高分辨率格网模型在地质灾害风险普查数据坐标转换中的应用研究.pdf

第 卷 第期宁夏大学学报(自然科学版)年月V o l N o J o u r n a l o fN i n g x i aU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)S e p 文章编号:()高分辨率格网模型在地质灾害风险普查数据坐标转换中的应用研究胡志瑞,范宏涛,马欣,黄玮,赵大江,李鹏,李小琼,(宁夏国土资源调查监测院,宁夏 银川 ;宁夏地质灾害应急中心,宁夏 银川 ;宁夏矿产资源储量评审中心,宁夏 银川 ;自然资源部大地测量数据处理中心,陕西 西安 ;宁夏国土整治修复中心,宁夏 银川 )摘要:以宁夏为例,通过构建 高精度、高分辨率格网模型,计算坐标转换改正量,实现地质灾害数据由 年北京坐标系或 年西安坐标系转换到 年国家大地坐标系的坐标转换基于 个点,分析 年北京坐标系和 年西安坐标系下坐标转换到 年国家大地坐标系的转换精度结果表明,转换后平面点位中误差分别为 ,m高分辨率格网模型可为地质灾害风险普查、数据共享等提供参考,坐标转换方法可为其他区域提供借鉴关键词:地质灾害风险普查;地质灾害数据;国家大地坐标系;坐标转换;格网模型分类号:(中图)P ;P 文献标志码:A收稿日期:基金项目:宁夏重点研发计划基金资助项目(B E G );宁夏自然科学基金资助项目(A A C ;A A C )作者简介:胡志瑞(),男,高级工程师,注册测绘师,主要从事G I S在地质灾害中的应用研究,(电子信箱)n x g e o i n f o c o m通信联系人:黄玮(),男,高级工程师,主要从事地质灾害预警预报方面的研究,(电子信箱)q q c o m第一次全国自然灾害综合风险普查是一次重大的国情国力调查,地质灾害风险普查作为其中一项,主要目标是掌握我国地质灾害风险隐患底数,为深入开展地质灾害防灾减灾工作奠定基础地质灾害数据是进行地质灾害风险普查的基础长期以来,地质 灾 害 数 据 采 用 年 北 京 坐 标 系(简 称B J S )或 年 西 安 坐 标 系(简 称X A S )B J S ,X A S 的测绘基准是参心、二维、低精度、静态的,已无法满足智慧交通、现代物流、防灾减灾等领域对高精度测绘地理信息服务的需求,制约高新技术的应用 C G C S 具有三维、高精度、地心、动态、统一和实用等诸多优势,采用统一坐标系对经济建设、国防建设、社会发展和科学研究十分必要我国从 年开始启用 国家大地坐标系(简称C G C S ),并 经 a的 过 渡 期 进 行 推 广 应用过渡期间,原测绘部门完成了基础测绘成果和基础地理信息数据库的坐标转换,三、四等天文大地网的平差,建立了独立坐标系与 国家大地坐标系 的 联 系,基 本 完 成 了 现 行 大 地 坐 标 系 向C G C S 的过渡近 年 来,学 者 针 对B J S 或X A S 向C G C S 转换进行了大量研究从转换方法看,主要采用参数法;从数据格式看,主要有C A D,A r c G I S平台格式但基于国产M a p G I S平台数据、针对地质灾害领域的坐标转换研究相对较少空间位置是否准确统一、属性信息是否完整翔实,影响地质灾害数据质量,而高质量数据也是构建防灾减灾数据体系、发挥地质灾害数据价值的基础在全国各省地质灾害风险普查工作中,收集到的各类数据需预处理,而数据坐标系统转换是模型重要的环节,关系到各类数据的套合,不仅影响数据的精度,还决定后期空间分析和评价结果的准确性因此有必要建立一套适用于省级范围的坐标转换模型笔者 研 究 地 质 灾 害 数 据 由B J S 或X A S 向宁夏大学学报(自然科学版)第 卷C G C S 的高精度转换方法,以期为其他地区数据的坐标转换提供参考 坐标转换方法 参数法参数法是基于方程的变换方法,根据转换区域大小选取适当的转换模型,通过选取重合点并经过粗差分析后计算转换参数,然后进行坐标转换的一种转换方法对于面积较大区域,一般采用分区转换二维七参数模型、三维七参数模型以及椭球面的多项式拟合算法适用于全国或椭球面的经纬度差在 及以上的省级大地坐标的转换;布尔莎模型适用于空间直角坐标的转换;莫洛金斯基模型适用于省级及以下范围大地坐标的转换;三维四参数模型适用于 以内局部区域空间直角坐标的转换;局部区域平面坐标的转换可用二维四参数模型 格网法格网法的基本思路是,将待转换区域以一定网格划分,根据转换前后坐标系统间公共点的坐标差,通过一定的算法计算各格网结点的坐标差然后用坐标差来内插网格内任意点的值求得改正量这样就实现了坐标系的变换算法主要采用协方差推估、最小曲率、加权平均等数学方法国外应用格网法转换坐标较早,美国采用最小曲率法、日本采用克里格插值法、澳大利亚采用最小二乘法,分别建立了适用于本国的大地坐标转换模型我国学者近年对格网模型进行研究,开发了一些坐标转换软件 