空间坐标转换及成果管理系统的设计与实现

2015-06-28刘君臣冯妍杨玉忠黄勇

城市勘测 2015年4期

刘君臣，冯妍，杨玉忠，黄勇

(天津市测绘院，天津 300381)

1 引言

本研究针对目前新疆测绘档案资料馆空间坐标转换业务中存在的效率低、工作量大等问题，探索一种自动化的空间坐标转换方法，实现自动化、高效率的空间坐标转换及成果管理系统。该系统可完成空间坐标转换及输出;坐标转换参数计算、查询、入库;坐标转换成果的查询输出;控制点转换参数成果的查询、输出;图幅号计算以及新旧图号之间的相互转换等工作。

2 现有资料及坐标转换流程

坐标转换工作需要参考的资料主要有1∶10 万图幅结合表、矿产分区图、部分1∶10 万图幅的坐标转换参数及矿产区的坐标转换参数。

进行不同椭球基准下的坐标转换，首先，判断坐标点在1∶10 万图幅的图幅号和矿区号。然后，查找该图幅或矿区有无坐标转换参数成果，如有坐标转换参数，则将坐标转换参数复制到现有的坐标转换软件中，进行相应的参数设置后便可得到转换后的空间坐标。接着，利用一个工具软件坐标转换前后的坐标文件生成正式的坐标转换文档，并修改相应客户单位名称及日期。最后，打印正式的文档并盖章，交接给客户。另外，利用现在的坐标转换工具进行不同基准下的平面坐标转换，需要现将其反投影变换到大地坐标，然后利用坐标转换参数得到转换后的坐标。在判断点位所位于的矿区时，需要打开矿区图根据坐标点人为判断其所在的矿区，如要坐标点没有同时位于一个矿区或者一个图幅中，则需要将其按照矿区或者图幅组织成不同的文件进行坐标转换。

从以上的工作流程来看，坐标转换的效率是非常低的，既耗时，又容易出错。由于坐标转换业务比较多，一个自动、快速的坐标转换软件是非常有必要的。

3 软件总体设计

根据我国坐标系统及新疆测绘档案资料馆坐标转换业务的现状，本软件主要实现基于北京54、西安80、国家2000、WGS84 等4 种椭球基准的坐标转换及某一椭球基准下的投影变换。由坐标点位快速提取坐标转换参数是快速、自动的坐标转换的关键。本软件采用空间数据库的分析功能判断坐标点所在图幅或矿区，并在数据库中检索相应的坐标转换参数，进而进行坐标转换。最终，输出为可直接打印的正式文档。本软件的系统结构如图1 所示:

图1 空间坐标转换及成果管理系统结构

坐标转换、输出模块主要实现不同椭球基准之间的坐标变换以及相同椭球基准下投影变换，最终自动完成坐标转换成果文件的输出。坐标转换的方式有布尔莎7 参数、4 参数、3 参数转换等方式，空间坐标转换的流程如图2 所示:

图2 空间坐标转换流程

4 关键问题的解决

4.1 空间数据库选取

本软件对于空间数据库的需求主要在于通过点来判断该点属于哪一10 万图幅或者矿区，对于判断点所位于的10 万图幅号是可以计算出来的，没有必要用空间分析功能。但是，不采用空间分析功能来判断某一点所位于的矿区是非常困难的，甚至不可能的。如果采用大型商业数据库将是一个非常大的浪费，而且安装部署都比较繁琐。因此，选择一个小型、轻便的空间数据库是十分必要的。

本软件选择了PostgreSQL+ PostGIS。PostgreSQL是目前发展非常快，应用非常广泛，社区技术支持非常好，被誉为是目前最先进的一款开源对象关系数据库管理系统。让PostgreSQL 更加强大的一面是其空间数据扩展PostGIS 的支持。由于有PostGIS 的支持，可以将PostgreSQL 优良的特性和强大的功能充分的发挥在海量空间数据的存储与管理中，为空间数据库的实现提供又一优良的解决方案，并且其开源和免费的特性更是能够满足许多低成本应用的需求。PostGIS 可以通过空间数据操作符与空间操作函数提供强大的几何要素编辑功能与空间分析功能，另外，它还支持多种开发语言，大大的增加的开发的灵活性。

