一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法与流程

本发明属于地理空间信息可视化领域，涉及一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法。

背景技术：

经过五十多年的发展，地理信息系统已经发展成为包括地理信息科学、地理信息技术和地理信息应用在内的综合高技术领域，在资源与环境、灾害与应急响应、经济与社会发展、卫生与生命健康、规划与区域设计等领域得到了广泛应用，成为当今信息社会不可或缺的重要组成部分。然而传统gis主要研究地球表层系统，关注的是与人类生产生活密切相关的地表空间，随着深空探测技术、天空地海一体化对地观测技术、室内gis技术、人机物互联技术等新兴技术的迅猛发展，传统gis逐渐暴露出不足，面临着新的机遇和挑战。为此，以中国科学院周成虎院士为代表的学者提出了“全空间地理信息系统”的概念，将gis研究范围从地球空间拓展到宇宙空间，从室外空间拓展到室内空间，从宏观空间拓展到微观空间，从小数据拓展到大数据，构建无所不在的gis世界。

而要构建这样一个全空间信息系统，首先要解决的就是空间参考问题。空间参考在gis中有着极为重要的地位，是地图制图、数据融合、空间分析等数据应用的基础。空间参考在传统的gis中有深入的研究和实现，proj4、arcgis、ogc、epsg等软件与组织都对空间参考进行了详细的描述与实现，但这些描述主要针对地球空间的地理坐标系与投影坐标系，无法解决全空间信息系统从地球空间拓展到宇宙空间、从宏观空间拓展到微观空间、从单一星球空间扩展到众多星球空间这样复杂的空间无缝转换问题。因此，迫切需要提供一种新的方法，解决全空间信息系统中坐标系转换问题。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明提供了一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法，可有效解决全空间情况下多种坐标系定义及相互转换问题。其解决的技术方案是：先定义全空间信息系统空间参考的描述方法，在此基础上设计全空间信息系统的坐标系转换框架，最后通过空间参考树实现坐标系之间的转换。

一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，输入测点坐标，所述测点坐标为地球坐标点或星球坐标点，所述测点坐标的获取包括gps测量或北斗卫星导航系统测量或矢量获取等，所述测量精度可根据工程实际要求进行调整，所述测点坐标通过存储单元进行存储，所述存储单元应满足数据自动调取，以实现计算机自动存储与读取，存储格式可以根据需要进行设定或修改；

第二步，定义全空间信息系统空间参考的描述方法，所述描述方法包括定义对象空间与世界空间、对象自身的空间参考描述、父子对象空间参考关系描述，其中，定义对象空间与世界空间是指在全空间信息系统中，每个对象自身的空间称为对象空间，用对象坐标系统描述，所述对象坐标系统即为局部坐标系统，容纳所有观测对象的空间称为世界空间，用世界坐标系统描述，世界空间与世界坐标系统是与被观测对象的总集相关的，由观测者决定；对一个对象的空间参考进行描述包括两部分，一是对象自身的空间参考系统，用于描述自身空间内的所有元素；二是对象与与其父对象的空间关系；所述对象自身的空间参考描述是指对全空间信息系统在wkt的基础上进行扩展，所述扩展采用计算机自动实现，以兼容传统的gis，并支持更宏观和微观的空间系统描述，所述扩展包括第一个扩展和第二个扩展，所述第一个扩展是在最前面增加星球的定义，所述第二个扩展是增加天球坐标系统、轨道坐标系统、物体坐标系统等传统gis没有涉及的坐标系统，所述父子对象空间参考关系描述是指全空间信息系统对父子对象空间参考关系的文本描述时支持rotate、scale、transform、geocoord(地理定位)、matrix等语义描述，并在内存运算时将其转换为4*4矩阵；

第三步：设计全空间信息系统坐标系转换路径与框架，所述转换路径与框架至少包括同一星球的天球坐标系间的转换、同一星球的星球坐标系间的转换、同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换、不同星球的天球坐标系到地心天球坐标系之间的转换；

