ArcGIS中坐标系统详解doc.docx

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ArcGIS中坐标系统详解doc

ArcGIS的地理坐标系与大地坐标系

        一直以来，总有很多朋友针对地理坐标系、大地坐标系这两个概念吃不透。

近日，在网上看到一篇文章介绍它们，非常喜欢。

所以在此转发一下，希望能够对制图的朋友们有所帮助。

       地理坐标：

为球面坐标。

参考平面地是椭球面,坐标单位:

经纬度

       大地坐标：

为平面坐标。

参考平面地是水平面,坐标单位：

米、千米等

       地理坐标转换到大地坐标的过程可理解为投影。

（投影：

将不规则的地球曲面转换为平面）

       在ArcGIS中预定义了两套坐标系：

地理坐标系（Geographiccoordinatesystem）投影坐标系（Projectedcoordinatesystem）

1、首先理解地理坐标系（Geographiccoordinatesystem），Geographiccoordinatesystem直译为地理坐标系统，是以经纬度为地图的存储单位的。

很明显，Geographiccoordinatesystem是球面坐标系统。

我们要将地球上的数字化信息存放到球面坐标系统上，如何进行操作呢？

地球是一个不规则的椭球，如何将数据信息以科学的方法存放到椭球上？

这必然要求我们找到这样的一个椭球体。

这样的椭球体具有特点：

可以量化计算的。

具有长半轴，短半轴，偏心率。

以下几行便是Krasovsky_1940椭球及其相应参数。

Spheroid:

Krasovsky_1940

SemimajorAxis:

6378245.000000000000000000

SemiminorAxis:

6356863.018773047300000000

InverseFlattening（扁率）:

298.300000000000010000

然而有了这个椭球体以后还不够，还需要一个大地基准面将这个椭球定位。

在坐标系统描述中，可以看到有这么一行：

Datum:

D_Beijing_1954表示，大地基准面是D_Beijing_1954。

--------------------------------------------------------------------------------

有了Spheroid和Datum两个基本条件，地理坐标系统便可以使用。

完整参数：

Alias:

Abbreviation:

Remarks:

AngularUnit:

Degree（0.017453292519943299）

PrimeMeridian（起始经度）:

Greenwich（0.000000000000000000）

Datum（大地基准面）:

D_Beijing_1954

Spheroid（参考椭球体）:

Krasovsky_1940

SemimajorAxis:

6378245.000000000000000000

SemiminorAxis:

6356863.018773047300000000

InverseFlattening:

298.300000000000010000

2、接下来便是Projectioncoordinatesystem（投影坐标系统），首先看看投影坐标系统中的一些参数。

Projection:

Gauss_Kruger

Parameters:

False_Easting:

500000.000000

False_Northing:

0.000000

Central_Meridian:

117.000000

Scale_Factor:

1.000000

Latitude_Of_Origin:

0.000000

LinearUnit:

Meter（1.000000）

GeographicCoordinateSystem:

Name:

GCS_Beijing_1954

Alias:

Abbreviation:

Remarks:

AngularUnit:

Degree（0.017453292519943299）

PrimeMeridian:

Greenwich（0.000000000000000000）

Datum:

D_Beijing_1954

Spheroid:

Krasovsky_1940

SemimajorAxis:

6378245.000000000000000000

SemiminorAxis:

6356863.018773047300000000

InverseFlattening:

298.300000000000010000

       从参数中可以看出，每一个投影坐标系统都必定会有GeographicCoordinateSystem。

       投影坐标系统，实质上便是平面坐标系统，其地图单位通常为米。

       那么为什么投影坐标系统中要存在坐标系统的参数呢？

       这时候，又要说明一下投影的意义：

将球面坐标转化为平面坐标的过程便称为投影。

       好了，投影的条件就出来了：

       a、球面坐标

       b、转化过程（也就是算法）

       也就是说，要得到投影坐标就必须得有一个“拿来”投影的球面坐标，然后才能使用算法去投影！

即每一个投影坐标系统都必须要求有GeographicCoordinateSystem参数。

关于北京54和西安80是我们使用最多的坐标系

        先简单介绍高斯-克吕格投影的基本知识，了解就直接跳过，我国大中比例尺地图均采用高斯-克吕格投影，其通常是按6度和3度分带投影，1:

