QGIS坐标转换功能在地质工作中的应用.pdf

第 14 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.14 No.9September，2023矿 产 勘 查MINERAL EXPLORATIONQGIS坐标转换功能在地质工作中的应用和吉豫（中色紫金地质勘查（北京）有限责任公司，北京 100012）摘 要 在地质数据管理中，同一坐标系下不同投影方式之间、不同坐标系下相同/不同投影方式之间、矿区独立坐标系与对应的已知坐标系统之间的坐标转换是最常遇到的问题之一。本文以开源的QGIS软件为平台，详细说明了如何调用Proj.4开源数据库和WKT标准格式，通过自定义格式及利用插件实现3种情况下坐标系的转换，以期有效地解决地质空间数据管理坐标系转换问题。关键词 投影坐标系统转换；QGIS；Proj.4；WKT中图分类号：P208 文献标志码：A 文章编号：1674-7801（2023）09-1705-08Application of QGIS coordinate conversion function in geological workHE Jiyu（Sino-Zijin Resources Ltd.，Beijing 100012，China）Abstract:In geological data management，the conversion of coordinates between different projection methods under the same projection coordinate system，between the same/different projection methods under different projection coordinate systems，between the independent coordinate system of a mine site and the corresponding projected coordinate system are the most frequently encountered problems.Using the open source QGIS software as a platform，the paper explains detailly how to use the Proj.4 open source projection database and WKT standard format and realize the conversion of coordinate systems in three cases by customizing the format and using plug-ins，which can solve the problems effectively of projection coordinate system conversion encountered in geological data management.Keywords:projection coordinate system conversion；QGIS；Proj.4；WKT.0引言在地质勘查和矿山地质过程中形成的文字、图表、声像等形式的资料可称为地质资料。地质资料或地质数据库的整理和管理是必不可少的工作，地质资料管理和制图对于前期地质勘查和后期地质资料的二次开发利用都起着重要作用（李波，2023）。国外矿业公司均设有专门的地质数据库管doi：10.20008/j.kckc.202309017收稿日期 2023-05-22；修回日期 2023-07-03基金项目 本文受紫金矿业集团矿山综合找矿预测项目（4104KY2022070001）和花岗-云英岩型锂矿靶区优选评价及选区技术方法研究项目（4201KY2022100006）联合资助。第一作者简介 和吉豫，女，1995 年生，硕士，助理工程师，从事矿业项目资源评估与并购工作；E-mail：。引用格式 和吉豫.2023.QGIS坐标转换功能在地质工作中的应用 J.