地籍图斑坐标系统转换方法的探讨

德清县国土资源局 马宝平 张腊平

地籍图斑坐标系统转换方法的探讨

德清县国土资源局 马宝平 张腊平

一、引言

目前，德清县国土部门与城建规划部门采用的测绘成果及坐标系统均未实现统一标准，甚至国土部门内部也采用两套系统的成果，地籍管理采用1954年北京坐标系数据成果（城建规划部门也一直采用该系统成果数据），土地利用现状及土地利用规划采用1980西安坐标系数据成果（土地农转用报批及卫片执法均采用该系统成果数据）。在进行土地确权发证和建设用地项目竣工验收等方面的测绘工作时，不可避免地会涉及测绘成果的坐标系转换问题。常用的转换方法主要有四参数转换和七参数转换两种。四参数转换主要适用于地面两点的距离小于10千米的情况，因其采用的椭球参数对于转换精度的影响几乎忽略；而七参数转换主要适用于地面两点的距离超过15千米的面积较大区域，其精度能够得到很好的保证。本文就如何利用布尔莎七参数进行地籍图斑坐标系统转换作详细阐述，以供探讨。

二、布尔莎七参数求解及坐标系统转换思路

根据德清县界址线和其控制点分布情况（如图1），首先选取要进行坐标转换区域的公共点（本文共选取5个C级点，11个D级点），获得公共点在原坐标系统下和目标坐标系统下的三维坐标；其转换公式如下：

经过变换，可等价得到如下公式：

根据控制点的坐标（至少3个已知点，并且两个坐标系统均应已知），通过间接平差的方法：V=AX-L（V为残差阵，A为系数阵，X为未知七参数阵，L为闭合差阵），借助南方Cass9.1平台解求七参数（如图2）：X=(ATA)-1ATL；然后用公共点的坐标检验七参数的可靠性，如果不满足要求，则需重新计算七参数。

经检验，确定七参数满足要求以后，可采用目前主流的地图制图及地理信息软件（南方Cass9.1或ArcGis9.3）进行直接的图形坐标系统转换和间接的属性坐标系统转换（如对坐标串文件进行坐标系统转换）。

三、对地籍图斑进行坐标系统转换的实现方法

本文主要介绍两种常见的可通过目前主流软件实现坐标系统转换的方法。

图1

方法一：直接的图形坐标系统转换

图2

在ArcGIS应用中，通过ArcToolBox Data M a n a g e m e n t T o o l s—P r o j e c t i o n s a n d Transformations—Feature—Project或Raster—Project来实现两个矢量数据或影像数据坐标系之间的数据转换。首先选择要转换的文件或数据集，如果文件或数据集已有坐标系统，将自带显示此坐标系，然后选择转换后的坐标系统，并选择地理变换模板(Geographic Transformation)下拉框中自动加载可用的模板。如果没有可选项，需要用户自定义。地理变换模板可通过ArcToolBox—Data Management Tools—Projections and Transformations—Create Custom Geographic Transformation来创建定义需要进行坐标系统转换的类型（如1980西安坐标系统转1954北京坐标系统或1954北京坐标系统转1980西安坐标系统）。此方法可对.shp数据文件进行直接转换，方便快捷。

需注意的是，在定义地理转换方法时，ArcGIS软件中提供了10种投影方法。投影变换大致分为2种，三参数和七参数方法。GEOCENTRIC_TRANSLATION方法是地心变换，也就是三参数计算出dx、dy、dz，平移1次就完成投影变换。M0L0DENSKY、M 0 L 0 D E N S K Y_A B R I D G E D、MOLODENSKY_BADEKAS这3个方法都是使用莫洛坚斯基公式进行计算，属于七参数方法。MOLO_DENSKY_ABRIDGED方法使用简化莫洛坚斯基公式计算，比MOLODENSKY方法的精度稍低；MOLO_DENSKY_BADEKAS方法为扩展莫洛坚斯基公式，多了3个起始坐标。POSITION_VECTOR和C00RDINATE_FRAME这2个方法基本相同，都使用布尔莎-沃尔夫七参数模型。两者的不同在于旋转角度的定义不同，COORDINATE_FRAME方法按顺时针定义；POSITION_VECTOR方法按逆时针定义旋转角。

