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  • 常用地理坐标系统和投影坐标系统

    千次阅读 2018-05-27 16:48:52
    坐标系统 一、WGS84坐标系统 WGS84:全称为World Geodetic System 1984,是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。通常是指我们用手持GPS所读出来的经纬度。 二、北京54坐标系统 BJZ54:全称为北京54坐标系。...
                               坐标系统


       一、WGS84坐标系统


        WGS84:全称为World Geodetic System 1984,是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。通常是指我们用手持GPS所读出来的经纬度。
       二、北京54坐标系统
        BJZ54:全称为北京54坐标系。北京54坐标系为参心大地坐标系,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坐标系的特征:
        a.属参心大地坐标系;
        b.采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数;
        c.  大地原点在原苏联的普尔科沃;
        d.采用多点定位法进行椭球定位;
        e.高程基准为 1954年青岛验潮站求出的黄海平均海水面;
        f. 高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据
        椭球坐标参数:
        长半轴a=6378245m;
        短半轴=6356863.0188m;
        扁率α=1/298.3。
        随着测绘新理论、新技术的不断发展,人们发现该坐标系存在如下缺点:
        1、 椭球参数有较大误差。克拉索夫斯基椭球差数与现代精确的椭球参数相比,长半轴约大109m。
        2、 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜,在东部地区大地水准面差距最大达+60m。这使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响,同时也对观测量元素的归算提出了严格的要求。
        3、 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特1900~1909年正常重力公式,与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球,它与克拉索夫斯基椭球是不一致的,这给实际工作带来了麻烦。
        4、 定向不明确。椭球短半轴的指向既不是国际普遍采用的国际协议(原点)CIO(Conventional International Origin),也不是我国地极原点JYD1968.0;起始大地子午面也不是国际时间局BIH(Bureau International de I Heure)所定义的格林尼治平均天文台子午面,从而给坐标换算带来一些不便和误差。
          为此,我国在1978年在西安召开了“全国天文大地网整体平差会议”,提出了建立属于我国自己的大地坐标系,即后来的1980西安坐标系。但时至今日,北京54坐标系仍然是在我国使用较为广泛的坐标系
        三、西安80坐标系统
        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。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是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。根据椭球定位的基本原理,在建立西安80坐标系时有以下先决条件
        (1)大地原点在我国中部,具体地点是陕西省泾阳县永乐镇;
        (2)西安80坐标系是参心坐标系,椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向,大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面;X轴在大地起始子午面内与 Z轴垂直指向经度 0方向;Y轴与 Z、X轴成右手坐标系;
        (3)椭球参数采用IUG 1975年大会推荐的参数,因而可得西安80椭球两个最常用的几何参数为:
        长半轴a=6378140±5(m)
        短半轴b=6356755.2882(m)
        扁 率α=1/298.257
        第一偏心率平方 =0.00669438499959 第二偏心率平方=0.00673950181947
    椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数。
        (4)多点定位;
