基于arcpy 的大比例尺数字正射影像图平面四参数转换流程及其实现

郑玉娜

(福建省测绘院 福建福州 350003)

1 引言

国土资源部2017 年第30 号文件提出2018 年6 月底前完成全系统各类国土资源空间数据向2000国家大地坐标系转换，2018 年7 月1 日起全面使用2000 国家大地坐标系[1]。各级国土资源部门有大量数据需要进行坐标系转换工作，其中就包括了大比例尺数字正射影像图（DOM）数据。ESIR 公司的ArcGIS 软件是常用的地理信息数据处理软件，该软件只提供了七参数和三参数的坐标系转换方法，而国内针对局部地区的坐标系转换是使用平面四参数方法[2]。Arcpy 是ESRI 公司提供的站点包，能够以高效实用的方式执行地理数据分析、数据转换、数据管理和地图自动化创建基础等功能。

本文分析了在ArcGIS 平台下的数字正射影像图（DOM）坐标系转换流程，并利用Arcpy 站点包开发了针对数字正射影像图的四参数坐标系转换工具，在坐标系转换工作中实现无人值守一键化生产。

2 数字正射影像图（DOM）坐标转换

2.1 坐标转换流程分析

常见的大比例尺数字正射影像图（DOM）按照GB/T202571.1《国家基本比例尺地图图式第1 部分:1∶5001∶10001∶2000 地形图图式》标准分幅储存[3]。这种形式的DOM 数据进行坐标系转换时需要进行以下步骤：

1）将分幅数据镶嵌为总图，考虑到数据量问题，可以分成若干区域；

2）对总图进行坐标转换；

3）对总图进行重新分幅并命名。

在步骤2）中ArcGIS 软件没有提供直接的四参数坐标系转换工具， 但提供了扭曲工具（Warp_management），使用2 对或2 对以上的控制点可以对栅格数据集进行相似变换。

步骤3）中，ArcGIS 软件提供了分割栅格工具，但是使用该工具生成的分幅数据存在两个问题：1)命名不符合国标规范；2）以GeoTiff 格式生成栅格数据集时对应的tfw 文件中的坐标变换参数存在小数点数字精度问题，经过多次测试发现为ArcGIS 软件自身缺陷。

2.2 四参数转换数学基础

坐标系的平面四参数转换是一种相似变换，四个参数分别为X 和Y 轴方向上的两个平移参数，一个旋转参数，和一个缩放参数。其变换如下式（1）所示：

其中ΔX、ΔY 分别为X 轴和Y 轴上的平移量；α 为旋转量，以X 轴正方向到Y 轴正方向的旋转方向为正值；k 为缩放比例量。X 和Y 为原坐标值，X'和Y'为变换后的坐标值[4]。

在我国使用的测绘坐标系中，正北方向为Y 轴正方向，正东为X 轴正方向。这与数学笛卡尔直角坐标系正好相反，而ArcGIS 软件中使用的坐标系为数学坐标系，需要注意四参数中的旋转参数的方向问题，以本文所提及四参数转换公式为例，在测绘坐标系中的旋转参数α 正值为顺时针方向。

3 基于Arcpy 的坐标转换流程算法

3.1 算法流程

本工具对DOM 影像的坐标转换的核心是基于配准方式进行的，脚本自动提取适合的同名点对作为配准控制点，其具体流程如下图1 所示：

图1 脚本算法流程图

1）获取分幅DOM 影像镶嵌后的总图四至角点坐标作为配准控制点；

2）判断四至角点距离，如距离过大则内插网格点作为加密控制点；

3）对控制点进行四参数计算，获得控制点对；

4）以步骤3 控制点对结果，对栅格总图进行相似变换方式的配准；

5）重采样并捕捉配准成果至标准DOM 格网：在DOM 影像处理过程中，涉及到重采样的步骤均应使用三次卷积插值法（cubic），即使用16个最邻近像素的距离加权值来计算像素值。DOM 影像的坐标定位应以国家标准GB/T33175-2016《国家基本比例尺地图1:500 1:1 000 1:2 000 正射影像地图》中所规定，以像元的中心点为坐标0 值[5]；6）分割分幅DOM 影像，并以原始数据的方式命名DOM。

3.2 核心代码

本工具核心功能代码主要包括四个部分：

1）控制点加密方法，对输入的栅格提取四角点作为控制点，并以一定密度生成加密控制点；

2）调用Arcpy 配准工具对栅格进行配准；

3）图幅号自动命名方法，输入的图幅左下角点自动生成图幅号；

4）栅格分割方法，以标准图幅方式分割生成分幅DOM。

3.3 脚本界面

在ArcGIS 中添加脚本工具，坐标转换脚本的参数有输入栅格、输出栅格和转换所需的四参数，脚本界面如图2 所示：

图2 四参数转换脚本界面

运行四参数转换脚本需要在输入栅格处指定待转换影像路径，在输出栅格处指定转换成果存放路径和文件名，在dx，dy，t，k 处输入坐标转换四参数。参数配置完毕即可点击确定运行脚本。

影像分幅脚本的参数有输入栅格、输出目录、比例尺和外扩尺寸四个参数，脚本界面如图3 所示：

图3 分割栅格脚本界面

运行栅格分割脚本需要在输入栅格处指定待分幅的影像总图，在输出文件夹处指定分幅DOM 输出存放目录，在比例尺处输入原始待分幅影像比例尺，在外扩处输入分幅DOM 外扩尺寸，参数配置完毕即可点击确定运行脚本。

图4 原始坐标系DOM 镶嵌预览

4 实例及精度验证

以某市CGCS2000 坐标转换项目数据为研究实例。该批数据比例尺为1∶1000 的数字正射影像，共1085 张分幅影像，测区面积271.25km2，原始坐标为地方坐标系。转换分幅后共1186 张分幅影像，研究区示意如图4 所示。

以该地区现代测绘基准体系基础设施建设项目建立的控制点作为精度检验。该地区分布有6 对同名控制点，分布如图4 中红色十字丝点位。上述6 对同名控制点的X 方向中误差为0.007698 m，Y 方向中误差为0.010869m，可以用于坐标转换的结果验证。其中便于分辨的4 对同名控制点如下表1 所示：

表1 转换前后控制点处影像对比

经检验，坐标转换成果误差在1 个像元之内，符合项目作业要求，坐标转换脚本精度符合限差要求。

5 结束语

针对实践生产中需要转换坐标系的问题，本文基于Arcpy 站点包开发了针对数字正射影像图的四参数坐标系转换工具，便于安装部署，大幅度提高了工作生产效率，并经实际项目检验，符合作业要求，切实可行。