目前,B J S ,X A S 与C G C S 坐标数据的相互转换,针对测绘数据的研究较多,方法也相对成熟,但针对地质灾害数据的研究较少采用格网模型的坐标转换优势在于不受制图比例尺和范围限制;相同地理位置的转换改正量保持不变,而且转换改正量是连续的,弥补了分片区转换后相邻分区之间改正量不连续的缺陷格网模型适合连续分幅的地图转换且便于后期图幅接边笔者采用文献 中的方法,对宁夏地质灾害数据的坐标转换进行研究 数据与流程 实验数据地质灾害数据具有专业性强、多源异构、属性信息复杂、数据量大等特点:从比例尺看,各种比例尺并存;从坐标系看,有B J S ,X A S 且以B J S 为主;从数据类型看,有矢量数据、栅格数据和文本数据,矢量数据是在M a p G I S平台产生的,以 w t(点),w l(线),w p(面)格式为主笔者以宁夏地质资料馆馆藏地质灾害详查数据、区域地质图等地质灾害风 险普查所需 基础数据为 研 究 对 象(表)转换流程研究表明,B J S 转换到C G C S ,其图幅X方向平移 m、Y方向平移 m;X A S 转 换 到C G C S ,其 图 幅X方 向 平 移 m、Y方向平移 m各类地形图因坐标系转换造成内部任意两点的长度和方位变动均在制图精度内,可忽略不计,但由坐标系更换引起图廓点坐标的变化超出制图精度范围以万图幅为例,B J S 转换到C G C S ,图廓X方向平移约 mm、Y方向平移约 mm;X A S 转换到C G C S ,图廓X方向平移约 mm、Y方向平移约 mm同时,不同坐标系下转换后数据接边与重合不容忽略数据转换点位的平均精度应小于图上 mm 万图的方里网和图廓线平均位移 mm,而 万图的方里网和图廓线平均位移达 mm,因此大于等于 万地形图中点(图廓点)的位置变动已超过 制图精度,需 重 新 标 记对 于 小 于 万的地质图,由坐标系更换引起图廓点坐标的变动在制图精度以内,可忽略其影响所以对于大于或等于 万的地质图、各类成果数据,必须进行坐标转换表实验数据序号数据名称坐标系统格式比例尺数据量区域地质图(宁夏)B J S M a p G I S 万幅区域地质图(宁夏)X A S M a p G I S 万 幅宁夏地质灾害调查数据库B J S M a p G I S 万 个县(区、市)宁夏地质灾害详细调查数据库X A S M a p G I S万 个县(区、市)区域地质图空间数据库(宁夏)B J S M a p G I S万 幅第期胡志瑞等:高分辨率格网模型在地质灾害风险普查数据坐标转换中的应用研究通过模型计算宁夏X A S 向C G C S 转换的高精度、高分辨率格网改正量(dB,dL),可得出格网点C G C S 下大地坐标 B J S 转换到X A S 坐标系已有成熟的方法,因此B J S 转C G C S 可先转为X A S ,再通过模型计算宁夏X A S 向C G C S 转换的流程见图XAS 80M(X,Y)XAS 80(B,L)CGCS2000(B,L)G+CGCS2000G&G5#CGCS2000M(X,Y)A1!GdBdL529GG&FE 1E2图X A S 到C G C S 的转换流程 高分辨率格网模型的建立 控制点选择范围为宁夏境内 国家G P S大地控制网点,G P S C级 网 点,国 家 天 文 大 地 网 与 高 精 度G P S 网 联 合 平 差 点,全 国 三、四 等 三 角 网 在C G C S 下平差的三、四等三角网点为保证宁夏省界处的改正量精度,还搜集了相邻省份(甘肃、内蒙古、陕西)与宁夏行政界线相距 k m以内的控制点 控制点分析控制点的精度决定着坐标转换改正量的精度,所以需要对参与计算的控制点的来源、精度、获取年代进行分析计算时优先选择获取年代相对较近的点位控制点按精度选取先后顺序,即与国家三角点重合的 国家G P S大地控制网点,与国家三角点重合的G P SC级网点,国家天文大地网与高精度G P S 网联合平差点,全国三、四等三角网在C G C S 下平差的三、四等三角网点国家三角点布测于半个世纪前,由于人类活动等各种因素的影响,部分点位发生了变化,因而存在粗差点,如果这些粗差点参与改正量计算,会影响结果的精度因此,在选取控制点后,需对选取的各控制点进行试算,直至选取的控制点不含有粗差点首先求取与控制点距离最近的至少个控制点的改正量然后与该点的改正量比较,若该点的改正量绝对值介于周边几个控制点改正量绝对值的平均值的/与倍,则认为该控制点正常,否则认为是异常点对异常点根据分布图形进一步判定,确定后剔除对每个控制点遍历以上步骤后,最终确定用于计算宁夏全区高分辨率格网坐标转换改正量的控制点为 个 改正量计算模型对 个控制点空间上的密度进行分析,通过反距离加权模型获得连续高精度的趋势 