        (5)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)。
        四、2000坐标系统
        2000国家大地坐标系,是我国当前最新的国家大地坐标系,英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000,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。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向(BIH国际时间局),X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点,Y轴按右手坐标系确定。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=7.292l15×10-5rad s-1
        现行的大地坐标系由于其成果受技术条件制约,精度偏低、无法满足新技术的要求。空间技术的发展成熟与广泛应用迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。从技术和应用方面来看,现行坐标系具有一定的局限性,已不适应发展的需要。主要表现在以下几点
        1.二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应用,它的表现形式为平面的二维坐标。用现行坐标系只能提供点位平面坐标,而且表示两点之间的距离精确度也比用现代手段测得的低10倍左右。高精度、三维与低精度、二维之间的矛盾是无法协调的。比如将卫星导航技术获得的高精度的点的三维坐标表示在现有地图上,不仅会造成点位信息的损失(三维空间信息只表示为二维平面位置),同时也将造成精度上的损失。
        2.参考椭球参数。随着科学技术的发展,国际上对参考椭球的参数已进行了多次更新和改善。1980西安坐标系所采用的IAG1975椭球,其长半轴要比国际公认的WGS84椭球长半轴的值大3米左右,而这可能引起地表长度误差达10倍左右。
        3.随着经济建设的发展和科技的进步,维持非地心坐标系下的实际点位坐标不变的难度加大,维持非地心坐标系的技术也逐步被新技术所取代。
        4.椭球短半轴指向。1980西安坐标系采用指向JYD1968.0极原点,与国际上通用的地面坐标系如ITRS,或与GPS定位中采用的WGS84等椭球短轴的指向(BIH1984.0)不同。
    天文大地控制网是现行坐标系的具体实现,也是国家大地基准服务于用户最根本最实际的途径。面对空间技术、信息技术及其应用技术的迅猛发展和广泛普及,在创建数字地球、数字中国的过程中,需要一个以全球参考基准框架为背景的、全国统一的、协调一致的坐标系统来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题。单纯采用参心、二维、低精度、静态的大地坐标系统和相应的基础设施作为我国现行应用的测绘基准,必然会带来愈来愈多不协调问题,产生众多矛盾,制约高新技术的应用。
    若仍采用现行的二维、非地心的坐标系,不仅制约了地理空间信息的精确表达和各种先进的空间技术的广泛应用,无法全面满足当今气象、地震、水利、交通等部门对高精度测绘地理信息服务的要求,而且也不利于与国际上民航与海图的有效衔接,因此采用地心坐标系已势在必行。
        2000坐标系的意义
       1.采用2000国家大地坐标系具有科学意义,随着经济发展和社会的进步,我国航天、海洋、地震、气象、水利、建设、规划、地质调查、国土资源管理等领域的科学研究需要一个以全球参考基准为背景的、全国统一的、协调一致的坐标系统,来处理国家、区域、海洋与全球化的资源、环境、社会和信息等问题,需要采用定义更加科学、原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系。
        2.采用2000国家大地坐标系可对国民经济建设、社会发展产生巨大的社会效益。采用2000国家大地坐标系,有利于应用于防灾减灾、公共应急与预警系统的建设和维护。
        3.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。比如汶川大地震发生后,以国内外遥感卫星等科学手段为抗震救灾分析及救援提供了大量的基础信息,显示出科技抗震救灾的威力,而这些遥感卫星资料都是基于地心坐标系。
        4.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,能够准确地反映其精确地理位置,配以导航地图,可以实时确定位置、选择最佳路径、避让障碍,保障交通安全。随着我国航空运营能力的不断提高和港口吞吐量的迅速增加,采用2000国家大地坐标系可保障航空和航海的安全。
        5.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。现已有相当一批企业介入到相关制造及运营服务业,并可望在形成较大规模的新兴高技术产业。卫星导航系统与GIS的结合使得计算机信息为基础的智能导航技术,如车载GPS导航系统和移动目标定位系统应运而生。移动手持设备如移动电话和PDA已经有了非常广泛的使用。


