CN107391578A - 一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法 - Google Patents

一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，包括以下步骤：(1)发布网络地图服务；(2)构建控制点格网；(3)获取切片方案；(4)计算坐标仿射变换参数；(5)计算转换范围；(6)建立坐标系转换数据库；(7)发布坐标转换服务；(8)调用坐标转换服务。该方法实现了客体坐标系下符合国际标准规范的地图服务到行业领域专题数据本体坐标系的在线动态转换，该方法具有普适性、安全性、精确性等特点。

Description

一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法
技术领域
本发明属于地理信息系统技术领域，涉及一种不同坐标系的网络地图服务之间的转换方法，具体涉及一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法。
背景技术
Web Service技术的出现使得运行和存储在不同机器上的不同应用和不同资源能够不须借助附加的、专门的第三方软件或硬件、就可相互交换和集成。因此以服务的形式将空间数据提供给第三方使用已成为数据提供者主要的服务方式。目前，OGC结合WebService技术已经提出了WMS、WFS、WMTS等网络地图服务规范，为网络地图服务提供了一套标准的数据访问和操作接口，规范化了地图服务发布、查询、调用和集成的行为和方式。但是，不同的应用部门因为专业应用以及安全等因素，目前尚不能形成统一的空间数据应用体系，因此在各部门数据生产、应用、共享和集成过程中还需要基础地理数据以相应的空间参考予以支撑。对于将基础地理数据以不同的空间参考来支撑行业应用，一般有两种方式：第一种是直接将基础地理数据转换成行业应用所需要的空间参考，然后提供给行业部门使用；第二种是行业部门在基础地理数据的空间参考上进行专业数据生产和应用，完成后将专业数据转换至行业部门需要的空间参考上。以上两种方式无论哪一种方式，都会牵涉到行业应用部门和基础地理数据管理部门之间的互动，如果基础地理数据更新频率较高，那么基础地理数据管理部门将耗费大量的时间用于维护基础地理数据空间参考的转换。
目前，网络地图服务的坐标系动态转换采用常规的三参数、七参数等方法，需要明确目标坐标系及待转换坐标系的相关参数。但是对于海南平面、海南海口独立、海南白沙独立、海南文昌独立、海南洋浦独立等坐标系，其坐标系参数均为保密数据，使用者无法通过现有的坐标系动态转换方法实现上述坐标系与其他坐标系网络地图服务之间的在线实时坐标转换。
按照用户需求，通过对网络地图服务进行坐标系动态转换的方式可以有效的提高数据的利用率，降低数据的维护费用，因此，急需一种网络地图服务坐标系动态转换方法。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，该方法实现了客体坐标系下符合国际标准规范的地图服务到行业领域专题数据本体坐标系的在线动态转换，该方法具有普适性、安全性、精确性等特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，包括以下步骤：
(1)发布网络地图服务；所述网络地图服务中包含其他待转换坐标系网络地图服务；
(2)构建控制点格网；所述控制点格网包含目标坐标系与其他待转换坐标系对应的规则控制点格网、以及其他待转换坐标系与目标坐标系对应的规则控制点格网；
(3)获取切片方案；所述切片方案包含目标坐标系网络地图瓦片服务的切片方案、以及其他待转换坐标系网络地图瓦片服务的切片方案；
(4)计算坐标仿射变换参数；所述坐标仿射变换参数包含网络矢量地图坐标仿射变换参数、以及网络瓦片地图坐标仿射变换参数；
(5)计算转换范围；所述转换范围是指网络瓦片地图服务转换范围；
(6)建立坐标系转换数据库；
(7)发布坐标转换服务；所述坐标转换服务包含网络矢量地图坐标转换服务、及网络瓦片地图坐标转换服务；
(8)调用坐标转换服务。
进一步地，所述网络地图服务，是指符合天地图切片规则的网络瓦片地图服务及符合OGC标准的网络矢量地图服务。
