CN105160197A - 一种综合性地理空间数据坐标转换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合性地理空间数据坐标转换方法及系统。包括以下步骤：设定源坐标格式和目标坐标格式；设定源坐标系和目标坐标系；选择坐标转换的转换方式和转换模型，设定坐标转换的转换参数；输入已知控制点在源坐标系和目标坐标系的坐标数据；根据已知控制点的坐标数据，计算坐标转换参数；根据坐标转换参数，将待转换的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。本发明可以用于实现不同格式、不同坐标形式、比例尺及坐标系统的地理空间数据之间的空间坐标转换，实现地理空间数据成果在不同坐标系之间的转换及投影、换带等计算，实现转换参数解算及精度评定，同时控制点的坐标数据输入过程简单，坐标转化效率高。

Description

一种综合性地理空间数据坐标转换方法及系统

技术领域

本发明涉及测绘领域，特别涉及一种综合性地理空间数据坐标转换方法及系统。

背景技术

北京54、西安80、WGS84和2000国家大地坐标系为测绘领域常用的四种坐标系，为了充分利用原有的基础地理信息数据和专题地理信息数据等资料，经常需要将多源空间数据通过坐标转换至统一的空间数据标准,从而为建立统一的GIS空间数据库、以及为智慧城市提供各种智能化应用的基础地理空间信息底图服务。坐标转换的方法有很多，其运算非常复杂，通常需要运用软件一个一个进行转换，而转化过程中又需要一个一个的输入控制点的坐标，不仅转化速度慢，而且针对不同的坐标类型之间的转换，需要进行多步复杂转换，大大降低了空间数据坐标转换的效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种综合性地理空间数据坐标转换方法和系统，解决了现有技术的坐标转换方法和系统转化效率慢，转换过程复杂的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种综合性地理空间数据坐标转换方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待转换点的格式和转换要求，设定源坐标格式和目标坐标格式；

步骤2、根据待转换点的格式和转换要求，设定源坐标系和目标坐标系；

步骤3、选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

步骤4、输入已知控制点在源坐标系的坐标数据和目标坐标系的坐标数据；以及输入待转化控制点在源坐标系的坐标数据；

步骤5、根据所述坐标转换的参数类型和已知控制点的坐标数据，计算所述坐标转换的转换参数；

步骤6、根据所述坐标转换参数，将所述待转化的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系和/或用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。

进一步的，所述坐标转换的转换方式包括坐标形式变换和/或坐标系统转换，所述坐标形式变换为同一坐标系下的坐标格式转换，所述坐标系统转换为不同坐标系下坐标数值的转换。

进一步的，所述坐标形式变换包括投影正算、投影反算、地空转换、空地转换和/或换带转换；所述坐标系统转换包括不同坐标系间的四参数坐标转换、不同坐标系间的七参数坐标转换、不同坐标系间的布尔沙七参数坐标转换、邻近点二维四参数转换、邻近点二维七参数转换或邻近点布尔沙七参数转换。

进一步的，步骤4中，通过txt和/或xls格式文件输入控制点在源坐标系的坐标数据，所述坐标数据用于计算转换参数；

步骤4中，通过txt和/或xls格式文件输入待转换的坐标点数据；或者通过shp、mdb、gdb和/或dxf格式文件输入包括所述待转换的坐标点数据的矢量文件；或者通过img和/或TIFF格式文件输入包括所述待转换的坐标点数据的影像文件。

进一步的，所述坐标转换的转换参数包括椭球基准参数、投影信息参数或/和中央子午线的经度。

一种综合性地理空间数据坐标转换系统，包括坐标系设定模块、坐标格式设定模块、转换方式设定模块、坐标数据导入模块、参数计算模块和转换模块，

所述坐标系设定模块用于设定目标坐标格式和待转换的源坐标格式；

所述坐标格式设定模块用于设定目标坐标系和待转换的源坐标系；

所述转换方式设定模块用于选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

所述坐标数据导入模块用于导入控制点在源坐标系的坐标数据；

所述参数计算模块用于根据所述坐标转换的参数类型和控制点的源坐标数据，计算坐标转换参数，并生成参数计算报告；

所述转换模块用于根据所述坐标转换参数，将所述待转换的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

进一步的，所述坐标数据导入模块导入的坐标数据的文件格式包括txt、xls、img、tiff、dxf、shp、mdb或gdb格式。

进一步的，所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系和/或用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。

