【学术】 现有地理信息成果向CGCS2000转换的应用

摘要：根据国家要求，决定自2018年7月1日起全面使用2000国家大地坐标系，而国内现有的地理信息成果大多数都是基于北京54、西安80坐标系或地方坐标系，为了将我国原有的或国际上其他参考框架的测量成果和资料得到充分的利用，保持我国现有地理信息成果的现势性，就需要分析、改进向2000国家大地坐标系的转换方法。本文针对实际生产项目中已有的不同格式的地理信息成果，利用相应的坐标转换软件将其转换到2000国家大地坐标系，将转换结果与已知坐标或图形数据进行对照或叠加分析，分析其转换精度。

关键词：北京54；西安80；CGCS2000；坐标转换

1 引言

1954年，在前苏联1942年坐标系的基础上，我国测绘系统进行了扩展和延伸，建立了“1954年北京坐标系”。80年代初，通过天文大地网整体平差，建立了“1980西安坐标系”。2008年，利用现代空间测量技术，建立了易于更新和维护的2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系，作为一个高精度的、动态、实用、统一的大地坐标系[1]，可以大幅度提高测量精度，使测量工作所获取的坐标更加精准，能在现有条件下充分利用现代空间卫星测量技术的成果。此外，在我国大中城市的城市建设和发展规划中，根据其自身的实际需求，还建立了各自的地方独立坐标系。

随着现代化社会的发展，随着高精度空间定位技术的应用，老旧、众多的坐标系已逐渐不能满足时代发展的需要，所暴露出来的在资料对接、成果统一方面的问题引起了我国测绘工作者和测绘部门的重视。国家同时使用多个坐标系，更会造成不同部门或单位之间测绘成果基准的不统一，容易造成地理空间信息的混乱[2]，给资料对接、成果应用带来重要影响。当国家所有测绘成果的测绘基准统一之后，将能更好地实现智慧城市、时空信息云平台中基础地理信息成果的对接与共享，避免了资源浪费、精度损失等一系列问题。

按照国家近期相关文件的要求，自2018年7月1日起，将在全国范围内全面应用2000国家大地坐标系，自2019年1月1日起，相关测绘部门将全面停止向社会提供1954年北京坐标系和1980西安坐标系的基础测绘成果。

国内现有的地理信息成果大多数都是基于北京54、西安80坐标系或地方坐标系，为了将我国原有的测量成果和资料得到充分的利用，保持我国现有地理信息成果的现势性，必须深入探讨现有老旧坐标系向2000国家大地坐标系转换的方法，分析并提高转换精度，从而更好地服务于用户，保证测绘成果能够精确地转入目标坐标系下使用[3]。

本文针对实际生产项目中已有的不同格式的地理信息成果，利用相应的坐标转换软件将其转换到2000国家大地坐标系，将转换结果与已知坐标参数或图形数据进行对比或叠加分析，分析其转换精度。

2 工程案例

按照《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》（国土资发[2017]30号）要求，2018年6月底前全系统要完成各类国土资源空间数据向2000国家大地坐标系转换，自2018年7月1日起全面应用2000国家大地坐标系。

本章将结合遂宁市城乡规划管理局测绘基础地理信息数据转换项目，介绍坐标系转换在实际项目中的应用情况。

2.1 项目背景

遂宁市城乡规划管理局作为遂宁市政府直属县级事业机构，负责履行全市城市规划行政管理职能，其主要工作包括研究制定全市城乡发展战略和城市发展总体规划，参与江河流域规划、区域规划、土地利用总体规划等，其中需要利用到其他多个部门（如国土、林业、水务、交通、电力等）的基础地理信息测绘成果。

遂宁市现在使用的坐标系有北京54坐标系、“北京54小坐标”、西安80坐标系、CGCS2000、遂宁坐标系等，同时使用多个坐标系，造成了不同部门或单位之间测绘成果基准的不统一，给遂宁市城乡规划管理局的规划工作中资料对接、资料成果的使用等方面带来了很大影响，直接影响了规划工作的效率与进度。

为响应国家相关文件要求，将测量成果和资料得到充分的利用，便于资源和成果的共建共享，遂宁市城乡规划管理局委托遂宁市勘察测绘院开展测绘基础成果资料的坐标转换工作，统一现有测绘成果的坐标系基准至2000国家大地坐标系。该项目数据量约为360GB，包含了国土、林业、水务、交通、电力等各方面的测绘基础数据。

2.2 项目数据概况

数据格式方面，涵盖了常见的几种数据格式，其中矢量数据包括DWG、SHP、GDB、EDB四种格式，栅格数据为TIFF格式，点位数据为TXT格式。

坐标系统方面，首先利用已有各个坐标系的全遂宁市的天地图数据、影像数据对原转换数据进行逐个比对，明确原数据的坐标系。

经比对发现，现有数据大部分为北京54与西安80坐标系，部分数据的坐标系不明或者原图形存在一定比例的旋转和缩放，无法直接进行坐标转换。部分数据的坐标系为“北京54小坐标”，其椭球参数和北京54坐标系完全一致，仅在坐标成果中，把X坐标减去3300000，Y坐标减去500000。

