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  • 一、我国常用坐标系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...
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    上一篇我们介绍了空间坐标和地图投影。本篇我们以国内常用的54,80,2000坐标系统为例,介绍各坐标系统的区别与联系。

    一、我国常用坐标系

    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。

    01

    北京54坐标系(BJZ54) 

     北京54坐标系为参心坐标系,大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位,它是以克拉索夫斯基椭球为基础,经局部平差后产生的坐标系。北京54坐标系采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数,并与前苏联1942年坐标系进行联测,通过计算建立了我国大地坐标系, 1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。

    北京54坐标系,属参心坐标系,长轴6378245m,短轴6356863,扁率1/298.3。

    02

    西安80坐标系  

    1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议,确定重新定位,建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据,即IAG75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇,位于西安市西北方向约60公里,故称1980年西安坐标系,又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952~1979年确定的黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。 

    西安80坐标系,属参心坐标系,长轴6378140m,短轴6356755,扁率1/298.25722101

    03

    2000国家大地坐标系  

    英文缩写为CGCS2000。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。

    2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下:长半轴a=6378137m,扁率f=1/298.257222101, 地心引力常数GM=3.986004418×1014m3s-2 自转角速度ω=7.292l15×10-5rads-1。

    04

    WGS-84坐标系 

    WGS-84坐标系(World Geodetic System)是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心,其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局(BIH)1984.0定义的协议地极(CTP)方向,X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系,称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统(ITRS),是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。 

    WGS84坐标系,长轴6378137.000m,短轴6356752.314,扁率1/298.257223563。  由于采用的椭球基准不一样,并且由于投影的局限性,使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大,有条件的话,一般都采用GPS联测已知点,应用GPS软件自动完成坐标的转换。

    二、通用GIS软件中的常用坐标系投影方式

    我们看一下在ArcGIS中,关于坐标系的区别:

    在ArcGIS的Coordinate Systems目录下,分为Geographic Coordinate Systems 和Projected Coordinate Systems,如下

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    分别表示地理坐标系统和投影坐标系统,以西安80为例,坐标系统文件命名方式有以下几种:

    ? GCS_Xian_1980 (EPSG:4610)

    ? Xian 1980 3 Degree GK CM 75E (EPSG:2370)

    ? Xian 1980 3 Degree GK Zone 25 (EPSG:2349)

    ? Xian 1980 GK CM 75E (EPSG:2338)

    ? Xian 1980 GK Zone 13 (EPSG:2327)

    分别对其解释如下:

    GCS_Xian_1980:西安80地理坐标系,标识为4610

    Xian 1980 3 Degree GK CM 75E:三度分带法的西安80坐标系,投影方式为高斯-克吕格投影,中央经线在东经75度,横坐标前加带号。

    Xian 1980 3 Degree GK CM 75E:三度分带法的西安80坐标系,投影方式为高斯-克吕格投影,横坐标前加带号。

    Xian 1980 GK CM 75E:六度分带法的西安80坐标系,投影方式为高斯-克吕格投影,中央经线为东经75度,横坐标前不加带号。

    Xian 1980 GK Zone 13:六度分带法的西安80坐标系,投影方式为高斯-克吕格投影,横坐标前加带号。

    同样的,我们可以以这种方法来区分北京54坐标系和CGCS2000在软件中的表示。

    接下来我们以实际的地理位置(本文以武汉大学珞珈山为例),查看不同投影坐标系的显示方式:

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    坐标系

    东坐标

    北坐标

    Xian 1980 3 Degree GK CM 114E

    3379772.618

    534945.1555

    Xian 1980 3 Degree GK Zone 38

    3379772.618

    38534945.16

    Xian 1980 GK CM 117E 

    3382664.038

    247012.8279

    Xian 1980 GK Zone 20

    3382664.038

    20247012.83

    上表可以看出同一个地理位置,表示方法是不一样的,大家平时需要注意这个问题。

    三、通过坐标推断投影带类型

    在工作中,我们可能会遇到将一些地图文件(如CAD文件)导入到ArcGIS中,现在我们可以根据上面的规则来推断它的类型。以上文中的位置为例,地图上某个点的坐标为:

    3382664.038,20247012.83

    这时我们可以检查它的横坐标,为20247012.83,显而易见横坐标前面有带号且带号为20。西安80的三度带范围为25至45,六度带范围为13至23。因此我们可以判断此地图文件的投影带为六度带,且带号为20,并可进一步推出它的中央经线为东经117度。

    我们再来看一个坐标点:

    3379772.618,534945.1555

    它的横坐标前是不加带号的,此时我们可以通过比例尺来判断,我国规定,一般对于1:2.5万~1:10万的地图采用六度带,对于1:1万或更大比例尺的地形图采用三度带。因此这类地图文件可以检查比例尺大小来判断地图是六度带还是三度带。

    结束语:

    坐标系的选用在测绘工作中十分重要,当然熟悉坐标系统知识也是我们测绘工作者的基本要求。近几年,随着测绘科学的发展,3S技术相继引入,作业难度降低,测绘精度逐步提高。国内测绘部门先后采用了几种坐标系统,为了充分利用现有测绘数据,节约成本,我们需要掌握坐标转换方法,在下一期的文章中,我们将带来我国常用坐标系的转换方法。

    注释1—— 参心坐标系、地心坐标系

    物体均有其质心,处处密度相等的物体的质心在其几何中心。所以,地球只有一个质心,只是测不测的精确的问题而已。由地球的唯一性和客观存在,以地球质心为旋转椭球面的中心的坐标系,叫地心坐标系,且唯一。当然,由于a、b两个值的不同,就有多种表达方式,例如,CGCS2000系,WGS84系等。(注:地心坐标系又名协议地球坐标系,与GPS中的瞬时地球坐标系要对应起来。)但是又有一个问题——政治问题,地图是给一个国家服务的,那么这地图就要尽可能描述准确这个国家的地形地貌,尽量减小误差,至于别国就无所谓。所以,就可以人为的把地球的质心“移走”,将局部的表面“贴到”该国的国土,使之高程误差尽量减小到最小。这个时候,就出现了所谓的“参心坐标系”。即椭球中心不在地球质心的坐标系。

    我国常用的参心系及对应椭球:

    ?北京54坐标系:克拉索夫斯基椭球体

    ?西安80坐标系:IAG75椭球体

    我国常用的地心系及对应椭球:

    ?WGS84坐标系:WGS84椭球体

    ?CGCS2000坐标系:CGCS2000椭球体

    (事实上,CGCS2000椭球和WGS84椭球极为相似,偏差仅有0.11mm,完全可以兼容使用)

    注释2——EPSG:

    European Petroleum Survey Group (EPSG),负责维护并发布坐标参照系统的数据集参数,以及坐标转换描述,该数据集被广泛接受并使用。目前已有的椭球体,投影坐标系等不同组合都对应着不同的ID号,这个号在EPSG中被称为EPSG code,它代表特定的椭球体、单位、地理坐标系或投影坐标系等信息。

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  • 我国常用的地理和投影坐标系的WKID 实用于GIS的网页开发 我国常用的地理和投影坐标系的WKID 实用于GIS的网页开发
  • 中国常用坐标系.zip

    2019-08-25 11:56:54
    高斯投影:北京1954坐标系、西安1980坐标系、CGCS2000坐标系 地理坐标:北京1954坐标系、西安1980坐标系、CGCS2000坐标系 高程坐标:黄海1985、1965
  • 摘要:非测绘专业以及学艺不精的测绘人员对经纬度、投影带、带号、假东、假北、比例因子、高斯克吕格3度分带投影、高斯克吕格6度分带投影、墨卡托投影、通用横轴墨卡托投影...,经常需要从经纬度数据转换到投影坐标系...