本发明的有益效果是：本发明的综合性地理空间数据坐标转换方法和系统可以用于实现不同格式、不同坐标形式、比例尺及坐标系统的地理空间数据之间的空间坐标转换，实现地理空间数据成果，如单点、矢量数据、影像数据等在现行国家大地坐标系、地方坐标系之间的转换及投影、换带、三维大地坐标与空间直角坐标相互变换等计算，实现转换参数解算及精度评定，功能多样；同时控制点的坐标数据输入过程简单，可以支持dxf、shp、mdb、gdb、image、tiff等坐标数据格式文件，操作方法简单，坐标转化效率高，具体效果如下：

1、本发明的方法和系统可以支持目前所有通用坐标系统及任何自定义坐标系统之间的空间坐标转换，转换功能强大，转换效率高，为新一代智慧地球时空基准的建立及推广使用提供了有效的解决方案，为智慧城管、智慧交通实现所需要的地理空间坐标和地图服务奠定了基础；

2、本发明的方法可以根据用户需求对对转换过程中的所有参数进行灵活设置，能够个性化定制所有工作业务流程，功能强大，自动化程度高，适合互联网+时代客户的灵活需要；

3、本发明的方法使用参数动态计算的方法，有效解决了大区域地理空间数据的坐标转换后接边问题，初步实现的转换后的大区域地理空间数据的无缝拼接；

4、本发明的方法支持主流的绝大多数地理信息数据格式，支持海量数据并发转换，转换效率高。

附图说明

图1为本发明一种综合性地理空间数据坐标转换方法的流程示意图；

图2为本发明一种综合性地理空间数据坐标转换系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明一种综合性地理空间数据坐标转换方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤1、设定源坐标格式和目标坐标格式；

步骤2、设定源坐标系和目标坐标系；

步骤3、选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

步骤4、输入已知控制点在源坐标系的坐标数据和目标坐标系的坐标数据；以及输入待转化控制点在源坐标系的坐标数据；

步骤5、根据所述坐标转换的参数类型和已知控制点的坐标数据，计算所述坐标转换的转换参数；

步骤6、根据所述坐标转换参数，将所述待转换的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

本实施例中，所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系以及用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。所述平面坐标顺序为：x、y；空间直角坐标顺序为：X、Y、Z；大地坐标顺序为：B、L、H或B、L。本实施例中，所述坐标转换的转换方式包括坐标形式变换和/或坐标系统转换，所述坐标形式变换为同一坐标系下的坐标格式转换，所述坐标系统转换为不同坐标系下坐标数值转换。本实施例中，所述坐标形式变换包括投影正算、投影反算、地空转换、空地转换和/或换带转换；本实施例中，步骤4中，通过txt、xls、img、tiff、dxf、shp、mdb或gdb格式文件输入控制点在源坐标系的坐标数据，采用上述格式文件，可以一次导入一个或者多个坐标数据，导入方法简单，导入过程快捷，可以大幅提高坐标转换系统的转换效率。本实施例的步骤3中，所述坐标转换的转换参数包括椭球基准参数、投影信息参数或/和中央子午线的经度。

本实施例中，所述坐标系统转换包括不同坐标系间的四参数坐标转换、不同坐标系间的七参数坐标转换、不同坐标系间的布尔沙七参数坐标转换、邻近点二维四参数转换、邻近点二维七参数转换或邻近点布尔沙七参数转换。本发明中，邻近点转换只用于坐标点转换，即输入一批公共点在源坐标系和目标坐标系下的坐标。对每一个待转换点(也需另外输入)，找到跟它最邻近的几个公共点(可设置搜索半径)，使用公共点计算出来的转换参数来进行坐标转换。在大面积范围的坐标转换应用中，使用邻近点转换，可以保证每个点的转换都有较高的精度。以下分别以布尔沙七参数坐标转换、邻近点二维四参数转换和邻近点二维七参数转换为例，对本发明的发明进行说明。

所述布尔沙七参数坐标转换方法采用布尔沙七参数转换模型，布尔沙七参数转换模型主要用于不同地球椭球基准下的空间直角大地坐标系统间点位坐标转换，换算公式为布尔沙模型。所述布尔沙模型涉及七个参数，即三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化参数，需要至少三个控制点在源坐标系和目标坐标系的坐标来求取布尔沙七参数。通过在所述布尔沙模型转换公式中输入三个控制点在源坐标系的坐标(X₁，Y₁，Z₁)和所述三个控制点在目标坐标系的坐标(X₂，Y₂，Z₂)，构建方程组，即可求解所述布尔沙七参数(T_x，T_y，T_z，D，R_x，R_y，R_z)，从而获得所述布尔沙模型的转换公式。当输入待转换点在源坐标系的坐标时，即可以通过所述转换公式获得所述待转换点在目标坐标系的坐标。