矿产勘查，14（9）：1705-1712.He Jiyu.2023.Application of QGIS Coordinate Conversion Function in Geological Work J.Mineral Exploration，14（9）：1705-1712.17052023 年矿产勘查理岗位，中国随着地质工作的信息化和国际化，也越来越重视地质勘查及矿山数据管理。在进行地质二维数据库的管理时，常接触到地理信息系统（GIS）软件（格桑卓玛和尼玛次仁，2022；沈雯和曹佳敏，2023；周子俣，2023），了解地质资料坐标系则是操作软件的首要任务（董少波等，2021）。中国前后共有 3 套坐标系，分别是 1954 年北京坐标系，1980西安坐标系和2000国家大地坐标系（邓鹏琦和陈雅涓，2020），国外的坐标系约有7000多种，更有以矿山自己设置起算点的矿山自定义坐标系统（独立坐标系）。在资料整理中，较老矿山的早期图件与新工作成果常因坐标系不一致而对数据及资料的整理和使用造成一定困难。国际上GIS的应用和管理软件约有30种之多，在地质领域应用的GIS软件主要是ArcGIS（邓念东等，2022）、QGIS 和 Mapinfo。GISGeography 网 站（GISGeography，2023）对世界上常用的 30款 GIS 软件分别从数据分析、分类、编辑、图像、开发、支持等全方面进行了投票排序分析，QGIS排名第2。QGIS始于 2005年，是一款免费开源的地理信息系统桌面软件，目前的开发非常活跃，已经能提供多种格式的矢量、栅格数据的浏览、建立、修改，并含有高扩充性的附加组件，能够综合处理GIS信息（张赛等，2021）。在界面语言方面，QGIS支持近30余种语言界面，也是其能很快流行和发展的原因之一。在使用成本及性价比方面，QGIS作为免费的开源软件对全世界GIS爱好者及专业人员开放，可以不断更新迭代发展。虽其功能应用略不及ArcGIS，但可满足大部分专业工作需要，性价比极高。在坐标系方面，QGIS的坐标系有7000多种，其灵活的自定义添加坐标系的功能比 ArcGIS 和Mapinfo具有更强的适用性。近年来，QGIS软件发展迅速，已被众多国际矿业公司接纳。中国地质调查局向运川教授利用QGIS 平台开发了地学专业数据处理和分析软件Geosmart，紫金矿业集团综合找矿数据库的建立和管理也选择QGIS作为二维数据管理平台。1地质工作中常见的三种坐标系转换方式1.1坐标系的常见分类国际常用的坐标系以旋转椭球中心位置的不同可分为地心坐标系（协议地球坐标系）和参心坐标系（陈少华和张丽娜，2013；李梦瑶，2020）。地心坐标系的旋转椭球面中心是地球质心，地球质心是美国为了解决 GPS定位而产生的全球统一的坐标系，对应 WGS84（World Geodetic System-1984）椭球体。中 国 2000 国 家 大 地 坐 标 系（CGCS2000）和WGS84 坐标系均是质心坐标系，二者偏差仅 0.11 mm。参心坐标系是每个国家想让地图尽可能准确地描述本国地形地貌，为减小误差而将质心“移走”而产生的。中国 1954年北京坐标系（Beijing54）和1980西安坐标系（Xian80）均属于参心坐标系。不同坐标系的投影椭球体和地面基准不同，同一坐标系（相同的椭球体、地面基准）或坐标参照系（Coordinated Reference Systems，CRS）根据不同的坐标单位也可分为两类，一类是以度（或度分秒）为单位，基于经纬度描述地球上某一点所处位置的地理坐标系（Geographic Coordinate Systems），另一类是以米为单位，将地图投影到二维平面上的投影坐标系（Projected Coordinate Systems）。国际上已公布的坐标系都有一个专属的 EPSG 代码（张理等，2008）。例如1954年北京地理坐标系的EPSG代码是4214，1980西安地理坐标系的EPSG代码是4610，WGS84地理坐标系代码是4326。1.2地质工作中常遇到的坐标系转换方式在地质工作中，不同坐标系下的数据管理和应用常常需要进行坐标的投影转换。最常遇到需要坐标转换的情况主要有3种：（1）同一坐标系下不同投影方式之间的转换。如同是2000国家大地坐标系，地理坐标（经纬度）系与投影坐标系之间，投影坐标系下6度与3度带之间的投影变换均属于此类。该情况下的坐标转换不需要转换参数，直接通过投影方式变化便可实现。（2）不同坐标系下相同/不同投影方式之间的转换。