采用Arc GIS进行坐标转换的两种方法对比研究

牛 亮 杜艳琴

（陕西华地勘察设计咨询有限公司，陕西 西安710020）

0 引言

在很多行业中都会用到地图，如土地利用规划图、现状图等。对于地图中空间信息都是基于某个坐标系统进行量算的。在现实中，数据存在不同的坐标系统，如西安80坐标系、北京54坐标系，WGS84坐标系以及独立地方坐标及各种城建坐标。即使是同一坐标系，其坐标的表示方式又有空间直角坐标、大地坐标、平面坐标等。因此需要将地图数据从一种坐标系转换成另外一种坐标系才能满足工作的需要，如何进行坐标转换并保证信息缺失较少或转换后的地图精度能满足工作需要？

1 坐标转换的方法

1.1 七参数法

坐标系转换包括不同的参心坐标间的转换，地心坐标系间的转换，参心坐标系与地心坐标系间的转换、相同坐标系的直角坐标（XYZ）与大地坐标（BLH）之间的坐标转换，还有大地坐标与高斯平面坐标之间的转换等。

本文主要研究的是不同椭球参考系下的空间直角坐标转换问题。传统方法主要有三参数和七参数转换法，其中精度较高的是七参数法。目前比较成熟的转换模型有布尔沙-沃尔夫模型、莫洛金斯基模型及中国的武测模型等。这些模型从形式上看略有差别，但转换结果是一样的。这类模型共有7个转换参数，即三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度参数，根据具体情况可以减少这些参数以简化计算，这样就产生了三参数法和七参数法。一般情况下可以根据三个公共点坐标求出七个转换参数。

WGS84与西安80坐标的转换步骤：

1）（B，L）84—（X，Y，Z）84，空间大地坐标到空间直角坐标的转换。

2）（X，Y，Z）84—（X，Y，Z）80，坐标基准的转换，三参数法、七参数法。

3）（X，Y，Z）80—（B，L）80，空间直角坐标到空间大地坐标的转换。

4）（B，L）80—（x，y）80， 高斯投影正算。

其中，第二步中转换参数的计算是最关键的，通常是在工作区内，利用三个以上已知点的西安80坐标和所测的WGS84坐标，通过布尔沙-沃尔夫模型、莫洛金斯基模型及中国的武测模型等来求解七参数。在ArcGIS中提供了三参数和七参数转换法。

1.2 矢量数据空间校正

ArcGIS空间校正（spatial adjustment）是将没有坐标信息、坐标丢失或者被修改的数据校正到一定坐标下的过程。

该方法的原理：在需要转换坐标区域获取相同控制点的WGS84坐标和西安80坐标，一般来说可以通过GPS接收机采集WGS84坐标，而控制点的西安80坐标必须是已知的，可从测绘部门获取，也可从西安80坐标地图上选取。通过动态投影的方法将WGS84坐标的矢量数据定义坐标转为80坐标（在ArcGIS中改变定义坐标并不改变坐标值）。将两种坐标的控制点加载到ArcMAP中，并利用空间校正工具建立两种坐标间的一对一链接文件，最后利用链接文件并选择校正方法对已进行过动态投影的WGS84矢量数据进行校正。这样就完成了将WGS84坐标转换成西安80坐标的过程。

实现步骤如下：

1）控制点坐标获取；

2）动态投影：建立个人数据库并建立坐标系统为WGS84的数据集，导入80坐标系的矢量数据，再导出坐标定义为WGS84坐标的矢量数据 （注意导出的必须是数据框或者是要导入的要素数据集的选项）；

3）建立西安80坐标和WGS84坐标的控制点要素层，并输入相应的坐标数据；

4）建立WGS84坐标到西安80坐标的控制点一对一的链接文件；

5）选择校正方法并对已经动态投影的矢量数据进行空间校正。

其中，该过程的关键步骤是第四、五步，控制点坐标必须是相同控制点一对一对应，链接方向是WGS84坐标到西安80坐标。还有校正方法必须选择正确，不同情况下选择不同的校正变换方法。