布尔沙模型的转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_2\\ Y_2\\ Z_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\\ Z_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{T}_x\\ T_y\\ T_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}D& R_Z& -R_Y\\ -R_Z& D& R_X\\ R_Y& -R_X& D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\\ Y_1\\ Z_1\end{array}\right]$

所述二维七参数转换方法采用所述二维七参数转换模型，所述二维七参数转换模型用于不同地球椭球基准下的椭球面上的点位坐标转换，涉及三个平移参数(T_x，T_y，T_z)，三个旋转参数(R_x，R_y，R_z)和一个尺度变化参数(D)。需要至少四个公共点在源坐标系和目标坐标系的坐标来求取所述二维七参数。通过在所述二维七参数的转换公式转换公式中输入四个控制点在源坐标系和目标坐标系的经纬度差(ΔB，ΔL)，构建方程组，即可求解所述二维七参数，从而获得所述二维七参数模型的转换公式。当输入待转换点在源坐标系的经纬度坐标时，即可以通过所述转换公式获得所述待转换的控制点在目标坐标系的经纬度坐标。

二维七参数的转换公式为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}L\\ \mathrm{\Δ}B\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{\sin L}{N\cos B}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}& \frac{\cos L}{N\cos B}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}& 0\\ -\frac{\sin B\cos L}{M}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}& -\frac{\sin B\sin L}{M}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}& \frac{\cos B}{M}{\mathrm{\ρ}}^{\′\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_x\\ T_y\\ T_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}tgB\cos L& tgB\sin L& -1\\ -\sin L& \cos L& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{R}_x\\ R_y\\ R_z\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{c}0\\ -\frac{N}{M}{e}^2\sin B\cos {\mathrm{B\ρ}}^{\′\′}\end{array}\right]\·D+\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ \frac{N}{Ma}{e}^2\sin B\cos {\mathrm{B\ρ}}^{\′\′}& \frac{(2-e^2{\sin }^{2}B)}{1-f}\sin B\cos {\mathrm{B\ρ}}^{\′\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}a\\ \mathrm{\Δ}f\end{array}\right]\end{array}$

式中，

e²——第一偏心率平方，无量纲；

M，N——地球椭球基本元素，子午线曲率和卯酉圈曲率半径，单位为米；

B，L，ΔB，ΔL——点位纬度、经度，及其在两个坐标系下的纬度差、经度差，经纬度单位为弧度，其差值单位为弧度秒；

ρ＝180×3600/π，单位弧度秒；

a，Δa——椭球长半轴和长半轴差，单位为米；

f，Δf——椭球扁率和扁率差，无量纲；

T_x，T_y，T_z——平移参数，单位为米；

R_x，R_y，R_z——旋转参数，单位为弧度秒；

D——尺度参数，无量纲。

所述二维四参数转换方法采用所述二维四参数转换模型，所述二维四参数转换模型用于范围较小的不同高斯投影平面坐标转换，涉及两个平移参数(Δx,Δy)，一个旋转参数(α)和一个尺度参数(m)。需要至少两个公共点在源坐标系和目标坐标系的坐标来求取所述二维四参数。通过在所述二维四参数转换公式中输入两个控制点在源坐标系的坐标(x₁,y₁)和在目标坐标系的坐标(x₂,y₂)，构建方程组，即可求解所述二维四参数，从而获得所述二维四参数模型的转换公式。当输入待转换点在源坐标系的平面直角坐标时，即可以通过所述转换公式获得所述待转换点在目标坐标系的平面直角坐标。所述二维四参数转换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ y_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}x\\ \mathrm{\Δ}y\end{array}\right]+(1+m)\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\α}& -sin\mathrm{\α}\\ sin\mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]$

式中：

x₁,y₁——原坐标系下平面直角坐标，单位为米

x₂,y₂——2000国家大地坐标系下的平面直角坐标，单位为米

Δx,Δy——为平移参数，单位为米

α——为旋转参数，单位为弧度

m——尺度参数，无量纲。

图2为本发明实施例的一种综合性地理空间数据坐标转换系统的结构示意图，包括坐标系设定模块、坐标格式设定模块、转换方式设定模块、坐标数据导入模块、参数计算模块和转换模块，