    投影系统


        UTM投影
        UTM投影全称为"通用横轴墨卡托投影"UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR PROJECTION ,是一种"等角横轴割圆柱投影",椭圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈,投影后两条相割的经线上没有变形,而中央经线上长度比0.9996。UTM投影是为了全球战争需要创建的,美国于1948年完成这种通用投影系统的计算。与高斯-克吕格投影相似,该投影角度没有变形,中央经线为直线,且为投影的对称轴,中央经线的比例因子取0.9996是为了保证离中央经线左右约180km处有两条不失真的标准经线。
        UTM投影分带方法与高斯-克吕格投影相似,将北纬84度至南纬80度之间按经度分为60个带,每带6度.从西经180度起算,两条标准经线距中央经线为180KM左右,中央经线比例系数为0.9996.

        高斯—克吕格投影
        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=20 745 921.8m。
            高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影与UTM投影(Universal Transverse Mercator,通用横轴墨卡托投影)都是横轴墨卡托投影的变种,目前一些国外的软件或国外进口仪器的配套软件往往不支持高斯-克吕格投影,但支持UTM投影,因此常有把UTM投影当作高斯-克吕格投影的现象。从投影几何方式看,高斯-克吕格投影是 “等角横切圆柱投影”,投影后中央经线保持长度不变,即比例系数为1;UTM投影是“等角横轴割圆柱投影”,圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈,投影后两条割线上没有变形,中央经线上长度比0.9996。从计算结果看,两者主要差别在比例因子上,高斯-克吕格投影中央经线上的比例系数为1, UTM投影为0.9996,高斯-克吕格投影与UTM投影可近似采用 X[UTM]=0.9996 * X[高斯],Y[UTM]=0.9996 * Y[高斯],进行坐标转换(注意:如坐标纵轴西移了500000米,转换时必须将Y值减去500000乘上比例因子后再加500000)。从分带方式看,两者的分带起点不同,高斯-克吕格投影自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带,第1带的中央经度为3°;UTM投影自西经180°起每隔经差6度自西向东分带,第1带的中央经度为-177°,因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带。此外,两投影的东伪偏移都是500公里,高斯-克吕格投影北伪偏移为零,UTM北半球投影北伪偏移为零,南半球则为10000公里。
    高斯-克吕格投影与UTM投影坐标系
        高斯- 克吕格投影与UTM投影是按分带方法各自进行投影,故各带坐标成独立系统。以中央经线(L0)投影为纵轴X,赤道投影为横轴Y,两轴交点即为各带的坐标原点。为了避免横坐标出现负值,高斯- 克吕格投影与UTM北半球投影中规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴,而UTM南半球投影除了将纵轴西移500公里外,横轴南移10000公里。由于高斯-克吕格投影与UTM投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值,所以各带的坐标完全相同,为了区别某一坐标系统属于哪一带,通常在横轴坐标前加上带号,如(4231898m,21655933m),其中21即为带号。


                                 心得体会

        通过这些资料的整理,我将自己的心得总结如下,希望后面和我有相同困惑的人能有一点体会:
        1、我们反映在地图上的网格,无论是经纬度还是公里网(直角坐标),均是投影坐标系,因为在我理解,真正的坐标系统是三维的,而我们反映在平面上的是二维的坐标。
        2、WGS84、北京54,、西安80、2000坐标系统,属于不同的椭球系统,其反映出来的经纬度坐标并不是相同的,可能WGS84和2000坐标系统在经纬度方面有一致性,因为其都属于地心坐标系,椭球参数是及其相似的,这也是为什么我国要向2000坐标系发展的原因,为了与国际坐标系统相统一。
        3、我们通常所说的54坐标,80坐标是直角坐标,其实是一种投影坐标,对于54坐标,应该是既有经纬度,又有直角坐标,同样,80坐标也是一样的。
        4、现阶段,我们对于WGS84坐标转化为北京54坐标的参数(七参数)是公开的,我们的野外记录本后面就有这样的参数,但是对于80坐标的转化,现阶段参数还没有公开,需要我们自己去收集,不过现阶段5万的地形图大多数还是54坐标。
        5、手持GPS中读出的经纬度坐标为WGS84的经纬度坐标,并不是54或者80的经纬度坐标,另外根据GPS中设置参数的不同,其读出的坐标可能是54的,也可能是80的,具体要根据设定的参数来判断,现阶段,如果是根据野外记录本后面的参数设定的,均为北京54坐标,而且是6°带的(云南省)。


     


        以上是本人的一点陋识,也是为了在以后的学习工作中能够有所提高,如果所说的有什么错误,希望批评指正。谢谢。
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  • 如何区分空间参考、坐标系统、投影、基准面和椭圆体?  作者:巫细波 2007.12.06  空间参考(Spatial Reference)  坐标系统(Coordinate System)  投影(Projection)  基准面(Datum)  椭圆体(Ellipsoid) ...

    如何区分空间参考、坐标系统、投影、基准面和椭圆体?