如Xian80坐标系与CGCS2000坐标系下的地理坐标之间、地理坐标与投影坐标之间，投影坐标之间的转换，由于基准面的不同，该情况下的坐标转换需要转换参数（X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K等七参数），利用转换参数和投影方式结合去实现。（3）独立坐标系与相对应的投影坐标系之间的1706第 14 卷 第 9 期和吉豫：QGIS坐标转换功能在地质工作中的应用转换。比如矿区独立坐标系向矿区所在位置2000国家大地坐标投影坐标系（3度带或6度带）的转换，需要进行6参数的仿射变换去实现。2用QGIS进行坐标转换对于坐标转换，较多的学者和GIS软件使用者都有一些独特的见解和解决办法（董绍轩，2013；谢艳玲等，2015；田渊等，2022）。市面上也有多个坐标转换软件，但这些软件大多只能解决不同已知坐标系之间、不同投影体系之间的转换。QGIS除了能够解决以上问题，还可建立自定义投影坐标系统并计算矿山独立坐标系与对应的已知投影坐标系统之间的转换参数，完成独立坐标系向对应的已知投影坐标系的转换。下面针对地质工作中常遇到的投影坐标系转换的3种情况，分别进行转换实现。2.1同一坐标系下不同投影方式之间的转换在相同坐标系下，用QGIS软件实现同一位置的经纬度坐标、六度带投影坐标和三度带投影坐标转换较为简单，不需要计算任何参数，可通过QGIS文件导出时选择目标坐标系统即可实现。以新疆某矿区2000国家大地坐标系经纬度坐标转平面投影坐标为例。2.1.1投影系统确定在转换前，需要确认转换前后坐标系的具体名称、EPSG代码分带是3度带还是6度带以及是否含带号。新疆某矿区2000国家大地坐标系转换前后名称及EPSG代码，如表1所示。2.1.2转换操作1）先将QGIS工程坐标系改为EPSG：4490投影系，通过添加图层方式，将要转换的矢量文件添加入工程中。文件导入后，可以通过 QGIS 的 WMS/WMTS管理添加卫星图像作为背景，确认文件位置是否正确。2）右键导出矢量文件，另存文件时，将目标文件的投影系选为相应的转换后的投影系。如选为EPSG：4518投影系，即可实现由 CGCS2000经纬度投影系（EPSG 4490）向CGCS2000，Zone30的3度带投影系（EPSG 4518）的坐标转换。同样过程，可实现向6度带不同投影系下的转换。目标投影系（EPSG）可根据工作要求进行选取，操作流程请见图1。2.2不同坐标系下相同/不同投影方式之间的转换由于不同坐标系的椭球体和地面基准不同，要想精确进行不同坐标系统间的转换需要得到两个投影系统间转换的7参数（黄晓阳等，2020）或简化后的3参数（只有X平移、Y移平、Z平移，其他4个参数为0）。可以计算3参数和7参数的软件很多，常用的软件有COORD和万能坐标转换等。在进行地质野外工作时所使用的手持 GPS中用户自定义坐标系统参数设置的Dx，Dy，Dz也可视为由WGS84地理坐标系向投影坐标系转换的三参数。QGIS的坐标投影库并未包含世界上所有的坐标系统，这里以俄罗斯图瓦共和国某矿山WGS84经纬度（EPSG4326）向MCK-168平面投影坐标系统转换为例，使用Proj.4开源地图投影库（盖森等，2012），编译库函数建立自定义坐标系统进行投影变换。2.2.1投影系统确定由WGS84地理坐标系向MCK-168投影坐标系统转换需要用到3个参数，这些参数由矿山地测部门技术人员通过计算获得，如可以从矿山地质人员所用手持 GPS设置中查询（图 2）为：dx=108285.2，dy=-5503868.6，中央经线96度。其PROJ.4的规范配准参数表示为：+proj=tmerc+lat_0=0+lon_0=96+k=1+x_0=108285.2+y_0=-5503868.6+datum=WGS84+units=m+no_defs，参数见表2。表1需要确认工作区的投影系列表转换状态转前转后坐标系统经纬度坐标投影坐标投影系统名称China Geodetic Coordinate System 2000CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger zone 30EPSG44904518带号无带号3度带，含带号图1同一坐标系统下的坐标转换流程17072023 年矿产勘查2.2.2转换操作1）设 置 用 户 自 定 义 坐 标 系（User Defined Coordinate Systems）：点击 Setting（设置）Custom Projections（自定义坐标），在Format（格式）栏下拉选择 Proj String格式，在 Parameter（参数）栏输入坐标系代码参数，点击 Validate（校验）验证函数是否有语法错误。