一种智能方向里程牌及实现坐标转换的方法 【技术领域】
本发明属于测量定位领域， 具体涉及一种智能方向里程牌及实现坐标转换的方 法， 用于方便地查找门牌号。背景技术
铁路、 公路是一条线， 用里程表示线路位置， “XX+XXX” ， “+” 前是 km， “+” 后是 m， 为 其沿线设备管理带来方便。众所周知， 城市门牌号码是由道路名称及顺序号组成， 楼牌号 是由小区名称及顺序号组成， 所有号码都是从 1 开始顺序编号， 看不出位置与距离， 非常不 方便查找。而且， 道路名称、 小区名称改变后， 门牌号、 楼牌号就应该修改， 但是这种修改有 时候是跟不上前者的修改的。 另外， 城市道路由单一的道路名称表示， 看不出道路的位置与 走向， 目前为了方便查找门牌号， 人为地把一条道路分成很多段， 一条道路上有很多道路名 称， 这样更增加了人们查找道路名称的难度。
门牌号的方便查找是人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题， 目前都 是通过改变门牌号的编制规则和方法， 来解决门牌号方便查找问题， 例如， 天津市的门牌试 图采用 《全新量化方法》 、 昆明市的门牌试图采用 《距离编号法》 、 西安市的门牌试图采用 《门 牌米号制》 等等， 这些都试图改变门牌号， 但是因为门牌号与户口本、 房产证等关联在一起， 不宜改变， 因此目前方法的效果都不满意。 发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题， 提供一种智能方向里程牌及 实现坐标转换的方法， 用于不改变门牌号， 实现门牌号的方便查找。
本发明是通过以下技术方案实现的 ：
一种智能方向里程牌， 不改变门牌号， 将所述智能方向里程牌设置在城市设备的 门牌号旁， 或者设置在可以移动的城市设备里 ( 例如汽车、 公交车站、 警亭、 报亭、 老人、 小 孩等 )， 其包括经纬度坐标获取装置、 坐标转换装置和显示装置 ；
所述经纬度坐标获取装置用于获得城市设备的经纬度坐标 ；
所述坐标转换装置用于将所述城市设备的经纬度坐标转换成该城市设备的方向 里程坐标 ；
所述显示装置用于显示所述城市设备的方向里程坐标 ；
所述方向里程坐标为二维坐标。
所述城市设备的方向里程坐标是指该城市设备在方向里程坐标系中的位置， 所述 方向里程坐标系是指 ： 以所述城市设备所在的城市的市中心为坐标原点， 过所述坐标原点 的东、 西、 南、 北四条方向线为坐标轴， 如图 7 所示。
所述经纬度坐标获取装置通过 GPS 接收装置获取城市设备的经纬度坐标， 或者通 过卫星影像地图获取城市设备的经纬度坐标， 或者通过 GPS 测量获取城市设备的经纬度坐 标。所述显示装置是板状牌或者电子牌 ； 在板状牌上印刷有所述城市设备的方向里程 坐标， 如图 3、 图 4、 图 5 和图 6 所示， 或者在电子牌上显示所述城市设备的方向里程坐标。
所述智能方向里程牌进一步包括发射装置， 所述发射装置用于向无线接收装置发 射城市设备的方向里程坐标以及城市设备的名称。所述无线接收装置为手机或 PDA 或其他 现有技术中具有接收无线信号功能的装置或设备。
一种实现坐标转换的方法， 即将所述城市设备的经纬度坐标转换成该城市设备的 方向里程坐标的方法， 所述方法包括以下步骤 ：
(1) 开始
(2) 通过经纬度坐标获取装置获取城市设备的经纬度坐标， 即B和L；
(3) 设置基本参数和坐标原点参数 ； 所述基本参数包括 ： 地球长半轴 a、 地球短半 轴 b、 城市当地平均高程 h ； 所述坐标原点参数包括 ： 市中心的纬度坐标 Bo、 市中心的经度坐 标 Lo ；
(4) 计算南北直角坐标 x， 得到的南北直角坐标 x 为小数， 单位为公里， 包括整数部 分 X1 和小数部分 X2， 所述小数部分 X2 取 3 位 ；
(5) 计算南北方向里程坐标 ：
如果 x 小于 0， 则南北方向里程坐标＝南 X1+X2， 否则南北方向里程坐标＝北X1+X2 ； (6) 计算东西直角坐标 y， 得到的东西直角坐标 y 为小数， 单位为公里， 包括整数部 分 Y1 和小数部分 Y2， 所述小数部分 Y2 取 3 位 ；
