基于GIS的防治责任范围上图中的坐标系转换研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023我国使用的大地坐标系除先后启用的北京1954坐标系和西安1980坐标系外，全国范围内还广泛存在因城市规划建设和科学研究需要而在局部地区建立的相对独立的地方坐标系，如北京市城市坐标系、上海市城市坐标系等。根据国民经济建设、国防建设和社会发展等对国家大地坐标系的新要求，经国务院批准，地心坐标系2000国家大地坐标系（简称CGCS2000坐标系）于2008年7月1日启用1。此后，全国各地建立了基于CGCS2000的2000城市独立坐标系，实现了国家坐标系和地方坐标系的统一2。水土流失防治责任范围矢量图是实施“天地一体化”监管的重要基础信息，是判定扰动合规性的重要依据，而防治责任范围矢量图往往基于主体设计图纸采用的坐标系建立，与当前主管部门要求的CGCS2000坐标系不尽相同，若不进行坐标系转换，则不利于后续监管。为此，本文对不同坐标系下防治责任范围图向CGCS2000坐标系转换进行研究，旨在探索高效、准确的上图流程，为各级水行政主管部门和相关单位开展水土保持信息化监测、监管提供参考。1坐标系转换的技术流程生产建设项目防治责任范围上图，是指将防治责任范围图进行空间化和矢量化并使之成为具备空间地理和属性信息的防治责任范围矢量图的过程。其中：空间化是指通过地理配准、矢量校正等将相关图件配准至正确的地理位置，并赋予对应地理坐标信息的过程；矢量化是指通过解译手段绘制防治责任范围边界，并添加相关属性信息的过程。用于上图的防治责任范围图大致分为两种：第一种为栅格数据，即jpg、pdf文件或者由纸质图纸扫描而来的文件；第二种为CAD软件创建的dwg文件。不同数据来源的原始坐标系往往依据主体工程设计而定，虽然目前CGCS2000坐标系正在大力推广和普及，但仍有部分建设项目采用地方独立坐标系以及项目立项时采用的北京1954坐标系或西安1980坐标系。2坐标系转换方法2.1矢量数据坐标转换上图过程中使用的矢量文件通常为水土流失防治责任范围CAD图纸（dwg格式），确定其坐标系对于后续正确上图至关重要。一般由主体工程设计文件或图纸说明可知生产建设项目采用的具体坐标系。目前常见的主流坐标系为CGCS2000坐标系和地方独立坐标系，对于早期立项的建设项目，则以北京1954坐标系和西安1980坐标系居多。若矢量图件的原始坐标系丢失或者明显错误，则应转换为栅格数据进行地理配准和矢量化操作后完成上图。2.2CGCS2000坐标系主体工程设计采用 CGCS2000 坐标系的图纸，可以使用Global Mapper软件打开dwg文件，为其指定对应的投影坐标系后按需导出（File-Export-Vector/Lidar Format）shapefile 或者kmz/kml文件，也可以直接在GIS软件中通过添加数据的方式加载。需要注意的是，对于有旋转的图纸，应在加载前调整图纸的正北指向。由于导入的CAD图纸坐标系并不能被GIS软件正确识别，因此需要先将ArcMap软件的数据框（.mxd文件）或ArcGIS Pro 软 件 地 图（.arpx 文 件）坐 标 系 定 义 为 对 应 的CGCS2000 坐标系、高斯克吕格投影（3 度分带）后，再导出CAD文件的Polyline或者Polygon要素图层数据为shapefile矢量文件，导出数据时选择使用预先设定好的数据框坐标系即可。地方2000坐标系与CGCS2000坐标系并无二致，二者的参考椭球面、投影面高程和坐标系原点与定向完全一致，是同一个2000坐标系框架下的不同坐标表现形式3，将数据框坐标系自定义为对应中央子午线所属的地方2000坐标系后，即可实现完全叠加，无须经过任何坐标转换。本文整理了部分地方2000坐标系基本信息，见表1。2.3地方坐标系地方坐标系是将测量控制网建立在当地的平均高程投影面上，并以当地子午线作为中央子午线进行投影得到的一种参心坐标系统，其与CGCS2000坐标系的参考椭球面、椭球短半轴指向以及投影面高程均不相同，因此独立坐标系对应的防治责任范围图必须经过坐标转换后再进行上图操作。现行常用的坐标系转换模型多为平面四参数和三维布尔莎七参数模型，转换过程较为复杂，需要一定的数学和计算机理论基础，同时得到的转换参数往往仅适用于当地，无法在全国范围内推广使用。