             作者:巫细波 2007.12.06

       空间参考(Spatial Reference)
       坐标系统(Coordinate System)
       投影(Projection)
       基准面(Datum)
       椭圆体(Ellipsoid)

       在谈到地理投影或者坐标系统的时候很多人会分不清楚上面提到的那些词语,更不用说这些词语之间的区别和联系。有时候你会听到有人这样说:“我的数据是WGS84坐标系统的”,这句话真正的意思是什么呢?下面就上面说到的词语一一给出说明,最后在回到这句话上来,或者到时候就知道这句话的表面意义和内涵了。
    Coordinate System 坐标系统
       说起坐标系统,很多人首先想到的是笛卡尔坐标系统,很显然它也是坐标系统中的一种。笛卡尔坐标的特点就是得定义一个原点和坐标轴(方向),任何放入笛卡尔坐标系统内的点都必须相对于这个原点和方向才显得有意义,这也道出了坐标系统的本质:相对性。在实际的生产应用中有三种比较流行的坐标系统。
     地心坐标系统
    图1 Geocentric Coordinate System
    地心坐标系统 Geocentric Coordinate System
       如图1。这是一种原点在地心、用 (X,Y,Z)进行表示的坐标系统。这种坐标系统在实际生活中用得比较少,原因很简单:这种坐标系统缺少常见的方位概念,东、西、南、北和上、下。就算用到了这种坐标系统,一般也不会直接显示出来而是转换成其他的坐标系统间接显示出来。

    球坐标系统
    图2 Spherical Coordinate System
    球坐标系统(地理坐标系统)Spherical
       见图2,这是在实际生活中用得最多的坐标系统,叫球坐标系统,也是就是常说的地理坐标系统。它的原点是本初子午线(这条经线穿过英国的格林尼治天文台,在那里建有相应的标志塔),用经纬度加以表示,经度是东(E)西(W)各180度,纬度是南(S)北(N)各90度。如果要用这个系统来表示有关高程的东西,一般的做法是给定的某个高度或高程是相对于平均海平面或者基准面。
    笛卡尔坐标系统
    图3 Cartesian Coordinate System

    笛卡尔坐标系统 Cartesian Coordinate System
       见图3。和前面的两种坐标系统明显不一样的地方就是这种坐标系统是一种“平面”的坐标系统,这种坐标系统是二维的,这里的平面两个字加上引号是因为地球的表面不是真的平面的,而是一种球面。在实践中用得最多的一种就是通用横轴墨卡托投影系统(Universal Transverse Mercator 简称UTM)。但是具体到地球上某个地方的时候,测量人员一般不会直接采用这种投影,而是一种成为本地平面投影坐标系统,这涉及到本地基准面等概念。有了笛卡尔坐标系统,人们可以非常方便地在地图上进行各种量算:距离长度、角度和面积,这些都和下面说到的投影密切相关。

    基准面(Datum)和椭圆体(Ellipsoid)
      上面提到的坐标系统有一些明显的特点就是这些坐标系统都是通过相对于地心这样的原点而建立起一种具有相对意义的坐标系统,而地心坐标系统的高程也同样的道理:此坐标系统下的高程是相对于地球表面。说到这里,很多人会问:地心?那么地心的位置在哪里?如果确定?地球的形状到底如何?是球体还是椭球体?

    图4 
       科学发展到现在,相信大家都知道了地球不是标准的球体,更不是平面的。那么应该如何去定义地球的表面形状呢?如果我们把平均的海平面定义为地球的表面形状,我们无法得到一个球体状或者是一个椭圆体,虽然海平面跟其下面的地球表面是处处平行的,原因很简单:海平面是跟其所在地球表面的重力场方向处处正交的。问题就是出在这里了,地球表面的重力场会随着物质的一些特性,比如物质的密度而不停地改变,这样一来地球表面的重力场方向处处都不一样,不是都严格指向地心的。借助现在的卫星监测技术,我们已经知道地球其实是一个不规则的球状体,见图4。为了应用的方便,我们通常的做法是采用椭圆体去逼近实际的地球的形状。椭圆体主要通过它的长半轴和扁率来描述。
      有了这个椭圆体,我们就可以引出一系列的概念来帮助描述地球的形状。Datum基准面就是非常重要的一个概念,椭圆体的中心和方位就构成了我们所谓的基准面,有些就这样定义:利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近而形成所谓的基准面。通过在椭圆体上的一系列点,我们可以定义地球的中心,这里还有另一个问题。如果在地球的表面建立一系列的控制点,但是由于大陆漂移的存在,这些一开始定义的控制点每年都会变化,所以在我们看到每个基准面的定义中都会一个年份,表示这是在什么年份建立的控制点。已经流行的基准面种类非常多,有些是用来进行全球范围内的测量,有些用来进行地球上局部地区的测量。见图5 。
    不同的基准面
    图5 Many kinds of Datum.
       比较常见的基准面有:World Geodetic Datum 1984(WGS84),主要用于全球范围内的测量和定位;Europen Datum1953(ED50),主要用于欧洲地区;North American Datum 1983(NAD83)主要用于北美地区;而我们国家主要有两种:北京54和西安80。其中最为有名的一种就是上面提到的WGS84,GPS系统就是采用了这种基准面,它比较好的逼近了整个地球范围。
    现在我们可以再回到文章的开始处,看看那句话“我的数据是WGS84坐标系统的”是否合理。很明显这里说的WGS84只是指出数据是基于WGS84基准面的,但是没有指出是采用哪一种投影系统。下面我们就开始说说投影这个概念。

