林地保护利用规划中数据的坐标转换

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1、 林地保护利用规划数据的坐标转换 在 ArcGIS 中的实现 蒋之富1，智长贵2 （1 国家林业局昆明勘察设计院，昆明 650216， 2 国家林业局调查规划设计院，北京 100714） 摘要摘要：在此次全国林地保护利用规划过程中部分地区需要对数据进行坐标系的转换，由于国家测绘局已提供了 15万图幅北京 54 坐标系与西安 80坐标系之间的大地坐标改正量，加上此前坐标系转换大都需要进行复杂的求解过程。基于此，本文利用ArcGIS 简单实现了数据在北京 54 坐标系与西安 80坐标系之间的转换。 关键字关键字：林地保护利用规划 坐标系 ArcGIS 1. 背景 全国林地保护利用规划是保障国土生态

2、安全、建设生态文明的基本要求。它将明确我国中长期林地保护利用的目标和任务，推动我国林地保护利用管理工作健康有序开展，为应对全球气候变化和我国经济社会可持续发展奠定坚实的基础。此次全国林地保护利用规划需要参考部分以前调查成果资料，加之此前林业或其它行业许多调查成果资料在全国各地所采用坐标系不同，所以在此次全国林地保护利用规划编制实施中，空间数据坐标系的转换是一个必须解决的问题，也是圆满完成全国林地保护利用规划中重要的一步。 2. 基本原理 1954 年北京坐标系（下文称 54系）是我国 20 世纪 50 年代为满足测绘工作的需要， 从苏联 1942 年普尔科夫坐标系转算过来的1， 采用克拉索夫斯

3、基椭球体， 其参数为： 地球椭球长半轴: a= 6 378 246 m 椭球扁率: e= 1/298.3 为清除局部平差和逐级控制产生的不合理影响， 提高大地网的精度， 1982 年我国完成了全国天文大地网整体平差， 建立了新坐标系即 1980 西安坐标系（下文称 80系）， 其参考椭球采用 1975 IU GG/IA G 第 16 届国际大会推荐的地球参数(简称 IA G75 椭球) 2 3。 地球椭球长半轴: a = 6 378 140 m 地球引力场二阶球谐系数: J 2= 1 082.6310- 6 地球总质量和引力常数乘积: GM = 3.986 0051014m3/S2 地球自转角

4、速度: = 7.292 11510- 5弧度/s 根据上述常数求得椭球扁率: e= 1/2 98.257 由于此次涉及坐标系转换的地区已取得国家测绘局提供的 15万图幅 54 系转换80 系大地坐标改正量 (d X ， d Y )。基于此，常规所用的坐标系转换方法就不实用了，因为其需要同名地物点的 X、Y以及 Z值，才能求出三参数或七参数。 而在直接有了坐标改正量之后，对 12.5 万、11 万图幅数据可根据 15 万坐标改正量进行双向内插求定 54 系与 80 系控制点、任意地物点坐标转换存在数学关系: d X = X 80- X 54 d Y = Y 80- Y 54 3. 54系和 80

5、系在 ArcGIS中的坐标转换方法 3.1 矢量数据 对于矢量数据进行坐标转换时，在跨图幅的情况下不能将其按标准 1：5万图幅裁切之后按坐标改正量进行平移，那将无形中为后期处理工作增加很大的工作量。 此过程可选用 ArcGIS 桌面产品ArcMap提供的空间转换工具Spatial Adjustment 来实现。Spatial Adjustment 空间校正方法中有：空间变换（Transformation）、橡皮拉伸(Rubbersheet)、边界匹配(Edge Snap)和属性传递(Attribute Transfer)，其中空间变换适合此项操作。 空间变换又分为仿射变换(Affine)、相似

6、变换(Similarity)和投影变换(Projective)。 仿射变换可以不同程度地缩放、倾斜、旋转和平移数据。下图(图 1)说明了这四种可能的变化4。 图 1 仿射变换 仿射变换函数为： x = Ax + By + C y = Dx + Ey + F 其中 x 和 y 为输入图层的坐标，x 和 y 是变换后的坐标。A、B、C、D、E 和 F 通过比较源控制点与目标控制点的位置来确定。这些值可对图层坐标进行缩放、倾斜、旋转和平移。仿射变换至少需要三个连接。 相似变换可以缩放、旋转和平移数据。但不会单独对轴进行缩放，也不会产生任何倾斜。相似变换可使变换后的要素保持原有的横纵比。 相似变换函数

7、为： x = Ax + By + Cy = -Bx + Ay + F 其中 A = s * cos t B = s * sin t C = translation in x direction F = translation in y direction 并且 s 为缩放比例，t 为旋转角度。 进行相似变换至少需要两个位移连接。但是，如果要生成均方根 (RMS) 误差，则需要三个或三个以上连接。 投影变换基于更加复杂的公式，该公式要求至少具有四个位移连接。 x = (Ax + By + C) / (Gx + Hy + 1) y = (Dx + Ey + F) / (Gx + Hy + 1) 3

8、.2 栅格数据 对于栅格数据，如果在一标准图幅范围内，可直接利用图幅改正量进行移动，利用 ArcGIS 工具箱的 shift 工具来实现；跨图幅的可利用 ArcGIS 桌面产品ArcMap提供的空间转换工具Georeferencing来实现。其中可以选择多项式变换(Polynomial）、样条函数变换(Spline)或校正变换(Adjust)来为栅格中的每个单元确定正确的地图地标。 多项式变换使用最小二乘拟合 (LSF) 算法和基于控制点构建的多项式。最小二乘拟合算法的目标是获得可适用于所有点的通用公式，这通常以控制点的位置发生轻微移动为代价。此方法所需的非相关控制点数量必须为：一阶多项式 3