(7) 计算东西方向里程坐标 ：
如果 y 小于 0， 则东西方向里程坐标＝西 Y1+Y2， 否则东西方向里程坐标＝东 Y1+Y2 ；
(8) 输出由步骤 (2) 得到的经纬度坐标、 由步骤 (5) 得到的南北方向里程坐标和由 步骤 (7) 得到的东西方向里程坐标。
所述步骤 (4) 中计算南北直角坐标 x 是采用以下投影正算公式实现的 ：
x ＝ (B-Bo)M 平均 +(L-Lo)2N sin(2B)/4
所述步骤 (6) 中计算东西直角坐标 y 是采用以下投影正算公式实现的 ：
y ＝ (L-Lo)N cos(B)
其中，
x 是南北直角坐标 ；
y 是东西直角坐标 ；
Mo 是市中心的子午圈曲率半径 ；
No 是市中心的卯酉圈曲率半径 ；
B 是城市设备的纬度坐标 ；
L 是城市设备的经度坐标 ；
M 是城市设备的子午圈曲率半径 ；
N 是城市设备的卯酉圈曲率半径 ；
n 是指将 B 至 Bo 的中央经线弧长分成 n 段 ；
M 平均是 B 至 Bo 之间的多点子午圈曲率半径 M 的平均值 ：
M 平均＝ (Mo+M1+M2+…… +Mn)/(n+1) ；
地球长半轴 a， 地球短半轴 b 采用 2000 国家大地坐标系参数
a ＝ 6378.137km
b ＝ 6356.75231414km
所述 M 和 N 是选取当地平均高程面为投影面得到的， 具体如下 ： 2 3
M ＝ a(1-e )/W +h
N ＝ a/W+h
其中，
e2 ＝ 1-b2/a2
W2 ＝ 1-e2 sin2(B)。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ：
(1) 利用本发明的方向里程牌确定城市设备的准确位置， 准确唯一， 长期稳定， 一 成不变。不改变门牌号， 实现对门牌号、 楼牌号的方便、 快捷、 准确查找 ；
(2) 本发明解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的 “门牌号方便查找及 道路名称方便查找” 的技术难题 ；
(3) 本发明的方向里程牌显示了楼房、 路口、 门口、 道路里程、 城市设备的精确位 置， 因为方向里程牌上不标记地名、 路名、 楼名， 因此地名路名楼名那些名称改变后， 方向里 程牌不必改变。城市民政局可以按规则修改地名路名， 不会影响门牌号的方便查找。方向 里程牌能够区别重名的地名路名的位置， 所以不必因为重名而修改地名路名。
(4) 城市是平面， 本发明的方向里程牌是二维坐标牌， 是到市中心距离的坐标， 用 它给门牌号定位， 会为城市设备管理带来方便。
(5) 门牌号与户口本、 房产证等关联在一起， 不宜改变， 本发明不改变门牌号， 从 此， 城市有关部门不必修改门牌号、 户口本、 房产证。
(6) 新建住宅小区， 一开始就有准确唯一， 长期稳定， 一成不变的方向里程牌， 给管 理带来很多方便。
(7) 在 “方向公里格地图” 上， 很容易查找到正街的位置。正街名称牌改为 “方向 百米正街名称牌” 实现了正街名称数字化， 既方便查找， 又不改变正街名称， 便于对道路名 称文化遗产的保护。
(8) 在汽车导航仪上输入方向里程后， 返回显示方向里程及单位名称， 可以实现门 到门导航。 附图说明
图 1 是本发明智能方向里程牌的结构示意图。 图 2 是本发明方法的步骤框图。 图 3 是本发明实施例中的楼房的方向里程牌。 图 4 是本发明实施例中的道路两侧的方向里程牌。 图 5 是本发明实施例中的方向百米正街名称牌。 图 6， 是本发明实施例中的道路方向公里牌。 图 7， 是本发明实施例中的方向里程坐标系示意图、 方向公里格地图。图 8， 是本发明的用于市中心的有文字标注的圆形图案的参考图。具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述 ：
目前， 在国家测绘局 “启用 2000 国家大地坐标系实施方案” 的附件中的采用的高 斯公式包括 ：
1， 高斯投影正算公式 ：