2.3 技术路线

转换技术流程为：收集转换区域内已有控制点成果，选择作为重合点和检验点的控制点进行实验，再选择适合的坐标转换模型，计算坐标转换参数并分析参数的精度，然后使用坐标转换参数进行该项目测绘成果的转换，最后检查转换精度并整理数据[4]。

2.4 精度评估方法

在进行坐标转换时, 将所选取的点分为公共点和外部检核点。公共点用于求解参数，外部检核点用于外部检核[5]。对转换的精度进行评定时主要参考坐标转换的内符合精度和外符合精度，内符合精度由计算参数的公共点转换后的坐标与原真值的残差表示，外符合精度由外部检核点根据计算参数进行坐标转换后的坐标值与真值做差的残差表示[5]。精度达到要求方可作为转换参数，否则需重新找重合点计算转换参数[6]。

3 北京54和西安80坐标系转换

充分利用现有软件进行数据的坐标转换，软件包括COORD（笑脸工具）、南方CASS、ARCGIS、SUPERMAP等。

3.1 转换参数计算

（1）计算方法

利用已知的遂宁市C级网控制点的各坐标系成果，使用COORD软件进行坐标转换七参数或四参数的计算。

图1：转换点位置分布

参数计算模型选择布尔莎模型，利用七个参数作相似变换[7]，考虑到已知公共点本身就存在一定的精度误差，为了求得较好的转换参数，应当从公共点的数量、位置分布等着手，选择合适的公共点进行参数计算，并且要选择其它均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核[8]。

利用位置分布均匀，能较好覆盖整个遂宁市区域的8个C级控制点作为参数计算的公共点，使用工具COORD软件先将两套坐标系的平面坐标（X，Y）分别转换为大地坐标（B，L），再求得平面转换七参数，共得到10套各坐标系之间互相转换的七参数。

（2）七参数转换精度

以北京54至CGCS2000坐标转换为例，经过计算得到北京54-CGCS2000的转换七参数后，利用七参数再将原北京54坐标成果（进行参数计算的8个点）转换至CGCS2000坐标系，并与已知CGCS2000坐标系的成果进行对比，内符合精度情况如下：

图2：转换后坐标残差（内符合）

经统计，转换后X坐标残差中误差为1.05cm，Y坐标残差中误差为1.07cm，内符合精度良好。

利用七参数再将原北京54坐标成果（没有参与参数计算的其它控制点）转换至CGCS2000坐标系，并与已知CGCS2000坐标系的成果进行对比，外符合精度情况如下：

图3： 转换后坐标残差（外符合）

从上述比较结果来看，计算所得的北京54-CGCS2000七参数转换后坐标残差在2cm以内，经统计，转换后X坐标残差中误差为0.81cm，Y坐标残差中误差为0.70cm，外符合精度较好，能够满足该坐标转换项目的需要。

对其余每组转换七参数均进行转换精度分析，发现转换后坐标残差也都在2~3cm以内，中误差为最大为0.92cm，由于本项目中的图件大部分均为地形图成果，这样的转换精度完全能够满足项目需要。

3.2 数据转换方式

对于*.shp、*.udb文件，直接在Arcgis或Supermap中利用七参数进行转换。

对于*.edb文件，可先转换成*.shp文件，然后在Arcgis中利用七参数进行转换。

对于*.dwg文件，在南方CASS中“地物编辑”——“坐标转换”——“读入公共点文件”，选择对应转换的公共点文件，设置坐标系后“计算七参数”，转换方式选“图形”，最后“使用七参数转换”。

对于控制点txt成果，在COORD软件中利用七参数进行转换。

对于转换精度要求特别高的控制点或图件，按照转换对象的实际所在区域，选取最适合的已知控制点计算七参数。

3.3 成果精度检查

对于控制点数据，采用抽样实地采点的方式检查其转换精度。  

对于图形数据，若图上有现存控制点，则采用实地采控制点的方式检查；若图上无控制点，则采用将转换后的图形成果与已知可靠的市级基础地理信息成果进行叠加比较，检查其转换精度。

以北京54至CGCS2000坐标转换为例，将北京54坐标系的图形成果利用求得的七参数进行转换，转换后的CGCS2000坐标系成果与已知CGCS2000坐标系成果符合得较好，整体存在约1.4cm的平移量。选取了不同方位的几处地方进行比较，如下图（红色为转换后成果，蓝色为已知成果）：