     

    作者:崔欣

    单位:中国石油天然气管道工程有限公司

     

    摘要:非测绘专业以及学艺不精的测绘人员对经纬度、投影带、带号、假东、假北、比例因子、高斯克吕格3度分带投影、高斯克吕格6度分带投影、墨卡托投影、通用横轴墨卡托投影等专业名词通常不大熟悉,而现在工程数据来源丰富,坐标系也不统一,经常需要从经纬度数据转换到投影坐标系,这就让人越发不知所措。即使有专业GIS软件,也不知道如何选取参数,更不了解参数的影响,只能求助专业人员,而这个工作本身技术含量并不高,仅需要少数容易理解的参数便可以实现自动转换,从而解放很多人的大脑,将时间和精力放在更需要的地方。

     

    1 背景

    在设计院这样专业众多,根据设计需求和用途,又需要采用不同坐标系的单位,其实只有长期从事测绘工作的专业人员才会对坐标系信息的相关知识信手拈来,轻松容易的进行坐标转换,大多数工程勘察设计人员虽然用了坐标,但对于所谓的投影方式、分带、假东、假北一概不明白,在独自需要将经纬度坐标的数据转换到工程项目使用的投影坐标系时感到棘手,看不懂专业软件的参数设置,不明白坐标系名称命名的含义。可能只是一个坐标点的转换,就需要跨专业找人帮忙,一来一回,许多时间和精力都耽搁了。还有许多工程设计人员在踏勘现场习惯采用奥维等软件提示目的地、标注现场调绘信息,在从手机中提取出来时不知道怎么才能将数据转换到工程项目的那个投影坐标系中。更棘手的是,长输管道通常上千公里,一个项目跨几个投影带都是常有的事,虽然采用的投影方式相同,但投影坐标系涉及好几个,一个不留神数据就放错位置了。

    考虑到非测绘专业人员对坐标系专业词汇的了解有限,有些甚至可以用更直白的方式表达,而国内外工程项目常用的投影方式有限,针对这部分情况,可以根据经纬度下数据本身的信息加上目标投影坐标系的投影方式、假东是否含带号等三两个关键信息,编制对数据进行自动裁切和重投影的FME工具,节约人力成本,解放非测绘专业人员。

    2 原理

    长输管道国内项目常用CGCS2000高斯克吕格3度投影坐标系,偶尔用6度投影坐标系,而国外项目常用WGS84 UTM投影坐标系,因此这些地心坐标系是可以利用地理坐标的经纬度信息、目标坐标系的大地基准和投影方式,自动计算坐标点所在投影带的中央经线,获取投影坐标系参数,实施二维坐标转换。对于坐标范围跨带的数据,在获取投影坐标系参数后,构建每个投影带的范围,对数据进行裁切,裁切后的数据按照所处位置自动投影,实现坐标转换。

    本工具仅需要支持国际标准坐标系中WGS84(EPSG:4326)和CGCS2000(EPSG:4490)两种地理坐标系自动转换到WGS 84 UTM投影坐标系、CGCS2000高斯3度和6度投影坐标系即可满足绝大多数工程项目的需求。而WGS84和CGCS2000大地基准面都属于地心参考系,因此可以自动实现高精度的转换。

    通过纬度值确认南北半球,北半球为正值,南半球为负值。通过经度值确定东西经,西经为负,东经为正。

     

    3 转换流程

    3.1 总体思路

    数据格式可能有多种,但自动重投影的操作是相同的。考虑到工程项目中搜集了不少Shapefile格式的数据,因此制作了shapefile格式到shapefile的自动重投影工具。具体FME流程如下图所示。

    3.2 生成投影带范围

    自动转换的关键是需要自动获得需要向哪个坐标系进行转换以及该投影坐标系的范围。

    3.2.1 初步信息

    根据数据的最小外界矩形和目标坐标系的投影方式推算数据涉及的南北半球、投影带范围和带宽。

    通过源数据可以获得数据最小外界矩形,由此可知道数据的范围。最小外界矩形信息用Xmin、Xmax、Ymin、Ymax、Zmin、Zmax这六个参数描述,因此按照公式(3)、(6)、(9)可以获得在目标投影方式下涉及到的投影带范围:

     

    目标投影方式的带宽:

    南北半球信息:

    上述四个属性值的创建和计算使用AttributeCreator即可完成,赋值采用条件赋值方式即可。

    3.2.2 构建投影带要素

    根据投影带带号范围和南北半球信息为每个投影带新建一个不含几何结构的要素,初始属性信息包括带号、南北半球。

    对于数据范围全部在北半球或者南半球的源数据,对应生成的投影带要素数量为(ZoneMax-ZoneMin)+1。对于数据范围横跨南北两个半球的源数据,对应生成的投影带要素数量则为(ZoneMax-ZoneMin)+1的两倍。因为同一条经线在南北两个半球分别为两个投影带的中央经线,且分属南北半球的这两个投影带的带号数字也相同,需要南北半球信息确定投影坐标系统,因此构建投影带要素时初始信息需要带号(仅包含数字部分)和南北半球两个信息来唯一确定。

    在FME中创建投影带要素需要从无到有,因此在自定义转换器中利用循环进行创建,从ZoneMin到ZoneMax,步长为1。当数据横跨南北半球时,需要复制一份投影带要素并将两组相同要素的南北半球信息分别设置为南半球和北半球。

    3.2.3 计算中央经线

    根据投影带号和投影方式计算中央经线。使用转换器AttributeCreator创建每个投影带要素的中央经线属性,并按照公式(2)、(5)、(8) 赋值:

    3.2.4 绘制投影带范围

    根据中央经线、投影带宽度、最大y值和最小y值绘制每个投影带的经纬度矩形。使用VertexCreator转换器依次创建四个角点(ZoneXmin,ZoneYmin)、(ZoneXmin,ZoneYmax)、(ZoneXmax,ZoneYmax)、(ZoneXmax,ZoneYmin)。为了使创建的图形闭合,需再多使用一次VertexCreator转换器,坐标为(ZoneXmin,ZoneYmin),最终得到闭合的图形范围。

