楊 旭 朱亞洲

（安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院 安徽淮南 232001）

淮南礦區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計與實現(xiàn)

楊 旭 朱亞洲

（安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院 安徽淮南 232001）

在基于坐標系，坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，抗差估計等理論的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適用于淮南礦區(qū)的多種坐標系統(tǒng)之間轉(zhuǎn)換和同一坐標系統(tǒng)間換算的軟件，利用實際數(shù)據(jù)對軟件進行了測試，其轉(zhuǎn)換成果正確可靠，性能穩(wěn)定。該軟件有助于加快礦區(qū)啟用2000國家大地坐標系、1980國家大地坐標系進程，統(tǒng)一礦區(qū)測繪基準、促進和保證礦山安全生產(chǎn)，值得在礦區(qū)進行經(jīng)驗推廣。

淮南礦區(qū)；坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換；抗差估計；軟件測試

1 引言

我國坐標系統(tǒng)眾多，如1954年北京坐標系、1980西安坐標系、2000國家大地坐標系及WGS-84坐標系，坐標系間的轉(zhuǎn)換是測繪基礎(chǔ)工作之一。國家測繪局于2008年6月18日發(fā)布公告：自2008年7月1日起，我國啟用2000國家大地坐標系?；茨系V區(qū)的測繪成果（各類圖件、坐標等）基本上是1954年北京坐標系下的成果，因此為實現(xiàn)向2000國家大地坐標系下成果的過渡，必須建立淮南礦區(qū)的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型，研制坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件。這將有助于加快啟用2000國家大地坐標系、1980西安坐標系進程，統(tǒng)一礦區(qū)測繪基準、促進和保證礦山安全生產(chǎn)。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計思路

在本軟件中，涉及到同一坐標系統(tǒng)內(nèi)部的換算和不同坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換兩種主要功能。同一坐標系統(tǒng)內(nèi)部的換算是指在同一坐標系統(tǒng)（如1980西安坐標系）內(nèi)空間直角坐標與大地坐標、大地坐標與高斯平面直角坐標之間的相互換算；不同坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換是指在兩個坐標系統(tǒng)（如WGS-84大地坐標系與1954年北京坐標系）之間的轉(zhuǎn)換，可以在空間直角坐標系統(tǒng)間進行，也可以在高斯平面直角坐標系統(tǒng)間進行。采用正確的數(shù)據(jù)處理模型，是確?！盎茨系V區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件”計算結(jié)果正確性的前提。

進行坐標轉(zhuǎn)換的基本思路是：根據(jù)坐標聯(lián)測點的兩套坐標，建立兩坐標系間的坐標轉(zhuǎn)換模型（空間坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型有 “布爾沙”、“莫羅金斯基”、“霍蒂內(nèi)”和“維斯”等模型；平面坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型有四參數(shù)等模型）；然后采用最小二乘法或抗差估計方法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對轉(zhuǎn)換參數(shù)的顯著性進行檢驗；最后，進行坐標轉(zhuǎn)換，并對轉(zhuǎn)換后成果的質(zhì)量進行評價（點位中誤差、邊長中誤差、坐標方位角中誤差），此外，為評價所選擇的轉(zhuǎn)換模型在整個測區(qū)的適用性，還需對轉(zhuǎn)換模型的精度進行評定（內(nèi)部符合精度與外部檢核精度）。軟件設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1 軟件設(shè)計流程圖

2.2 軟件主要功能

（1）高斯正算與反算。

（2）高斯換帶計算。

（3）大地坐標與空間直角坐標之間的互換。

（4）不同平面坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換。

（5）不同三維坐標基準之間的轉(zhuǎn)換。

（6）實現(xiàn)AUTOCAD電子版圖紙在不同坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換。

對于各種轉(zhuǎn)換與計算均支持單點轉(zhuǎn)換和文件批量轉(zhuǎn)換兩種方式。本軟件的功能設(shè)計采用模塊化設(shè)計，如圖2所示。