反距离权重法假定每个测量点都受一种局部影响,而这种影响随着距离的增大而减小当为任何未测量的位置预测时,反距离权重法预测位置周围的测量值与距离预测位置较远的测量值相比,距离预测位置最近的测量值对预测值的影响较大这种方法为距离预测位置最近的点分配的权重较大,且权重与反距离(数据点与预测位置之间)的P次幂成正比具体计算公式:Pi(BiB)(LiL)c o sB),()dBni(BiPi)niPi,(i,n),dLni(LiPi)niPi(i,n),()B B dB,L L dL,()式中:BiBi,Bi,LiLi,Li,;Bi,Li为控制点大地坐标,B,L为格网点大地坐标;B ,L 为目标C G C S 大地坐标,B,L 为X A S 大地坐标 格网分辨率的确定分辨率设定思路是使每个格网内有个控制点,格网的分辨率越高,内插值越接近于真值,坐标转换精度也就越高由于该过程的运算量大,影响转换速度,但当格网分辨率达到一定值时,转换精度基本趋于稳定根据测绘一、二、三、四等控制点的实际宁夏大学学报(自然科学版)第 卷间隔,将格网分辨率设为 可满足计算要求,即网格大小为 m 改正量的计算 X A S 向C G C S 转换改正量的计算在椭球面上,以X A S 下各个格网点为中心,在一定的搜索区域选择已剔除局部粗差点的一、二、三、四等控制点,依次求取各控制点的大地坐标改正量然后采用反距离加权平均法计算宁夏境内X A S 坐标系到C G C S 的高分辨率、间隔格网改正量dB T ,dL T 搜索区域一般为矩形、圆形和椭圆形研究中,需考虑在各个方向上均等的数据点,因此将搜索区域定义为圆形 B J S 向C G C S 转换改正量的计算B J S 是通过逐级控制、分级分区平差的,没有经过整体平差,因而精度较低因此在不同的区域,坐标精度不同,有的地方相差甚至达到米级X A S 建立后,基本比例尺地形图更新时使用X A S B J S 转换到X A S 已有较成熟、高精度的方法因此,B J S 向C G C S 转换高精度改正量的计算步骤:第一步,计算B J S 向X A S 转换的改正量dB T ,dL T ;第二步,计算X A S 向C G C S 转换的改正量dB T ,dL T ;第 三步,将B J S 向X A S 转换的改正量与高分辨率格网X A S 向C G C S 转换的改正量叠加,得到高精度、高分辨率格网B J S 向C G C S 转换的改正 量dB T ,dL T ,即dB T dB T dB T ,dL T dL T dL T 通过以上方法得到X A S 向C G C S 转换的改正量和B J S 向C G C S 转换的改正量在实际转换中,先通过M a p G I S获得工程文件中的点、线、面文件点文件通过改正量换算为转换后的坐标,线、面文件也是由若干点组成的因此先读取构成线或面文件中各个点的坐标,然后将每个点坐标转换更新,从而实现线、面文件的转换 精度评价坐标转换精度评价有内符合和外符合种评价方法依据计算转换改正量的重合点残差中误差评估坐标转换精度,若点位残差小于倍点位中误差,满足精度要求笔者采用内符合评价方法,计算转换前后坐标残差中误差,对坐标转换精度进行评估 对于n个评估点,坐标转换模型精度计算公式:对于空间直角坐标X残差中误差,MXv v Xn,()对于空间直角坐标Y残差中误差,MYv v Yn,()式中:n为点位个数;v为重合点残差;v 为重合点转换坐标值与重合点已知坐标值的差平面的点位中误差:MpMXMY()X A S 向C G C S 转换的精度评估对宁夏具有X A S 和C G C S 的三角点,选取 个重合点进行精度评估,点位坐标残差频率分布见图图,横坐标是评估点的残差范围,纵坐标是对应范围点的个数图X坐标残差直方图图Y坐标残差直方图由图图可知,X坐标残差基本呈正态分布,残差最大值为 ,最小值为 ,的点在(,的点在(,的点在(,的点在(,Y坐 标 残 差 最 大 值 为 ,最 小 值 为 ,的点在(,的点 在第期胡志瑞等:高分辨率格网模型在地质灾害风险普查数据坐标转换中的应用研究(,的点在(,的点在(,经 过 计 算,X坐 标 的 残 差 中 误 差MX m,Y坐标的残差中误差MY m,平面的点位的中误差Mp m B J S 向C G C S 转换的精度评估从宁夏具有B J S 和C G C S 的三角点中选取 个重合点进行精度评估,点位坐标残差频率分布见图图图X坐标残差直方图图Y坐标残差直方图由图图可知,X坐标残差频率呈正态分布,的点在(,残差最大值为 ,最小值为 ;Y坐标残差最大值为 ,最小值为 ,的点在(,经过计算,X坐标的残差中误差MX m,Y坐标的残差中误差MY m,平面的点位中误差Mp m B J S 和X A S 向C G C S 转换的精 度对比将B J S 和X A S 下的 个重合点分别转换到C G C S ,进行残差对比分析,点位精度分布见图图对比发现,X A S 转换C G C S 的精度高于B J S 