2.5万－1:

50万比例尺地形图采用经差6度分带，1:

1万比例尺的地形图采用经差3度分带。

具体分带法是：

6度分带从本初子午线开始，按经差6度为一个投影带自西向东划分，全球共分60个投影带，带号分别为1－60；3度投影带是从东经1度30秒经线开始，按经差3度为一个投影带自西向东划分，全球共分120个投影带。

        为了便于地形图的测量作业，在高斯-克吕格投影带内布置了平面直角坐标系统，具体方法是，规定中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点，x值在北半球为正，南半球为负，y值在中央经线以东为正，中央经线以西为负。

由于我国疆域均在北半球，x值均为正值，为了避免y值出现负值，规定各投影带的坐标纵轴均西移500km，中央经线上原横坐标值由0变为500km。

为了方便带间点位的区分，可以在每个点位横坐标y值的百千米位数前加上所在带号，如20带内A点的坐标可以表示为YA=20745921.8m。

        在CoordinateSystems\ProjectedCoordinateSystems\GaussKruger\Beijing1954目录中，我们可以看到四种不同的命名方式：

        Beijing19543DegreeGKCM75E.prj

        Beijing19543DegreeGKZone25.prj

        Beijing1954GKZone13.prj

        Beijing1954GKZone13N.prj

        对它们的说明分别如下：

        三度分带法的北京54坐标系，中央经线在东75度的分带坐标，横坐标前不加带号

        三度分带法的北京54坐标系，中央经线在东75度的分带坐标，横坐标前加带号

        六度分带法的北京54坐标系，分带号为13，横坐标前加带号

        六度分带法的北京54坐标系，分带号为13，横坐标前不加带号

        在CoordinateSystems\ProjectedCoordinateSystems\GaussKruger\Xian1980目录中，文件命名方式又有所变化：

        Xian19803DegreeGKCM75E.prj

        Xian19803DegreeGKZone25.prj

        Xian1980GKCM75E.prj

        Xian1980GKZone13.prj

        西安80坐标文件的命名方式、含义和北京54前两个坐标相同，但没有出现“带号+N”这种形式，为什么没有采用统一的命名方式？

让人看了有些费解。

        大地坐标（GeodeticCoordinate）:

大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标。

地面点P的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。

当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地纬度表示。

大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的夹角，大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角，大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。

        方里网:

是由平行于投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网。

因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称之为方里网，由于方里线同时又是平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网。

        在1：

1万——1：

20万比例尺的地形图上，经纬线只以图廓线的形式直接表现出来，并在图角处注出相应度数。

为了在用图时加密成网，在内外图廓间还绘有加密经纬网的加密分划短线（图式中称“分度带”），必要时对应短线相连就可以构成加密的经纬线网。

1：

25万地形图上，除内图廓上绘有经纬网的加密分划外，图内还有加密用的十字线。

        我国的1：

50万——1：

100万地形图，在图面上直接绘出经纬线网，内图廓上也有供加密经纬线网的加密分划短线。

        直角坐标网的坐标系以中央经线投影后的直线为X轴，以赤道投影后的直线为Y轴，它们的交点为坐标原点。

这样，坐标系中就出现了四个象限。

纵坐标从赤道算起向北为正、向南为负；横坐标从中央经线算起，向东为正、向西为负。

        虽然我们可以认为方里网是直角坐标，大地坐标就是球面坐标。

但是我们在一副地形图上经常见到方里网和经纬度网，我们很习惯的称经纬度网为大地坐标，这个时候的大地坐标不是球面坐标，她与方里网的投影是一样的（一般为高斯投影），也是平面坐标。

地图投影系列介绍

（一）_地球空间模型

    在之前的博文中，为大家介绍过ArcGIS中的地理坐标系和投影坐标系（或称大地坐标系）（

1、现实世界和坐标空间的联系

    任何空间特征都表示为地球表面的一个特定位置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。

    通过统一的坐标系和高程系，可以使不同源的GIS数据叠加在一起显示，以及执行空间分析。

2、地球空间模型描述

    为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型，这是进行大地测量的前提。

根据大地测量学的成果，地球表面几何模型可以分为三类：

     1）第一类是地球的自然表面。

     2）第二类是相对抽象的面，即大地水准面，可用来代表地球的物理化形状。

其中大地水准面包围的球体，叫大地球体，是对地球形体的一级逼近。

     地球上有71%的海洋面积，因此可以假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的曲面，这就是大地水准面。