圖2 坐標轉(zhuǎn)換軟件功能設(shè)計

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟件運行主要界面

3.1.1 工程管理

工程管理包括工程的打開、新建、刪除、移出、另存、還原、清空回收站等操作，由“已有工程”、“回收站”和“工程屬性”等三部分及其它按鈕組成。

3.1.2 軟件引擎器

坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換引擎器由“基本配置”頁、“處理模型”頁、“輸入輸出”頁等三頁和“確定”、“關(guān)閉”、“幫助”等三個按鈕組成。以對進行坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時的坐標系、投影帶、數(shù)據(jù)處理模型、輸出成果等進行配置，從而實現(xiàn)兩坐標系統(tǒng)間的坐標轉(zhuǎn)換。

（1）“基本配置”頁面由 “工程目標”、“坐標系統(tǒng)”、“源坐標系”、“目標坐標系”、“投影帶”和“投影面”等部分組成，以對該工程的任務(wù)進行設(shè)置。

（2）“處理模型”頁面包括“空間坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型”、“平面坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型”和“參數(shù)估計”等三個定義框（如圖3所示），用于“建立模型”時設(shè)置兩坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換模型及轉(zhuǎn)換參數(shù)的估計方法。

至于空間或平面坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的估計方法，提供了“最小二乘估計”和“抗差估計”兩種估計方法。對于一般用戶，僅提供最小二乘估計功能；對于特許授權(quán)用戶提供一般抗差估計和高崩潰污染率抗差估計功能，以消除不穩(wěn)定基準點對求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。抗差模型由“等價權(quán)模型”和“抗差參數(shù)模型”共同構(gòu)成，軟件提供了6種不同的抗差等價權(quán)模型，其中前3種為高崩潰污染率等價權(quán)模型，對粗差的抵抗能力較強；后3種為普通的等價權(quán)模型，對粗差的抵抗能力也較好。

（3）“輸入輸出”頁用于獲取坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)和設(shè)置顯示輸出的內(nèi)容，還有同一坐標系統(tǒng)中的坐標換算功能?！拜斎胼敵觥表摪ā皩?dǎo)入數(shù)據(jù)”、“輔助功能”、“坐標投影計算”和“輸出成果”、“打開AutoCad圖形”等定義框，其結(jié)構(gòu)見圖4。

“輔助功能”定義框包括 “導(dǎo)出Excel文件為Acess數(shù)據(jù)庫”和“導(dǎo)出Acess數(shù)據(jù)庫為文本文件”兩個選項，用于獲取用戶格式的數(shù)據(jù)文件，然后軟件自動轉(zhuǎn)化為軟件格式的數(shù)據(jù)文件，以進行下一步處理。

“坐標投影計算”是指同一坐標系統(tǒng)下的坐標換算，包括 “XYZ＞BLH＞xyH”（將空間直角坐標化為大地坐標，再投影到高斯平面上）、“BL＞xy”（將大地坐標投影到高斯平面上）、“xyH＞BLH＞XYZ”（將高斯平面坐標和大地高轉(zhuǎn)化為大地坐標，再轉(zhuǎn)化為空間直角坐標）和“xy＞BL”（將高斯平面坐標轉(zhuǎn)化為大地坐標）等四個選項。選擇不同選項時，要求打開的數(shù)據(jù)文件不同。

“打開AutoCad圖形”是指根據(jù)解算的兩坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將在源坐標系下的AutoCad圖形轉(zhuǎn)換成目標同一坐標系統(tǒng)下的坐標系下的AutoCad圖形。

圖3 “處理模型”頁面

圖4 “輸入輸出”頁面

3.1.3 軟件數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

在“建立模型”或“坐標計算”時，當導(dǎo)入了數(shù)據(jù)文件后，出現(xiàn)“坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”界面（如圖5所示）。該界面主要由“數(shù)據(jù)庫操作”窗口、“圖形預(yù)覽”窗口和“確定”、“幫助”、“入庫”按鈕組成。其中的“源坐標系”和“目標坐標系”是利用引擎器的設(shè)置值。