第四步：在所述描述方法和转换路径与框架下，对获取的测点坐标实现全空间信息系统中的坐标系转换，该步骤包括建立九自由度空间参考树、计算相对空间状态、插件设计与实现，实现全空间信息系统中的坐标系转换，其中九自由度空间参考树为动态树状结构，对象是树的一个节点，空间参考系统是对象节点的基本属性，对象与子对象的时空变换关系是由空间变换节点来描述的，空间变换节点包含一个把该节点的坐标系变换到父节点坐标系的变换矩阵，该变换矩阵可以描述该节点相对于父节点的九自由度空间状态；所述相对状态的计算是指在九自由度空间参考树中，相对空间状态的查询计算需要根据九自由度空间参考树中的父子节点关系进行迭代计算和坐标变换，所述插件设计与实现是指把空间参考系统及其转换设计为插件形式，采用插件设计实现空间参考系统的扩展。

作为优选，第二步中在所述定义对象空间与世界空间中，当观测对象a与对象b，如果跳跃式观测a和b，观测a时可以把a的坐标系统作为世界坐标系统，观测b时可以把b的坐标系统作为世界坐标系统；如果连续观测a和b，则需要一个世界坐标系统能够涵盖a坐标系和b坐标系。

作为优选，第三步中所述wkt是ogc制定的，所述ogc对空间参考系统的描述是：

<coordinatesystem>＝<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>

<horzcs>＝<geographiccs>|<projectedcs>，

所述第一个扩展的扩展后形式是：

<coordinatesystem>＝<celestialbody>[<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>]。

作为优选，第三步中所述第二个扩展中的物体坐标系统可以使用<fittedcs>和<localcs>描述，但对于动态的对象来说，物体坐标系统相对于父对象的坐标系统来说是不断变化的，即<tobase>是变化的，需要计算机实时计算，因此重新扩展一种坐标系，扩展后形式如下：

<coordinatesystem>＝<celestialbody>[<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>|<celestialcs>|<orbitcs>|<thing-in-itselfcs>]

<horzcs>＝<geographiccs>|<projectedcs>

<fittedcs>＝fitted_cs["<name>",<tobase>,<basecs>]。

作为优选，第三步中所述同一星球的天球坐标系间的转换是建立在同一星球质心上的不同天球坐标系之间的转换，包括瞬时坐标系之间的转换和瞬时坐标系与协议坐标系间的转换，所述瞬时坐标系包括地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系，所述同一星球的星球坐标系间的转换是指同一星球的不同星固坐标系之间的转换，包括直角坐标系之间、地理坐标系之间、地理与直角坐标系之间、以及地理与投影坐标系之间的转换，所述不同星固坐标系包括地固、月固，所述同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换是指协议天球坐标系与协议星球坐标系之间的转换。

作为优选，第三步中所述不同星球的天球坐标系到地心天球坐标系之间的转换为月球的天球坐标系到地心天球坐标系之间的转换时，其表达形式为:j2000.0地心平赤道坐标系与j2000.0月心平地球赤道坐标系之间的转换。

作为优选，所述第四步中建立九自由度空间参考树时，进行空间参考内存模型的设计，所述空间参考内存模型的设计包括两方面：一是空间状态维护，包括空间节点的创建、销毁、动态铰链、解除铰链、空间状态更新；二是相对空间状态的计算。

作为优选，所述第四步中还包括空间参考树的维护，在该维护中，空间参考树是与节点树是交叉在一起的，在节点树发生变化，即插入和删除时，空间参考树也相应发生变化，对象节点中的空间参考系统是对象自身的属性，空间变换节点负责父对象时空参考系统与子对象时空参考系统之间的转换，在把子节点加入到父节点时，动态创建空间变换节点并计算转换矩阵。

作为优选，所述第四步中计算相对空间状态时根据两个空间节点之间的关系，分为以下两种情形处理：1)一个节点为另一个节点的祖先节点，此种情形下，两个节点之间通过若干依次构成父子关系的中间节点关联，相对空间状态计算可以通过空间节点之间的相对关系得到，2)两个节点互不为对方的祖先节点，此种情形下，两个节点之间不能通过若干依次构成父子关系的中间节点关联，此时，两个节点之间的空间距离与姿态可以使用世界空间参考系统作为转换桥梁进行计算，但当路径较长时计算量较大；也可以找到一个共同的祖先节点作为转换桥梁进行计算，但共同祖先节点的查找比较麻烦；对于同一星球上的两个节点，可以使用星球节点作为桥梁，每个对象节点提供到星球空间参考系统的转换矩阵快捷接口。

