基于GeoDatabase的天津地方坐标系至CGCS2000坐标转换实现

汪林，闫伟，陈艳云

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.国家海洋信息中心，天津 300171)



基于GeoDatabase的天津地方坐标系至CGCS2000坐标转换实现

汪林1*，闫伟1，陈艳云2

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.国家海洋信息中心，天津 300171)

作为测绘成果的GIS数据多采用GeoDatabase数据模型进行存储和管理，为避免重复测绘，需将GeoDatabase数据结构的GIS数据从天津地方坐标转换至CGCS2000坐标系。本文从GeoDatabase数据模型的介绍入手，总结了坐标转换相关的理论，并给出了天津地方坐标系转换至CGCS2000坐标系的方法和步骤，实现了GeoDatabase数据结构的GIS数据从天津地方坐标系转换至CGCS2000坐标系的转换。最后分别从转换前后从图形一致性、线性方向一致性、属性一致性、坐标转换精度和坐标转换效率加以论证。

坐标转换；天津地方坐标系；CGCS2000坐标系

1 引 言

根据《中华人民共和国测绘法》，国家建立全国统一的大地坐标系。因建设、城市规划和科学研究的需要，大城市和国家重大工程项目可建立相对独立的平面坐标系统。我国于上世纪50年代和80年代，分别建立了国家大地坐标系统—北京54坐标系和西安80坐标系，测制了各种比例尺地形图，为国民经济和社会发展提供了基础的测绘保障。上述两种坐标系都是参心坐标系。随着社会的进步，经济建设、国防建设、社会发展和科学研究等都迫切的需要原点位于地球质量中心的坐标系统(简称地心坐标系)。我国自 2008 年7 月 1 日起正式启用 2000 国家大地坐标系[1](简称CGCS2000坐标系)。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。

在启用CGCS2000坐标系前，天津市为避免高斯投影变形带来的不便，沿用的平面测绘基准为1990年天津市任意直角坐标系(简称天津90坐标系)。现有的天津90坐标系采用的是北京54坐标系的椭球及相关参数，是一个局部参心坐标系统。历史原因造成该基准缺乏时空动态信息，现实性差，难以维持且精度低，作为现代大地测量的起算基准已经不能满足天津市城市建设的快速发展对高精度标准的要求。为避免重复测绘，需要将已有的成果从天津90地方坐标系转换成CGCS2000坐标系。而GIS数据作为测绘成果一种存储管理的重要成果形式，多采用GeoDatabase的空间数据模型进行存储，为此本文尝试从GeoDatabase的模型出发，探讨天津地方坐标系转换至CGCS2000坐标系的理论与方法。

2 转换理论与方法

2.1 GeoDatabase介绍

GeoDatabase是一个关系数据库基础上扩展的“面向对象数据库”，又称对象关系模型[2]。它将现实世界抽象为由若干对象类组成的数据模型，每个对象类有对应的属性、行为和规则。GeoDatabase可将空间信息和属性信息有效的组织在一起，能够处理复杂的对象。

GeoDatabase作为存储GIS数据的容器有三种类型：Personal Geodatabase、File Geodatabase和ArcSDE Geodatabase。Personal Geodatabase用微软Access文件存储数据，是将几何数据存储在二进制大字段中的MDB资料库档案，最大支持 2 GB。File GeoDatabase采用二进制文件格式存储，每个表限制为 1 TB。ArcSDE GeoDatabase采用C/S架构的企业级GeoDatabase，支持多用户共享、编辑和使用数据库。

在GeoDatabase中，存储的数据有四种：矢量数据，栅格数据，不规则三角网和地址与定位数据。其中矢量数据以要素集或要素类的形式实现，要素类具有表示几何形状和空间位置的特殊字段，名称为“Shape”，字段类型为“Geometry”。Shape字段可以是以下七种几何类型的一种：点、多点、折线、多边形，注记，尺寸注记和多面体。以下主要介绍常见的点、线和面三种。

点是0维的几何图形，有一对(x，y)坐标和可选的高程值(Z)、测量值(M)。折线是相交或不相交的路径有序几何，折线是由路径Path构成。多边形用来表示面状要素的几何形状，多边形是由闭合的环Ring构成的。曲线Segment是路径和环的基本组成，而曲线Segment包含四种基本类型：直线Line、圆弧CircularArc、椭圆弧EllipticArc和贝塞尔曲线BezierCurve。