子午线弧长 X X ＝ a(1-e2)(A′ arcB-B′ sin 2B+C′ sin 4B-D′ sin 6B +E′ sin 8B-F′ sin 10B+G′ sin 12B) 式中e- 第一偏心率 e2 ＝ 2f-f2 e′ - 第二偏心率 η2 ＝ e′ 2 cos2 B7CN 102768041 A
说V2 ＝ 1+η2明书5/11 页t ＝ tgBM- 子午圈曲率半径 N- 卯酉圈曲率半径 2000 国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为 ： 长半轴 a ＝ 6378137m 短半轴 b ＝ 6356752.31414m 2、 高斯投影反算公式 ：
式中 ηf、 tf 分别为按 Bf 值计算的相应量， Bf 的计算见附录。 3、 底点纬度 Bf 迭代公式 ：直到 Bi-1-Bi 小于某一个指定数值， 即可停止迭代。
式中
F(B) ＝ a(1-e2)[A′ arcB-B′ sin 2B+C′ sin 4B-D′ sin 6B
+E′ sin8B-F′ sin10B+G′ sin12B]
F′ (B) ＝ a(1-e2)[A′ -2B′ cos2B+4C′ cos4B-6D′ cos6B
+8E′ cos8B-10F′ cos10B+12G′ cos12B]
高斯公式坐标原点在赤道上， 投影点在切平面上， 子午线弧长 X 公式复杂， 高斯投 影反算公式复杂。高斯投影正算公式的东西直角坐标计算公式 y 的表达中， 由于在中括号 外， 已经有卯酉圈曲率半径 N， 所以在中括号内不应该再有 N， 中括号内第三项中的 N， 应该 去掉， N 是大于 6378137m 的有量纲的数。由于发明人用高斯投影正算公式计算了方向里程 坐标， 以便与发明人推导的公式的计算结果做比较， 所以发现了这一问题。
因为城市设备都是在地球的椭球面上， 而现有的高斯公式是投影在切平面上的， 理论上会引起长度变化， 所以本发明推导了新的投影公式， 其原理是把经纬度坐标投影在 地球的椭球面上， 并且选取当地平均高程面为投影面。 虽然高斯公式的坐标原点在赤道， 而 本发明公式的坐标原点和起算点都在市中心点， 两者的坐标原点不同， 但是， 当两者的中央 子午线与起算点相同时， 在城市范围内， 两者的计算结果相同。
本发明公式虽然与高斯公式不同， 但是两者的计算结果相同， 这样就起到了相互 核对的作用， 而对于大量计算， 则必须采用不同的公式来相互核对。
高斯公式的计算子午线弧长 X 的公式复杂。本发明公式在计算纬度差的子午线弧 长时， 采用纬度差乘以平均子午圈曲率半径 M 平均， M 平均是 B 至 Bo 之间的多点子午圈曲率半 径 M 的平均值。高斯投影反算公式复杂， 本发明的投影反算公式用弦位法 ( 比例法 ) 迭代， 公式简单， 在城市内， 已知 x、 y、 Bo、 Lo 反算 B、 L， 一次就得到满足精度的结果， 不用多次迭 代。本发明公式具体如下 ：
1， 本发明投影正算公式 ：
已知 B、 L、 Bo、 Lo 计算 x、 y 2
x ＝ (B-Bo)M 平均 +(L-Lo) N sin(2B)/4
y ＝ (L-Lo)N cos(B)
式中
x- 南北直角坐标
y- 东西直角坐标
角度 B、 Bo、 L、 Lo- 单位用弧度
长度 M 平均、 N- 单位用 km B、 Bo- 城市设备点、 市中心点的纬度坐标 L、 Lo- 城市设备点、 市中心点的经度坐标 M、 Mo- 城市设备点、 市中心点的子午圈曲率半径 N、 No- 城市设备点、 市中心点的卯酉圈曲率半径 n-B 至 Bo 的中央经线弧长， 分成 n 段 M 平均＝ (Mo+M1+M2+…… +Mn)/(n+1) M 平均 - 是 B 至 Bo 之间的多点子午圈曲率半径 M 的平均值 地球长半轴 a， 地球短半轴 b 采用 2000 国家大地坐标系参数 a ＝ 6378.137km b ＝ 6356.75231414km h- 当地平均高程 e2 ＝ 1-b2/a2 W2 ＝ 1-e2 sin2(B) 选取当地平均高程面为投影面 子午圈曲率半径 M、 卯酉圈曲率半径 N 要加上当地平均高程 h 2 3 M ＝ a(1-e )/W +h N ＝ a/W+h 2， 本发明投影反算公式 ： 已知 x、 y、 Bo、 Lo 反算 B、 L 用弦位法 ( 比例法 ) 求解 B。 由本发明投影正算公式 ： x ＝ (B-Bo)M 平均 +(L-Lo)2N sin(2B)/4 推导后得 ： ( 因为上式中的 L 是未知数， 下式中的 y 是已知数 )x ＝ (B-Bo)M 平均 +y2 Tan(B)/(2*N)
