数字正射影像图向2000国家大地坐标系转换的原理和方法

张涛 外力 李小勇 杨光

（1.河南省测绘工程院，河南 郑州 450002；2.郑州铁路局，河南 郑州 450052；3.河南省基础地理信息中心，河南郑州450003）

数字正射影像图向2000国家大地坐标系转换的原理和方法

张涛1外力2李小勇3杨光1

（1.河南省测绘工程院，河南 郑州 450002；2.郑州铁路局，河南 郑州 450052；3.河南省基础地理信息中心，河南郑州450003）

主要介绍椭球间七参数坐标转换的算法实现，并通过自主开发软件以实际的转换案例详细地介绍数字正射影像图向2000国家大地坐标系转换的方法流程。

椭球间七参数坐标转换；数字正射影像；DOM ；2000国家大地坐标系；坐标系统转换

1 背景

中国于上世纪50年代和80年代分别建立了1954北京坐标系和1980西安坐标系。1954北京坐标系[1]和1980西安坐标系均属于参心坐标系统[2]。但是参照国际通行做法，采用地心坐标系统，可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象, 特别是描述空间物体的运动。2008年3月，中国国土资源部正式上报国务院《关于中国采用2000国家大地坐标系的请示》，于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，中国将全面启用2000国家大地坐标系，2000国家大地坐标系即为地心坐标系[3]。

依据《国土资源部 国家测绘地理信息局关于加快使用2000国家大地坐标系的通知》要求，国土资源系统将于2018年6月底前，完成省级、市县级国土资源主管部门所属存量数据向2000国家大地坐标系的转换工作，采用相对独立平面坐标系的与2000国家大地坐标系建立有效联系；2018年7月1日起，各级国土资源主管部门之间的数据上传、下发等全面采用2000国家大地坐标系。

面对数字正射影像图成果向2000国家大地坐标系转换的实际工作需求，目前可以采用现有的ERDAS、ARCGIS、GlobalMapper等国外商业软件来进行转换。本文将另辟途径介绍一种通过自主开发软件实现数字正射影像图成果向2000国家大地坐标系转换的原理和方法。

2 算法过程

坐标转换的数学公式涉及同椭球下高斯正反算[4]和椭球间七参数转换[5]。高斯正反算比较常规，本文不作赘述。椭球间七参数转换将作为本文的核心算法进行阐述。数字影像采样插值算法采用经典的双线性内插算法，也不再作详细说明。

椭球间七参数转换算法流程：以某一目标点A，中央子午线114度，西安80坐标高斯投影坐标X80、Y80、Z80转换为对应2000国家大地坐标系目标点B，中央子午线114度，高斯投影坐标X2000、Y2000、Z2000为例按照以下算法流程进行，实现流程框图如图1所示。

（1）通过高斯反算将西安80源投影坐标X80、Y80、Z80转换为西安 80椭球经纬度 B80、L80、H80；

（2）将西安80椭球经纬度B80、L80、H80转换为80椭球空间直角坐标系坐标X、Y、Z；

（3）将80椭球空间直角坐标系坐标X、Y、Z通过平移、缩放和旋转，七参数转化为2000椭球空间直角坐标系坐标X、Y、Z；

图1 实现的流程框图

（4）将2000椭球空间直角坐标系坐标X、Y、Z转换为2000椭球下经纬度坐标B2000、L2000、H2000；

（5）通过高斯正算将2000椭球下经纬度坐标B2000、L2000、H2000转换为目标点坐标2000国家大地坐标系投影坐标 X2000、Y2000、Z2000。

3 自主开发软件介绍和转换案例

3.1 自主开发软件主界面

自主软件基于VC++6.0、OPENCV和GDAL/OGR开发，影像的读取、存储方面，Erdas imagine格式采用GDAL库，TIF、BMP、JPG、PNG影像格式采用OPENCV库，数值计算和影像重采样处理等专业影像处理算法为提高处理效率和兼容性均采用底层开发[4]。软件主界面如图2所示。

图2 开发程序的主界面

3.2 软件功能介绍

软件能够对(*.jpg *.bmp *.tif *.img)格式数字正射影像，（*.shp）shapefile格式数字线划图，(*.las)格式激光点云，(*.dem)格式数字高程模型，（*.txt）明码格式控制点进行批量坐标系统转换。坐标系统转换包括：