它是重力等位面。

     3）第三类是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。

    大地水准面虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的，且形状接近一个扁率极小的椭圆绕短轴旋转所形成的规则椭球体，这个椭球体称为地球椭球体。

其表面是一个规则数学表面，可用数学公式表达，所以在测量和制图中用它替代地球的自然表面。

地球形体的二级逼近。

     地球椭球体有长半径a（赤道半径）和短半径b（极半径）之分，f为椭圆的扁率。

a、b、f是其三要素，决定地球椭球体的形状和大小。

     各种地球椭球体模型（参考椭球体，下面会介绍）如下图所示。

     我国1952年以前采用海福特椭球体，从1953年起采用克拉索夫斯基椭球体。

1978年我国决定采用新椭球体GRS（1975），并以此建立了我国新的、独立的大地坐标系，对应ArcGIS里面的Xian_1980椭球体。

从1980年开始采用新椭球体GRS（1980），这个椭球体参数与ArcGIS中的CGCS2000椭球体相同。

    地球椭球体视为球体：

制作小比例尺地图时（小于1:

500万），因缩小程度很大，可以把地球视为球体，忽略地球扁率。

计算更简单，半径约为6371千米。

    地球椭球体视为椭球体：

制作大比例尺地图时（大于1:

100万），为保证精度，必须将地球视为椭球体。

地图投影系列介绍

（二）_地理坐标系

 3、地理坐标系

     地球的形状与大小确定之后，还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系，这项工作称为椭球定位与定向。

与大地水准面符合得最好的一个地球椭球体，称为参考椭球体，是地球形体三级逼近。

     说到这里，我们需要对这几个词汇做区分：

      球体：

小比例尺，视作球体。

      椭球体/旋转椭球体：

大比例尺，两个概念不区分。

      地球椭球体：

限地球椭球体模型。

      参考椭球体：

定位相关，与局部或全局大地水准面最为吻合的椭球体模型。

  3.1大地基准面

     大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。

ArcGIS中，基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。

大地基准面分为地心基准面、区域基准面。

    地心基准面：

由卫星数据得到，使用地球的质心作为原点，使用最广泛的是WGS1984。

    区域基准面：

特定区域内与地球表面吻合，大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点，例如Beijing54、Xian80。

    每个国家或地区均有各自的大地基准面。

我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。

相对同一地理位置，不同的大地基准面，它们的经纬度坐标是有差异的。

    椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系。

因为基准面是在椭球体的基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面。

    在目前的GIS商用软件中，大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义，即：

      –三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值。

      –三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时，分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角。

      –最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。

    Beijing54、Xian80相对WGS84的转换参数至今也没有公开，实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与WGS84坐标值的转换，在只有一个已知控制点的情况下（往往如此），用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数，当工作区范围不大时，如青岛市（10654平方公里），精度也足够了。

  3.2地理坐标系建立

    地理坐标系（大地坐标系）是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。

地面点的位置用经度、纬度、和大地高度表示。

大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。

    参心大地坐标系：

指经过定位与定向后，地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。

区域性大地坐标系。

是我国基本测图和常规大地测量的基础。

如Beijing54、Xian80。

    地心大地坐标系：

指经过定位与定向后，地球椭球的中心与地球质心重合。

如CGCS2000、WGS84。

    建立地理坐标系的过程如下：

    i.选择一个椭球体：

Krasovsky_1940椭球体。

    ii.椭球定位与定向利用“Datum:

D_Beijing_1954”大地基准面将这个椭球定位。

    有了Spheroid和Datum两个基本条件，就确定了大地基准面，地理坐标系统便也可以确定，即经纬度。

  3.3我国常用地理坐标系

名称

类型

介绍

缺点

优点与意义

Beijing54

参心坐标系

1954年，我国将原苏联采用克拉索夫斯基椭球元素建立的坐标系，联测并经平差计算引申到我国，以北京为全国大地坐标原点，确定了过渡性大地坐标系。

参考椭球长半轴偏长；椭球基准轴定向不明确；椭球面与我国境内的大地水准面不太吻合，东部高程异常可达68米；点位精度不高。

Xian80

参心坐标系

1978年，采用新的椭球体参数GRS（1975），以陕西省西安市以北泾阳县永乐镇某点为国家大地坐标原点，进行定位和测量工作，通过全国天文大地网整体平差计算，建立了全国统一的大地坐标系。