进一步地，所述目标坐标系包括但不限于CGCS2000、西安80坐标系、北京54坐标系、海南平面坐标系、海南海口独立坐标系、海南白沙独立坐标系、海南文昌独立坐标系、海南洋浦独立坐标系。
进一步地，所述其他待转换坐标系包括但不限于CGCS2000、西安80坐标系、北京54坐标系、海南平面坐标系、海南海口独立坐标系、海南白沙独立坐标系、海南文昌独立坐标系、海南洋浦独立坐标系。
进一步地，所述规则控制点格网是一组规则网格的几何中心点，该组格网点在不同坐标系下有不同的坐标表达。
进一步地，所述目标坐标系网络地图瓦片服务的切片方案包含的参数有比例尺、分辨率、切片等级；所述其他待转换坐标系网络地图瓦片服务的切片方案包含的参数有比例尺、分辨率、切片等级。
进一步地，所述网络矢量地图坐标仿射变换参数是根据目标坐标系与其他待转换坐标系对应的规则控制点格网数据，采用仿射变换方法计算得到的仿射变换参数。本发明生成网络矢量地图坐标仿射变换参数的流程参考图4。
进一步地，所述网络瓦片地图坐标仿射变换参数是根据其他待转换坐标系与目标坐标系对应的规则控制点格网及切片方案，采用仿射变换方法计算得到的仿射变换参数。本发明生成网络瓦片地图坐标仿射变换参数的流程参考图5。
进一步地，所述网络瓦片地图服务转换范围是根据切片方案计算得到的目标坐标系网络瓦片地图服务对应瓦片的行列号及其他待转换坐标系网络瓦片地图服务对应多个瓦片的行列号取值范围。本发明网络瓦片地图坐标转换过程的流程参考图6。
进一步地，所述建立坐标系转换数据库，存储数据包括控制点格网、切片方案、坐标仿射变换参数、转换范围、网络地图服务提供商数据、网络地图服务元数据描述、网络地图服务中包含的图层名称列表、坐标仿射变换参数与转换范围的关联表。
进一步地，所述网络矢量地图坐标转换服务为标准网络服务，包含的参数有待转换坐标系网络地图矢量服务的坐标点或坐标串；所述网络瓦片地图坐标转换服务为符合OGC标准的网络地图瓦片服务。
构建的规则控制点格网采用1000*1000格网间距，大范围的转换时控制点数量控制在5000以上，确保控制点数据的丰富性，保证坐标仿射变换参数的可靠性；根据切片方案以目标坐标系下网络瓦片地图服务对应的每张瓦片行列号推算待转换坐标系下网络瓦片地图服务多个瓦片的行列号范围，实现待转换坐标系下逐个瓦片到目标坐标系的转换，从而确保转换后的结果瓦片的无缝隙；坐标仿射变换参数计算生成后，可删除数据库中存储的规则控制点格网数据，参数以二进制形式存储于数据库中，以达到坐标保密的要求。从而保证基于格网法的不同坐标系网络地图服务之间在线实时动态坐标转换方法的准确性与保密性。
本发明格网法坐标转换基本原理：
采用格网法进行坐标转换的基本思想是利用本体坐标系与客体坐标系间离散公共点的坐标差值，选用内插方法并运用一定的数学模型拟合出连续光滑的曲面，从而计算出具有一定间隔的格网节点的坐标差，利用格网结点上的坐标差内插区域内任意点上的坐标差，从而实现由客体到主体坐标系下的坐标转换，原理如图1所示。首先要按照一定的格网间距将整个区域划分为规则的格网；再根据分布在此区域内的公共控制点在本体和客体坐标系下的坐标差值，采用相应的内插方法求得每个格网节点的坐标改正量。
本发明网络地图服务瓦片坐标转换原理：
网络地图服务瓦片是以多级图片的形式组织存储，从数据格式和显示原理上与矢量数据存在较大差异，因此要基于格网法实现由客体坐标系到主体坐标系的转换，需要在上述格网法坐标转换基本原理的基础上进行适当调整。
针对客体坐标系(以F表示)、主体坐标系(以T表示)两个坐标系，在一个地区的F坐标系中构建规则格网(如图2所示)，每个格网结点的值为该点在T坐标系中的坐标相对于F坐标系的坐标改正数，对于F坐标系中任何一个点P，都可以通过P所在格网四个角点的坐标改正数内插出P点在T坐标系中的坐标相对于F坐标系的坐标改正数，进而获得P点在T坐标系中的坐标。
每个格网结点的值是该点在T坐标系中的坐标相对于F坐标系的横坐标坐标改正数dL和纵坐标改正数dB，假设客户端请求的一个瓦片K，其中顶点P的坐标是(LFP，BFP)，如图3所示。
设：
则则
根据双线性内插公式(1)(2)，可得P点的坐标改正数：
d Lp＝1-m1-nd L00+1-mnd L10+m1-nd L01+mnd L11 (1)
d Bp＝1-m1-nd B00+1-mnd B10+m1-nd B01+mnd B11 (2)