作为优选，在第四步的插件设计与实现中，对于同一星球来说，需要提供星惯到星固、星固到星惯、星惯到星惯、星固到星固四个转换接口，对于地球来说，各星惯与星固坐标系之间的转换以gcrs和cgcs2000为桥梁，由用户自行控制，系统默认提供星惯到星固和星固到星惯的基本精度的高性能实现，对于高精度低性能的实现由用户定义。

本发明提供的转换方法解决了全空间信息系统从地球空间拓展到宇宙空间、从宏观空间拓展到微观空间、从单一星球空间扩展到众多星球空间这样复杂的空间无缝转换问题，计算精度和计算效率均可以满足要求，提高了坐标转换的准确性和可靠性。通过计算机实现和插件设计，有效拓展了gis技术的应用，具有良好的可扩展性和实现效率，可广泛应用于卫星定位与导航、航空航天遥感、智慧城市、国土规划、军事应用等诸多领域。

附图说明

图1全空间信息系统中的坐标系转换框架。

图2同一星球的天球坐标系间的转换路径。

图3同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换路径。

图4全空间信息系统空间参考的内存模型。

图5地球上各星惯与星固坐标系之间的转换路径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明的具体实施为：先定义全空间信息系统空间参考的描述方法，在此基础上设计全空间信息系统的坐标系转换框架，最后通过空间参考树实现坐标系之间的转换。具体步骤如下：

1、输入测点坐标

所述测点坐标为地球坐标点或星球坐标点，所述测点坐标的获取包括gps测量或北斗卫星导航系统测量或矢量获取等，所述测量精度可根据工程实际要求进行调整，所述测点坐标通过存储单元进行存储，所述存储单元应满足数据自动调取，以实现计算机自动存储与读取，存储格式可以根据需要进行设定或修改；

2、定义全空间信息系统空间参考的描述方法

(1)对象空间与世界空间

在全空间信息系统中，每个对象自身的空间称为对象空间，用对象坐标系统(也称为局部坐标系统)描述。容纳所有观测对象的空间称为世界空间，用世界坐标系统描述，没有绝对空间和绝对坐标系。世界空间与世界坐标系统是与被观测对象的总集相关的，由观测者决定。如观测对象a与对象b，如果跳跃式观测a和b，观测a时可以把a的坐标系统作为世界坐标系统，观测b时可以把b的坐标系统作为世界坐标系统；如果连续观测a和b，则需要一个世界坐标系统能够涵盖a坐标系和b坐标系。

对一个对象的空间参考进行描述，包括两部分，一是对象自身的空间参考系统，用于描述自身空间内的所有元素；二是该对象与父对象的空间关系。例如：描述一个人，需要人体自身的空间参考系统——人体坐标系统，同时还要描述该人体与父对象的空间关系，如移动的车辆上、飞机上等。

(2)对象自身的空间参考描述

wkt是ogc制定的、被gis广泛采用的空间参考系统及空间参考系统转换的文本描述语言，一个表示空间参考系统的wkt字符串描述了空间物体的测地基准、大地水准面、坐标系统及地图投影。全空间信息系统在wkt的基础上进行扩展，以兼容传统的gis，并支持更宏观和微观的空间系统描述。

ogc对空间参考系统的描述如下：

<coordinatesystem>＝<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>

<horzcs>＝<geographiccs>|<projectedcs>

全空间信息系统的第一个扩展是在最前面增加星球的定义，扩展后形式如下：

<coordinatesystem>＝<celestialbody>[<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>]

对于单个星球上的空间参考系统(星固系)，与传统gis是兼容的，地球上的地理坐标系仅需在geogcs之前增加earth，月球上的地理坐标系仅需增加moon，依次类推。

全空间信息系统的第二个扩展是增加天球坐标系统、轨道坐标系统、物体坐标系统等传统gis没有涉及的坐标系统。物体坐标系统可以使用<fittedcs>和<localcs>描述，但对于动态的对象来说，物体坐标系统相对于父对象的坐标系统来说是不断变化的，即<tobase>是变化的，需要实时计算，因此重新扩展一种坐标系。扩展后形式如下：