语法校验无误后，可在Test（测验）窗口输入一组 WGS84地理坐标，转为 MCK-168投影系统的坐标值，并将转换后的坐标值与对应点坐标值比对，误差在5 m内视为可用。操作流程见图3。用户自定义坐标投影系需要自定义投影系统名称和权限ID（Authority ID）。需要在Name栏输入自定义坐标系名称，如TUVA。软件会根据在QGIS中自定义投影坐标系的个数给出系统默认的ID，如USER：100000（图4a）。2）自定义坐标系设置完成后，可以在软件右下角点击EPSG，将QGIS工程坐标系更改为自定义坐标系统，并在此坐标系统下进行工作（图4b）。文件导入后，可以将卫星图像作为背景，从图像上确认文件位置是否正确。3）如果想转为WGS84地理坐标系下的矢量文件，可右键导出相应矢量文件，在导出窗口将坐标系统选为EPSG4326坐标系，即可转换完成。2.2.3 利 用 3 参 数/7 参 数 进 行 投 影 坐 标 系 与WGS84地理坐标系转换设置利用3参数/7参数，6度带或3度带的投影坐标系与WGS84地理坐标系转换设置的自定义投影坐标系设置格式如下：+proj=tmerc+lat_0=参考纬度+lon_0=中央经度+k=1+x_0=（带号）500000+y_0=0+ellps=椭球体编码（表 3）+units=m+no_defs+towgs84=dx，dy，dz，wx，wy，wz，k对应的 3/7参数的 dx、dy、dz的正负值，需要根据自定义坐标系试算时与对应点间的转换误差进行调整，如果转换误差大，需要将dx、dy、dz 3个数值同时取反。一般只利用dx、dy、dz三参数转换基本满足中大比例尺地质图件的精度要求，可将wx、wy、wz、k均设为0值。2.3矿山独立坐标系与相对应的投影坐标系之间的转换有些老旧的矿山资料的坐标系常常是自定义起算点的矿山自建大比例尺坐标系统（独立坐标图2图瓦共和国某矿山手持GPS设置参数表2PROJ.4投影库参数简表代码+proj=name+datum=name+lon_0=n+units+no_defs含义定义投影坐标系统名称定义椭球体名称定义中央经线坐标单位不使用proj_def.dat缺省文件代码+lat_0=n+x_0=n+y_0=n+k=n+zone含义定义纬度起点定义东移距离（西偏为负）定义北移距（南偏为负）定义比例因子定义UTM区域图3由用户自定义投影坐标系向WGS84地理坐标系转换工作流程1708第 14 卷 第 9 期和吉豫：QGIS坐标转换功能在地质工作中的应用系）。如果想要利用该系统下的资料，就需要将其独立坐标系转换为矿山位置的已知通用的坐标系统。这种坐标间的转换多通过仿射变换（廖国威和谢林伸，2016）计算实现，其计算及转换是一个十分复杂的过程。但通过QGIS软件，可以简单操作并实现。本文以坦桑尼亚Handeni金矿床钻孔数据的矿山 自 定 义 直 角 坐 标 转 WGS84/UTM37S（EPSG：32737）投影坐标系为示例。2.3.1转换前提使用此方法需利用至少3组在平面图上均匀分布的对应点，通过仿射变换计算转换参数，要求矿山独立坐标和转换后的坐标都是投影平面直角坐标。此方法需要用到QGIS插件Geoscience，可以通过 QGIS 的插件管理进行添加。该插件推荐使用WKT（Well-known text）标准格式定义坐标系（陈达等，2018）。WKT标准格式常用于描述坐标系，该格式由开放地理空间联盟制定，可支持空间坐标系之间的转换（柴树春和唐建智，2015）。WKT定义的转换投影坐标通常使用仿射变换，以六元一次方程组的形式得到参数（廖国威和谢林伸，2016），参数含义见表4。2.3.2操作步骤1）左键点击菜单Geoscience建立当地坐标系（Create Local CRS），输入准备好的 3 组对应点，BaseX和BaseY是目标投影坐标系中对应点的东坐标和北坐标（如WGS84/UTM37S，EPSG32737投影坐标系的E和N坐标），LocalX和LocalY是Handeni金矿矿山独立坐标系下应点的东坐标和北坐标。