根据公式(3)和公式(4)可得P点在T坐标系中的坐标：
BTP＝BFP+d Bp (3)
LTP＝LFP+d Lp (4)
按照此原理，计算瓦片K各个顶点在T坐标系中的对应顶点的坐标，连接各个顶点得到图形KT，如图3所示，自动转换程序根据图形KT提取本体瓦片数据中相邻的九个瓦片，然后将其拼接为一个图片，再利用OpenCV将图形KT范围内的数据提取到图形K中，通过服务器将提取的瓦片数据返回到客户端进行显示。
本发明基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法采用SaaS(软件即服务)模式，通过Web服务封装业务流程，完成网络地图服务与业务逻辑流程之间的映射关系，各服务间通过精确定义、简单的接口实现通信，不涉及到底层的通讯模型及编程接口，同时运用数据库、XML(可扩展标记语言)和COM(组件对象模型)等技术构建服务体系，将坐标基准转换封装在坐标转换服务中，实现网络环境下对地图服务的在线动态坐标转换。
附图说明
图1为本发明的格网法坐标转换原理图；
图2为本发明的网络地图服务瓦片坐标转换原理中的F坐标系下的坐标改正图；
图3为本发明的网络地图服务瓦片坐标转换原理中的T坐标系下的瓦片坐标计算；
图4为本发明生成网络矢量地图坐标仿射变换参数的流程图；
图5为本发明生成网络瓦片地图坐标仿射变换参数的流程图；
图6为本发明网络瓦片地图坐标转换过程的流程图；
图7为本发明第一实施例的海南省海口市控制点分布及格网构建情况示意图；
图8为本发明第一实施例的坐标系转换后的海南省海口市范围内网络地图服务瓦片与本体坐标系下行业领域专题数据拟合效果示意图；
图9为本发明第二实施例的海南省白沙县控制点分布及格网构建情况示意图；
图10为本发明第二实施例的坐标系转换后的海南省白沙县范围内网络地图服务瓦片与本体坐标系下行业领域专题数据拟合效果示意图。
具体实施方式
实施例1
选取海南省海口市为试验区域，通过实现CGCS2000坐标系瓦片地图服务在线实时转换为海南平面坐标系的案例对本发明方法的精度与效率进行验证。具体实现步骤包括构建实验区控制点格网、构建地图服务坐标转换模型、服务端地图服务瓦片坐标转换与客户端的拼接显示的程序实现。
1、构建控制点格网
根据格网法坐标转换的基本原理，控制点格网的构建是影响坐标系转换精度的重要因素，格网的构建模型种类繁多，主要包括最小曲率模型、双线性内插模型、克里金插值模型、协方差推估模型、多元回归模型、加权平均模型等。在地形复杂度高的区域，基于最小曲率模型构建格网的坐标转换方法精度优于其他几种格网构建模型，但计算的复杂度较高。结合实验区域地形起伏、公共点数量与分布、对精度的要求等客观条件，本实施例选取计算相对简单、可保证地形起伏不大的小区域内转换精度的双线性内插模型进行改正量的计算，以保证坐标转换服务的高效性。由于基础地理数据空间参考的转换参数具有保密性，客户单位一般无法得到，同时数据管理部门不能直接利用转换参数将网络地图服务转换为客户端所需要的本体空间参考，因此计算结果以NTv2格网文件结构进行组织，以二进制格式存储于数据库中，保证相关参数的安全性。NTv2格网文件结构存储格网点的坐标改正数、改正精度、多个子区域的矩形格网，根据地形的复杂度不同可局部调整子区域格网密度，具有较好的可扩展性。
海口市的地形起伏度不大，构建间距为1公里的规则格网即可满足精度需求，控制点分布及格网构建情况如图7所示。
2、坐标系转换服务实现
当客户端向服务器端请求地图服务空间参考到行业领域专题数据空间参考转换请求时，服务器端接收用户的本体坐标系需求参数(包括海南平面坐标系下网络地图服务的切片方案、转换范围坐标等)，经过对数据进行解析和认证，确定计算所需的组件与数据，调取CGCS2000坐标系到海南平面坐标系的空间参考自动转换服务，根据数据库中相应坐标系的转换参数与网络地图服务瓦片坐标转换原理，将客户端请求的瓦片范围由CGCS2000坐标系转换到海南平面坐标系下，为降低服务器数据存储压力，在客户端对海南平面坐标系下对应范围的瓦片数据进行读取与无缝拼接显示。为保证坐标转换服务的普适性，坐标系转换服采用符合国际标准的OGC服务规范。
3、结果