    3.3 计算EPSG编号

    EPSG全称为European Petroleum Survey Group,成立于1986年,在2005年重组为OGP(Internation Association of Oil & Gas Producers),负责维护并发布坐标参考系统的数据集参数以及坐标转换描述。目前绝大多数椭球体、投影坐标系统等都在EPSG进行了注册,分配了相应的ID,这个ID便是EPSG编号。而OGC标准中空间参考系统的SRID(Spatial Reference System Identifier)与EPSG编号相一致,因此符合OGC标准的数据其坐标系统都具有对应EPSG编号,通过EPSG编号可以确定唯一的坐标系统。

    在FME中,坐标系变量可以通过字符串“EPSG:<EPSG Code>”直接确定对应的坐标系统,即在Reprojector转换器中目标坐标系参数可以直接填写对应的EPSG编号。而对于多个要素需要转换到不同坐标系,只需要将每个要素的目标坐标系的EPSG编号存储在属性中,在Reprojector转换器的Destination Coordinate System参数中选择对应的属性名称即可实现批量自动转换。因此,对于自动重投影工作来说,另一个要点是确定每个投影带要素的EPSG编号。

    幸运的是,在EPSG数据库中,CGCS2000高斯克吕格三度分带投影坐标系和六度分带投影坐标系、WGS84 UTM投影坐标系的编号都是连续且有序的(根据带号从小到大依次编号),即:

    1. EPSG:4491~4501,对应CGCS2000高斯克吕格六度分带投影坐标系,东坐标有带号,北半球坐标系;
    2. EPSG:4502~4512,对应CGCS2000高斯克吕格六度分带投影坐标系,东坐标无带号,北半球坐标系;
    3. EPSG:4513~4533,对应CGCS2000高斯克吕格三度分带投影坐标系,东坐标有带号,北半球坐标系;
    4. EPSG:4534~4554,对应CGCS2000高斯克吕格六度分带投影坐标系,东坐标无带号,北半球坐标系;
    5. EPSG:32601~32660,对应WGS84 UTM投影坐标系,东坐标无带号,北半球坐标系;
    6. EPSG:32701~32760,对应WGS84 UTM投影坐标系,东坐标无带号,南半球坐标系;

    这也是为什么投影带要素的初始信息中包含了带号、南北半球信息,加上工具运行之初要求给出的投影方式有无投影带号两个参数,便可计算得到投影坐标系的EPSG编号:

    在计算出来的编号前加上字符串“EPSG:”即得到所需要的属性值。

    3.4 裁切数据

    裁切数据使用Clipper转换器,源数据是其Clippee,而投影带要素是其Clipper。Clipper Type选择“Multiple Clippers”。Inside端口输出的要素是在每个Clipper范围内的Clippees,即为在每个投影带中的要素集合。利用Clipper属性合并参数即可获得每个要素的目标投影坐标系信息,因此需要勾选Merge Attributes,在Clipper的属性前加上前缀字段“CSInfo_”以防止冲突。。

    由于裁切数据可能会使数据的几何结构由原来简单的单线、单面要素变为多线、多面要素。在FME中Mulit-几何结构和对应单个几何结构的FME type是相同的,当输出文件是Shapefile等一个文件只能存储一种类型的单图层文件时,为了保证所有要素都能输出,可利用FME type属性指导输出路径,而不是利用Geometry type属性。FME type是FME内置属性,因此需要使用Attribute Exposer转换器进行暴露后方可在数据流中调用。

    3.5 批量重投影

    由于原坐标系和目标坐标系均为地心坐标系,因此使用Reprojector转换器即可满足需求。前述流程已经确定了每个要素的目标投影坐标系,在Reprojector转换器的设置对话框中将Destination Coordinate System参数选择为“CSInfo_EPSG”属性即可进行批量自动的重投影转换了。

    4 应用

    长输管道工程项目线路设计工作以行政区划的县界划分设计段,而管道设计院的工程项目遍布全国,因此数据库中行政区划图层为全国范围数据,存储在CGCS2000地理坐标系中。对于在投影坐标系中进行设计工作的设计人员来说,需要将所需行政区划数据转换到投影坐标系中,而长输管道通常上千公里长,跨多个投影带,此部分工作将花费不少精力进行选择和投影,甚至需要安装平时都用不到的专业GIS软件。经纬度坐标自动重投影工具转换全国省级行政区划数据到CGCS2000高斯克吕格三度投影坐标仅需4秒钟,既不需要专业的人员操作,也不需要安装庞大复杂且昂贵的GIS软件。

    对于从互联网获取的POI管道敏感兴趣点信息,一般都存储在WGS84经纬度坐标中,对于只习惯于使用CAD的设计人员来说,本工具自动重投影后的数据增加其CAD样式便可输出到CAD格式中,便于设计人员使用。

    对于不懂坐标的设计人员,探勘时也会在手机地图(奥维地图或踏勘数据采集终端)上标注一些信息,这些信息也均是在WGS84经纬度坐标中的,而工程项目数据资料和最终成果的坐标系均要求在投影坐标系中,经纬度坐标自动重投影工具可大大减轻设计人员在上述问题上花费的时间和精力。

     

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  • 对于坐标系坐标系之间转换的记录是油生已久的想法,总的来说,坐标系这个概念从毕业以后,参与的两份工作中都离不开它。 由于相关内容较多,重点按照链接在后面介绍中一一做记录。 坐标系是用于表示地理要素、...

    对于坐标系和坐标系之间转换的记录是油生已久的想法,总的来说,坐标系这个概念从毕业以后,参与的两份工作中都离不开它。

               由于相关内容较多,重点按照链接在后面介绍中一一做记录

    坐标系是用于表示地理要素、影像和观测结果的参考系统。每个坐标系通常有测量框架、测量单位、测量属性等相关问题的定义。

    首先给出名词解释:       


                                                                                                                                            

    地理坐标系统(Geographic Coordinate System):

    是一种球面坐标,地理坐标系统是使用经纬度来定义球面或椭球面上点的位置的参照系统,是一种球面坐标。最常见的位置参考坐标系统就是以经纬度来量算的球面坐标系统。地球坐标系统不是地图投影,只是对球体或椭球体的模仿。地理坐标系统有经线和纬线组成,经纬度以地心与地表点之间的夹角来量算的,通常以度分秒(DMS)来度量。地理坐标系统使用一个三维椭球体来定义地球上的位置,其经常被误认为是一个数据,但是数据仅仅是地理坐标系统的一部分,地理坐标系统包括角度单位、本初子午线和数据(数据是基于椭球体)。地理坐标系统参数必须具备Spheroid和Datum两个基本条件,系统才算完整。