“圖形預(yù)覽”窗口：在導(dǎo)入文件后，圖形預(yù)覽中顯示的圖形是待轉(zhuǎn)換點（紅色）和坐標聯(lián)測點（綠色）的關(guān)系圖。修改（如定義了坐標轉(zhuǎn)換基準點）后，單擊“確定”按鈕，圖形預(yù)覽中顯示的圖形會發(fā)生變化，其中待轉(zhuǎn)換點仍用紅色表示，基準點用蘭色表示，而綠色表示的坐標轉(zhuǎn)換外部檢查點。

圖5 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

3.2 軟件測試

進行本軟件精度測試時，采用了新莊孜煤礦（14點）、謝橋煤礦（10點）、張集煤礦（22點）、李嘴孜煤礦（24點）、潘一深部勘查區(qū)（24點）、潘三深部勘查區(qū)（15點）、謝橋礦南部勘查區(qū)（5點）、潘二礦（18點）、謝家集一礦（22點）、顧橋煤礦（26點）、丁集煤礦（20點）等礦區(qū)邊界200個點由1954年北京坐標系轉(zhuǎn)換到1980西安坐標系的公共點坐標，這200個點的控制區(qū)域約870km2，點位分布略圖參見圖6。

圖6 坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換區(qū)域

選擇了200個公共點中的A11、B03、C01、C13、C20、D24、E09、E16、H09、H12、I18、I22、J13、J17、K13、K17、K20等分布較均勻的17個公共點為坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的基準點，其它點為檢查點(參見圖5)。采用最小二乘估計進行坐標系轉(zhuǎn)換，按相應(yīng)坐標轉(zhuǎn)換模型的精度評價方法，均通過了顯著性檢驗。解算的轉(zhuǎn)換參數(shù)為：平移參數(shù)x0=-47.1659m，y0=-52.8279，尺度比參數(shù)λ=+0.0000066332，旋轉(zhuǎn)角參數(shù)為：θ= 1.42578023(秒)，轉(zhuǎn)換模型中誤差為±0.2mm，轉(zhuǎn)換模型內(nèi)部符合精度±0.4mm。利用其它155個公共點，對轉(zhuǎn)換模型的外部精度進行檢核，檢核得的外部檢核精度為±3.4mm。

因此，從本示例來看：提供的1954年北京坐標系和1980年西安坐標系的公共點的坐標是相互兼容的，不存在明顯的差異；說明采用的轉(zhuǎn)換方案是可行的，轉(zhuǎn)換成果是可靠的；研發(fā)的軟件是可用的。

4 結(jié)論

通過建立淮南礦區(qū)1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、WGS-84大地坐標系、2000國家大地坐標系和其他坐標系之間的轉(zhuǎn)換模型；運用了基于高崩潰污染率抗差估計技術(shù)的坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型參數(shù)解算方法，實現(xiàn)平差系統(tǒng)對穩(wěn)定基準點的自動選擇的目標；建立同一坐標系統(tǒng)內(nèi)部坐標之間的換算（空間直角坐標、大地坐標、高斯平面坐標、投影帶）模型。成功研發(fā)了“淮南礦區(qū)測量坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換軟件，利用實際數(shù)據(jù)對研發(fā)的軟件進行了測試，轉(zhuǎn)換成果正確可靠，性能穩(wěn)定。該軟件實現(xiàn)了淮南礦區(qū)坐標轉(zhuǎn)換和換算的自動化，提高了工作效率，實現(xiàn)了現(xiàn)有大地坐標系到2000國家大地坐標系之間的轉(zhuǎn)換和銜接，值得在礦區(qū)進行經(jīng)驗推廣。

［1］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.《煤礦科技術(shù)語 第6部分:礦山測量》.(GB/T15663.6-2008).2008年8月.

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