采用以上坐标系转换服务方法，对海南省海口市范围内的L12-L18级的CGS2000坐标系网络瓦片地图服务进行坐标转换，经统计转换的瓦片量为403206，共用时161280s，转换效率适中。选取转换范围内4500个在两个坐标系下坐标分别已知的点作为真值，通过与转换后的坐标值进行比对，经统计在L18级的比例尺范围内，纬度平均误差约为0.016米，经度平均误差约为0.03米。坐标系转换后的海南省海口市范围内网络地图服务瓦片与本体坐标系下行业领域专题数据拟合效果如图8所示，由图可见，本实施例实现的针对实验区域网络地图服务的坐标系转换服务精度较好，符合应用需求。
实施例2
选取海南省白沙县为试验区域，通过实现CGCS2000坐标系瓦片地图服务在线实时转换为海南白沙独立坐标系的案例对本发明方法的精度与效率进行验证。具体实现步骤包括构建实验区控制点格网、构建地图服务坐标转换模型、服务端地图服务瓦片坐标转换与客户端的拼接显示的程序实现。
1、构建控制点格网
根据格网法坐标转换的基本原理，控制点格网的构建是影响坐标系转换精度的重要因素，格网的构建模型种类繁多，主要包括最小曲率模型、双线性内插模型、克里金插值模型、协方差推估模型、多元回归模型、加权平均模型等。在地形复杂度高的区域，基于最小曲率模型构建格网的坐标转换方法精度优于其他几种格网构建模型，但计算的复杂度较高。结合实验区域地形起伏、公共点数量与分布、对精度的要求等客观条件，本实施例选取计算相对简单、可保证地形起伏不大的小区域内转换精度的双线性内插模型进行改正量的计算，以保证坐标转换服务的高效性。由于基础地理数据空间参考的转换参数具有保密性，客户单位一般无法得到，同时数据管理部门不能直接利用转换参数将网络地图服务转换为客户端所需要的本体空间参考，因此计算结果以NTv2格网文件结构进行组织，以二进制格式存储于数据库中，保证相关参数的安全性。NTv2格网文件结构存储格网点的坐标改正数、改正精度、多个子区域的矩形格网，根据地形的复杂度不同可局部调整子区域格网密度，具有较好的可扩展性。
白沙县的地形起伏度相对海口市偏大，构建间距为0.5公里的规则格网以可满足精度需求，控制点分布及格网构建情况如图9所示。
2、坐标系转换服务实现
当客户端向服务器端请求地图服务空间参考到行业领域专题数据空间参考转换请求时，服务器端接收用户的本体坐标系需求参数(包括海南白沙独立坐标系下网络地图服务的切片方案、转换范围坐标等)，经过对数据进行解析和认证，确定计算所需的组件与数据，调取CGCS2000坐标系到海南白沙独立坐标系的空间参考自动转换服务，根据数据库中相应坐标系的转换参数与网络地图服务瓦片坐标转换原理，将客户端请求的瓦片范围由CGCS2000坐标系转换到海南白沙独立坐标系下，为降低服务器数据存储压力，在客户端对海南白沙独立坐标系下对应范围的瓦片数据进行读取与无缝拼接显示。为保证坐标转换服务的普适性，坐标系转换服采用符合国际标准的OGC服务规范。
3、结果
采用以上坐标系转换服务方法，对海南省白沙县范围内的L12-L18级的CGS2000坐标系网络瓦片地图服务到海南白沙独立坐标系进行坐标转换，经统计转换的瓦片量为370316，共用时148200s，平均转换效率与海口市相近，转换效率适中。选取转换范围内4500个在CGS2000坐标系及海南白沙独立坐标系下坐标分别已知的点作为真值，通过与转换后的坐标值进行比对，经统计在L18级的比例尺范围内，纬度平均误差约为0.035米，经度平均误差约为0.1米。
坐标系转换后的海南省白沙县范围内网络地图服务瓦片与本体坐标系下行业领域专题数据拟合效果如图10所示，由图可见，本实施例实现的针对实验区域网络地图服务的坐标系转换服务精度较好，符合应用需求。
本发明基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，实现了客体坐标系下符合国际标准规范的地图服务到行业领域专题数据本体坐标系的在线动态转换，解决了当前普遍存在的数据利用效率低、维护费用高、坐标转换参数安全性的问题，通过以上实验验证，该方法具有普适性、安全性、精确性等特点，主要表现在以下几个方面：①采用NTv2格网文件结构存储控制点格网数据，包括点的坐标改正数、改正精度、多个子区域的矩形格网，根据地形的复杂度不同可局部调整子区域格网密度，保证了该方法在地形复杂区域的坐标转换精度和灵活性，具有较好的普适性；②根据切片方案以本体坐标系下网络瓦片地图服务对应的每张瓦片行列号推算客体坐标系下网络瓦片地图服务多个瓦片的行列号范围，实现待转换坐标系下逐个瓦片到本体坐标系的转换，从而确保转换后的结果瓦片的无缝隙；③控制点数据以二进制格式存储，且地图服务坐标转换服务通过Web服务封装业务流程，完成网络地图服务在不同坐标系下的映射关系，与客户端请求不涉及真实的转换参数及似大地水准面精化模型保证相关坐标转换参数的安全性。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)发布网络地图服务；所述网络地图服务中包含其他待转换坐标系网络地图服务；