    投影坐标系统(Projection Coordinate System):

    是平面坐标,在球面坐标上进行测量非常困难,所以地理数据通常都要投影到平面坐标上。投影坐标系统是定义在一个二维平面的坐标系统,与地理坐标系统不同的是,投影坐标系统在二维平面上有着恒定的长度、角度和面积,投影坐标系统总是基于地理坐标系统,而地理坐标系统又是基于球体或椭球体。在投影坐标系统中,以网格中心为原点,使用x,y坐标来定位,每个位置用两个值确定(水平方向和垂直方向)                                                                               ---------------------来自百度

    地图投影

    实际上是一种三维平面到二维平面的转换方式,换句话说,地图投影旨在建立地表点与投影表面之间的一一对应关系,地图投影即可是表示整个地表,也可表示其中的一部分。地图投影在早期是指将光源透过椭球体照射到二维平面上来实现这一过程、由于地球椭球体是不可展曲面,不可能用物理的方法将其展为平面。所以用地图投影方法。地图投影,就是按照一定的数学法则,将地球椭球面上的经纬网转换到平面上,使地面点的地理坐标与地图上相应点的平面直角坐标或平面极坐标间,建立一一对应的函数关系。                                                                                                                        ---------------------来自百度

    参心坐标系(reference-ellipsoid-centric coordinate system):

    是以参考椭球的几何中心为原点的大地坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。

    通常分为:参心空间直角坐标系(以x,y,z为其坐标元素)和参心大地坐标系(以B,L,H为其坐标元素)。参心坐标系是在参考椭球内建立的O-XYZ坐标系。原点O为参考椭球的几何中心,X轴与赤道面和首子午面的交线重合,向东为正。Z轴与旋转椭球的短轴重合,向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成右手系。在测量中,为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标,通常须选取一参考椭球面作为基本参考面,选一参考点作为大地测量的起算点(大地原点),利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。

    参心大地坐标的应用十分广泛,它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论,参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系,为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定。

    北京54和西安80均为参心坐标系。

    地心坐标系(geocentric coordinate system):

     以地球的质心作为坐 标原点的坐标系称之为地心坐标系,即要求椭球体的中心与地心重合。人造地球卫星绕地球运行时,轨道平面时时通过地球的质心,同样对于远程武器和各种宇宙飞行器的跟踪观测也是以地球的质心作为坐标系的原点,参考坐标系已不能满足精确推算轨道与跟踪观测的要求。因此建立精确的地心坐标系对于卫星大地测量、全球性导航和地球动态研究等都具有重要意义。

    大地坐标系:

     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。地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示。大地坐标系的确立包括选择一个椭球、对椭球进行定位和确定大地起算数据。一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球。参考椭球一旦确定,则标志着大地坐标系已经建立。

    地理坐标网(经纬网):

    为了制作和使用地图的方便,高斯-克吕格投影的地图上绘有两种坐标网:地理坐标网和直角坐标网。

    在我国1:1万-1:10万地形图上,经纬线只以图廓的形式表现,经纬度数值注记在内图廓的四角,在内外图廓间,绘有黑白相间或仅用短线表示经差、纬差1’的分度带,需要时将对应点相连接,就构成很密的经纬网。在1:20万-1:100万地形图上,直接绘出经纬网,有时还绘有供加密经纬网的加密分割线。纬度注记在东西内外图廓间,经度注记在南北内外图廓间。

    直角坐标网(方里网):

     直角坐标网是以每一投影带的中央经线作为纵轴(X轴),赤道作为横轴(Y轴)。纵坐标以赤道我0起算,赤道以北为正,以南为负。我国位于北半球,纵坐标都是正值。横坐标本应以中央经线为0起算,以东为正,以南为负,但因坐标值有正有负,不便于使用,所以又规定凡横坐标值均加500公里,即等于将纵坐标轴向西移500公里。

     

    然后给出介绍目录:


    一、WGS84坐标系与WGS84 Web  Mercator

    二、CGS2000坐标系

    三、北京54坐标系与西安80坐标系

    四、GCJ02

    五、BD09(百度坐标系)

    六、标称投影坐标系与经纬度转换

    七、WGS84 UTM

    八、Lambert投影

    九、Albers投影

    十、三参数与七参数

    十一、北京54坐标系与西安80坐标系转换

    持续更新中。。。。。。
     

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  • 地理坐标系和投影坐标系

    千次阅读 2019-10-23 10:01:36
    地理坐标系和投影坐标系讲解收藏 cr.龙之吻number7 (一)两种坐标系 坐标系(Coordinate System)的概念为:“In geometry, a coordinate system is a system which uses one or morenumbers, or coordinates, to ...

    地理坐标系和投影坐标系讲解收藏

    cr.龙之吻number7
    (一)两种坐标系

    坐标系(Coordinate System)的概念为:“In geometry, a coordinate system is a system which uses one or morenumbers, or coordinates, to uniquely determine the position of a point or othergeometric element on a manifold such as Euclidean space”(https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinate_system)。简单的说,有了坐标系,我们才能够用一个或多个“坐标值”来表达和确定空间位置。没有坐标系,坐标值就无从谈起,也就无法描述空间位置。

    在ArcGIS中,或者说在GIS中,我们遇到的坐标系一般有两种:

    1)地理坐标系(Geographic Coordinate System);

    2)投影坐标系(Projected Coordinate System)。

    地理坐标系进行地图投影后就变成了投影坐标系。地图投影(Map Projection)是按照一定的数学法则将地球椭球面上点的经维度坐标转换到平面上的直角坐标。地图投影的理论知识请参考其他资料,此处不做叙述。需要说明的是,也有将“坐标系(CoordinateSystem)”称为“空间参考(Spatial Reference)”的情况,例如在ArcGIS中栅格数据的属性里面。

    重要的事情说三遍:

    这里要讲的不是“投影(Projection)”而是“坐标系(Coordinate System)”!

    这里要讲的不是“投影(Projection)”而是“坐标系(Coordinate System)”!

    这里要讲的不是“投影(Projection)”而是“坐标系(Coordinate System)”!

