ArcGIS 坐标转换方法及其精度评估

1、【技术】ArcGIS坐标转换方法及其精度评估2017-06-20测绘之家来源：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，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，

2、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。1ArcGIS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

3、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ArcGI

4、S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。2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1209km2。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：1954北京坐标系向1980西安坐标系转换(简称Beijing1954toXi

5、9;an1980);1954北京坐标系向2000国家大地坐标系转换(简称Beijing1954toCGCS2000):1980西安坐标系向2000国家大地坐标系转换(简称Xi'an1980toCGCS2000)。2.2.2实验流程实验前，以“Beijing1954toCGCS2000”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DataManagementTools/ProjectionandTransformation/CreateCustomGeographicTransformation工具，定义“Beijing1954toCG

6、CS2000”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DataManagementTools/ProjectionandTransformation/Feature/Projection工具，实现静态转换。4) 添加点位坐标属性。利用DataManagementTools/Features下的AddXYCoordinates工具，将坐标字段添加到属性表，得到转换后坐标。5) 实现动态转换。在ArcCatalog环境下，创建Geodatabas

7、e数据库，先以CGCS2000为地理坐标系建立要素数据集，再用ArcGISImport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。3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

8、述本文完成了3组实验，分别是“Beijing1954toCGCS2000”、“Xi'an1980toCGCS2000”以及“Beijing1954toXi'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24。1)实验1:Beijing1954toCGCS2000。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，“Beijing1954toCGCS2000”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

9、空间坐标转换时，尽量考虑静态转换。2) 实验2:Xi'an1980toCGCS2000。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'an1980toCGCS2000”坐标转换精度稍高于“Beijing1954toCGCS2000”；对于动态转换和即时转换，“Beijing1954toCGCS2000”明显高于“Xi'an1980toCGCS2000”坐标转换精度。3) 实验3:Beijing1954toXi'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，“B

10、eijing1954toXi'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，“Beijing1954toXi'an1980”坐标转换精度最高，“Beijing1954toCGCS2000”坐标转换精度最低;而对于动态转换和即时转换，“Beijing1954toGCS2000”坐标转换精度最高，“Xi'an1980toCGCS2000”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“Beijin

11、g1954toCGCS2000”、“Xi'an1980toCGCS2000”、“Beijing1954toXi'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，“Beijing1954toXi'an1980”数据精度最高(0.199)，其次是"Xi'an1980toCGCS2000"(1.260)，精度最低的是"Beijing1954toCGCS2000”(1.480)。进一步地绘制3种

12、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，“Beijing1954toXi'an1980”的精度比“Beijing1954toCGCS2000”、“Xi'an1980toCGCS2000”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，“Beijing1954toCGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980toCGCS2000”的精度最低。推测导致ArcGIS空间坐标转换误差的原因是: 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200

13、0国家大地坐标系是地心坐标系; 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； 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; 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。4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“Beijing1954toXi'an1980”，还是“Beijing1954toC

14、GCS2000”、“Xi'an1980toCGCS2000”，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，“Beijing1954toXi'an1980”的精度最高，“Beijing1954toCGCS2000”的精度最低;在动态转换和即时转换中，“Beijing1954toCGCS2000”的精度最高，“Xi'an1980toCGCS2000”的精度最低。参考文献I 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顾秀梅，杨斌，高德政ArcGIS空间数据投影坐标转换方法研

15、究J.测绘科学,2012,37(4):164-1663 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):15-174 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):1-56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贾艳红，刘秀君，郝志强.基于ArcGIS平台的数据处

16、理与建库思路探讨J.数字技术与应用,2012(11):209-210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):90-9410邢超，李斌.ArcGIS学习指南ArcToolBoxM.北京：科学出版社,2010II 周卫娟，张成刚.GIS软件坐标系统剖析J.现代测绘,2007,30(2):13-1612 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):307-30913 韩晨，程军，杨秀英.地理坐标系浅析J.价值工程,2012(32):318-31914 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):51-5415 李恒民，陈永波，李娜，等.基于ArcGISEngine的地图投影与坐标转换的研究与实现J.