地图坐标转换方法及系统与流程

1.本公开涉及地理信息领域。更具体地，本公开涉地图坐标转换方法及系统。


背景技术：

2.随着科学技术的不断进步与发展，在地理信息行业的测绘作业中，已广泛应用航空摄影测量技术。作为基于航测技术的常用的地理信息产品，有例如矢量地图文件、数字正射影像(digital orthophoto map，dom)等。
3.由于历史原因，在测绘领域，世界范围内的不同国家和地区往往采用不同的大地坐标系；甚至同一国家或地区在不同历史阶段也采用了不同的大地坐标系。目前我国用于测图、工程设计、工程规划以及其它用途的大地控制点所采用的坐标系种类较多，除国家规定的几种坐标系(北京1954坐标系、西安1980坐标系、cgcs2000(2000国家大地坐标系))外，各省市地区多有自身独立的坐标体系。由于坐标体系不同，造成不同坐标下的数据具有较大误差，不利于数据的多维度使用。面对基于旧式坐标体系的现有测绘成果，如果全部依照最新的cgcs2000坐标体系重新通过航空摄影测量来制作dom等，往往会造成重复建设和资源浪费。
4.当前，如何在现有各类坐标系统间进行高精度、高效转换，保证现有测绘成果能够精确转入目标坐标系下使用并能够最大限度利用已有测绘成果和资料，实现地理信息共享，避免重复建设并减少资源浪费，是当前测绘领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.发明所要解决的技术问题
6.为了充分利用现有的dom等地理信息数据，优选对现有的地理信息数据进行坐标转换，将作为原始坐标系的旧坐标系下的数据转换到作为目标坐标系的新坐标系下，从而无需再进行航空摄影测量即可将坐标转换后的数据作为新的数据载体，进行后继的如基站布设、管线综合管理等实际工程作业。在这样的坐标转换中，需要处理的数据量大，需要消耗较大的计算资源，而且不同坐标系下的数据转换精度难以控制，容易出现精度不高、速率和效率低下的问题。实际工作中需要一种坐标转换精度足够高、并且兼顾转换速率和效率的坐标转换方法和系统。
7.用于解决技术问题的技术方案
8.在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的一些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图用来限定本公开的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本公开的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。
9.根据本公开的一个方面，提供了一种地图坐标转换方法，由1台以上的服务器执行。该方法可以包括：坐标数据拾取步骤，从作为原始坐标系的第一坐标系下的第一坐标数据和作为目标坐标系的第二坐标系下的第二坐标数据中，选取第一坐标数据和第二坐标数
据的公共区域内的多个公共点，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据和在第二坐标系下的实测第二坐标数据；坐标转换参数计算步骤，根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据和实测第二坐标数据，计算所述坐标转换方程的坐标转换参数；坐标转换步骤，根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据；以及精度验证步骤，利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据进行精度验证。
10.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有可执行指令，当所述可执行指令由信息处理装置执行时，使所述信息处理装置执行上述地图坐标转换方法。
11.根据本公开的另一方面，提供了一种地图坐标转换系统，由1台以上的服务器构成，每台服务器可以包括：坐标数据拾取单元，从作为原始坐标系的第一坐标系下的第一坐标数据和作为目标坐标系的第二坐标系下的第二坐标数据中，选取第一坐标数据和第二坐标数据的公共区域内的多个公共点，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据和在第二坐标系下的实测第二坐标数据；坐标转换参数计算单元，根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据和实测第二坐标数据，计算所述坐标转换方程的坐标转换参数；坐标转换单元，根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据；以及精度验证单元，利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据进行精度验证。