    尽管投影是介绍坐标系的一个绕不开的重要内容。但是,首先,此文是围绕坐标系展开的。其次,说三遍是为了强调投影和坐标系的本质区别。坐标系是数据或地图的属性,而投影是坐标系的属性。一个数据或一张地图一定有坐标系,而一个坐标系可以有投影也可以没投影。只有投影坐标系才有投影,地理坐标系是没有投影的。因此,一个数据或一张地图亦是可以有投影也可以没投影的。当然,非要较真,把具有地理坐标系的数据显示在平面地图上肯定也有一个投影的过程。严格来讲:我们只能说“数据或地图的坐标系”和“坐标系的投影”,而不能说“数据或地图的投影”。也许是大家平时都比较随意,尽管都是知道二者的区别的,但是却在很多想说坐标系的时候就随口说成了投影。因此,当你说“数据的投影”和“投影转换”时,可以考虑下你是不是想说“数据的坐标系”和“坐标系转换”。

    先抬出重要的总结:地理坐标系经过投影后变成投影坐标系,投影坐标系因此由地理坐标系和投影组成,投影坐标系必然包括有一个地理坐标系。图1概括了两种坐标系的联系:
    在这里插入图片描述
    图1 ArcGIS 中“地理坐标系(GCS)”与“投影坐标系(PCS)”的联系

    下面以一个具体示例来初识ArcGIS中的坐标系,其全部参数拷贝在下面。这一示例是一个“投影坐标系(Projected Coordinate System)”,其名称是“WGS_1984_UTM_Zone_50N”。“WKID”是该坐标系的编号,“ESPG”是“European Petroleum Survey Group”的缩写,表示其由“欧洲石油调查组织”发布。可知,“WGS_1984_UTM_Zone_50N”这个投影坐标系由两部分组成:名为“Transverse_Mercator”的“投影(Projection)”和名为“GCS_WGS_1984”的“地理坐标系(GeographicCoordinate System)”。

    WGS_1984_UTM_Zone_50N

    WKID:32650 Authority: EPSG

    Projection:Transverse_Mercator

    False_Easting:500000.0

    False_Northing:0.0

    Central_Meridian:117.0

    Scale_Factor:0.9996

    Latitude_Of_Origin:0.0

    LinearUnit: Meter (1.0)

    GeographicCoordinate System: GCS_WGS_1984

    AngularUnit: Degree (0.0174532925199433)

    PrimeMeridian: Greenwich (0.0)

    Datum: D_WGS_1984

    Spheroid:WGS_1984

       Semimajor Axis: 6378137.0
    

    Semiminor Axis: 6356752.314245179

    Inverse Flattening:298.257223563

    地理坐标系由三个参数来定义:角度单位(Angular Unit)、本初子午线(Prime Meridian)和大地测量系统(Datum)。地理坐标系“GCS_WGS_1984”使用的角度单位为“度(Degree)”,0.0174532925199433这个数字等于“π/180”,使用的本初子午线为0.0度经线,即格林威治皇家天文台(Greenwich)所在位置的经线,使用的大地测量系统则为“D_WGS_1984”。
    

    地理坐标系的最重要的参数是“大地测量系统(Datum)”,而大地测量系统的最重要的参数是“椭球(Spheroid)”。椭球相同,大地测量系统不一定相同,因为原点(origin)和方位(orientation)可以不同。想象一下,同一个椭球,首先可以固定在三维空间中的任意一个点,并且在固定于某点后还能以三个自由度任意地旋转其方位(朝向)。当然,具体国家或地区在选择大地测量系统时,总是选择与这一国家或地区的地面最吻合的大地测量系统,而不是拍脑袋随便选的。我们拿到的境内的许多数据使用的都是“D_Xian_1980”大地测量系统,因为“D_Xian_1980”是我们依据我国疆域的地面自己定义出来的,因而较“D_WGS_1984”与我国疆域的地面更吻合。“D_WGS_1984”大地测量系统使用的椭球为“WGS_1984”,而“WGS_1984”椭球的“长半轴(Semimajor Axis)”和“短半轴(Semiminor Axis)”分别为6378137.0和6356752.314245179,其“反扁率(Inverse Flattening)”为298.257223563,等于Semimajor Axis/( Semimajor Axis - Semiminor Axis)。

    投影的参数对不同的投影方法有一定差别,在此也不详述各投影的具体参数。投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”使用的“投影(Projection)”名为“横轴墨卡托(Transverse_Mercator)”,然而这个名称并不能完全准确概括其投影。事实上,投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”这个名称中的“WGS_1984”指出了其地理坐标系为“GCS_WGS_1984”,而“UTM_Zone_50N”则指出了其投影。“UTM_Zone_50N”这个名称指出,其投影方法是“通用横轴墨卡托(Universal Transverse Mercator,UTM)”,其投影带为北半球第50带,这个“Zone_50N”的“中央经线(Central Meridian)”正是117.0度,在“Transverse_Mercator”的参数中得到了体现。举一反三,“Xian_1980_GK_CM_117E”这个坐标系使用的地理坐标系为“GCS_Xian_1980”,而投影名称“GK_CM_117E”指出其使用以东经117度为中央经线的“高斯-克吕格(Gauss-Kruger,GK)”投影。投影的另一个重要参数是“东偏(False Easting)”。有些投影会在X坐标值前加上投影带号,比如:“Xian_1980_GK_Zone_20”的“false_easting”参数为20500000.0,其中20为投影带号,而“Xian_1980_GK_CM_117E”的“false_easting”参数为500000.0,尽管它们的中央经线都为东经117度。

    (二)三个半概念

    在ArcGIS中,有三个概念容易混淆(另外半个最后揭晓),需要特别进行区分:

    1)数据的真实坐标系,简称为“真实坐标系”;

    2)数据属性所标称的坐标系,简称为“属性坐标系”;

    3)ArcMap/ArcScene中Layers的坐标系,简称为“地图坐标系”。

    数据的真实坐标系是指数据记录本身所对应的坐标系。比如,国科大雁栖湖校区图书馆在地理坐标系“GCS_WGS_1984”下的经纬坐标大概为(116.679267°E,40.408265°N),在投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”下的平面坐标为(472786.066803m,4473121.59882m)。假如用一个Point Shapefile数据来记录国科大雁栖湖校区图书馆的位置。如果使用经纬坐标(116.679267,40.408265)来记录此位置,那么数据的真实坐标系就是地理坐标系GCS_WGS_1984,如果使用平面坐标(472786.066803,4473121.59882)来记录此位置,那么数据的真实坐标系就是投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N。

    数据的真实坐标系是什么,可以通过以下方式进行验证。在ArcMap中加载这一个Point Shapefile数据,打开其属性表(Attribute Table),右击任意已有或新建的数值类型为Double(或Float)的Filed进行“Calculate Geometry”运算,如果数据的真实坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,那么计算的“X Coordinate of Point”就为116.679267(图2),如果数据的真实坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,那么X坐标值就为472786.066803。

    在这里插入图片描述
    图2 使用“Calculate Geometry”检查Point Shapefile 数据的“真实坐标系”

