来源：《地理空间信息》2016 年3 月第14 卷第3 期
作者：赵慧慧 ，葛 莹 ，肖胜昌arcgis坐标系转换，王 冲 ，杨林波
摘要
ArcGIS 提供了静态转换、动态转换和即时转换3 种坐标转换方法。基于我国1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系，选定等级较高、分布均匀的坐标成果点，利用静态转换、动态转换和即时转换进行坐标转换方法精度分析。
关键词：坐标转换;精度评估;ArcGIS 软件;地理数据库
在地理信息系统建设与应用中，经常需要进行空间坐标转换[1-3]。在我国现行的测绘成果中，仍有大量数据采用1980 西安坐标系，甚至是1954 北京坐标系[4-6]，按照国务院要求，我国将在2016 年前完成现行国家大地坐标系向2000 国家大地坐标系的过渡[7]。ArcGIS 作为主流的地理信息系统平台，广泛应用于我国的地理信息数据生产、建库和应用系统的开发中，形成了大批基于ArcGIS 软件的矢量数据[8,9]。当前关于ArcGIS软件的坐标转换研究，主要集中在坐标系讨论和坐标转换程序开发方面，坐标转换方式对空间数据精度的影响评估却不多见。本文将针对该问题进行深入探讨，在综述ArcGIS 坐标转换方式的基础上，针对我国常用的坐标系，进行点位坐标转换的精度评估与检核。
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ArcGIS 的坐标转换
ArcGIS 地理参照处理策略是将空间数据和坐标系分离存储[10]，所以坐标转换时，不仅要定义地理参照系，还要考虑空间数据坐标处理方式。一般来说，ArcGIS软件包含2 套坐标系统：地理坐标系和投影坐标系[11,12]。前者是用经度和纬度定义球或椭球面上点位的参照系 [13]，后者是为二维或三维点、线、面要素的位置定位的(x，y，z)参照系[14]。ArcGIS 软件预置了全世界上百种地理参照系，其中我国常用的地理坐标系有1954北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系。
在此基础上，ArcGIS 软件提供了静态转换、动态转换和即时转换3 种空间坐标转换方法，见表1。
由此可知，对于ArcGIS 坐标转换，无论是地理参照系定义还是空间坐标转换方式，都存在较明显的差异。如果不能深入理解ArcGIS 空间坐标转换的实现机理，空间坐标转换方式的误用则不可避免。
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实验的设计与组织
2.1 数据准备
本文选定某区域12 个均匀分布的坐标成果点，覆盖范围约为1 209 km2。按照研究目的，选择了3 套地理坐标系(1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000国家大地坐标系)，以及基于这3 套地理坐标系的高斯-克吕格投影坐标。
2.2 实验设计和步骤
2.2.1 实验设计
为了分析ArcGIS 静态转换、动态转换和即时转换3 种坐标转换方法，针对1954 北京坐标系、1980 西安坐标系和2000 国家大地坐标系，本文设计了3 组点位坐标转换实验：① 1954 北京坐标系向1980 西安坐标系转换(简称Beijing1954 to Xi’an1980);② 1954 北京坐标系向2000 国家大地坐标系转换(简称Beijing1954to CGCS2000);③ 1980 西安坐标系向2000 国家大地坐标系转换(简称Xi’an1980 to CGCS2000)。
2.2.2 实验流程
实验前，以“Beijing1954 to CGCS2000”为例，说明本文的实验流程：
1)选择点位坐标转换模型。选择二维七参数转换模型，利用ArcGIS 的Data Management Tools/Projection and Transformation/Create Custom Geographic Transformation 工具，定义“Beijing1954 to CGCS2000”坐标转换模型参数。
2)生成shapefile 文件。在ArcGIS 中，生成基于Beijing1954 的 shapefile 文件，将12 个坐标成果展绘到该文件。
3)实现静态转换。利用ArcGIS 的Data ManagementTools/Projection and Transformation/Feature/Projection工具，实现静态转换。