2.2 坐标转换理论

测量坐标系常见的形式分为大地坐标系、空间直角坐标系和平面直角坐标系[3]。同一基准下，大地坐标和空间直角坐标之间的互相换算公式，文献[4]已做过推导。大地坐标与平面坐标的转换关系可通过高斯投影正反算公式进行转换，文献[5]详细描述并进行应用。而空间直角坐标与平面直角坐标之间的转换通常经大地坐标过渡而间接进行转换。

针对不同地球椭球基准下的大地坐标系、空间直角坐标系、平面直角坐标系也能进行相互转换，但一般在不同基准下的同一坐标系统下进行转换。不同基准下的空间直角转换模型较常见的主要有布尔沙模型、莫洛金斯基模型和武测模型[6]，三种模型均有七个参数(包括三平移参数、三旋转参数和一个尺度参数)。一般在精度要求不高，较小测区范围内可用三平移参数代替七参数进行转换。

不同基准下的大地坐标系转换通常包括广义大地坐标微分公式转换模型、基于平面直角坐标的坐标转换模型。前者通常是由已知的公共点求其转换参数或通过已知参数实现不同大地坐标系之间的直接转换。后者一般是将大地坐标系转换为同一基准下的空间直角坐标，然后将求出的空间直角坐标作为过渡，进行不同空间直角坐标之间的转换，最后再将转换后的新基准下的空间直角坐标转换为大地坐标，从而间接的实现大地坐标系间的转换。

广义大地坐标微分公式转换模型[7]的转换参数有九个，除进行不同基准大地坐标转换所需的七参数外还需增加转换之间两地球椭球长半轴和扁率的变化值二参数，通常情况下这两参数是已知的。广义大地坐标微分公式转换模型根据应用一般又分为三维七参数模型、二维七参数模型[8]。三维七参数模型适用于全国及省级椭球面3°及以上不同地球椭球基准下的大地坐标系统间控制点坐标转换。二维七参数模型适用于全国及省级适用于椭球面3°及以上不同地球椭球基准下的大地坐标系统间控制点坐标转换。对于1954年北京坐标系、1980西安坐标系向2000国家大地坐标系的转换，由于这两个参心系下的大地高的精度较低，建议采用二维七参数转换模型。

基于平面直角坐标的坐标转换模型又包含相似变换模型、正形转换模型和多项式转换模型。其中相似转换模型(简称二维四参数模型)包含二平移参数、一旋转参数和一尺度参数共四参数，适用于小范围内不同高斯投影平面坐标系间的转换，没有考虑两坐标系间的局部变形和误差积累，转换精度较低。相似转换模型可适用于省级以下小范围内控制点平面坐标转换、相对独立的平面坐标系统与2000国家大地坐标系的联系。正形转换模型[9]依据的是转换过程中小范围内图形保持相似，长度与方向脱离关系，而仅与点的位置有关。正形转换相比相似转换模型精度要高，适用于大范围的坐标转换，但是同样只能用于高斯投影坐标系之间的转换，不能解决投影变形。多项式转换模型[10]是一种采用平面坐标位置作为因变量的二维坐标变换方法，如果转换区域较大，公共点较多，可选择更高阶参数的多项式来提高精度。该转换模型坐标转换精度高，但转换后的精度需进行检核，适用于全国或大范围的拟合，多用于相对独立的平面坐标系统转换。

2.3 坐标转换方法

天津地方坐标系向CGCS2000大地坐标转换方法步骤[11]如下：

(1)重合点选取。选用天津地方坐标系和CGCS2000国家大地坐标系坐标的控制点作为重合点。重合点选取的基本原则是：等级高、精度高、分布均匀、覆盖整个转换区域、局部变形小。

(2)转换数学模型确定。天津地方坐标系作为北京54坐标系的局部投影坐标系，其参心坐标系的大地高通常是未知或不能精确获取的，无法使用三维坐标转换模型。另大地坐标向二维平面进行高斯投影过程中发生的变形在天津市域范围内不能忽略的，所以适合于二维七参数模型。

(3)转换参数计算及剔除粗差点。首先需要将天津地方坐标系的控制点反投影成北京54坐标系所对应的大地坐标点，然后将重合点代入模型利用最小二乘法计算转换参数。用得到的转换参数计算重合点坐标残差，剔除残差大于3倍点位中误差的重合点，然后再代入模型计算直至重合点坐标残差均小于3倍点位中误差。最终用于计算转换参数的重合点数量与转换区域大小有关，但不得少于6个。

(4)外部检验。选择部分重合点作为外部检核点，不参与转换参数计算，用转换参数计算这些点的转换坐标与已知坐标进行比较进行外部检核。应选定至少6个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核。