    对于栅格数据,也有方法判断其真实坐标系。通常,栅格分辨率数值很小的是地理坐标系,栅格分辨率的数值很大则为投影坐标系。以经常使用的SRTM DEM栅格数据为例。从网上下载的SRTM DEM数据是地理坐标系,其分辨率数值为0.00083333333(图3),表示其每个栅格的长宽都为0.00083333333度。而0.00083333333度这个距离在国科大的纬度位置大致相当于地面距离81.4520173米。因此,如果使用投影坐标系,让81.4520173这个数值作为这个纬度位置的SRTM DEM数据的分辨率是合理的选择。81.4520173是0.00083333333的接近10万倍(图3),因此分辨率(Cell Size)是判断栅格数据的坐标系是地理坐标系还是投影坐标系的重要依据。当然,大尺度的全球栅格数据在地理坐标系下其分辨率数值可以很大,比如1度,而小区域的栅格数据在投影坐标系其分辨率数值也可以很小,比如1米。

    在这里插入图片描述

    图3 同一个栅格数据在“地理坐标系”和“投影坐标系”下的分辨率数值相差巨大

    数据属性所标称的坐标系是指数据文件的属性所标称的坐标系。一般来说,我们有两个入口来查看数据属性所标称的坐标系:一种是在Catalog里面右击该数据文件打开Properties,Shapefile文件可直接在Properties中查看或者修改“XY Coordinate System”,Raster文件可以通过Edit(编辑)“SpatialReference”来打开“XY Coordinate System”进行查看或者修改;另一入口是当把数据加载进ArcMap或ArcScene后,在此数据的Layer Properties的“Source”标签中查看。第二个入口只能查看而不能修改属性坐标系。图4为分别在Shapefile Properties和Layer Properties中查看国科大雁栖湖校区图书馆PointShapefile数据的属性坐标系。

    在这里插入图片描述

    图4 在Shapefile Properties 和Layer Properties 中查看Point Shapefile 数据的“属性坐标系”

    这里要特别强调的是:数据的真实坐标系和属性坐标系可以不同,当二者不同时就出现错误。例如:数据的真实坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,而属性坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,或真实坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,而属性坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,都是错误的。类似的,数据的真实坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,而属性坐标系为地理坐标系GCS_Xian_1980,或真实坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,而属性坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_49N,也都是错误的。只要二者不统一,就是错误的。在数据处理过程中,误将属性坐标系改动,造成属性坐标系与真实坐标系不符合,是ArcGIS操作的常见错误。使数据的属性坐标系和真实坐标系吻合,是进行所有数据处理和分析的必要前提。

    同样以国科大雁栖湖校区图书馆的Point Shapefile数据为示例说明真实坐标系和属性坐标系不吻合的情况。如果Point Shapefile数据的真实坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,而将属性坐标系设置为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,图书馆点就会跑到赤道附近的印度尼西亚去(图5)。此时,系统会认为此点在投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N中坐标值为(116.679267,40.408265),而在投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N中正确的坐标值应为(472786.066803,4473121.59882)。相反,如果Point Shapefile数据的真实坐标系为投影坐标系WGS_1984_UTM_Zone_50N,而属性坐标系为地理坐标系GCS_WGS_1984,图书馆点则会“跑出地球”。因为系统会认为此点的经纬度为(472786.066803,4473121.59882),地球上的点的经纬度值最大为180度,最小为-180度,因而这两个经纬度值远远超过了180度的最大值。

    在这里插入图片描述
    图5 数据的“属性坐标系”与“真实坐标系”不吻合导致的点位错误

    为何在实际操作中我们一般都不必检查数据的属性坐标系是否与真实坐标系吻合呢?这是因为在大多数时候,我们拿到的数据不但有属性坐标系并且还与真实坐标系是吻合的。一般来说,有两个明显的迹象可以判断数据的属性坐标系是不对的。一个是将数据加载到ArcMap里面后报错;另外一个是数据加载到ArcMap里面后尽管没报错,但是位置明显不对。比如上面的例子,位于国科大的点跑到印度尼西亚去了。图6是将真实坐标系为投影坐标系“Asia_Lambert_Conformal_Conic”的数据的属性坐标系改为地理坐标系“GCS_WGS_1984”并加载到ArcMap里面后的报错信息。这个信息是说“数据的范围(extent)与其空间参考的信息不吻合”。具体来讲,投影坐标系“Asia_Lambert_Conformal_Conic”中的坐标值有负值,而负值超出了地理坐标系“GCS_WGS_1984”的范围(正值)。以下叙述,如无特别说明,都隐含数据属性坐标系与真实坐标系吻合的假设,并以“数据坐标系”统称。

    在这里插入图片描述

    图6 数据的“属性坐标系”与“真实坐标系”不吻合导致的“inconsistent extent”错误信息

    ArcMap/ArcScene中Layers的坐标系是指当我们把若干矢量数据或栅格数据加载进ArcMap或ArcScene里面组成“Layers”的时候,这个Layers的坐标系。“地图坐标系”在ArcMap中可以通过右击“Layers”打开“Data Frame Properties”后在“Coordinate System”标签中查看或者修改(图7),在ArcScene中可以通过右击“Scene Layers”打开“Scene Properties”后在“Coordinate System”标签中查看或者修改。

    在这里插入图片描述

    图7 在ArcMap 中查看或者修改Layers 的“地图坐标系”

    可以想象,一个Layers可以包括多个数据Layer,这些数据Layer的坐标系也可以各不相同。因此,Layers的地图坐标系可以不同于各Layer的数据坐标系。可以选择Layers中的某一Layer的数据坐标系作为地图坐标系,也可以选择其他任意坐标系,只要这个坐标系的覆盖范围能覆盖所有Layer数据的范围。当在ArcMap中加载多个数据Layer时,系统会自动将第一个加载进来的有坐标系的数据的坐标系作为Layers的地图坐标系。为了使所有具有不同坐标系的数据Layer都在同一地图坐标系下进行显示等操作,当某个Layer的数据坐标系与Layers的地图坐标系不同时,系统会自动用一定的算法将数据坐标系(的坐标值)临时转换为地图坐标系(的坐标值)。这种临时的坐标系转换,并不改变每个数据本身的坐标系。

    如图8所示:“library”、“library_utm”、“国科大20.tif”和“World Physical Map”等四个Layer的数据坐标系分别为:地理坐标系“GCS_WGS_1984”、投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”、投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”和投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator_Auxiliary_Sphere”;Layers的地图坐标系则使用了“国科大20.tif”这一栅格Layer的数据坐标系(投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”)。

    当数据在与其坐标系不同的地图中显示时,会出现“变形”。这种变形是由“临时的坐标系转换”引起的。图9为使用地理坐标系“GCS_WGS_1984”作为Layers的地图坐标系的情况。可以看出,相较使用“国科大20.tif”的数据坐标系(投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”)作为地图坐标系,使用地理坐标系“GCS_WGS_1984”作为地图坐标系使得“国科大20.tif”这一栅格Layer的变形明显,其轮廓(覆盖范围)在东西经度方向上被拉长了,在南北维度方向则被压缩了。如果不希望某个Layer出现变形,那么就使用该Layer的数据坐标系作为Layers的地图坐标系。