4) 添加点位坐标属性。利用Data ManagementTools/Features 下的Add XY Coordinates 工具，将坐标字段添加到属性表arcgis坐标系转换，得到转换后坐标。
5)实现动态转换。在ArcCatalog 环境下，创建Geodatabase 数据库，先以CGCS2000 为地理坐标系建立要素数据集，再用ArcGIS Import 功能将建立的要素类导入要素数据集，完成动态转换。
6) 实现即时转换。在ArcMap 环境下， 先添加CGCS2000 控制点坐标文件， 再添加Beijing1954的shapefile 文件。此时，12 个控制点坐标自动从Beijing1954 坐标系配准至CGCS2000 坐标系，实现坐标系的即时转换。
7) 评估坐标转换精度。转换后坐标分别与CGCS2000 真实坐标进行比较，对实验结果进行统计性描述，绘制误差曲线，分析坐标转换精度，得出相关结论。
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实验结果与分析
本文选取点位中误差作为精度评价指标，计算公式如下：
3.1 统计描述
本文完成了3 组实验， 分别是“Beijing1954 toCGCS2000”、“Xi’an1980 to CGCS2000”以及“Beijing1954to Xi’an1980”，基本上涵盖了目前国内测绘生产中常见的坐标转换。各组实验结果及其统计描述性质列于表2~4。
1)实验1 ：Beijing1954 to CGCS2000。由表2 可知，ArcGIS 坐标转换方式对点位坐标精度会产生较大影响。在ArcGIS 软件中，“Beijing1954 to CGCS2000”静态转换最好，动态转换和即时转换方式次之，且后两种方式之间的点位坐标精度差异较小，而静态转换与动态转换、即时转换之间相差却较大。因此，在空间坐标转换时，尽量考虑静态转换。
2)实验2 ：Xi’an1980 to CGCS2000。由表3 可知，从坐标转换方式上来看，实验2 与实验1 的研究结论相似。但是，对于静态转换，“Xi’an1980 to CGCS2000”坐标转换精度稍高于“Beijing1954 to CGCS2000”;对于动态转换和即时转换，“Beijing1954 to CGCS2000”明显高于“Xi’an1980 to CGCS2000”坐标转换精度。
3) 实验3 ：Beijing1954 to Xi’an1980。由表4 可知，从不同坐标系间的转换上来看，实验3 与实验1 有相似结论，即在ArcGIS 环境下，“Beijing1954 to Xi’an1980”静态转换最好，动态转换和即时转换次之，且后两种方式之间的空间数据精度差异较小，静态转换与动态转换、即时转换之间相差很大。总的来说，对于静态转换，“Beijing1954 to Xi’an1980”坐标转换精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000” 坐标转换精度最低;而对于动态转换和即时转换，“Beijing1954 to GCS2000” 坐标转换精度最高，“Xi’an1980 to CGCS2000”坐标转换精度最低。
3.2 实验精度的分析
从点位中误差的角度，运用ArcGIS 静态转换、动态转换和即时转换3 种方式， 对“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi’an1980 to CGCS2000”、“Beijing1954to Xi’an1980”3 种坐标转换的空间坐标转换精度进行分析(见表5)。
由表5 可知，就平均中误差来说，静态转换最好，动态转换和即时转换次之，且静态转换与动态转换或即时转换的精度差距较大。对于静态转换而言，“Beijing1954 to Xi’an1980”数据精度最高(0.199)，其次是“Xi’an1980 to CGCS2000”(1.260)，精度最低的是“Beijing1954 to CGCS2000”(1.480)。
进一步地绘制3 种坐标转换的点位中误差曲线如图1、图2 所示。
由图1 可知， 针对静态转换方式，“Beijing1954to Xi’an1980” 的精度比“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi’an1980 to CGCS2000”的精度高得多。另外，12 个点位中误差曲线形状相似，表明误差变化趋势一致。
由图2 可知， 无论是动态转换还是即时转换，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi’an1980 toCGCS2000”的精度最低。