<coordinatesystem>＝<celestialbody>[<horzcs>|<geocentriccs>|<vertcs>|<compdcs>|<fittedcs>|<localcs>|<celestialcs>|<orbitcs>|<thing-in-itselfcs>]

<horzcs>＝<geographiccs>|<projectedcs>

<fittedcs>＝fitted_cs["<name>",<tobase>,<basecs>]

(3)父子对象空间参考关系描述

父子对象一般存在空间关联关系，子对象会随着父对象移动、旋转，同时子对象会相对于父对象移动、旋转，对于对象的几何形态还存在缩放、投影等变换。全空间信息系统对父子对象空间参考关系的文本描述时支持rotate、scale、transform、geocoord(地理定位)、matrix等语义描述，并在内存运算时将其转换为4*4矩阵。

3、设计全空间信息系统坐标系转换框架

两个坐标系统之间的转换通常需要经过多个转换步骤，如星载遥感影像正向地理定位算法中常用的坐标系统依次为：传感器自身坐标系→遥感平台本体坐标系→轨道坐标系→地心惯性坐标系→地心固定坐标系，最后在地心固定坐标系下进行传感器视线向量和地球表面交点的求解。对于各类坐标系两两之间的转换已经进行了大量的研究，并在不断的提高转换的精度，iau、gpl、以及传统的gis软件及组织等提供了大量的转换参数和转换程序。全空间信息系统涉及各类坐标系，关键是建立坐标系间的转换路径与框架，如图1所示。

(1)同一星球的天球坐标系间的转换

这是建立在同一星球质心上的不同天球坐标系之间的转换，包括瞬时坐标系(地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系)之间的转换和瞬时坐标系与协议坐标系间的转换。瞬时赤道坐标系(真天球坐标系)是转换的桥梁。

(2)同一星球的星球坐标系间的转换

这是同一星球的不同星固(地固、月固等)坐标系之间的转换，包括直角坐标系之间、地理坐标系之间、地理与直角坐标系之间、以及地理与投影坐标系之间的转换，在传统gis中已有成熟的实现。

(3)同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换

同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换通常是指协议天球坐标系与协议星球坐标系之间的转换，由于星球运动过程中的不规律性，此转换非常复杂。如地心协议天球坐标系与地心协议地球坐标系之间的转换。此转换过程涉及岁差、章动、海洋、大气潮汐等因素的影响，在iau2000a/b章动模型中的参数多达1000多项(678个日月章动项和687个行星章动项)，其精度为0.2mas。

(4)不同星球的天球坐标系到地心天球坐标系之间的转换

如j2000.0地心平赤道坐标系与j2000.0月心平地球赤道坐标系之间的转换。

该坐标系转换框架见图2。

4、实现全空间信息系统中的坐标系转换

在所述描述方法和转换路径与框架下，对获取的测点坐标实现全空间信息系统中的坐标系转换。

(1)九自由度空间参考树

空间参考内存模型的设计主要考虑两方面：一是空间状态维护，如空间节点的创建、销毁、动态铰链、解除铰链、空间状态更新；二是相对空间状态的计算。同时，空间参考内存模型的设计和实现还需要考虑标准化和易用性的需求，从根本上保证时空的一致性，促进模型的重用性和互操作性。

整个场景采用动态树状结构，对象是树的一个节点，空间参考系统是对象节点的基本属性，对象与子对象的时空变换关系是由空间变换节点来描述的，空间变换节点是场景节点的一种，包含一个把该节点的坐标系变换到父节点坐标系的变换矩阵(可以描述该节点相对于父节点的九自由度空间状态)。

世界空间参考系统是由观察者决定的，观察着决定了观察的时间、观察位置与观察角度等。当系统支持多个视口，即多个观察者时，存在多个世界空间参考系统。星球节点是一个特殊的对象节点，目的是为了简化计算。非实体对象包括图形、文字等，为了提高整个系统的效率，非实体对象节点可以复用，因此会有多个父节点。