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    图8 使用投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”作为Layers 的“地图坐标系”

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    图9 使用地理坐标系“GCS_WGS_1984”作为Layers 的“地图坐标系”造成显示“变形”

    如果地图坐标系与数据坐标系差别很大,数据显示的变形也会很大。图10为使用投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_49N”作为地图坐标系的情况,图11为将“国科大20.tif”Layer的右上角放大后的情况。可以看出,“国科大20.tif”这一栅格Layer的变形明显,整体轮廓和每个栅格都“倾斜”了一个角度。尽管投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_49N”和 “WGS_1984_UTM_Zone_50N”二者都与“国科大20.tif”这一栅格Layer的数据坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”不同。但是,试验可以发现,使用“WGS_1984_UTM_Zone_50N”作为地图坐标系的时候,“国科大20.tif”的变形不会这么明显。原因之一是,坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_49N”中投影带的中央经线为111度,而坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”中投影带的中央经线为117度,后者的投影带与“国科大20.tif”的范围更符合。选择“WGS_1984_Web_Mercator”和“WGS_1984_UTM_Zone_50N”,都会使“国科大20.tif”在投影中的变形更小。
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                             图10 使用投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_49N”作为“地图坐标系”造成栅格Layer 轮廓“倾斜”
    

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    图11 使用投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_49N”作为“地图坐标系”造成每个栅格“倾斜”变形

    当然,有时在地图显示中,出于合理或者美观的需要,这种“变形”是需要的。例如,我们拿到的行政边界矢量数据的坐标系是地理坐标系“GCS_Krasovsky_1940”。我们可以就使用地理坐标系“GCS_Krasovsky_1940”作为Layers的地图坐标系(图12),但是这样的显示和图9类似地使数据在东西方向被“拉长”。使用地理坐标系作为地图坐标系,显示出来的数据与我们在多数时候看到的全国地图的“形状”有差异。当我们换为使用投影坐标系“Asia_Lambert_Conformal_Conic”作为Layers的地图坐标系时,显示出来的数据就与我们在多数时候看到的全国地图的“形状”相仿了(图13)。如果数据经常需要在不同于自身坐标系的地图中显示,可使用“坐标系转换”让这种在显示中的临时性坐标系转换变成永久性的,也即改变数据本身的坐标系,这是下一节中将提到的。对于栅格数据,如图10和图11这种情况,坐标系转换后的数据在目标坐标系中显示时轮廓可能还是“倾斜”的,但数据坐标系变成目标坐标系后的新数据的每个栅格在目标坐标系中将不再“倾斜”(见3.3节)。
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                                       图12 使用地理坐标系“GCS_Krasovsky_1940”作为“地图坐标系”显示行政边界数据
    

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    图13 使用投影坐标系“Asia_Lambert_Conformal_Conic”作为“地图坐标系”显示行政边界数据

    地图坐标系的重要性还体现在:在地图中编辑要素时,如果需要输入坐标值,那么此坐标值是相对于地图坐标系的。例如,在坐标系为“Asia_Lambert_Conformal_Conic”的地图中编辑坐标系为“GCS_WGS_1984”的Point Shapefile,增加点所需输入的坐标值就不能再是该点的经纬度,而是该经纬度在坐标系“Asia_Lambert_Conformal_Conic”中对应的坐标值(图14)。

    也许你已经注意到,图13的地图坐标系是投影坐标系,但窗口右下角显示的坐标单位是度而不是米。类似的,图9的地图坐标系是地理坐标系,但窗口右下角显示的坐标单位是米而不是度。这个疑问就引出了那“半个概念”:“地图显示单位”。之所以称为“半个”是因为严格来说这不算一个可以与真实坐标系、属性坐标系和地图坐标系等并列的“概念”。地图显示单位可以在Layers的Properties中的“General”标签中进行设置(图15)。地图单位由地图坐标系决定,地图显示单位可以与地图单位相同,也可以与地图单位不同。

    在这里插入图片描述

    图14 在地图坐标系为“Asia_Lambert_Conformal_Conic”的地图中编辑数据坐标系不同的点数据

    在这里插入图片描述

    图15 使用与“地图单位”相同的单位(Meters)作为“地图显示单位”

    本节小结:只要能做到以下“三个重要的区分”,就理解了以上“三个半概念”:

    1)区分数据的“真实坐标系”和“属性坐标系”;

    2)区分“数据坐标系”和“地图坐标系”;

    3)区分“地图单位”和“地图显示单位”。

    (三)四类常用操作

    在理解清楚了以上“三个半容易混淆的概念”的基础上,以下四类常用的坐标系操作就很好理解与熟悉了。
    3.1坐标系选择、新建与编辑坐标系的其他操作都会涉及到选择、新建与编辑等,这些操作可在打开的数据或地图等的“Properties”窗口中的“Coordinate System”或“XY Coordinate System”标签中进行(图16)。

    在这里插入图片描述
    图16 坐标系选择、新建与编辑等操作的入口

    用户可以从“Favorites”、“Geographic Coordinate System”、“ProjectedCoordinate System”和“Layers”等文件夹中选择坐标系,或使用“Import”导入其他数据的坐标系。“Layers”文件夹只有当ArcMap或ArcScene中的Layers加载有数据(Layer)时才会显示出来,而在ArcCatalog中操作则不会出现。另外,使用“Clear”可以清除数据或地图的坐标系。
    用户也可以根据需要新建坐标系。图17为新建投影坐标系(Projected Coordinate System)的操作窗口。在这一操作窗口中,用户需要设置投影坐标系的名称(Name)、投影(Projection)、单位(Linear Unit)和地理坐标系(Geographic CoordinateSystem)等参数。

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    图17 新建投影坐标系(Projected Coordinate System)的操作窗口

    右击任意已有坐标系,点击“Copy and Modify”,可对已有坐标系进行编辑。坐标系编辑的操作窗口与坐标系新建的操作窗口类似。对于投影坐标系的编辑,用户也需要编辑投影坐标系的名称、投影、单位和地理坐标系等参数。
    3.2坐标系定义
    坐标系定义是指定义数据的属性坐标系。也即,将与数据的真实坐标系相同的坐标系赋予给数据的属性。坐标系定义可以通过两种方式来实现:一是如图2所示,在Catalog里面访问该数据的Properties进行修改(定义);二是使用ArcToolbox -> Projections and Transformations -> DefineProject工具(图18)。如果该数据已有属性坐标系,数据输入处会出现警告符号,警告用户已有属性坐标系将被覆盖。这两种坐标系定义方式的区别是:如果数据在ArcMap或ArcScene中打开(被锁定)后,那么就不能在Catalog中改变数据的坐标系了,但是仍然可以利用ArcToolbox中的Define Project工具来定义数据的坐标系,除非这一数据同时也在另外的ArcMap、ArcScene或ArcCatalog中被打开使用。