9、 个，二阶多项式 6 个，三阶多项式 10 个。 用一阶（或仿射）变换来平移、缩放和旋转栅格数据集。这通常会在栅格数据集上得到直线，这些直线在扭曲的栅格数据集中映射为直线。因此，栅格数据集上的正方形和矩形通常会变为具有任意比例和角度方向的平行四边形。 变换的阶次越高，可校正的畸变就越复杂。不过，极少会需要三阶以上的变换。高阶变换需要更多的链接，因此处理时间将逐渐增多。 样条函数变换实际上是一种非均匀变换方法，并对局部精度（而非全局精度）进行优化。它基于样条函数 一种可维护相邻多项式之间的连续性和平滑度的分段多项式。样条函数至少需要 10 个控制点。 校正变换对全局 LSF 和局部精度都进行优化

10、。它基于结合多项式变换和不规则三角网 (TIN) 插值技术的算法而构建。校正变换可使用两组控制点执行多项式变换，并使用 TIN 插值技术来局部校正控制点以与目标控制点更好地匹配。校正至少需要 3 个控制点。 4. 转换方法的实现 对于不跨六度投影带的数据，通过利用计算 54坐标系下 15 万标准图幅西南角坐标值，加上 54 系转换 80 系大地坐标改正量 (dX ， dY )，由此可做成一一对应的坐标对，形成一控制点 txt 文件，第一列为 54系 x坐标值，第二列为 54系 y坐标值，第三列为加上 dX后的目标 x坐标值，第四列为加上 dY后的目标 y坐标值，这就形成了从 54系到 80系下

11、的转换控制点。如果要将 80系转换到 54系，则将加上 dX和dY的 x与 y放在第一、二列，实际计算的的西南角坐标 x与 y放到第三、四列，形成 80系到 54系的控制点文件。 对于跨六度投影带的数据，可选数据分布集中的带作为主带。分别对不同投影带做控制点文件，将相邻带控制点文件中的坐标值做成源和目标点文件，再分别将源点和目标点向主带投影（其中源点按待转坐标系投影，目标点按目标系投影）。再利用投影后的源点和目标点坐标值做成控制点文件，加在主带的控制点文件上，成为该数据转换的控制点文件。 4.1 矢量数据转换方法的实现 对于矢量数据，可分为两种情况，第一种是在一个标准五万图幅内，另一种是跨五万

12、图幅情况，前者可以在编辑状态下利用 move命令实现，后者则需要通过下列方法来实现： （1）整理待转换数据，将三度带数据转到六度带下，将同一带数据放到同一数据集或同目录中。 （2）将需要转换的矢量数据加载到 ArcMap中，并调用 Spatial Adjustment 工具。 （3）开始编辑数据，并设置转换数据，见图 2。 （4）设置转换方法，在范围较少情况下，可选用仿射变换方法，在范围较大情况下，可选用投影变换。 （5）导入控制点的 txt文件，见图 3。 （6）执行变换，通过 Spatial AdjustmentAdjust。 （7）保存并停止编辑。 （8）重新定义数据的投影信息，通过工具

13、箱中 Data Management ToolsDefine Projection或在 ArcCatalog中改变数据的属性来实现。 4.2 栅格数据转换方法的实现 对于栅格数据，可分为在五万图幅之内和跨五万图幅两种情况，前者可直接利用该五万图幅的改正量直接平称，利用工具箱中 Data Management ToolsShift 工具来实现。对于跨五万图的数据，实现方法如下： （1）将待转换的栅格数据加入 ArcMap中，并调用 Georeferencing工具。 （2）设置需校正数据，见图 4。 图 2 设置转换矢量数据 图 3 导入控制点文件 （3）导入控制点文件，见图 5。 （4）设置校

14、正方法，选用多项式变换方法即可，范围小可采用一次多项式，范围较大可采用二次或三次多项式变换方法。 （5）执行校正，可分为直接在原文件上更新其坐标位置，或生成新文件，前者执行 Update Georeferencing命令，后者执行 Rectifying工具。 （6）重新定义数据的投影信息，实现方法与矢量数据相同。 5. 结论与讨论 （1）通过利用 ArcGIS 桌面版工具可实现数据从 54系到 80系的转换，也可实现从 80系到 54系的逆转换。转换方法简单实用，适合大范围推广。 （2）此次国家测绘局提供的 15万图幅 54 系转换 80 系大地坐标改正量 (dX ， d Y )为六度带改正量

15、，在数据为三度带且中央经线与六度带不同的情况下，需将三度带重投影到对应位置的六度带上方能使用此改正量。 参考文献参考文献： 1 柳光魁, 赵永强, 张守忱等. 北京 54和西安 80坐标系转换方法及精度分析基于大连市 C级 GPS网成果J. 测绘与空间地理信息, 2007 30(2). 2 蒋辉, 夏勇樊朝俊等. 北京 54坐标系坐标转换的探讨J. 南京工业大学学报，2007, 29(4) . 图 5 导入控制点文件 图 4 设置待校正栅格数据 3 张书煌. 54 与 80 坐标系转换数学模型研究J. 福建地质, 2003 1. 4 田军庆,耿关庆. 空间地理信息数据在“北京54坐标系”与“西安80坐标系”之间的相互转换方法J. 测绘与空间地理信息, 2010, 33(3) 英文标题：Implementation of the coordinate transformation in Forestland Protection and utilization planning data using ArcGIS 作者简介：蒋之富 （1982），男，国家林业局昆明勘察设计院，毕业于森林经理专业，3S在林业上的应用方向，主要从事林业调查规划类工作。