一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法技术方案

本发明专利技术提供了一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法，属于地理空间信息可视化领域。建立了全空间信息系统的空间转换框架，扩展了WKT对空间参考系统的描述，使之支持星球的定义和天球坐标系统、轨道坐标系统等坐标系统；设计了基于九自由度空间参考树的空间参考内存模型，并借此实现了空间参考树的维护、相对状态的计算与坐标系转换方法的插件化实现。可有效解决全空间信息系统从宏观世界(如恒星、太阳系内行星)到微观世界(如室内)，从静态到动态，从物理时空到逻辑时空的全时空连续建模与仿真，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。

【技术实现步骤摘要】
一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法
本专利技术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。
技术介绍
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
，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。
技术实现思路
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本专利技术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>|<fittedc本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
1.一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。2.如权利要求1所述的一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法，其特征在于：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。3.如权利要求1或2所述的一种面向全空间信息系统的坐标系转换方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：武玉国，杜莹，蒲欢欢，马亚明，孙汀，韦原原，
申请(专利权)人：郑州师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41