数据还将长期共存，并通过相互转换得到更加广泛应用。本文针对江阴市国土资源局当前工作具体要求特点，在多种坐标系统并存使用的情况下，研究一种能满足一定精度要求的实用性强的坐标转换方法。

2 坐标数据转换类型方法的选择

2．1 具体业务与坐标类型的关联

（1）报省审批新征用地时须进行数字国土坐标转换为西安大地坐标。使用二调成果以后，报省审批新征用地时的坐标必须是1980年西安大地坐标系坐标，而勘测队实际测量的成果是1954年北京坐标系（中央子午线120度20分）坐标，因此需要将数字国土坐标转换成1980年西安大地坐标系坐标。由于1954年北京坐标系与1980年西安大地坐标系的椭球参数不同，只能采用七参数或者四参数法转换。

（2）报省审批新征用地时由规划局定点图坐标转换为西安大地坐标。如果新征用地地块坐标数据来自规划局定点图坐标，则需要将规划局定点图坐标转换成1980年西安大地坐标系坐标。同上，由于两种坐标系之间的椭球参数不同，只能采用七参数或者四参数法转换。

（3）新征用地发证、日常登记发证时须进行西安大地坐标转换为数字国土坐标。由于日常登记发证依然采用的是城乡一体化数字地籍信息系统，仍然采用数字国土坐标即1954年北京坐标系（中央子午线120度20分）坐标，因此需要将1980年西安大地坐标系坐标转换成数字国土坐标以便入库。同上，由于两种坐标系之间的椭球参数不同，只能采用七参数或者四参数法转换。

（4）日常登记发证、成果应用时由规划局定点图坐标转换为数字国土坐标。由于工作需要，经常需要在规划局定点图坐标和数字国土坐标之间相互转换。由于规划局定点图坐标和数字国土坐标都是1954年北京坐标系，只是中央子午线有区别（规划局定点图中央子午线为120度，数字国土坐标中央子午线为120度20分），所以只需要通过高斯正反算换带计算即可。

（5）满足“金土工程”软件要求。“金土工程”软件将无锡市内所有区县的数据合并存放，采用的坐标系统是1954年北京坐标系，中央子午线为120度。为方便将地块数据导入到“金土工程”软件中去，需要将数字国土坐标转换成“金土工程”软件要求的坐标格式。“金土工程”软件坐标系统与规划局定点图坐标系统一致，只是在坐标位数上有差别，可以通过大数的增减达到转换的目的。

由于规划局定点图数据和数字国土数据相互转换只是涉及换代计算，技术比较成熟，本文不做深入研究。下面重点研究实现数字国土坐标与二调数据坐标的相互转换方法。

2.2七参数坐标转换类型的确定

常见的转换类型有以下两种：①大地坐标（BLH）与平面直角坐标（XYZ）相互转换；②任意两空间坐标系的转换（包括54北京坐标、80西安坐标、地方坐标及WGS84坐标系的相互转换）。所谓坐标转换的过程就是转换参数的求解过程。常用的坐标转换方法有四参数法和七参数法。

如果保持GPS测量结果独立并且有当地地图投影的信息，选七参数方法最适合。对于七参数法来说其旋转角度不能太大，地方坐标系和WGS-84坐标系的定向不能相差太多。如果没有椭球和地图投影的信息，并且你想利用已有的地方控制点使GPS测量结果纳入地方坐标系统，那么选四参数法加高程拟合最合适。

根据江阴市国土资源局历史资料的现有状况,并结合实际测量区域的面积大小（大于10km×10km）, 选择布尔莎七参数方法最适合。

3 布尔莎七参数坐标转换方法应用

通过采用布尔莎七参数法，实现现有1954年北京坐标系中央子午线为120度20分的坐标与1980年西安大地坐标系中央子午线为120度的坐标之间的相互转换。及同一1954年北京坐标系下中央子午线为120度20分与中央子午线为120度之间的相互转换。

依据布尔莎七参数转换法，一个地区或一个测区,将旧控制网的测量成果转换到新测量控制网上时,需要有不少于3个公共点作为两种网的连接点,这些公共点应具有两个坐标系中的两套坐标，具体转换步骤如下：

（1）将现有坐标通过高斯正算得到旧控制网坐标系下的经纬度坐标；

（2）依据旧控制网的椭球参数计算得到对应椭球下的空间坐标系坐标；

（3）通过布尔莎七参数法计算得到新控制网坐标系下的空间坐标系坐标；

（4）依据新控制网的椭球参数计算得到对应椭球下的经纬度坐标；

（5）通过高斯反算得到新控制网坐标系下的平面坐标。

3．1 转换参数计算

两个坐标系之间的转换关键就是要求得高精度的布尔莎七参数，即平移参数Δx，Δy, Δz,旋转参数εx, εy, εz,尺度比K。

两个空间直角坐标系分别为O-XYZ和O’-X’Y’Z’，其坐标系原点不同则存在三个平移参数Δx，Δy, Δz，他们表示O’- X’Y’Z’坐标系原点O’相对于O-XYZ坐标系原点O在三个坐标轴上的分量；又当各坐标轴相互不平行时，既存在三个旋转参数εx, εy, εz。

考虑到两个坐标系的平移和旋转以及尺度参数可得公式如下：

 

 