图4：图形叠加比较1

图5：图形叠加比较2

转换后CGCS2000坐标系的图形与已知CGCS2000坐标系的图形差异在厘米级别，转换精度良好。

4 不明坐标系转换

由于部分数据坐标系不明或者图形存在一定的旋转和缩放，无法直接进行坐标转换，因此采用图上选点，实地采点（CGCS2000坐标），计算转换四参数的方式进行图形纠正。

4.1 数据转换

对于图上有现存控制点的图，优先对控制点进行实地坐标采集，其次选取实地特征明显、GPS信号好的图上地物点（如平房房角、井盖、道路边拐点、花坛角点等）进行实地坐标采集，对于不能准确定位的特征点的野外地形图，则选取一般特征地物（如路灯、电杆、门柱等）进行实地坐标采集。

实地坐标采集完成后，首先将采集到的坐标分别形成北京54、西安80、CGCS2000成果，并分别将其与对应的图上坐标进行比对，以分析判断图形数据是否为北京54、西安80、CGCS2000坐标系成果中的一种。若相差较大，则利用实地采集坐标与图上坐标进行平面四参数计算（选取的地物点为控制点时），将图形数据利用四参数转换至CGCS2000坐标系；若选取特征不准确的地物点，则采用计算固定差（△x、△y）的方式进行坐标改正。

4.2 成果精度检查

（1）将采集到的坐标与对应的图上坐标进行比对，发现部分不明坐标图形数据的坐标系能够得以确定，以其中两个比对数据为例：

表1   采集坐标（CGCS2000）与图上坐标比较   

图名	选取地物	采集坐标与图上坐标（不明）比较
较差△x/m	较差△y/m
***01	房角	0.051	0.045
房角	0.072	0.033
控制点	0.021	0.037

表2   采集坐标（CGCS2000）与图上坐标比较  

图名	选取地物	采集坐标与图上坐标（不明）比较
较差△x（m）	较差△y（m）
***02	控制点	0.018	-0.032
井盖	0.062	-0.053
花坛角	0.055	-0.043

可以看出，实地采集坐标与图上坐标的较差均在10cm以内，由于不同人员对同一地物进行测量时，受人为因素和仪器系统误差的影响，所造成的两次测量较差在10cm以内是正常的，所以据此可以判断，该图形数据的坐标系明确为CGCS2000坐标系。

（2）部分不明坐标的图形数据的坐标系，经参数纠正，能够较好地转换到CGCS2000坐标系，以下面数据为例：

表3   采集坐标（CGCS2000）与图上坐标比较   

图名	选取地物	采集坐标与图上坐标（不明）比较
较差△x（m）	较差△y（m）
***03	房角	-3.902	6.210
控制点	-3.893	6.189
井盖	-3.881	6.224
房角	-3.876	6.129
门墩角	-3.961	6.177

将采集到的CGCS2000坐标与图上坐标进行比较，发现两个坐标系统存在几米的固定偏差，经过固定差改正，纠正后的图形数据与已知可靠的市级基础地理信息成果能够很好地吻合。

（3）对于利用参数转换到CGCS2000坐标系的图形数据，采用3.3中的方式进行转换精度检查。

5 结论与展望

从项目实施情况来看，对于坐标系明确的基础地理信息数据成果，使用现有成熟的软件进行坐标转换，均达到了厘米级精度良好的转换效果，能够满足实际工作生产的需要；对于坐标系不明确的基础地理信息数据成果，通过实地采集点坐标进行图形纠正的方式，也能达到分米级的转换精度，对于其相应的国土、林业、水务等行业，也均能满足行业的精度需求。

本文所涉及的实际生产中的坐标转换项目，其需要转换的数据量过大，耗费了大量的时间精力。通过人工逐个转换的工作方式进行坐标系统一，这种工作方式无疑是笨重的、低效的，而且可能带来人为误差因素（如转换参数选择错误、操作流程错误等）的影响。对于今后逐步建立和完善的基础地理信息数据成果共享平台，研究开发一个智能的坐标系统自动识别、转换、检查的软件或模块，加入到数据成果共享平台中，势必会给地理信息行业的发展起到推波助澜、如虎添翼的作用。

参考文献

[1] 孔祥元,郭际明,刘宗泉.大地测量学基础[M].武汉大学出版社,2010

[2] 杨元喜.2000中国大地坐标系[J].科学通报，2009，54(16):2271~2276

[3] 姜楠.坐标转换算法研究与软件实现[D]. 安徽理工大学 2013

[4] 袁玏.崇左市基础测绘成果坐标系转换的研究[J].南方国土资源,2016(7):42-44

[5] 林晓静,张小红,郭斐.ITRF2005与CGCS2000坐标转换方法与精度分析[J].大地测量与地球动力学.2010，30(02)：117~119

[6] 田桂娥,宋利杰,尹利文,汪金花,杨久东,孙之昭.地方坐标系与CGCS2000坐标系转换方法的研究[J].测绘工程,2014,23(8)：66~69

[7] 乔斌.ITRF框架与CGCS2000国家大地坐标系的转换方法研究[J].测绘与空间地理信息.2013,36(12):215~217

[8] 花恒瑞.坐标系转换方法探讨[J].资源信息与工程,2016,31(6)：108-109

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来源：测绘营地、2020年《城市勘测》第2期

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