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    图18 使用ArcToolbox 中“Define Project”工具进行坐标系定义

    另外,个人以为,“Define Project”工具的名称使用“Define Coordinate System”更为贴切。因为这个工具是定义坐标系(Coordinate System),而不是定义投影(Project)。有意思的是,“Define Project”工具窗口中“坐标系的输入框”的名称是“CoordinateSystem”,而不是“Project”(图18)。因此,为何ESRI会使用“Define Project”这个工具名,颇令人费解。 3.3坐标系转换
    坐标系转换是指转换数据的真实坐标系。坐标系转换的前提是数据的属性坐标系与数据的真实坐标系吻合。矢量数据的坐标系转换通过ArcToolbox -> Projections and Transformations -> Project工具来实现(图19),栅格数据的坐标系转换通过ArcToolbox -> Projectionsand Transformations -> Raster -> Project Raster工具来实现(图20)。(注:不同ArcGIS版本工具在ArcToolbox中的位置可能略有不同,此处为ArcGIS 10.3中的路径)。

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    图19 使用ArcToolbox 中“Project”工具进行矢量数据的坐标系转换

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                                               图20 使用ArcToolbox 中“Project Raster”工具进行栅格数据的坐标系转换
    

    在选择好输入数据,并定义好输出数据及其坐标系后,用户有可能被要求定义“Geographic Transformation”。这个“Geographic Transformation”被用于两个不同地理坐标系(大地测量系统)之间的转换。只有当输入坐标系和输出坐标系拥有不同的大地测量系统时,这个输入才被要求。在某些情况下,系统会从已有的“Geographic Transformation”中根据输入和输出坐标系自动选择出合理的“Geographic Transformation”(图20),而某些情况下则需要用户从已有的“Geographic Transformation”中进行选择(图19)。
    坐标系转换理论上可以在任意两个覆盖了数据范围的坐标系之间进行。坐标系转换可以在地理坐标系与投影坐标系之间,可以在地理坐标系与地理坐标系之间,也可以在投影坐标系与投影坐标系之间。
    坐标系转换包括了两种过程:1)大地测量系统(地理坐标系)转换;2)投影(或反投影)。例如,将地理坐标系“GCS_WGS_1984”转换为投影坐标系“Xian_1980_GK_CM_117E”包括了两个过程:分别是一个将大地测量系统“D_WGS_1984”转换为大地测量系统“D_Xian_1980”的过程和一个将地理坐标系“GCS_Xian_1980”投影为投影坐标系“Xian_1980_GK_CM_117E”的过程。再例如,将投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”转换为投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”包括了三个过程:分别是一个将投影坐标系“WGS_1984_Web_Mercator”转为地理坐标系“GCS_WGS_1984_Major_Auxiliary_Sphere”的过程(反投影),一个将大地测量系统“D_WGS_1984_Major_Auxiliary_Sphere”转换为大地测量系统“GCS_WGS_1984”的过程和一个将地理坐标系“GCS_WGS_1984”投影为投影坐标系“WGS_1984_UTM_Zone_50N”的过程。

    栅格数据的坐标系转换与矢量数据的坐标系转换的一个重要不同是:栅格数据的坐标系转换需要设置栅格分辨率(图21)。如果是投影坐标系之间或地理坐标系之间的转换,系统一般会默认分辨率数值不变,如果是地理坐标系与投影坐标系之间的转换,系统会自动估计出一个合理的分辨率数值。例如第2节中提到的81.4520173米对应于0.00083333333度,也即地理坐标系中的0.00083333333度对应于投影坐标系中的81.4520173米。由于这里的转换是对数据的真实坐标系的永久性转换,和在地图显示中的“临时性坐标转换”不同,栅格数据的坐标系转换不但使栅格数据的分辨率数值改变,也使新数据在目标坐标系中显示时其每个栅格不再“倾斜”,尽管其整体轮廓可能还是“倾斜”的(图21)。

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    图21 使用“Project Raster”工具进行栅格数据的坐标系转换时需要设置栅格分辨率

    同样,个人以为,“Project”和“ProjectRaster”的工具名用“Transfer ”替代“Project”也许更为贴切。因为这两个工具做的工作是坐标系转换(Transfer),而不是投影(Project)。另外,ESRI将用于栅格数据坐标系转换的工具命名为“Project Raster”,却不将用于矢量数据坐标系转换的工具命名为类似对应的“Project Feature”,不知有何考虑。
    因此,ArcGIS中坐标系定义和转换的工具名称(包括Define Project、Project和Project Raster)可能对用户使用工具和理解坐标系的有关概念有一定误导。
    3.4坐标系猜测坐标系猜测是指猜测数据的真实坐标系,并且把数据的属性坐标系设置为真实坐标系。这在不知道数据的坐标系或数据的属性坐标系是错误的时候是需要的。比如,给你若干点的坐标值,但是不告诉你这些坐标值是在什么坐标系下的坐标值。在这种情况下,最好的方式是向数据的提供方询问数据的真实坐标系是什么。 如果不得不猜测数据的真实坐标系,其基本原理是根据数据的坐标值特征来猜测。经验将会很重要。如果数据的坐标值看起来像是经纬度数值,那么认为其真实坐标系为地理坐标系“GCS_WGS_1984”将不会带来很大误差。如果数据的坐标值是地面长度(通常数值很大),那么可以基本认为其真实坐标系为投影坐标系。如果知道该数据大概的空间范围,可以找出该空间范围内的坐标系正确的任一“参考数据”,将其与属性坐标系未知的“目标数据”加载于同一地图中,并将地图坐标系设置为你怀疑的投影坐标系。当目标数据与参考数据范围吻合时,可以猜测此怀疑的投影坐标系即为目标数据的真实坐标系,并可辅以其他手段进行验证。怀疑的投影坐标系可以有很多个,选择哪些投影坐标系作为怀疑对象,需要基于经验根据数据的坐标值特征进行判断。比如,加投影带号与不加投影带号的投影坐标系中的数据X坐标值的大小在很多时候是有明显差异的。(四)总结
    在数据分析之前,进行以下有关坐标系的准备工作是一个良好的习惯:1)使所有数据都有坐标系定义,也即使所有数据都有属性坐标系;2)保证所有数据的坐标系都是正确的,也即使所有数据的属性坐标系都与其真实坐标系吻合;3)统一所有数据的坐标系,利用坐标系转换实现。并且,这种统一的坐标系一般宜为投影坐标系,因为只有在投影坐标系下才能正确地进行距离、长度、面积、坡度等度量的计算。当然,有时我们做大尺度的工作,比如进行全球尺度的显示或分析时,一般就用地理坐标系,不用投影坐标系。

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