转换的地质风险普查是以县为单元开展 的,比 例 尺 为万按 照 精 度 要 求,万空间数据库坐标转换精度小于等于 m根据控制点内符合精度,文中所建B J S 和X A S 转换C G C S 的高分辨率格网模型完全满足县级地质灾害风险普查的精度要求/m0.700.500.300.100.100.300.500.70XAS80BJ54图X A S ,B J S 下X坐标的转换残差/m0.700.500.300.100.100.300.500.70XAS80BJ54图X A S ,B J S 下Y坐标的转换残差 结论)探讨地质灾害风险普查相关数据由X A S 及B J S 分别转换到C G C S 的流程方法,建立省级高精度、高分辨率格网模型,并进行精度评估结果 表 明,应 用 该 方 法,B J S ,X A S 转 换 到C G C S 的数据,均满足精度要求,其中,X A S 转 换C G C S 的 精 度 优 于B J S 转 换C G C S 的)在宁夏完成了县级M a p G I S格式地质灾害数据坐标转换,并很好地解决区域不同图幅因采用参数法转换坐标造成的接边问题)部分地质图中的高程采用 年确定的黄海高程系,并在M a p G I S点文件中标注,需与 年国家高程基准加以区分地质灾害工作中经常使用WG S 坐标系 WG S 坐标系与C G C S 的参考椭球体相近,而历元和参考框架不一致,二者存在分米级(同一历元下在厘米级)差别,若测量精度在此范围内,可视为WG S 坐标系与C G C S 一致)对坐标转换流程、模型建立等进行研究和探索,可为全国 省 市 县四级地质灾害风险普查数据宁夏大学学报(自然科学版)第 卷库体系的建设奠定基础)在宁夏实践地质灾害数据坐标转换方法,可为其他区域数据转换提供参考参考文献:汪明全面认识第一次全国自然灾害综合风险普查的重要价值J中国减灾,():陈俊勇中 国现 代 大地 基准 中 国大 地坐 标 系统 (C G C S )及 其 框架 J测绘 学报,():杨元喜 中国大地坐标系J科学通报,():王萌,高远,范咪娜区域坐标转换模型对比分析J矿山测量,():王友昆,余章蓉,张君华,等平面四参数反算的精度分析及其控制方法研究J测绘通报,():杨霞,白洁,孙伟坐标转换中的A u t o C A D数据规范化问题研究J城市勘测,():田渊,杨可,杨伟,等利用C o o r d和A r c G I S软件实现图件坐标系转换及精度分析J山西建筑,():尹春荣,李媛,曲雪妍,等中国地质灾害数据质量评价指标体系构建J中国地质灾害与防治学报,():国土资源部,国家测绘地理信息局国土资源数据 国家大地坐标系转换技术要求E B/O L()h t t p:/z r z y j d e z h o u g o v c n/n /n /c /p a r t/p d f D E WH U R S T W T A p p l i c a t i o no fm i n i m u mc u r v a t u r e d e r i v e ds u r f a c e s i nt h et r a n s f o r m a t i o no fp o s i t i o n a ld a t af r o mt h eN o r t hA m e r i c a nD a t u mo f t o t h eA m e r i c a nD a t u mo f R R o c kV i l l e:N O A A T e c h n i c a l M e m o r a n d u m,h t t p s:/w w w z h a n g q i a o k e y a n c o m/n t i s s c i e n c e r e p o r t_o t h e r_t h e s i s/h t m l MU R A K AM IM,S E N G O K U A T r a n s i t i o no fJ a p a n e s eN a t i o n a lG e o d e t i cD a t u mf r o mT o k y oD a t u mt ot h eG e o c e n t r i cG e o d e t i cD a t u mJJ o u r n a l o f t h eG e o d e t i cS o c i e t yo f J a p a n,():G OW A N S N,J A N S S E N V W h i c h G D A G D A t r a n s f o r m a t i o ng r i ds h o u l dN S Ws u r v e y o r su s e?J A Z i m u t