在此介绍如下两种转换方法。2.3.1插件转换可借助 AutoCAD 插件 acad2kml 实现 CAD 文件和 Google基于GIS的防治责任范围上图中的坐标系转换研究李雪垠（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）摘要：生产建设项目水土流失防治责任范围是建设单位依法应承担水土流失防治义务的区域，是开展水土保持监管的重要区域。目前部分防治责任范围矢量图的坐标系与CGCS2000坐标系不尽相同，若不进行坐标转换，则将导致上图成果存在较大误差。以不同坐标下CAD矢量数据为研究对象，总结了一套基于GIS软件上图过程中的坐标转换方法：对于矢量数据，已采用CGCS2000坐标系（含地方2000坐标系）的，在Global Mapper或者GIS软件中设置好投影坐标系后，即可进行正常加载并导出所需的矢量数据；采用地方独立坐标系的，可通过acad2kml插件或者GIS软件中的空间校正功能进行简易转换，有控制点坐标文件的可以选择橡皮页变换方法进行空间校正；采用北京1954坐标系或西安1980坐标系的，在无法获取转换参数的情况下，可利用GIS软件的动态投影或空间校正功能进行近似转换；对于栅格数据，在进行地理配准后即可按照矢量文件的坐标转换方法进行坐标转换及后续上图工作。关键词：生产建设项目；防治责任范围；水土保持监管；CGCS2000坐标系；上图；GIS；坐标系转换中图分类号：S157；P237文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.042收稿日期：2022-09-16作者简介：李雪垠（1992），男，河南周口人，工程师，硕士，主要从事水土保持监测、遥感监管研究工作基金项目：水利部太湖流域管理局科研项目（太湖水保函2022 108号）E-mail：城市温州市宁波市天津市苏州市上海市昆明市北京市中央子午线12040 012130 011718 712147 012128 110245 011623 28启用时间2016年12月25日2017年5月1日2020年7月1日2020年8月1日2021年1月1日2021年4月20日2022年1月1日投影面高程/m000016.321 900，2 700，2 230，1490，1 1000表1部分地方2000坐标系基本信息注：昆明市分区设定了5个投影面 82人 民 黄 河2023年S1Earth文件之间的互通。此方法需要注意的是，CAD文件在转换前应是正北指向，且应先查明坐标单位和比例。该方法转换效率高，实现便捷，但是受制于所选“基准点”的精确度，只能进行近似转换。2.3.2空间校正可以利用GIS的空间校正功能进行近似的坐标系转换3-4。该方法基于控制点链接文件，复用性好、转换精度较高。以上海城市坐标系为例，在上海临港新片区泐马河河道整治工程、崧泽高架西延伸段项目（线型项目）、安踏上海总部项目、新顾城保障房项目（点型项目）的应用实例表明，该方法操作简便，可满足水土流失防治责任范围的上图要求。具体操作步骤如下。（1）在GIS软件中定义空白数据框坐标系为WGS1984 WebMercator（即Google Earth采用的坐标系），添加对应需要转换的CAD文件。（2）将CAD文件对应的Polyline图层导出为shapefile文件（简称shp文件），坐标系与此图层的源数据保持一致（无定义坐标系），并添加到当前数据框，点击编辑器（Editor）中的开始编辑（Start Edting）工具，使shp文件处于可编辑状态。（3）调用空间校正工具（Spatial Adjustment），设置校正数据、选 择 当 前 要 素，校 正 方 法 可 选 择 仿 射 变 换（Affinetransformation）、相似变换（Similarity transformation）、投影变换（Projective transformation）、橡皮页变换（Rubber Sheet），选择链接-打开链接文件，即可见到待校正数据和控制点间的迁移线，点击链接表可以查看RMS残差；若已有控制点链接数量不够，则可手动创建链接点，并定期保存链接文件，可供下次复用。（4）执行“校正”命令，即可完成矢量数据的空间校正。（5）保存数据，利用定义投影（Define Projection）功能，为矢量数据赋坐标为WGS-84 Web Mercator（EPSG：3857）。