所述坐标系设定模块用于设定待转换的源坐标格式和目标坐标格式；

所述坐标格式设定模块用于设定待转换的源坐标系和目标坐标系；

所述转换方式设定模块用于选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

所述坐标数据导入模块用于导入控制点在源坐标系的坐标数据；

所述参数计算模块用于根据所述坐标转换的参数类型和控制点的源坐标数据，计算坐标转换参数，并生成参数计算报告；

所述转换模块用于根据所述坐标转换参数，将所述待转换的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

本实施例中，所述坐标数据导入模块导入的坐标数据的文件格式包括txt、xls、img、tiff、dxf、shp、mdb或gdb格式，采用上述格式文件，可以一次导入一个或者多个坐标数据，导入方法简单，导入过程快捷，可以大幅提高坐标转换系统的转换效率。

本实施例中，所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系和/或用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。

本发明的综合性地理空间数据坐标转换方法和系统可以用于实现不同格式、不同坐标形式、比例尺及坐标系统的地理空间数据之间的空间坐标转换，实现地理空间数据成果，如单点、矢量数据、影像数据等在现行国家大地坐标系、地方坐标系之间的转换及投影、换带、三维大地坐标与空间直角坐标相互变换等计算，实现转换参数解算及精度评定，功能多样；同时控制点的坐标数据输入过程简单，可以支持dxf、shp、mdb、gdb、image、tiff等坐标数据格式文件，操作方法简单，坐标转化效率高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种综合性地理空间数据坐标转换方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待转换点的格式和转换要求，设定源坐标格式和目标坐标格式；

步骤2、根据待转换点的坐标系和转换要求，设定源坐标系和目标坐标系；

步骤3、选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

步骤4、输入已知控制点在源坐标系的坐标数据和目标坐标系的坐标数据；以及输入待转化的点在源坐标系的坐标数据；

步骤5、根据所述坐标转换的参数类型和已知控制点的坐标数据，计算所述坐标转换的转换参数；

步骤6、根据所述坐标转换参数，将所述待转化的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

2.根据权利要求1所述的坐标转换方法，其特征在于：所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系和/或用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。

3.根据权利要求1或2所述的坐标转换方法，其特征在于：所述坐标转换的转换方式包括坐标形式变换和/或坐标系统转换，所述坐标形式变换为同一坐标系下的坐标格式转换，所述坐标系统转换为不同坐标系下坐标数值转换。

4.根据权利要求3所述的坐标转换方法，其特征在于：所述坐标形式变换包括投影正算、投影反算、地空转换、空地转换和/或换带转换；所述坐标系统转换包括不同坐标系间的四参数坐标转换、不同坐标系间的七参数坐标转换、不同坐标系间的布尔沙七参数坐标转换、邻近点二维四参数转换、邻近点二维七参数转换或邻近点布尔沙七参数转换。

5.根据权利要求3所述的坐标转换方法，其特征在于：步骤4中，通过txt和/或xls格式文件输入控制点在源坐标系的坐标数据，所述坐标数据用于计算转换参数；

步骤4中，通过txt和/或xls格式文件输入待转换的坐标点数据；或者通过shp、mdb、gdb和/或dxf格式文件输入包括所述待转换的坐标点数据的矢量文件；或者通过img和/或TIFF格式文件输入包括所述待转换的坐标点数据的影像文件。

6.根据权利要求3所述的坐标转换方法，其特征在于：步骤3中，所述坐标转换的转换参数包括椭球基准参数、投影信息参数或/和中央子午线的经度。

7.一种综合性地理空间数据坐标转换系统，其特征在于：包括坐标系设定模块、坐标格式设定模块、转换方式设定模块、坐标数据导入模块、参数计算模块和转换模块，

所述坐标系设定模块用于设定目标坐标系和待转换的源坐标系；

所述坐标格式设定模块用于设定目标坐标格式和待转换的源坐标格式；

所述转换方式设定模块用于选择坐标转换的转换方式和转换模型，并根据所述转换方式设定坐标转换的转换参数；

所述坐标数据导入模块用于导入控制点在源坐标系的坐标数据；

所述参数计算模块用于根据所述坐标转换的参数类型和控制点的源坐标数据，计算坐标转换参数，并生成参数计算报告；

所述转换模块用于根据所述坐标转换参数，将所述待转换的点在源坐标系的坐标数据转换为目标坐标系的坐标数据。

8.根据权利要求7所述的一种综合性地理空间数据坐标转换系统，其特征在于：所述坐标数据导入模块导入的坐标数据的文件格式包括txt、xls、img、tiff、dxf、shp、mdb和/或gdb格式。

9.根据权利要求7所述的一种综合性地理空间数据坐标转换系统，其特征在于：所述源坐标系和目标坐标系分别包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、2000国家大地坐标系、WGS-84坐标系和/或用户自定义坐标系；所述源坐标格式和目标坐标格式分别包括平面坐标、大地坐标和/或空间直角坐标。