12.根据本公开的另一方面，提供了一种地图坐标转换设备，包括：存储器，以及处理电路，所述处理电路被配置为：从作为原始坐标系的第一坐标系下的第一坐标数据和作为目标坐标系的第二坐标系下的第二坐标数据中，选取第一坐标数据和第二坐标数据的公共区域内的多个公共点，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据和在第二坐标系下的实测第二坐标数据；根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据和实测第二坐标数据，计算所述坐标转换方程的坐标转换参数；根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据；以及利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据进行精度验证。
13.发明效果
14.根据本发明，无需重新进行无人机航测，能够针对基于原始坐标系的包括数字正射影像等现有地理信息数据，通过坐标转换，根据原始坐标系下的坐标信息得到高精度的目标坐标系下的地理信息数据，并且还能够兼顾系统整体的转换速率和效率。
附图说明
15.图1是示出根据本公开的实施例的地图坐标转换系统的示例性示意图；
16.图2是示出根据本公开的实施例的地图坐标转换系统中的1个以上服务器中的任意服务器的结构的示例性示意图；
17.图3是示出根据本公开的实施例的地图坐标转换方法的示例性流程图。
具体实施方式
18.以下将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施例。应注意到，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并非按照实际的比例关系绘制的。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，并不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
19.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，而在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。本公开内容的技术能够应用于各种产品。
20.为了便于说明，作为地理信息产品和载体，本公开主要以数字正射影像(dom)为例进行说明，但本公开的技术可以应用于任意其它地理信息产品或载体，例如矢量地图文件、不同坐标系下的单点数据等。
21.为了便于更好地理解根据本公开的技术方案，以下简单介绍一些可适用于本公开的实施例的测绘行业技术。
22.在测绘行业，我国的航空测绘、尤其是无人机测绘技术已有了较大进步。相比于传统测绘，无人机测绘有诸多优势，并且已经应用于生产生活的各个领域，如电力巡航、城市规划及网络资源商业推广等。数字正射影像(dom)为航空摄影测量的重要地理信息产品。dom具有地图几何精度和影像特征，其精度高、信息丰富、直观真实、制作周期短，同时具有信息性、时效性、直观性、连续性等特点。dom可作为背景控制信息，用于评价其它数据的精度、现实性和完整性；也可从中提取自然资源和社会经济发展方面的信息，用于例如移动通信网络的基站设置、管线规划等。还可以利用dom分析出城市建筑物的空间变化，为例如移动通信网络及相关网络服务提供有效数据支撑，便于例如通信运营商进行商业推广。
23.数字正射影像dom的制作，需要配备专用的航测无人机，事先经过空域申请、航线规划(设计航向重叠率、旁向重叠率、地面控制点等)，再使用航测无人机进行控制点测量等一系列复杂的流程。对于航测得到的数字影像，还需要进行后期数据处理，例如通过专业的航测软件(如pix4d等)，利用地面控制点，设置相应的坐标系，经由影像拼接等处理，制作出高精度的数字正射影像。在我国当前最新的cgcs2000坐标体系下利用无人机航测获取dom，能够得到最新的地理信息数据，但这种方式所消耗的时间、人力和物力等资源成本较高。在dom的实际应用中，往往需要综合利用不同地区和部门的现有测绘成果。当不同地区和部门的现有测绘数据基于不同坐标系统的情况下，则需要对各种坐标系下的dom进行坐标转换，获得相同坐标系下的dom以满足不同实际应用场景的需求。以相应坐标系下的dom为载体，能够进一步制作其它地理信息数据产品，进行相关的工程作业等。例如通过坐标变换，通信运营商能够将现有不同坐标系下的矢量数据进行相应的叠加，查看其基站、管线的实际空间分布，进而对其设备进行适当的增设、撤销等。
24.以下，对根据本公开的实施例的地图坐标转换系统的整体结构进行说明。图1示出了根据本公开的实施例的地图坐标转换系统的示例性示意图。该地图坐标转换系统1可以由例如1台或多台服务器100构成。用户2可以通过登录服务器，使用该地图坐标转换系统的功能。