3 实验与分析

第一次全国国情普查项目[12]中需要将大量的天津90坐标ArcGIS Geodatabase格式的测绘成果转换至国家要求的CGCS2000坐标系。然而本人单位使用的西安坐标转换软件(简称“西安软件”)不支持ArgGIS 10.X高版本的GDB文件格式，且转换速度很慢。因此开发了支持ArcGIS GDB文件格式的高效率坐标转换软件(简称“测绘院软件”)。

本文的实验是在Vistual Studio 2010环境下，用C#和ArcObjects10.2.2作为基本的开发语言和平台，采用组件开发技术，实现GeoDatabase结构下的数据从天津90坐标系到国家GCCS2000坐标的转换。

GeoDatabase结构下的坐标转换并不是简单的点到点的转换，虽然通过2.2节方法最后能过得到点转换点的坐标，但基于GeoDatabase的转换需充分考虑其本身的数据结构、要素几何模型等。基本思路是首先创建一个遍历GeoDatabase数据结构中的要素类，然后创建一个与转换前要素类相同的Schema，但其空间参考需更改为CGCS2000。然后判断要素类的几何类型。如果是点则遍历点要素直接进行转换。如果是折线，则遍历折线要素获取要素几何进而得到路径Path集合。然后遍历Path获取曲线Segment集合，判断曲线Segment类型并通过转换后的点重新构造生成新的Segment，然后逆向最终得到转换后的要素几何。多边形的转换需充分考虑多边形的内部Ring和外部Ring。多边形转换首先应遍历多边形要素获取多边形的几何包GeometryBag进而通过递归获取几何包的内部Ring和外部Ring，然后遍历内部Ring和外部Ring同样获取曲线Segment几何，判断曲线Segment类型并通过转换后的点重新构造生成新的Segment，只不过如果是外部Ring的时候，在逆向通过Ring构造多边形几何的时候需要反转外部Ring的方向才能保证几何一致。后再将重新转换后的几何和属性创建要素，然后将新的要素写入转换后的要素类中，最后就生成了转换为CGCS2000坐标系统的GeoDatabase数据。

实验数据为两组：第一组数据为国情普查[12]中2014年底上交国家局的7幅图中的地表覆盖和国情要素成果；第二组数据为天津全市域地表覆盖成果中的旱地、高密度低矮房屋建筑区和低密度低矮房屋建筑区成果，GDB文件大小为413 M，包含 448 643个图斑，约 3 952万个顶点。第二组测试数据分布如图1所示，范围覆盖天津全市域。

图1 第二组测试数据分布范围

第一组测试数据格式转换如图2所示。

图2 第一组测试数据转换流程

第二组测试数据格式转换如图3所示。

图3 第二组测试数据转换流程

将两组测试原始数据分别用图2、图3所示流程转换至CGCS2000坐标系GeoDatabase文件，后对比分析测绘院软件和西安软件转换的CGCS2000的GeoDatabase文件，验证测绘院转换软件的图形一致性、线性方向一致性、属性一致性、坐标转换精度。同时对比测绘院软件与西安软件转换同一组数据所耗时间，评估测绘院转换软件效率。

转换图形一致性测试采用第一组数据中的覆盖LCA层、HYDA层、LCTL层和SFCP层，用ArcMap软件的按位置选择(菜单“选择→按属性选择→与源图层要素完全相同”)，验证测绘院软件与西安软件转换后的GDB文件的几何是否一一匹配。

实验结果表明：第一组测试数据测绘院软件转换结果与西安软件转换结果图形的几何都是一一对应。如覆盖LCA层的一致性测试结果如图4示，其他图层测试结果一致，不再一一列出。

图4 覆盖LCA层转换一致性测试结果

转换图形一致性测试采用第一组数据中的HYDL层，用ArcMap软件显示对比测绘院软件与西安软件转换后的Geodatabase文件的线起点到终点的方向是否一致。

实验结果表明：第一组测试数据测绘院软件转换结果与西安软件转换结果图形的线方向一致。如HYDL层的测试结果如图5示。

图5 HYDL层线方向一致性测试结果

转换属性一致性测试采用第一组测试数据中的LCA层，用DataReviewer软件中重复几何校验工具，然后选择“校验属性”可进行重复几何中的属性比较。

实验结果表明：第一组测试数据测绘院软件转换结果与西安软件转换结果属性一致。如LCA层的测试结果如图6示。要素总共个数 16 776，重复几何且属性相等的要素个数也为 16 776个。