(2)空间参考树的维护

空间参考树是与节点树是交叉在一起的，在节点树发生变化(插入和删除)时，空间参考树也相应发生变化。

对象节点中的空间参考系统是对象自身的属性，空间变换节点负责父对象时空参考系统与子对象时空参考系统之间的转换，在把子节点加入到父节点时，动态创建空间变换节点并计算转换矩阵。当转换矩阵与时间相关(如地固系与地惯系转换的矩阵)或子对象相对运动时(如飞机在飞行)，需要每帧更新时空变换节点的变换矩阵。当子对象从父对象脱离时(变成独立运动对象)，从原来的父对象中删除子对象的同时，删除对应的空间变换节点，并重新创建空间变换节点(父对象发生了变化，如由原来的父对象变成了地球)。

(3)相对状态的计算

在空间树中，相对空间状态的查询计算需要根据空间树中的父子节点关系进行迭代计算和坐标变换。根据两个空间节点之间的关系，分为以下两种情形处理：

情形1：一个节点为另一个节点的祖先节点

此种情形下，两个节点之间通过若干依次构成父子关系的中间节点关联，相对空间状态计算可以通过空间节点之间的相对关系得到。

情形2：两个节点互不为对方的祖先节点

此种情形下，两个节点之间不能通过若干依次构成父子关系的中间节点关联。此时，两个节点之间的空间距离与姿态可以使用世界空间参考系统作为转换桥梁进行计算，但当路径较长时计算量较大；也可以找到一个共同的祖先节点作为转换桥梁进行计算，但共同祖先节点的查找比较麻烦；对于同一星球上的两个节点，可以使用星球节点作为桥梁，每个对象节点提供到星球空间参考系统的转换矩阵快捷接口。

(4)插件设计与实现

把空间参考系统及其转换设计为插件形式，主要是考虑精度与效率平衡、专业性、扩展性等问题。对于前文所述的地心协议天球坐标系与地心协议地球坐标系之间的转换，一些领域对此要求很高(章动模型的参数多达1000多项)，如高精度的军事测绘保障和空间大地测量，也有很多领域不需要如此高的精度。全空间信息系统应用领域广泛，各专业的分析计算涉及坐标系众多，专业性强，甚至有些是不公开的，采用插件设计可以很好的解决空间参考系统在各专业的扩展问题。

对于同一星球来说，需要提供星惯到星固、星固到星惯、星惯到星惯、星固到星固四个转换接口，其中x代表星球，对于地球来说，各星惯与星固坐标系之间的转换以gcrs和cgcs2000为桥梁，由用户自行控制，系统默认提供星惯到星固和星固到星惯(gcrs和cgcs2000之间的转换)的基本精度的高性能实现，对于高精度低性能的实现由用户定义。

不同星球的惯性系之间的转换，通常采用nasa(美国航空航天局)的jpl(喷气推进实验室)给出的行星精密历表(de402-de431/le402-le431等)进行实现。

具体而言，可以按照如下方式进行实现：

1.对ogc的空间参考描述方式进行扩展，使其能够支持全空间信息系统。以地球为例，其扩展后的空间参考描述方式为：

earth[geogcs["gcs_beijing_1954",datum["d_beijing_1954",spheroid["krasovsky_1940",6378245,298.3]],primem["greenwich",0],unit["degree",0.017453292519943295]]]

投影坐标系与地理坐标系是类似的，如：

earth[projcs["beijing_1954_gk_zone_19n",geogcs["gcs_beijing_1954",datum["d_beijing_1954",spheroid["krasovsky_1940",6378245,298.3]],primem["greenwich",0],unit["degree",0.017453292519943295]],projection["gauss_kruger"],parameter["false_easting",500000],parameter["false_northing",0],parameter["central_meridian",111],parameter["scale_factor",1],parameter["latitude_of_origin",0],unit["meter",1]]]

2.建立各类坐标系间的转换路径与框架。图1给出了各类坐标系之间的转换路径与框架，主要包括：同一星球的天球坐标系间的转换、同一星球的星球坐标系间的转换、同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换，以及不同星球的天球坐标系到地心天球坐标系之间的转换。其中，图2给出了同一星球的天球坐标系间的转换方式，图3给出了同一星球的天球坐标系与星球坐标系间的转换方式。

3.建立九自由度空间参考树，以便实现全空间信息系统中的坐标系转换。图4给出了全空间信息系统中的树状空间考系统的内存模型。

4.通过插件方式实现各类空间参考系统及其相互转换。图5给出了地球上的星惯到星固、星固到星惯、星惯到星惯、星固到星固四个转换接口的转换方式。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。