4.2 坐标转换参数读取

对于坐标转换参数的读取分为窗体读取和数据库读取，对于某些临时性的转换参数可以采用窗体输入或窗体读取的方式获得转换参数，而对于已经入库的标准图幅及矿区对应的坐标转换参数可直接从数据库中读取。关于从数据库读取坐标参数的坐标转换详细流程如图3 所示。

图3 从数据库读取参数的流程

4.3 大地坐标转换模型

在不同椭球基准下的空间坐标转换中，大地坐标转换模型是坐标转换是否成功的关键。目前，常用的大地坐标转换模型在应用范围、计算速度及有效性等方面都存在着一定的局限性，如在地球内部、低纬度地区、地心或地极附近，不能有效地进行坐标转换，甚至出现转换结果错误或不收敛现象。由大地测量学得知，由(B、L、H)换算为(x，y，z)称为正解，可以很简单地由本文中的公式组(1)直接得到。对于由(x，y，z)解算(B、L、H)的反解，乃是国内外大地测量学者近二十年来经常讨论的一个热点问题。

本软件采用了根据Bowring 研究思路导出的转换公式组(2)，这组公式既简单又具有很高的计算精度，能够满足本软件的精度要求。

4.4 计算成果的利用

本软件的计算成果主要包括坐标转换参数成果及坐标转换成果。计算的转换参数成果既可以为后面的坐标转换自动提供转换参数，还可供查询及输出。坐标转换成果则可以用于坐标成果的查询、输出及统计，为其他应用提供数据支撑。成果利用如图4 所示:

图4 成果利用

5 软件的实现

本软件采用C#语言开发，开发工具为VS2010，主要引用了Npgsql 类库，该类库为．NET 连接PostgreSQL数据库的驱动程序。除此之外，作者编写了GeoTrans、DataBase、Print2Word、Matrix 四个类库。GeoTrans 类库封装了坐标转换及参数计算等方面的类和接口，Data-Base 类库封装了读取配置文件连接数据库及数据库操作等方法，Print2Word 类库封装了将坐标数据按照Word 模板输出到Word 文档的方法，Matrix 封装了关于矩阵的常规运算方法。应用程序(App)与类库间的组织结构如图5 所示。

图5 应用程序及类库间的组织结构

软件界面设计力求简洁，选择某一个功能模块不会产生新的窗口。坐标转换完成后可以将坐标成果输出为Word 文档，直接打印即可。除此之外，坐标转换的同时还生成了坐标转换报告，报告中对转换前后的坐标进行对比分析，得出转换前后的经纬度差异。坐标转换的界面如图6 所示。

图6 空间坐标转换及成果管理系统

6 精度分析

本软件精度测试区域位于新疆伊犁哈沙克自治州，1∶10 万图幅号分别为L－45－008、K－44－008。下面以北京54 坐标系(以下简称54)向西安80 坐标系(以下简称80)转换为例，进行坐标转换精度分析。

从以下数据表可分析出，x 方向点位中误差为0.042 418 m，y 方向误差为0.022 659 m，点位中误差为0.048 091 m，完全满足坐标转换业务要求的。另外，通过实验证实，坐标转换的精度与控制点的选取有很大的关系，控制点精度高且均匀分布，计算的坐标转换参数则更准确，坐标转换的精度则更高。

7 结论

该软件的操作符合新疆测绘档案资料馆坐标转换作业流程，操作方便、简单，快捷，能很好满足坐标转换业务的需求。空间坐标转换及成果管理系统能够进行高效、自动化的空间坐标转换，把工作人员从繁重的重复工作中解脱出来; 能够对历史的空间坐标转换成果进行快速检索、输出;能够对控制点转换参数成果进行计算、查询、入库及维护更新。总之，该软件不仅可以提高工作人员的效率，提升服务能力，而且能在自治区的经济建设和社会信息化中发挥重要作用，能更好地服务于各项经济建设。