与当今社会发展存在的矛盾：

①坐标维的矛盾：

随着卫星定位导航技术在我国的广泛使用，二维不能适应现代的三维定位技术；②精度的矛盾：

卫星定位技术可达10-7～10-8的点位相对精度，而西安80系只能保证3×10-6；③坐标系统（框架）的矛盾：

数字地球的发展要求用户需要提供与全球总体适配的地心坐标系统。

椭球体参数精度高；定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合好；天文大地坐标网传算误差和天文重力水准路线传算误差都不太大，而且天文大地坐标网坐标经过了全国性整体平差，坐标统一，精度优良，可以满足1：

5000甚至更大比例尺测图的要求等

CGCS2000

地心坐标系

2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。

——地球椭球参数如下：

ü 长半轴a＝6378137m

ü 扁率f＝1/298.257222101

ü 地心引力常数GM＝3.986004418×1014m3s-2

ü 自转角速度ω＝7.292115×10-5rads-1

采用2000国家大地坐标系将促进航天、海洋、地震、地质、国土等领域的科学研究，提供以全球参考的、全国统一的、协调一致的坐标系统。

采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在我国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。

采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。

车载、船载实时定位获取的精确的三维坐标。

卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好。

WGS84

地心坐标系

目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标系统，WGS84基准面采用WGS84椭球体。

目前的商用GIS也多采用此坐标系统。

    ArcGIS中这4个地理坐标系的定义如下：

  3.4我国常用高程系

    大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置，这种位置包括两个方面：

一是点在地球椭球面上的平面位置，即经度和纬度；二是确定点到大地水准面的高度，即高程。

    高程控制网的建立，必须规定一个统一的高程基准面。

我国利用青岛验潮站1950～1956年的观测记录，确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面，并在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。

以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统，统称“1956年黄海高程系”。

    1987年，因多年观测资料显示，黄海平均海平面发生了微小的变化，由原来的72.289m变为72.260m，国家决定启用新的高程基准面，即“1985年国家高程基准”。

高程控制点的高程也发生微小的变化，但对已成图上的等高线的影响则可忽略不计。

    国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统。

按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。

目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为416619．1公里。

地图投影系列介绍（三）_地图投影

4、地图投影

  4.1投影实质

    将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。

    为什么要进行投影？

      –地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算。

      –地球椭球体为不可展曲面。

      –地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析。

    投影的实质：

经纬度坐标—>笛卡儿平面直角坐标系

    建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系如下图。

当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。

  4.2投影分类

    地球椭球表面是一种不可能展开的曲面，要把这样一个曲面表现到平面上，就会发生裂隙或褶皱。

在投影面上，可运用经纬线的“拉伸”或“压缩”（通过数学手段）来加以避免，以便形成一幅完整的地图。

但不可避免会产生变形。

    地图投影的变形通常有：

长度变形、面积变形和角度变形。

在实际应用中，根据使用地图的目的，限定某种变形。

    按变形性质分类：

      –等角投影：

角度变形为零（Mercator）

      –等积投影：

面积变形为零（Albers）

      –任意投影：

长度、角度和面积都存在变形

      其中，各种变形相互联系相互影响：

等积与等角互斥，等积投影角度变形大，等角投影面积变形大。

    从投影面类型划分：

      –横圆柱投影：

投影面为横圆柱

      –圆锥投影：

投影面为圆锥

      –方位投影：

投影面为平面

    从投影面与地球位置关系划分为：

      –正轴投影：

投影面中心轴与地轴相互重合

      –斜轴投影：

投影面中心轴与地轴斜向相交

      –横轴投影：

投影面中心轴与地轴相互垂直

      –相切投影：

投影面与椭球体相切

      –相割投影：

投影面与椭球体相割

  4.3投影选择

    选择地图投影时，主要考虑因素

      –制图区域的范围、形状和地理位置（主要因素）