25.图2示出了根据本公开的实施例的地图坐标转换系统中的1个以上服务器中的任
意服务器的结构的示例性示意图。如图2所示，每台服务器100的总体配置包括：坐标数据拾取单元110，从作为原始坐标系的第一坐标系下的第一坐标数据和作为目标坐标系的第二坐标系下的第二坐标数据中，选取第一坐标数据和第二坐标数据的公共区域内的多个公共点，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据(x1，y1，z1)和在第二坐标系下的实测第二坐标数据(x2，y2，z2)；坐标转换参数计算单元120，根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据和实测第二坐标数据，计算坐标转换方程的坐标转换参数；坐标转换单元130，根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据；以及精度验证单元140，利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据(也称为“已知坐标”或“真实坐标”)，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据(也称为“转换坐标”)进行精度验证。
26.在一些实施例中，服务器100可以包括存储器和处理电路(未图示)。服务器100的处理电路可以提供服务器100的各种功能，例如实现上述坐标数据拾取单元110、坐标转换参数计算单元120、坐标转换单元130以及精度验证单元140的功能。
27.服务器100的处理电路可以指在计算系统中执行功能的数字电路系统、模拟电路系统或混合信号(模拟和数字的组合)电路系统的各种实现。处理电路可以包括例如诸如集成电路(ic)、专用集成电路(asic)这样的电路、单独处理器核心的部分或电路、整个处理器核心、单独的处理器、诸如现场可编程门阵列(fpga)的可编程硬件设备、和/或包括多个处理器的系统。
28.服务器100的存储器可以存储由处理电路产生的信息以及用于服务器100操作的程序和数据。存储器可以是易失性存储器和/或非易失性存储器。例如，存储器可以包括但不限于随机存取存储器(ram)、动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)、只读存储器(rom)以及闪存存储器。
29.应当理解，上述各个单元仅是根据其所实现的具体功能所划分的逻辑模块，而不是用于限制具体的实现方式。在实际实现时，上述各个单元可被实现为独立的物理实体，或者也可由单个实体(例如处理器(cpu或dsp等)、集成电路等)来实现。
30.以下对根据本公开的实施例的服务器100的各个部分进行详细说明。
31.坐标数据拾取单元110可以选择作为原始坐标系的第一坐标系上的若干控制点以及作为目标坐标系的第二坐标系上的重合的控制点(也称为“公共点”或“重合点”)，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据(x1，y1，z1)和在第二坐标系下的实测第二坐标数据(x2，y2，z2)。在此，公共点的个数例如可以为3个以上。为了提高转换精度，通常在两套坐标系的公共区域内尽可能多地选取公共点；在公共点的分布方面，一般均匀地在公共区域内选取公共点，并使所选取的公共点能够包围公共区域的大部分区域。根据本公开的实施例，通常公共点个数越多，则精度越高而误差越小。根据发明人的研究可知，当公共点个数从3个增加到10个时，误差有明显降低。而当公共点个数进一步增加超过10个时误差趋于平稳。考虑到转换速度、效率与精度的平衡，作为非限制性的示例，公共点个数可以优选为例如6～10个。
32.坐标转换参数计算单元120根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据(x1，y1，z1)和实测第二坐标数据(x2，y2，z2)计算坐标转换参数。在此，坐标
转换方程中包括坐标转换参数，在进行三维坐标转换的情况下，所需的坐标转换参数例如可以为7个参数，包括例如3个平移参数t
x
、ty、tz、3个旋转参数r
x
、ry、rz和1个尺度参数d。坐标转换方程例如如下式(1)所示：
[0033][0034]
其中，(x1，y1，z1)表示某公共点在原始坐标系(第一坐标系)下的实测坐标，(x2，y2，z2)表示该公共点在目标坐标系下(第二坐标系)下的实测坐标；t
x
、ty、tz、d、r
x
、ry、rz为坐标转换的七参数，其中t
x
、ty、tz为3个平移参数，r
x
、ry、rz为3个旋转参数，d为1个尺度参数。
[0035]
当转换参数未知时，一般应当先求出转换的七参数。求解转换参数至少需要3个公共点的两套实测坐标。对于不同坐标系下的三维坐标转换所需的七参数，当公共点个数为3个时，可以直接求取七参数；当公共点个数多于3个时，可以用例如最小二乘法求取七参数。