（1）支持同椭球（克拉索夫椭球，IAG75椭球，WGS84，CGCS2000椭球以及自定义椭球）高斯克吕格、UTM、兰勃特投影方式下自定义中央子午线的地理坐标和投影坐标互转换；

（2）支持不同椭球间三维七参数转换；

（3）支持不同椭球间二维七参数平面转换和高程geoid 转换[6]。

3.3 DOM坐标转换案例

实际工程案例：将1∶1000大比例尺正射影像成果，从西安80坐标系统，高斯克吕格投影，中央子午线114度，转换为2000国家大地坐标系统，高斯克吕格投影，中央子午线113.5度成果。

（1）点击3.1主界面中“数字正射影像”按钮，弹出界面如图3所示。

图3 数字影像批量坐标转换界面

浏览选择设置转换前影像路径和转换后影像存储路径。

（2）点击上一步骤“转换”按钮，弹出图4界面。

设置转换后影像成果的地面分辨率（可以升采样和降采样）[7]；设置转换后空白区填充颜色；设置允许填漏的窗口尺寸以及滤波的方式。

（3）点击上一步骤“确定”按钮，弹出图5界面。设置转换影像对象源坐标系统参数。

图4 数字正射影像转换后参数设置界面

图5 源坐标系统设置界面

（4）点击上一步骤“接受设置”按钮，弹出界面如图6所示。

设置转换影像对象目标坐标系统参数。

（5）点击上一步骤“接受设置”按钮，弹出界面如图7所示。

图6 目标坐标系统设置界面

图7 高程转换方式设置界面

设置高程转换所采用的方式（三维转换，二维转换，二维转换和高程异常模型改正）。

（6）点击上一步骤“接受设置”按钮，弹出界面如图8所示。

图8 跨椭球间转换七参数设置界面

设置椭球间转换的七参数（由测区至少4对实测三维坐标对解算而来）[8]。

（7）点击上一步骤“接受设置”按钮，程序自动运行直至全部影像对象处理完毕。

3.4 数字正射影像成果坐标转换的效果

数字正射影像成果坐标转换效果如图9、图10所示。

图9 左为源DOM，右为目标DOM（坐标转换产生的空白由红色填充）

图10 左为源DOM定向文件，右为目标坐标系统下定向文件

4 结束语

本文主要讲述通过自主开发软件实现数字正射影像图成果向2000国家大地坐标系转换的原理和方法。重点介绍了不同椭球之间七参数转换的算法过程，并通过DOM西安80坐标向2000国家大地坐标系统转换的实践案例详细介绍了自主开发软件的使用方法和过程。自主掌握技术核心，为多种地理信息产品的坐标系统转换提供了完整的工作流程和软件解决方案。开发的软件界面友好，算法稳健，数据对象与主流GIS软件无缝对接兼容，具有实际的工程应用价值和经济效益。

[1]董鸿闻．1954年北京坐标系的历史注释[J]．东北测绘，2001(2)：16-17，23．

[2]沈永年，孔庆瑜．1980西安坐标系快速高斯投影计算公式[J]．冶金测绘，1994(2)：36-41．

[3]宁津生，王华，程鹏飞，等．2000国家大地坐标系框架体系建设及其进展[J]．武汉大学学报(信息科学版)，2015(5)：569-573．

[4]邓兴升，汤仲安，花向红，等．椭球变换后的高斯投影正反算算法[J]．大地测量与地球动力学，2010(2)：49-52．

[5]段文义，许烨璋，王灵锋，等．一种基于CGCS2000框架的单椭球七参数转换法[J]．测绘科学，2017(6)：50-54．

[6]李建成．最新中国陆地数字高程基准模型：重力似大地水准面CNGG2011[J]．测绘学报，2012(5)：651-660，669．

[7]江文婷，龚小谨，刘济林．颜色指导的深度图像升采样算法的对比性研究[J]．杭州电子科技大学学报，2014(1)：21-24．

[8]李金岭，刘鹂，乔书波，等．关于三维直角坐标七参数转换模型求解的讨论[J]．测绘科学，2010(4)：76-78．

张涛（1983—），男，汉族，注册测绘师，主要从事摄影测量与遥感技术的工程应用与开发。E-mail:handsup123@163.com