    投影 Projection
       需要投影的理由很简单,我们看到的地图或者在计算机屏幕看到的地图都是平面的或者说是二维的,但是地球却不是平的。所以我们必须想出一种办法让地球表面上的点跟平面上的点一一对应起来,而这种变换的结果就是把地球表面的点对应到笛卡儿坐标系统中。投影的方式主要有三种,见图5。每一种投影都会有不同程度的变形,要么是长度变形、要么是角度变形、要么是面积变形。
    三种主要的投影方式
    图5 Three main projections.
       为了应用于不同的目的,有些投影没有角度变形,但是其它两种变形就很变得很大,在航海应用中最为有名墨卡托投影就是一种无角度变形的投影,但是其面积变形很大,比如靠近北极地区的格陵兰岛的面积在墨卡托投影下看起来比南美洲还大。
    当前网络上流行的Google Map和Live Map,就是采用墨卡托投影的,而且它们是基于WGS84的。

    空间参考 Spatial Reference
      空间参考总的来说就是上面说到的几个概念的综合,空间参考就是为了从比较概括的角度来说明如何把地球上的点最终转换到平面上去。空间参考首先需要一个椭圆体,由这个椭圆体派生出一个基准面,在基准面的基础上选择不同的坐标系统(地心坐标系统、地理坐标系统、投影坐标系统),把球面上的点转换到平面上去。
    欧洲石油调查组织(European Petroleum Survey Group)简称EPSG,定义了大量的空间参考,并给每一中空间参考定义了一个唯一的ID号。这些空间参考通常用Well-Known的格式加以定义其各种参数。比如常见的基于WGS84的具有经纬值的数据所采用的空间参考就是EPSG中定义的ID号为4326的空间参考,其Well-Known格式定义如下(WKT):
    GEOGCS["GCS_WGS_1984",DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137,298.257223563]],PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.0174532925199433]]。这种格式是OGC抽象规范所定义的,另外一种是基于二进制的WKB。
      文章写到这里,或许对文章开头说到的那些概念至此有了一个比较理性的认识,这也是文章的目的所在。
      非常感谢OGC的一切,那些为OGC做出贡献的人,希望有一天我也能为OGC贡献自己的力量。


    转载:http://www.cnblogs.com/Wizardh/articles/985899.html

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  • 如何区分空间参考、坐标系统、投影、基准面和椭圆体?  作者:巫细波 2007.12.06 原文链接:http://www.cnblogs.com/Wizardh/articles/985899.html  空间参考(Spatial Reference)  坐标系统(Coordinate ...
    如何区分空间参考、坐标系统、投影、基准面和椭圆体?
             作者:巫细波 2007.12.06   原文链接:http://www.cnblogs.com/Wizardh/articles/985899.html