然后利用两套坐标系内不少于三个公共点坐标，采用最小二乘的方法即可求得此七参数。

本文使用了四个C级点和一个四等点共五个公共点来计算布尔莎七参数（见表3-1），求得参数见表3-2。

表3-1  公共点一览表

表3-2  布尔莎七参数表

3．2 高斯投影正反算公式

3．2. 1高斯投影正算

3.  2．2高斯投影反算

3．3 大地坐标与空间直角坐标换算公式

3.3.1空间直角坐标转为大地坐标

其中, a 为半长轴, c 为半短轴。

3.3.2大地坐标转为空间直角坐标

经典的大地测量学教科书中提供的大地坐标到空间直角坐标的转换公式需要进行迭代计算，对编写程序有一定的影响，容易造成死循环，所以采用另外一种简便的计算公式，如下：

3.4 计算结果与精度分析

选取本市内的四等点进行北京54坐标到西安80坐标转换结果比对和精度分析，见表3-3。西安80坐标到北京54坐标转换结果比对和精度分析，见表3-4。 

表3-3 北京54坐标到西安80坐标转换结果比对和精度分析

	北京54（120.33333）			西安80（120.0000）			西安80（换算得到）			平面误 差(mm)
点号	X	Y	Z	X	Y	Z	X	Y	Z
1	3528127.556	471942.413	23.065	3528045.441	503439.288	23.065	3528045.441	503439.288	23.065	0.20
2	3527017.716	500460.801	22.712	3527023.430	531961.217	22.712	3527023.430	531961.217	22.711	0.36
3	3532159.255	484785.216	5.990	3532116.713	516269.643	5.990	3532116.713	516269.643	5.989	0.44
4	3528452.263	476676.017	32.354	3528384.728	508171.868	32.354	3528384.728	508171.868	32.353	0.53
5	3525787.803	469893.035	17.962	3525699.395	501397.130	17.962	3525699.395	501397.130	17.962	0.54
6	3517411.635	520152.466	21.226	3517477.696	551682.883	21.226	3517477.696	551682.884	21.226	0.60
7	3511787.184	522166.775	58.333	3511859.251	553714.523	58.333	3511859.252	553714.523	58.333	0.62
8	3514158.248	513575.878	23.224	3514204.022	545116.101	23.224	3514204.021	545116.101	23.223	0.67
9	3533074.004	470868.717	17.803	3532988.544	502350.353	17.803	3532988.544	502350.354	17.803	0.67
10	3521099.519	497157.818	27.059	3521094.985	528676.400	27.059	3521094.985	528676.399	27.058	0.75

表3-4 西安80坐标到北京54坐标转换结果比对和精度分析

	西安80（120.0000）			北京54（120.33333）			北京54（换算得到）			平面误 差（mm）
点号	X	Y	Z	X	Y	Z	X	Y	Z
1	3528045.441	503439.288	23.065	3528127.556	471942.413	23.065	3528127.557	471942.4128	23.065	0.68
2	3527023.430	531961.217	22.712	3527017.716	500460.801	22.712	3527017.716	500460.8004	22.712	0.78
3	3532116.713	516269.643	5.990	3532159.255	484785.216	5.990	3532159.256	484785.2158	5.990	0.92
4	3528384.728	508171.868	32.354	3528452.263	476676.017	32.354	3528452.264	476676.0163	32.354	1.02
5	3525699.395	501397.130	17.962	3525787.803	469893.035	17.962	3525787.804	469893.0343	17.962	1.04
6	3517477.696	551682.883	21.226	3517411.635	520152.466	21.226	3517411.635	520152.4651	21.226	0.96
7	3511859.251	553714.523	58.333	3511787.184	522166.775	58.333	3511787.184	522166.7745	58.333	0.55
8	3514204.022	545116.101	23.224	3514158.248	513575.878	23.224	3514158.249	513575.8778	23.224	1.13
9	3532988.544	502350.353	17.803	3533074.004	470868.717	17.803	3533074.005	470868.7161	17.803	1.06
10	3521094.985	528676.400	27.059	3521099.519	497157.818	27.059	3521099.519	497157.8184	27.059	0.38

从表3-3和表3-4可以看出，通过计算得到的西安80坐标和参考点坐标的平面误差值在1毫米以内，而用西安80计算得到的北京54坐标和参考点坐标的平面误差在1.2毫米以内，完全可以满足更新维护、登记发证和报批的精度要求。

4 结束语

本文是根据江阴市国土资源局多种坐标系统共存的现实, 结合国土资源第二次土地调查图件更新的实际情况, 研究了一套利用不同坐标系公共点确定坐标转换参数实现坐标转换的实用方法。这种实用方法的特点是充分考虑了江阴市国土资源局高级控制点的实际使用情况，密切结合江阴市国土资源局用地报批、放样和发证等工作的具体特点和要求, 为今后开展此类工作做了一些探索性实践。研究突出了转换方法的实用性和可靠性, 同时也开发了实用方便的计算软件并与城乡一体化地籍信息系统软件合二为一，极大地提高了整个测量流程的工作效率。

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Research on Conversion of Survey Data Coordinates in Land Resource Work

——Take the example of Jiangyin city in Jiangsu province

Chu Zhenting, Zhao Jian

(The Bureau of Land Resource in Jiangyin, Jiangyin Jiangsu, 214400)

Abstract When we survey in fact land resource working, we perhaps meet lots of coordinates data conversion problems. The paper studies deeply on coordinates data conversion in many kinds of reference frame, describes its methods and processes in detail. And then, the paper explains the key technique in the processes and analysis the dependability and practicability of method by example. The research will serve the using of the result of second national land survey.

Key words Beijing reference frame; Xi’an reference frame; Conversion method of seven parameters; Precision analysis; Format conversion of coordinates data