输入后点击计算（Calculate），会得到该组坐标转换的WKT代码（图5），代码中包含了由矿山独立坐标系向对应的已知通用投影坐标系转换的主要参数和转换所需要的 6 参数，复制该代码。代码含义如表5。2）点击 Setting（设置）Custom Projections（用户自定义坐标），对话框的Name（命名）栏填入自定义坐标的名称，如 handeini-WGS84/37S，在 Format栏选择 WKT 语言，将复制的 WKT 代码粘贴在Parameters（参数）栏中，点击OK（确定）（图6），完成用户自定义坐标系的建立。图4用户自定义坐标系设置窗口示例a工程文件坐标系统设置；b自定义坐标窗口表3常用坐标系椭球体编码（ellps）坐标系统WGS84Xian80椭球体编码WGS84IAU76坐标系统Beijing54CGCS2000椭球体编码krassGRS80表4仿射变换得到的6参数含义参数A0A1A2B0B1B2含义X坐标水平分辨率旋转参数Y坐标旋转参数垂直分辨率17092023 年矿产勘查3）用户自定义坐标系设置完成后，可以在软件右下角点击 EPSG，将 QGIS 工程坐标系统更改为WGS84/UTM37S EPSG：32737 坐标系，并在此坐标系统下打开矿山独立坐标系的钻孔点位文件，图层坐标系设置为第2步设置的用户自定义坐标系。4）选择 Vector（矢量）Geometry Tool（几何图形工具）Add Geometry Attributes（添加文件空间几何属性），选择添加 Project CRS（工程的投影坐标系），点击确定（OK）。打开文件属性表，钻孔点数据文件在 WGS84/UTM37S EPSG32737 投影坐标系统的坐标信息已完整添加到属性表中（图7）。经比对，转换后的坐标与实测坐标误差在-0.0120.002 m。其他矢量文件可通过导出另存图层时，选择目标投影坐标系的方法进行转换。操作步骤见图8。表5WKT规范格式含义表代码DERIVEDPROJCRSBASEPROJCRSELLIPSOIDMETHODSCALEUNIT PARAMETERLatitude of natural origin,0ANGLEUNITdegree,0.0174532925199433PARAMETERScale factor at natural origin,0.9996DERIVINGCONVERSIONAffine,METHODAffine parametric transformationPARAMETERA0,LENGTHUNITmetre,1PARAMETERA2,SCALEUNITcoefficient,1AXIS(E),east，LENGTHUNITmetre,1含义自定义坐标名基准坐标系统投影椭球体投影方法刻度单位纬度起点是0度每度的弧度中央经线长度比是0.9996投影变换方法为仿射变换仿射变换A0参数，以米为单位，比例为1仿射变换参数A2，是系数，比例为1东坐标定义为直角坐标系，以米为单位，比例为1图5利用对应点坐标计算得到转换投影体系1710第 14 卷 第 9 期和吉豫：QGIS坐标转换功能在地质工作中的应用图6自定义坐标系窗口设置图7矿山独立坐标向投影坐标系转换后坐标值图8矿山独立坐标转对应的投影坐标系操作步骤17112023 年矿产勘查3结论QGIS软件因其语言适配范围广，免费开源不涉及成本开销，可兼容转换多种GIS软件格式，插件多功能强，且功能覆盖多种地质工作常用场景的优势，能够满足地质工作的实际需求，非常适宜在地质工作中推广使用。更为重要的是，以QGIS软件为平台，可以方便地实现不同坐标系统数据和图件之间的互转。特别是使用PROJ.4开源投影库和WKT标准格式可以解决不同坐标系下的文件转换和转换后不同程度的整体偏移问题。优化地质工作资料整理难度，提升专业数据精度，为矿山项目调研考察提供更为专业的资料支持。参考文献GISGeography.2023.30 Best GIS Software Applications EB/OL.2023-03-11.https：/ Spatial 的 方 法J.测 绘 与 空 间 地 理 信 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