[0036]
当求出上述坐标转换七参数(t
x
、ty、tz、d、r
x
、ry、rz)之后，坐标转换单元130可以根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据作为转换坐标数据。由此，无需重新进行无人机航测，能够基于现有的第一坐标系下的地理信息数据得到第二坐标系下的数字正射影像等地理信息数据。
[0037]
本领域技术人员可以理解，此处可以采用的坐标转换方程不限于上述式(1)的形式，而是可以为本领域其它可用的任意坐标转换方程的形式；坐标转换参数的个数也可以不限于7个，而是可以根据所采用的坐标转换方程而改变。
[0038]
优选地，根据本公开的实施例的地图坐标转换系统还包括精度验证单元140，该精度验证单元140被配置为利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据(真实坐标)，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据(转换坐标)进行精度验证。精度是检验坐标转换是否合格的重要指标。在精度验证中，选取若干检查点进行转换后的坐标(量测坐标数据)的误差计算。作为检查点，优选选取例如基站、管道、井盖等已知点。
[0039]
以下说明根据本公开的实施例的非限制性的精度验证方法的示例。例如针对某检查点，假设在第二坐标系下利用仪器实测的真实坐标为(x
a1
，y
b1
，z
c1
)，该检查点的从第一坐标数据转换后而得到的转换坐标为(x
a2
，y
b2
，z
c2
)，那么针对平面点位，坐标差分别为：δx＝
[0040]
x
a2
－x
a1
，δy＝y
b2
－y
b1
[0041]
该检查点的平面点位误差为：
[0042][0043]
在有m个检查点的情况下，设各个检查点的平面点位误差分别为δs1、δs2、
……
、δsm，则平面点位的坐标转换精度(误差)可如下式(3)计算：
[0044][0045]
类似地，针对该检查点的高程，高程误差为：δh＝z
c2
－z
c1
[0046]
在有m个检查点的情况下，设各个检查点的高程误差分别为δh1、δh2、
……
、δhm，则高程的坐标转换精度(误差)可如下式(4)计算：
[0047][0048]
关于通过以上式(3)和式(4)计算得出的精度δ1和δ1，当δ1和δ1在验证阈值以内的情况下，判定为精度合格。在非限制性的应用实例中，例如当第二坐标数据为比例尺为1:500的坐标数据时，当满足δ1≤0.3m且δ2≤0.2m时，判定为坐标转换精度合格，能够满足相关国家标准的规定。根据此时求出的坐标转换七参数，无需重新进行无人机航测，能够得到高精度的目标坐标系下的数字正射影像等地理信息数据。转换后的数字正射影像能够与现有实测的基站、管线等数据(矢量)进行叠加，作为高精度的新的数据载体。
[0049]
本领域技术人员可以理解，此处可以采用的坐标转换精度(误差)的计算方式不限于上述式(2)～(4)的形式，而是可以为本领域其它可用的任意坐标转换精度(误差)的指标的计算形式；坐标转换精度(误差)的指标个数也可以不限于2个，而是可以根据所采用的坐标转换精度(误差)的计算方式而改变。
[0050]
在本公开的实施例的地图坐标转换系统中，在通过精度验证单元140判定为精度合格的情况下，转换完成；在通过精度验证单元140判定为精度不合格的情况下，则可以例如增加公共点的个数，重复进行上述坐标数据拾取单元110、坐标转换参数计算单元120、坐标转换单元130和精度验证单元130的处理，直到精度合格为止。
[0051]
在本公开的实施例的地图坐标转换系统中，优选为例如在作为计算设备的1台以上的服务器中安装坐标转换软件，以供用户执行坐标转换运算。在服务器的台数为多台的情况下，优选为进行运算的服务器的台数可以由用户根据所要处理的数据量的大小来选择。例如，当需要处理的数据量较大时，可以根据用户需求进行数据拆分，例如将1g影像数据分为两等分，让例如两台服务器分别同时运行，或者将1000个控制点的数据分为10等分，让例如10台服务器分别同时运行。由此，可以提高系统整体运行的速度和效率。
[0052]
此外，还可以设为用户在有权限的情况下才能登录地图坐标转换系统，并且用户能够选取的服务器的数量根据各个用户被授予的权限而被分级管理，例如可以根据“管理员”、“普通员工”、“实习生”等不同身份而被指定不同的可使用服务器的上限台数。由此，可以在资源有限的情况下更好地提高系统整体的运行效率。
[0053]
接下来对根据本公开的实施例的地图坐标转换方法进行说明。图3是示出根据本公开的实施例的地图坐标转换方法的示例性流程图。优选地，本实施例可由本公开的地图坐标转换系统所包括的1台以上的服务器的每台服务器执行。该方法可以包括以下步骤：
[0054]