       空间参考(Spatial Reference)
       坐标系统(Coordinate System)
       投影(Projection)
       基准面(Datum)
       椭圆体(Ellipsoid)
       在谈到地理投影或者坐标系统的时候很多人会分不清楚上面提到的那些词语,更不用说这些词语之间的区别和联系。有时候你会听到有人这样说:“我的数据是WGS84坐标系统的”,这句话真正的意思是什么呢?下面就上面说到的词语一一给出说明,最后在回到这句话上来,或者到时候就知道这句话的表面意义和内涵了。
    Coordinate System 坐标系统
       说起坐标系统,很多人首先想到的是笛卡尔坐标系统,很显然它也是坐标系统中的一种。笛卡尔坐标的特点就是得定义一个原点和坐标轴(方向),任何放入笛卡尔坐标系统内的点都必须相对于这个原点和方向才显得有意义,这也道出了坐标系统的本质:相对性。在实际的生产应用中有三种比较流行的坐标系统。
     地心坐标系统
    图1 Geocentric Coordinate System
    地心坐标系统 Geocentric Coordinate System
       如图1。这是一种原点在地心、用 (X,Y,Z)进行表示的坐标系统。这种坐标系统在实际生活中用得比较少,原因很简单:这种坐标系统缺少常见的方位概念,东、西、南、北和上、下。就算用到了这种坐标系统,一般也不会直接显示出来而是转换成其他的坐标系统间接显示出来。

    球坐标系统
    图2 Spherical Coordinate System
    球坐标系统(地理坐标系统)Spherical
       见图2,这是在实际生活中用得最多的坐标系统,叫球坐标系统,也是就是常说的地理坐标系统。它的原点是本初子午线(这条经线穿过英国的格林尼治天文台,在那里建有相应的标志塔),用经纬度加以表示,经度是东(E)西(W)各180度,纬度是南(S)北(N)各90度。如果要用这个系统来表示有关高程的东西,一般的做法是给定的某个高度或高程是相对于平均海平面或者基准面。
    笛卡尔坐标系统
    图3 Cartesian Coordinate System

    笛卡尔坐标系统 Cartesian Coordinate System
       见图3。和前面的两种坐标系统明显不一样的地方就是这种坐标系统是一种“平面”的坐标系统,这种坐标系统是二维的,这里的平面两个字加上引号是因为地球的表面不是真的平面的,而是一种球面。在实践中用得最多的一种就是通用横轴墨卡托投影系统(Universal Transverse Mercator 简称UTM)。但是具体到地球上某个地方的时候,测量人员一般不会直接采用这种投影,而是一种成为本地平面投影坐标系统,这涉及到本地基准面等概念。有了笛卡尔坐标系统,人们可以非常方便地在地图上进行各种量算:距离长度、角度和面积,这些都和下面说到的投影密切相关。

    基准面(Datum)和椭圆体(Ellipsoid)
      上面提到的坐标系统有一些明显的特点就是这些坐标系统都是通过相对于地心这样的原点而建立起一种具有相对意义的坐标系统,而地心坐标系统的高程也同样的道理:此坐标系统下的高程是相对于地球表面。说到这里,很多人会问:地心?那么地心的位置在哪里?如果确定?地球的形状到底如何?是球体还是椭球体?

    图4
       科学发展到现在,相信大家都知道了地球不是标准的球体,更不是平面的。那么应该如何去定义地球的表面形状呢?如果我们把平均的海平面定义为地球的表面形状,我们无法得到一个球体状或者是一个椭圆体,虽然海平面跟其下面的地球表面是处处平行的,原因很简单:海平面是跟其所在地球表面的重力场方向处处正交的。问题就是出在这里了,地球表面的重力场会随着物质的一些特性,比如物质的密度而不停地改变,这样一来地球表面的重力场方向处处都不一样,不是都严格指向地心的。借助现在的卫星监测技术,我们已经知道地球其实是一个不规则的球状体,见图4。为了应用的方便,我们通常的做法是采用椭圆体去逼近实际的地球的形状。椭圆体主要通过它的长半轴和扁率来描述。
      有了这个椭圆体,我们就可以引出一系列的概念来帮助描述地球的形状。Datum基准面就是非常重要的一个概念,椭圆体的中心和方位就构成了我们所谓的基准面,有些就这样定义:利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近而形成所谓的基准面。通过在椭圆体上的一系列点,我们可以定义地球的中心,这里还有另一个问题。如果在地球的表面建立一系列的控制点,但是由于大陆漂移的存在,这些一开始定义的控制点每年都会变化,所以在我们看到每个基准面的定义中都会一个年份,表示这是在什么年份建立的控制点。已经流行的基准面种类非常多,有些是用来进行全球范围内的测量,有些用来进行地球上局部地区的测量。见图5 。
    不同的基准面
    图5 Many kinds of Datum.
       比较常见的基准面有:World Geodetic Datum 1984(WGS84),主要用于全球范围内的测量和定位;Europen Datum1953(ED50),主要用于欧洲地区;North American Datum 1983(NAD83)主要用于北美地区;而我们国家主要有两种:北京54和西安80。其中最为有名的一种就是上面提到的WGS84,GPS系统就是采用了这种基准面,它比较好的逼近了整个地球范围。
    现在我们可以再回到文章的开始处,看看那句话“我的数据是WGS84坐标系统的”是否合理。很明显这里说的WGS84只是指出数据是基于WGS84基准面的,但是没有指出是采用哪一种投影系统。下面我们就开始说说投影这个概念。