图6 LCA层重复几何且重复属性比较

坐标转换精度测试采用了第一组数据的HYDA层和第二组数据中的LCA层，首先使用ArcGIS数据管理工具箱→要素→要素折点转点工具，提取面或线的所有顶点得到面或线对应的点层，然后通过数据管理工具箱→要素→添加XY坐标，将点层的X和Y坐标分别作为POINT_X和POINT_Y字段的形式添加到图层属性，然后采用工具箱→分析工具→叠加分析→空间连接，将两组点层进行空间连接，生成一一对应的一组数据。 然后通过字段计算器将点层中的西安软件生成的XY坐标与测绘院软件生成的XY坐标做差处理。

对第一组数据：选取了HYDA层进行精度统计计算，其中测绘院软件与西安软件转换结果x方向(经度方向)和y方向(纬度方向)的最大差值分别为9.0e-009°≈0.000 97 m和7.0e-009°≈0.000 76 m。

对第二组数据：选取低密度低矮房屋建筑区、高密度低矮房屋建筑区和旱地成果共 3 952万个定点进行转换，转换如表1所示。

数据比较结果 表1

第二组数据出现了e-008级别上的偏差，进一步发现这些点对应的多边形存在自相交的问题。

转换效率比较是分别用测绘院软件和西安软件对测试数据进行坐标转换，通过对比转换时间评估测绘院软件坐标转换效率。第二组测试数据包含 448 643个图斑，约 3 952万个顶点，西安软件完成坐标转换用时约 48 h，测绘院软件完成转换用时 42 min。

对两组测试数据的转换分析显示：测绘院软件转换结果与西安软件转换结果图形一致，线方向一致，属性一致，转换误差在允许范围内，测绘院转换效率高于西安软件转换效率。

4 结 语

本文总结了坐标转换相关的理论和方法，结合天津地方坐标的特点，选用合适的坐标转换方法，并结合测绘成果所使用的GeoDatabase数据模型，实现了天津地方坐标系向CGCS2000坐标转换。本文还以GIS的角度分别从图形一致性、线性方向一致性、属性一致性、坐标转换精度和坐标转换效率进行比较，实验证明本文的转换结果有效可行。

[1] 立实. 2000国家大地坐标系7月1日启用[N]. 中国测绘报，2008-06-27(1).

[2] 吴侬，过静珺. 现代普通测量学[M]. 北京：清华大学出版社，2001.

[3] 黄谟涛，翟国君，管铮等. 空间直角坐标和大地坐标的转换[J]. 解放军测绘学院学报，1998，15(3)：164～167.

[4] 阮兴龙，范东明. 高精度高斯投影正反算公式及其应用[J]. 城市建设理论研究·电子版，2011(26).

[5] 于彩霞，黄文骞，樊沛. Bursa的3参数模型与7参数模型的适用性研究[J]. 测绘科学，2008，33(2)：96～97.

[6] 武继军. 不同大地坐标系间坐标转换模型研究[J]. 河南理工大学学报：自然科学版，2006，25(5)：383～385.

[7] 冯里涛，邓云青. 基于二维七参数转换模型的坐标转换参数的计算[J]. 城市勘测，2014(5)：108～110.

[8] 张龙. 基于改进模型的坐标转换精度分析[J]. 地矿测绘，2013，29(1)：17～19.

[9] 鲍建宽，李永利，李秀海. 大地坐标转换模型及其应用[J]. 测绘工程，2013，22(3)：56～60.

[10] 中国测绘科学研究院. 现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南[EB/OL].

Transformation of Tianjin Local Coordinate System to CGCS2000 Coordinate System Based on GeoDatabase

Wang Lin1，Yan Wei1，Chen Yanyun2

(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China)

GIS Data which is one of the most important results of surveying and mapping is often stored and managed by the geodatabase data model. In order to avoid duplication of surveying and mapping，We need to transform the GIS data of GeoDatabase structure from the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system.First of All，This article describes the GeoDatabase data model and summarizes the theory of coordinate transformation.Secendly，The article finds out the method and the steps of transforming the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system.Then，We realize the GIS data of GeoDatabase structure transforming from the local coordinate system of Tianjin to the CGCS2000 coordinate system with the experiment.Finally，it is proved effective and feasible from the graphical consistency，the linear direction consistency，the attribute consistency，the coordinate conversion precision and the coordinate conversion efficiency.

coordinate transformation；local coordinate system of Tianjin；the CGCS2000 coordinate system

1672-8262(2016)05-114-06

P226.3

B

2016—04—12

汪林(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事城市测绘与地理信息系统开发技术工作。