因此，在Method中应该选择合适的转换方法：COORDINATE_FRAME，然后输入平移参数、旋转角度和比例因子即可实现转换（图3）。但必须注意参数单位：一般计算得到的X、Y、Z Axis translation单位为米，X、Y、Z Axis rotation单位为弧度，Scale difference单位为比例尺度；而ArcGIS中X、Y、Z Axis translation单位为米，X、Y、Z Axis rotation单位为秒，Scale difference单位为ppm，所以应该做好转换数据的单位换算。

图3

亦可借助南方Cass9.1平台（图4），利用地物编辑（A）菜单下的坐标转换模块（红色区域），利用前面求解得到的布尔莎七参数，对已知图斑直接进行坐标系统转化图形输出。

方法二：间接的属性坐标系统转换

图4

借助南方Cass9.1平台，通过获取地籍图斑中每一个界址点元素的图形坐标串及其属性数据，新建一个.dat或.txt数据文件，将每一个元素在原始坐标系统中的坐标串数组，经过七参数转换生成新坐标系统下的坐标串数组，附带属性数据生成新的元素，保存在新的AutoCAD数据文件中，完成坐标系统的转换。具体方法是把地籍图斑先通过地籍（J）菜单下的下拉菜单转换成权属线,然后根据界址点生成数据文件命令，建立该图斑的.dat或.txt格式数据文件；再通过坐标转换，在坐标转换方式中选取数据格式后使用七参数转换就可得到该地籍图斑在新坐标系统下的坐标串数组文件。对坐标串数组文件展点，把各点连接起来以后即可得到该地籍图斑的图形，实现图形输出。

该方法的缺点：如果该地籍图斑本身含有弧段时，因在CASS 9.1平台中，点对弧段的表达缺乏连贯性，所以对.dat或.txt数据文件展点，再把各点连接起来以后生成的地籍图斑和原来的地籍图斑就会出现偏差。

四、精度分析

在坐标系统转换后，要对图斑进行精度分析，应主要从图斑的坐标转换精度和图斑面积的转换前后变化情况两方面进行。

（一）图斑的坐标转换精度

评定坐标转换精度评定方法：通过计算坐标转换参数重合点的残差中误差评估坐标转换精度。

残差计算：设参加转换参数计算的重合点的数目为n，则第i个重合点的残差 为：

空间直角坐标系转换精度评定方法：

因此，求解的布尔莎七参数转换坐标精度完全可满足地籍图斑处理要求。见表1

（二）转换前后图斑面积精度分析

对于1∶500的地籍图斑，通过同一坐标系统下坐标转换前后面积计算，可得到其面积变化详见表2。从表中可以看出，转换后图斑面积完全符合《地籍调查规程》（TDT 1001-2012）中规定的精度要求：△P≤0.0003×M× （△P允许变化面积，M为比例尺， 为图斑面积）。同时可见，图斑面积越小坐标系统转换前后面积变化差值也越小，图斑面积在55000平方米(即82.5亩)以下时其差值可忽略不计。见表2

表1

表2

五、结束语

国土资源“一张图”及国土资源执法监察系统的建设，势必要求多源信息的有效融合，构建统一的综合监管平台。基于这一现实需求，本文就地籍图斑坐标系统转换的方法进行了探讨，不同坐标系统的数据转换质量取决于七参数的解算，通过精度分析，可见坐标系统转换后的地籍图斑精度能符合《地籍调查规程》（TDT 1001-2012）的要求，为实现德清县国土资源“一张图”建设中各类基础数据的融合与统一奠定了基础，在实际工作中得到了较好应用。另外，对于不同基准面之间的转换，ArcGIS Engine和FME均提供了相关可用来控制转换参数的接口，经过编制程序，可实现不同基准面之间的坐标转换，这里不再做详细阐述，但作为另一种解决不同基准面之间的坐标转换方法，在以后的工作中可对其做进一步探讨。