    投影 Projection
       需要投影的理由很简单,我们看到的地图或者在计算机屏幕看到的地图都是平面的或者说是二维的,但是地球却不是平的。所以我们必须想出一种办法让地球表面上的点跟平面上的点一一对应起来,而这种变换的结果就是把地球表面的点对应到笛卡儿坐标系统中。投影的方式主要有三种,见图5。每一种投影都会有不同程度的变形,要么是长度变形、要么是角度变形、要么是面积变形。
    三种主要的投影方式
    图5 Three main projections.
       为了应用于不同的目的,有些投影没有角度变形,但是其它两种变形就很变得很大,在航海应用中最为有名墨卡托投影就是一种无角度变形的投影,但是其面积变形很大,比如靠近北极地区的格陵兰岛的面积在墨卡托投影下看起来比南美洲还大。
    当前网络上流行的Google Map和Live Map,就是采用墨卡托投影的,而且它们是基于WGS84的。

    空间参考 Spatial Reference
      空间参考总的来说就是上面说到的几个概念的综合,空间参考就是为了从比较概括的角度来说明如何把地球上的点最终转换到平面上去。空间参考首先需要一个椭圆体,由这个椭圆体派生出一个基准面,在基准面的基础上选择不同的坐标系统(地心坐标系统、地理坐标系统、投影坐标系统),把球面上的点转换到平面上去。
    欧洲石油调查组织(European Petroleum Survey Group)简称EPSG,定义了大量的空间参考,并给每一中空间参考定义了一个唯一的ID号。这些空间参考通常用Well-Known的格式加以定义其各种参数。比如常见的基于WGS84的具有经纬值的数据所采用的空间参考就是EPSG中定义的ID号为4326的空间参考,其Well-Known格式定义如下(WKT):
    GEOGCS["GCS_WGS_1984",DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137,298.257223563]],PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.0174532925199433]]。这种格式是OGC抽象规范所定义的,另外一种是基于二进制的WKB。
      文章写到这里,或许对文章开头说到的那些概念至此有了一个比较理性的认识,这也是文章的目的所在。
      非常感谢OGC的一切,那些为OGC做出贡献的人,希望有一天我也能为OGC贡献自己的力量。
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  • ARCGIS坐标系统

    千次阅读 2009-10-28 09:02:00
    2008-06-04 | ARCGIS坐标系统 标签: ARCGIS beijing_1954 coordinate systems 坐标系统 坐标是GIS数据的骨骼框架,能够将我们的数据定位到相应的位置,为地图中的每一点提供准确的坐标。之前每次使用看到...

    2008-06-04 | ARCGIS坐标系统

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        坐标是GIS数据的骨骼框架,能够将我们的数据定位到相应的位置,为地图中的每一点提供准确的坐标。之前每次使用看到那么一堆东西老是有点蒙蒙的。
      ArcGIS自带多种坐标系统,在${ArcGISHome}/Coordinate Systems/目录下可以看到三个文件夹,分别是Geographic Coordinate Systems、Projected Coordinate Systems、Vertical Coordinate Systems,中文翻译为地理坐标系、投影坐标系、垂直坐标系。关于地理坐标系和投影坐标系的区别,简单说:投影坐标系=地理坐标系+投影过程.
     