得：
f(B) ＝ (B-Bo)M 平均 +y2 Tan(B)/(2*N)-x
上式中只有一个未知数 B
直到 f(B2)-f(B1) 小于某一个指定数值， 即可停止迭代， 得到的 B， 就是要求的 B， 用弦位法 ( 比例法 ) 迭代， 求解 B。
令 B1 ＝ Bo+x/Mo B2 ＝ Bo 代入 f(B) 得 f(B1)、 f(B2)
在城市内， 计算城市设备转换点的纬度坐标不用多次跌代， 一次可以得出满足精 度的值， 城市设备转换点的 ：
纬度坐标为 B ＝ B1-(B2-B1)f(B1)/(f(B2)-f(B1))
经度坐标为 L ＝ y/(N cos(B))+Lo
智能方向里程牌的结构示意图如图 1 所示， 当经纬度坐标获取装置通过 GPS 接收 装置获取经纬度坐标时， 可以采用具有 USB 2.0 接口的 GPS 接收器， 其可以即插即用在笔记 本电脑上。
本发明方法的步骤框图如图 2 所示， 包括如表 1 所示的 8 个步骤 ：
表1 表 2 给出了上述步骤 (8) 输出的城市设备方向里程坐标及经纬度坐标表的例子。
表2 公里牌的位置在城市道路上是看不见的， 可以利用整公里牌的经纬度坐标位置，安装公里牌。可以先用两个相邻路口的方向里程坐标， 用内插法计算确定整公里处的方向 里程坐标， 再利用所述本发明投影反算公式， 把整公里处的方向里程坐标， 反算成整公里处 的经纬度坐标 ：
利用公式 B ＝ B1-(B2-B1)f(B1)/(f(B2)-f(B1))
反算道路整公里点的纬度坐标 B ；
利用公式 ： L ＝ y/(N cos(B))+Lo
反算道路整公里点的经度坐标 L ；
得到如表 3 所示的城市道路整公里处的经纬度坐标表。
表3
具体应用时， 本发明方向里程牌是通过以下方式设计得到的 ：
1、 由市政府确定市中心点的位置
由市政府确定市中心点的圆形图案位置， 以便区别城市内其他位置的圆形图案， 圆形图案要位于地面， 在圆形图案上要标注城市名称， 字的直径宜大于 10 米， 以便在卫星 影像地图上能够清晰地看见城市名称， 例如如图 8 所示， 一个直径 50 米的圆形图案， 图案上 有文字标注。卫星影像地图的拍摄点， 不在城市正上方， 图案位于地面， 以便在卫星影像地 图上， 采集到准确的市中心的经纬度坐标。经纬度的单位为度分秒时， 最小读数为 0.01 秒， 折合长度为 0.3m， 经纬度的单位为度时， 最小读数为 0.000001 度， 折合长度为 0.1 米。
2、 建立城市方向里程坐标系
城市的方向里程坐标系的坐标原点在所述的市中心点， 过原点的东西南北为坐标 轴， 如图 7 所示。
3、 减少标注的方向公里格地图
在地图上增加方向公里格， 将现有的地图变为 “方向公里格地图” 。也就是在现有
地图上减少标注高楼大厦、 营业单位等内容。 公里格地图是一张简单、 简洁、 信息少， 增加了 方向公里格的地图， 如图 7 所示。
4、 有 “方向里程、 单位名称” 的 “地图标注分类表”
如图 7 所示， “方向公里格地图” 是信息少的地图， 对于 “银行、 邮局、 医院、 药店、 博 物馆、 图书馆、 景点、 公园、 餐厅、 饭店、 体育场馆、 超市、 市场、 连锁店” 等分类设备， 分别建立 有 “方向里程位置、 单位名称” 的 “地图标注分类表” ， 附在 “方向公里格地图” 之后。这样既 方便在方向公里格地图上查找单位的位置， 又能分类标注大量的内容。
有了方向里程对地名、 路名的定位， 就既能区别重名的地名、 路名位置， 又能实现 对地名、 路名文化遗产的保护。
5、 楼房的方向里程牌