h,():郭春喜,王文利,白贵霞,等坐标系转换中全国高精度高分辨率格网改正量的确定J测绘科学,():赵辉,张颜秋,樊琦,等基于格网模型的地理信息数据坐标转换J测绘与空间地理信息,():李旺民,李秀龙,王东阁,等多重加密格网内插法坐标转换J测绘通报,():王谦,赵俊三,王涛,等改进的高精度C G C S 格网改正量自动计算模型设计与实现J地质灾害与环境保护,():方郧农,王博,李婉 国家大地坐标系坐标转换精度检测J地理空间信息,():彭小强,高井祥,王坚 WG S 和C G C S 坐标转换研究 J大 地 测 量 与 地 球 动 力 学,():A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho fH i g h r e s o l u t i o nG r i dM o d e l i nC o o r d i n a t eT r a n s f o r m a t i o no fG e o l o g i c a lH a z a r dR i s kS u r v e yD a t aH uZ h i r u i,F a nH o n g t a o,M aX i n,H u a n gW e i,Z h a oD a j i a n g,L iP e n g,L iX i a o q i o n g,(N i n g x i aS u r v e ya n dM o n i t o r i n gI n s t i t u t eo fL a n dR e s o u r c e s,Y i n c h u a n ,C h i n a;G e o h a z a r dE m e r g e n c yC e n t e ro fN i n g x i a,Y i n c h u a n ,C h i n a;N i n g x i aA s s e s s m e n tC e n t e ro fM i n e r a lR e s o u r c e sR e s e r v e s,Y i n c h u a n ,C h i n a;G e o d e t i cD a t aP r o c e s s i n gC e n t e ro fM i n i s t r yo fN a t u r a lR e s o u r c e s,X ia n ,C h i n a;L a n dM a n a g e m e n t a n dE c o l o g i c a lR e h a b i l i t a t i o nC e n t e ro fN i n g x i a,Y i n c h u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n g N i n g x i aa sa ne x a m p l e,t h r o u g ht h ec o n s t r u c t i o no f h i g h p r e c i s i o na n dh i g h r e s o l u t i o n g r i d m o d e l a n d c a l c u l a t i o n o f c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n c o r r e c t i o n,t h e c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o no fg e o l o g i c a ld i s a s t e rd a t af r o m B e i j i n gc o o r d i n a t es y s t e mi n o rX ia nc o o r d i n a t es y s t e mi n t on a t i o n a l g e o d e t i c c o o r d i n a t e s y s t e mi n w a s r e a l i z e d T h ea c c u r a c yo f t h e c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nw a sa n a l y z e dw i t h p o i n t s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h em e a ns q u a r ee r r o r so f t h ep l a n e第期胡志瑞等:高分辨率格网模型在地质灾害风险普查数据坐标转换中的应用研究p o i n t sa f t e r t r a n s f o r m a t i o nw e r e ma n d mr e s p