      1 Geographic Coordinate Systems
         在Geographic Coordinate Systems目录中,我们可以看到已定义的许多坐标系信息,典型的如Geographic Coordinate Systems/World目录下的WGS 1984.prj,里面所定义的坐标参数:
         GEOGCS["GCS_WGS_1984",DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137,298.257223563]],PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.017453292519943295]]
         里面描述了地理坐标系的名称、大地基准面、椭球体、起始坐标参考点、单位等。
     
      2 Projected Coordinate Systems
            在Projected Coordinate Systems 目录中同样存在许多已经定义好的投影坐标系,我国大部分地图所采用的北京54和西安80坐标系的投影文件都保存在其中,它们均使用高斯-克吕格投影,前者 使用克拉索夫斯基椭球体,后者使用国际大地测量协会推荐的IAG 75地球椭球体.如Beijing 1954 Degree GK CM 75E.prj定义的坐标参数:
      PROJCS["Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_75E",GEOGCS ["GCS_Beijing_1954",DATUM["D_Beijing_1954",SPHEROID["Krasovsky_1940",6378245.0,298.3]],PRIMEM
    ["Greenwich",0.0],UNIT["Degree",0.0174532925199433]],PROJECTION["Gauss_Kruger"],PARAMETER["False_Easting",500000.0],PARAMETER
    ["False_Northing",0.0],PARAMETER["Central_Meridian",75.0],PARAMETER["Scale_Factor",1.0],PARAMETER["Latitude_Of_Origin",0.0],UNIT["Meter",1.0]
      可以看出,参数里除了包含地理坐标系的定义外,还有投影方式的信息.
      
      北京54和西安80是我们使用最多的坐标系,在ArcGIS文件中,对于这两种坐标系统的命名有一些不同,简单看去很容易让人产生迷惑.在此之前,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度分带从本初子无线开始,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动划分,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=20 745 921.8m
    在 Coordinate Systems/Projected Coordinate Systems/Gauss Kruger/Beijing 1954 目录中,我们可以看到四种不同的命名方式:
    Beijing 1954 3 Degree GK CM 75E.prj
    Beijing 1954 3 Degree GK Zone 25.prj
    Beijing 1954 GK Zone 13.prj
    Beijing 1954 GK Zone 13N.prj
    说明如下:
    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,横坐标前不带加号
    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Coordinate Systems/Projected Coordinate Systems/Gauss Kruger/Xian 1980目录中,文件命名方式又有所变化:

         Xian 1980 3 Degree GK CM 75E.prj
         Xian 1980 3 Degree GK Zone 25.prj
         Xian 1980 GK CM 75E.prj
         Xian 1980 GK Zone 13.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。

    3 Vertical Coordinate Systems

         Vertical Coordinate Systems定义了测量海拔或深度值的原点,具体的定义,英文描述的更为准确:

         A vertical coordinate system defines the origin for height or depth values. Like a horizontal coordinate system, most of the information in a vertical coordinate system is not needed unless you want to display or combine a dataset with other data that uses a different vertical coordinate system.

         Perhaps the most important part of a vertical coordinate system is its unit of measure. The unit of measure is always linear (e.g., international feet or meters). Another important part is whether the z values represent heights (elevations) or depths. For each type, the z-axis direction is positive "up" or "down", respectively.

         One z value is shown for the height-based mean sea level system. Any point that falls below the mean sea level line but is referenced to it will have a negative z value. The mean low water system has two z values associated with it. Because the mean low water system is depth-based, the z values are positive. Any point that falls above the mean low water line but is referenced to it will have a negative z value.

         需要注意的是,大家经常希望能够通过坐标转换,将北京54或西安80中的地理坐标系转换到WGS84,实际上这样做是不准确的,北京54或西安80的投影 坐标可以通过计算转换到其对应的地理坐标系,但由于我国北京54和西安80中的地理坐标系到WGS84的转换参数没有公开,因此无法完成其到WGS84坐 标的精准计算。其他公开了转换参数的坐标系都可以在ArcToolbox(Data Management Tools->Projections and Transformations->Feature->Projections)中完成转换。
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