(2)构建控制点格网；所述控制点格网包含目标坐标系与其他待转换坐标系对应的规则控制点格网、以及其他待转换坐标系与目标坐标系对应的规则控制点格网；
(3)获取切片方案；所述切片方案包含目标坐标系网络地图瓦片服务的切片方案、以及其他待转换坐标系网络地图瓦片服务的切片方案；
(4)计算坐标仿射变换参数；所述坐标仿射变换参数包含网络矢量地图坐标仿射变换参数、以及网络瓦片地图坐标仿射变换参数；
(5)计算转换范围；所述转换范围是指网络瓦片地图服务转换范围；
(6)建立坐标系转换数据库；
(7)发布坐标转换服务；所述坐标转换服务包含网络矢量地图坐标转换服务、及网络瓦片地图坐标转换服务；
(8)调用坐标转换服务。
2.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述网络地图服务，是指符合天地图切片规则的网络瓦片地图服务及符合OGC标准的网络矢量地图服务。
3.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述目标坐标系包括但不限于CGCS2000、西安80坐标系、北京54坐标系、海南平面坐标系、海南海口独立坐标系、海南白沙独立坐标系、海南文昌独立坐标系、海南洋浦独立坐标系。
4.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述其他待转换坐标系包括但不限于CGCS2000、西安80坐标系、北京54坐标系、海南平面坐标系、海南海口独立坐标系、海南白沙独立坐标系、海南文昌独立坐标系、海南洋浦独立坐标系。
5.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述规则控制点格网是一组规则网格的几何中心点，该组格网点在不同坐标系下有不同的坐标表达。
6.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述目标坐标系网络地图瓦片服务的切片方案包含的参数有比例尺、分辨率、切片等级；所述其他待转换坐标系网络地图瓦片服务的切片方案包含的参数有比例尺、分辨率、切片等级。
7.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述网络矢量地图坐标仿射变换参数是根据目标坐标系与其他待转换坐标系对应的规则控制点格网数据，采用仿射变换方法计算得到的仿射变换参数；所述网络瓦片地图坐标仿射变换参数是根据其他待转换坐标系与目标坐标系对应的规则控制点格网及切片方案，采用仿射变换方法计算得到的仿射变换参数。
8.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述网络瓦片地图服务转换范围是根据切片方案计算得到的目标坐标系网络瓦片地图服务对应瓦片的行列号及其他待转换坐标系网络瓦片地图服务对应多个瓦片的行列号取值范围。
9.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述建立坐标系转换数据库，存储数据包括控制点格网、切片方案、坐标仿射变换参数、转换范围、网络地图服务提供商数据、网络地图服务元数据描述、网络地图服务中包含的图层名称列表、坐标仿射变换参数与转换范围的关联表。
10.如权利要求1所述的基于格网法的网络地图服务动态坐标转换方法，其特征在于：所述网络矢量地图坐标转换服务为标准网络服务，包含的参数有待转换坐标系网络地图矢量服务的坐标点或坐标串；所述网络瓦片地图坐标转换服务为符合OGC标准的网络地图瓦片服务。
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