e c t i v e l y T h eh i g h r e s o l u t i o ng r i dm o d e lc a np r o v i d es u p p o r tf o rg e o l o g i c a ld i s a s t e rr i s ks u r v e ya n dd a t as h a r i n g,a n dt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm e t h o dc a np r o v i d er e f e r e n c e f o ro t h e r r e g i o n s K e yw o r d s:g e o l o g i c a l d i s a s t e r r i s ks u r v e y;g e o l o g i c a l h a z a r dd a t a;C G C S ;c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n;g r i dm o d e l(责任编辑高继红)(上接第 页)D a t aP r o c e s s i n gM e t h o do fP NJ u n c t i o nP h y s i c a lP r o p e r t yE x p e r i m e n tB a s e do nP y t h o nL a n g u a g eL iQ i,M aX i a o b o,C a oZ h i j i e,M aL i n g,D uQ u a n z h o n g,S aQ i a n g(S c h o o l o fP h y s i c s,N i n g x i aU n i v e r s i t y,Y i n c h u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ea m o u n to fd a t ac a l c u l a t i o ni nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n to fs e m i c o n d u c t o rP Nj u n c t i o n i s l a r g e I t i sn o to n l yc u m b e r s o m ea n dt i m e c o n s u m i n g,b u ta l s oe a s yt oi n t r o d u c ee r r o r s i f t h eo r d i n a r yc a l c u l a t o r i su s e d T h ep o l y n o m i a l f i t t i n go fe x p e r i m e n t a ld a t ac a nb er e a l i z e db yc a l l i n gN u m p ym o d u l e i nP y t h o nl a n g u a g e,a n dv i s u a ld r a w i n gc a nb er e a l i z e db ym a t p l o t l i bm o d u l e T h er e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dc a np r o c e s st h ee x p e r i m e n t a ld a t aq u i c k l ya n da c c u r a t e l y,a n dg i v et h ef i t t i n gc u r v eo fc u r r e n t v o l t a g er e l a t i o n s h i p,w h i c hh a sag o o da u x i l i a r ye f f e c to nt h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go fP Nj u n c t i o ne x p e r i m e n t a l d a t a K e yw o r d s:P y t h o nl a n g u a g e;d a t ap r o c e s s i n g;p h y s i c a lp r o p e r t yo fP Nj u n c t i o ne x p e r i m e n t;B o l t z m a n nc o n s t a n tm e a s u r e m e n t(责任编辑高继红)