推测导致ArcGIS 空间坐标转换误差的原因是：
① 地理坐标系的定义完全不同，1954 北京坐标系、1980 西安坐标系是参心坐标系，而2000 国家大地坐标系是地心坐标系;
② ArcGIS 软件的空间坐标转换方法机理不同，但ArcGIS 并没有对外公布这些转换机理;
③由于地理坐标转换参数具有时空限制性，所以转换参数解算误差也是空间坐标转换误差来源;
④ 对于动态转换和即时转换，其空间坐标转换主要目的是单纯满足制图可视化需要，对其坐标精度没有做出明确要求。
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结 语
ArcGIS 空间坐标转换方式不同，对点位坐标转换精度的影响也不同;另一方面，在同一种空间坐标转换方式下，不同坐标系之间的转换精度也不相同，具体地说：
1)对于静态转换、动态转换和即时转换而言，无论是“Beijing1954 to Xi’an1980”，还是“Beijing1954 to CGCS2000”、“Xi’an1980 to CGCS2000”，静态转换的点位精度较高，动态转换和即时转换次之，且后两者之间的精度相差不大。
2)在静态转换中，“Beijing1954 to Xi’an1980”的精度最高，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最低;在动态转换和即时转换中，“Beijing1954 to CGCS2000”的精度最高，“Xi’an1980 to CGCS2000”的精度最低。
参考文献
[1] 李兆雄. 大范围地理空间信息点对点坐标转换设计与实现[J].地理空间信息,2010,8(2):21-25
[2] 顾秀梅, 杨斌, 高德政. ArcGIS 空间数据投影坐标转换方法研究[J]. 测绘科学, 2012,37(4):164-166
[3] 何骏, 吕琲, 廖明. 基于ArcGIS 的数据建库与更新中的坐标转换技术探讨[J]. 江西测绘,2011(3):15-17
[4] 李平, 卢丽. ArcGIS 中几种坐标系转换方法的应用研究[J].城市勘测,2012(1):87-88
[5] 王宝山, 武继军, 罗建元. 大地坐标转换模型与精度研究[J].河南理工大学学报,2006,25(2):1-5
[6] 廖永生, 陈瑞波. 从地方坐标系到2000 国家大地坐标系的转换方法[J]. 海洋测绘,2010,30(5):6-9
[7] 魏子卿.2000 中国大地坐标系[J]. 大地测量与地球动力学,2008(6):1-5
[8] 贾艳红, 刘秀君, 郝志强. 基于ArcGIS 平台的数据处理与建库思路探讨[J]. 数字技术与应用,2012(11):209-210
[9] 王小华. ArcGIS 平台矢量数据高精度坐标转换实现方法[J].测绘与空间地理信息,2012,35(9):90-94
[10] 邢超, 李斌.ArcGIS 学习指南——ArcToolBox[M]. 北京: 科学出版社,2010
[11] 周卫娟, 张成刚. GIS 软件坐标系统剖析[J]. 现代测绘,2007,30(2):13-16
[12] 黄爽兵, 刘昌荣, 张成功, 等. 地质调查中手持GPS 和GIS 坐标系统应用常见问题[J]. 四川地质学报,2009( 增刊):307-309
[13] 韩晨, 程军, 杨秀英. 地理坐标系浅析[J]. 价值工程,2012(32):318-319
[14] 高德章. 大地坐标系与投影坐标系[J]. 物探化探计算技术,2011,33(1):51-54
[15] 李恒民, 陈永波, 李娜, 等. 基于ArcGIS Engine 的地图投影与坐标转换的研究与实现[J]. 城市勘测,2012(5):105-106
[16] 叶建平. ArcGIS 自定义坐标系在城市基础地理信息系统建库及地图融合中的应用[J]. 测绘通报,2012(12):70-74
[17] 乔金海, 许哲, 贾士军. ArcGIS 中的坐标系统及投影变换应用研究[J]. 城市道桥与防洪,2011(12):162-164
[18] 牛亮, 杜艳琴. 采用ArcGIS 进行坐标转换的两种方法对比研究[J]. 科技视野,2014,11(1):349-350
[19] 唐勇.GPS 坐标向地方坐标转换的两种方法精度比较[J]. 山西建筑,2009,35(5):353-355
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