坐标数据拾取步骤s310：从作为原始坐标系的第一坐标系下的第一坐标数据和作为目标坐标系的第二坐标系下的第二坐标数据中，选取第一坐标数据和第二坐标数据的公共区域内的多个公共点，读取各公共点在第一坐标系下的实测第一坐标数据(x1，y1，z1)和在第二坐标系下的实测第二坐标数据(x2，y2，z2)；
[0055]
坐标转换参数计算步骤s320：根据坐标转换方程，利用与上述多个公共点对应的实测第一坐标数据和实测第二坐标数据，计算坐标转换方程的坐标转换参数；
[0056]
坐标转换步骤s330：根据基于计算出的坐标转换参数的坐标转换方程，利用第一坐标系下的实测第一坐标数据，获得对应点在第二坐标系下的转换后的量测第二坐标数据；以及
[0057]
精度验证步骤s340：利用第二坐标系下已知的检查点的实测第二坐标数据(“已知坐标”或“真实坐标”)，与该检查点的从实测第一坐标数据转换后的量测第二坐标数据(“转换坐标”)进行精度验证。
[0058]
由此，无需重新进行无人机航测，能够得到高精度的目标坐标系下的数字正射影像等地理信息数据。
[0059]
优选地，所述多个公共点在所述公共区域的范围内均匀分布。
[0060]
优选地，所述多个公共点的个数为3个以上，更优选为6～10个。
[0061]
优选地，所述坐标转换参数为7个转换参数，所述7个转换参数包括3个平移参数(t
x
、ty、tz)、3个旋转参数(r
x
、ry、rz)和1个尺度参数(d)。
[0062]
在所述坐标转换参数计算步骤s320中，当公共点个数为3个时，可以直接求取7个转换参数；当公共点个数多于3个时，可以用例如最小二乘法求取7个转换参数。
[0063]
在所述精度验证步骤s340中，在检查点的真实坐标数据与转换坐标数据的误差在验证阈值以内的情况下，判定为精度合格。在非限制性的应用实例中，当第二坐标数据为比例尺为1:500的坐标数据时，平面点位的验证阈值为0.3m，高程的验证阈值为0.2m。
[0064]
在通过精度验证步骤s340判定为精度合格的情况下，转换完成；在通过精度验证步骤s340判定为精度不合格的情况下，增加公共点的个数，重复上述坐标数据拾取步骤s310、坐标转换参数计算步骤s320、坐标转换步骤s330和精度验证步骤s340，直到精度合格为止。
[0065]
根据本公开的实施例的地图坐标转换方法中，优选为所述1台以上的服务器的数量由有使用权限的用户根据所要处理的数据量的大小来选择；当用户选择了多台服务器时，所要处理的数据可以被拆分到所述多台服务器的每台服务器同时进行处理。由此，可以提高系统整体运行的速度和效率。
[0066]
更优选地，用户能够选取的服务器的数量可以根据各个用户被授予的权限而被分级管理。由此，可以在资源有限的情况下更好地提高系统整体的运行效率。
[0067]
应当理解，本说明书中“实施例”或类似表达方式的引用是指结合该实施例所述的特定特征、结构、或特性系包括在本公开的至少一具体实施例中。因此，在本说明书中，“在本公开的实施例中”及类似表达方式的用语的出现未必指相同的实施例。
[0068]
本领域技术人员应当知道，本公开被实施为一系统、装置、方法或作为计算机程序产品的计算机可读媒体(例如非瞬态存储介质)。因此，本公开可以实施为各种形式，例如完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、常驻软件、微程序代码等)，或者也可实施
为软件与硬件的实施形式，在以下会被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开也可以任何有形的媒体形式实施为计算机程序产品，其具有计算机可使用程序代码存储于其上。
[0069]
本公开的相关叙述参照根据本公开具体实施例的系统、装置、方法及计算机程序产品的流程图和/或框图来进行说明。可以理解每一个流程图和/或框图中的每一个块，以及流程图和/或框图中的块的任何组合，可以使用计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可供通用型计算机或特殊计算机的处理器或其它可编程数据处理装置所组成的机器来执行，而指令经由计算机或其它可编程数据处理装置处理以便实施流程图和/或框图中所说明的功能或操作。
[0070]
在附图中显示根据本公开各种实施例的系统、装置、方法及计算机程序产品可实施的架构、功能及操作的流程图及框图。因此，流程图或框图中的每个块可表示一模块、区段、或部分的程序代码，其包括一个或多个可执行指令，以实施指定的逻辑功能。另外应当注意，在某些其它的实施例中，块所述的功能可以不按图中所示的顺序进行。举例来说，两个图示相连接的块事实上也可以同时执行，或根据所涉及的功能在某些情况下也可以按图标相反的顺序执行。此外还需注意，每个框图和/或流程图的块，以及框图和/或流程图中块的组合，可藉由基于专用硬件的系统来实施，或者藉由专用硬件与计算机指令的组合，来执行特定的功能或操作。
[0071]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。