在卫星影像地图中看得见的城市设备， 如路口、 楼房、 大门等， 可以从卫星影像地 图上采集经纬度坐标。 卫星影像地图的拍摄点， 不在城市正上空， 要保证采集的楼房中心点 是楼房的地面中心点的经纬度坐标。 以北京市国贸 3 为例， 计算结果见表 2， 方向里程为 “北 0+602， 东 5+216” ， 方向里程牌如图 3 所示。东西与南北方向用大小相同的字。
6、 道路两侧设备的方向里程牌 在卫星影像地图上看不见的城市设备， 如路灯杆等， 则用测地型接收机 GPS 测量 其经纬度。道路两侧设备的方向里程牌为路灯杆、 门面房、 胡同口、 单位大门以及其它城市 设备的方向里程牌。用颜色及单双号区分位于道路两侧的方向里程牌。道路两侧的门牌 号， 一般采用单双号区分， 各城市的单双号规则不同， 北京市的单双号规则为， 东双南双， 西 单北单。方向里程牌不是门牌号， 是确定门牌号位置的标牌， 位置是不会重码的。为与已有 的单双号规则保持一致， 采用颜色及单双号区分道路两侧的路灯杆、 门面房、 胡同口、 单位 大门、 其它城市设备的方向里程牌， 用一种颜色表示道路一侧、 用另一种颜色表示道路另一 侧的方向里程牌。用颜色区分， 看方向里程牌的颜色， 就知道行驶的方向， 很醒目。以北京 邮电大学西门为例， 位于学院路， 计算结果见表 2， 方向里程用双号为 “北 6+022， 西 3+604” ， 方向里程牌如图 4 所示。代表道路里程的方向里程用大号字， 不代表道路里程的方向里程 用小号字。
7、 方向百米正街名称牌
正街是指走向为南北或东西的街， 走向不正的街是斜街。正街道路名称简称为正 街名称。在正街名称前面， 增加方向百米， 形成 “数字化正街名称” ， 方便在 “方向公里格地 图” 上查找。举例说明， 从北四环志新桥至南四环公益西桥， 是南北走向的道路， 是正街， 全 长不到 18 公里的连续道路， 用了多个道路名称， 目的就是为了方便分段查找门牌号码。缺 点是路名多， 不容易记住， 不方便查找。
西单北大街是南北走向的道路， 是正街， 路口位于坐标轴 “西 20” 百米 ( 即西 2km)， 正街名称不变， 正街名称牌改为 “方向百米正街名称牌” ， 方便在 “方向公里格地图” 上查找。 多条正街名称牌分别改为 ：
西 24 百米花园东路、 西 24 百米北太平庄路、 西 23 百米新街口外大街、
西 22 百米新街口内大街、 西 21 百米新街口南大街、 西 21 百米西四北大街、
西 21 百米西四南大街、 西 20 百米西单北大街、 西 20 百米宣武门内大街、
西 20 百米宣武门外大街、 西 20 百米菜市口大街、 西 20 百米开阳路、
西 22 百米马家堡西路。
正街名称牌 “西单北大街” 改为 “西 20 百米西单北大街” ， 如图 5 所示， 在 “方向公里 格地图” 上， 很容易查找到正街的位置。正街名称牌改为 “方向百米正街名称牌” 实现了正 街名称数字化， 既方便查找， 又不改变正街名称， 便于对道路名称文化遗产的保护。
8、 在道路旁或道路中心隔离带增设方向公里牌， 计算结果见表 3， 方向公里牌如图 6 所示。
9、 制作方向里程牌
用方向里程坐标的数据， 制作方向里程牌。 方向里程牌材质与式样与现有楼牌号、 门牌号、 道路标志牌相同。 也可以个别设计。 道路两侧的方向里程牌可用不同的颜色， 例如， 一侧为蓝底白字， 一侧为绿底白字， 看方向里程牌的颜色， 就知道行驶的方向， 很醒目。
10、 安装方向里程牌
方向里程牌工程， 是政府便民工程、 是解决方便门牌号查找技术难题的创新工程、 是城市地图位置坐标化、 地图标注数表化的创新工程， 建议由政府组织立项， 组织安装。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式， 对于本领域内的技术人员而言， 在本 发明公开了应用方法和原理的基础上， 很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本 发明上述具体实施方式所描述的方法， 因此前面描述的方式只是优选的， 而并不具有限制 性的意义。