2 ArcGIS坐标转换实例

2.1 七参数转换

在ArcGIS 10中只需两步就能够从WGS84坐标转换为西安80坐标。以陕西省基准地价数据库（以下简称省数据库）为例详述转换过程。省数据库不同市、县（区）采用的坐标系统并不统一，有些为北京54坐标系，有些为地方独立坐标系，更多的地方所采用的西安80坐标系，为了项目需要，在此我们将省数据库的坐标系统一转为WGS84坐标。

由于Google Earth影像图 （简称影像图）上的坐标为WGS84坐标，因此，根据影像图和矢量图上选取同名点作为转换坐标的控制点。

七参数转换法步骤如下：

1）计算七参数

ArcGIS软件本身不能计算七参数，需借助COORD软件。求七参数时要注意源坐标和目标坐标的选择，源坐标为经纬度，目标坐标为XY坐标，在求七参数是可以反过来求，输入WGS84坐标后再输入西安80坐标，求得七参数再求其相反数即是80坐标转换成WGS84坐标的七参数。

2）创建七参数地理坐标转换

在ArcGIS10中打开ArcToolbox中的数据管理工具-＞投影和变换中打开创建自定义地理（坐标）变换工具。在地理（坐标）变换名称中输入一个转换名称，如xian80TOwgs84_咸阳市区；在输入地理坐标系中输入源坐标系名称，在输出地理坐标系中输入目标坐标系名称；在方法中选择COORDINATE_FRAME或者POSITION_VECTOR，然后输入之前求解的七参数。

3）对源数据进行坐标转换

在ArcGIS10中打开投影工具。输入要转换的数据及转换后的名称，并在输出坐标系中输入要转换成的坐标系统如：Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_36。在地理（坐标）变换中选择刚才自定义的地理变换xian80TOwgs84_咸阳市区。点击确定完成坐标转换。

2.2 在ArcGIS中实现矢量数据空间校正

这种方法的关键是在谷歌地球和源矢量数据上找同名点，位置越精确，其精度越高，实现步骤如下：

1）动态投影

建立数据库并建立坐标系统为WGS84的数据集，导入西安80坐标系的源矢量数据，再导出矢量数据（导出的必须是数据框或是要导入的要素数据集的选项），这样导出的矢量数据的定义坐标就变为WGS84坐标系统。

2）控制点坐标的选取

在数据库中建立坐标系统为西安80坐标的控制点要素层。根据谷歌地图影像及源矢量图找其同名点，在谷歌地图上用新建地标工具标定控制点（如图1所示），同时将源矢量数据作为地图在ArcGIS上的80控制点要素层上标定相同位置点。控制点选取时位置要选在明显地物点上，并分布均衡。将谷歌地图上标定的控制点保存为ArcGIS可以识别的KML格式的数据，这样就可以将选取的同名点坐标同时显示在ArcGIS。

3）矢量数据的空间校正

根据选取的同名点，利用空间校正工具建立一对一的链接关系，方向为西安80坐标指向WGS84坐标。

在链接表中将残差较大的点删除，如果剩余四个点残差仍较大时，则需重新选取控制点，直到残差满足精度要求为止。

校正方法一般选择仿射变换，利用控制点形成的链接文件对已进行过动态投影的源矢量数据进行空间校正，这样就完成了西安80坐标向WGS84坐标的转换

为了检验转换效果，可以将转换好的数据生成KMZ文件，在谷歌地球中加载和影像图对比，以查看转换后矢量数据与影像是否能套合(如图 2)。

图1 控制点标定

图2 转换结果

3 总结

上述两种方法均可以实现坐标转换，精度也可以满足要求。但从其过程来看，两种方法的工作效率不同。七参数转换方法需要专门的软件计算七参数，中间的步骤较多，较为复杂，花费的时间较长，效率较低，且对源数据的精度要求较高，而且不适用于地方独立坐标。而空间校正的方法效率则较高，且简单易行，任何坐标都可以转换，即使源数据发生了偏移也可以保证坐标正确转换，这也是实际工作中采取的方法，经实践证明只要源矢量数据坐标精度高的情况下坐标转换的精度较高。