（6）WGS-84坐标系和CGCS2000坐标系是一致的5，因此可以认为两种坐标是无须进行转换的，若确需将WGS-84坐标系转换为CGCS2000坐标系，则可利用投影工具（Project）或者动态投影方法直接进行强制转换。步骤（3）中的橡皮页变换常用于对数据进行小型的几何校正，即用于对有变换控制点的地方进行变换，不影响其他地方，而其他3种变换是对整体的变换。4种变换对上述建设项目水土流失防治责任范围上图坐标系转换的误差（|转换后面积原面积|/原面积100%）见表2。2.4北京1954坐标系和西安1980坐标系基于西安1980坐标系的地形图转换到CGCS2000坐标系时，我国境内各种比例尺地形图任意两点的长度（包括图廓线的长度）和方位变动在制图精度以内，因此误差可以忽略不计。而北京1954坐标系下的地形图转换成CGCS2000坐标系下的地形图时，须考虑任意两点间长度和方位的变动6。坐标系转换参数由国家测绘部门统一管理，属于国家保密资料，获取途径受限。赵玉明等7以我国不同地区的地形图和Google Earth 软件中的大地坐标为基础，研究了西安1980坐标系向WGS-84坐标系的三参数近似转换模型，结果表明平均经向和纬向误差均小于15 m，可用于解决野外土壤侵蚀调查中原始图件的坐标系转换问题，为早期生产建设项目上图工作提供了一定的参考。GIS软件具有动态投影功能，不同坐标系的图层要素（动态）会被投影至数据框的坐标系，使之能够大致叠加，加之CGCS2000 坐标系的推广应用，基于北京 1954 坐标系和西安1980坐标系的地形图可使用动态投影方法进行近似坐标转换，基于其他坐标系的地形图可以参照2.3.2节介绍的空间校正方法进行近似转换。2.5栅格数据坐标系转换2016年以前，对生产建设项目水土流失防治责任范围矢量图无明确要求，导致部分早期批复的水土保持方案没有形成标准的矢量图件，因而对其水土流失防治的监管工作量和难度较大，需要根据水土流失防治责任范围栅格文件（pdf、jpg等）进行上图。栅格文件上图前的首要工作是确定原始图件所采用的坐标系。有些图纸上标注的是北京1954坐标系、西安1980坐标系、地方城市坐标系或者经纬度方格网等，可根据水土保持方案中描述的项目建设地点，获取项目所在地的遥感影像数据，以便于地理配准工作的开展。2.6地理配准利用GIS软件的地理配准（Georeferencing）功能可以将栅格文件矢量化，大致的操作方法为：建立链接点（即通过特征地物点位找到其在遥感影像上对应的位置），通过图上的方格网直接输入对应的经纬度或者X、Y坐标，进行地理配准，进行水土流失防治责任范围边界勾画、坐标转换和属性录入等，完成上图工作。对于早期立项建设的大型铁路、公路、管道、输电、输水等线型项目，基于栅格文件上图往往因线路长、跨度大、施工中的临时建筑物多、便道分布广、取料和弃渣场分散等而难以准确上图，不利于后续的监管工作。对于此类建设项目水土流失防治责任范围的上图，可以在配准的栅格数据基础上，勾绘主体工程线路走向线和施工便道中心线等线型要素，根据水土保持方案中描述的主体工程和施工便道宽度，利用GIS软件的缓冲（Buffer）功能生成面要素，若各区段的设计扰动宽度不同，则应分段进行缓冲以生成宽度不一的条带型多边形8。按照水土保持方案中的直接影响区确定原则，将主体工程建设区向外缓冲延伸形成直接影响区，最终将主体工程建设区和直接影响区合并，形成水土流失防治责任范围矢量文件。3结语基于各类坐标系的建设项目水土流失防治责任范围向CGCS2000坐标系转换的一般方法：对于矢量数据，已采用CGCS2000坐标系（含地方2000坐标系）的，在GlobalMapper或者GIS软件中设置好投影坐标系后，即可进行正常加载并导出所需的矢量数据；采用地方独立坐标系的，可通过acad2kml插件或者GIS软件中的空间校正功能进行简易转换，有控制点坐标文件的可以选择橡皮页变换方法进行空间校正；采用北京1954坐标系或西安1980坐标系的，在无法获取转换参数的情况下，可利用GIS软件的动态投影或空间校正功能进行近似转换；对于栅格数据，在进行地理配准后即可按照上述矢量文件的转换方法进行坐标系转换及后续上图工作。参考文献：1 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