ArcGIS中的坐标系定义与转换 (转载）

原文:ArcGIS中的坐标系定义与转换 (转载）

1.基准面概念：

 GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。

  基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。

 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。

 

2. 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）

1、首先理解地理坐标系（Geographic coordinate system），是以经纬度为地图的存储单位的。很明显，Geographic coordinate system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

Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000

Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000

Inverse Flattening（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:  （缩写）

Remarks:

Angular Unit: Degree (0.017453292519943299)

Prime Meridian（起始经度）: Greenwich (0.000000000000000000)   //(本初子午线)

Datum（大地基准面）: D_Beijing_1954

Spheroid（参考椭球体）: Krasovsky_1940

Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000

Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000

Inverse Flattening: 298.300000000000010000

 

2、投影坐标系统（Projection coordinate system），

首先看看投影坐标系统中的一些参数。

Projection: Gauss_Kruger    //(t投影方法)

Parameters: （参数）

False_Easting: 500000.000000   //在东西方向上坐标纵轴向西移了500km

False_Northing: 0.000000      //在南北方向上坐标横轴没有移动

Central_Meridian: 117.000000   //*经线，同central longitude

Scale_Factor: 1.000000          //比例系数，比如放大缩小就用到了阿。一根尺寸1m的杆，你想它变成两米，在scale命令下，在长度方向上设置成2，一个ok它就变成两米的了。这是最最最简单的例子。具体应用就看你自己的题目了

Latitude_Of_Origin: 0.000000    // 纬度的起源，这里既赤道

Linear Unit: Meter (1.000000)    //线性单位

Geographic Coordinate System:

Name: GCS_Beijing_1954

Alias:

Abbreviation:      //缩写

Remarks:

Angular Unit: Degree (0.017453292519943299)

Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000)  //本初子午线(0度经线)

Datum: D_Beijing_1954        //大地基准面

Spheroid: Krasovsky_1940     //参考椭球体

Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000   //长半轴

Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000   //短半轴

Inverse Flattening: 298.300000000000010000     //偏心率

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

 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Geographic Coordinate System参数。

 “既是投影坐标系=地理坐标系+投影算法函数”

3.北京54和西安80是我们使用最多的坐标系

（1）首先简单介绍高斯-克吕格投影的基本知识。

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（prime meridian）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分经线（1.5°）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*经线为X轴，赤道为Y轴，*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*经线以东为正，*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，*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。（XY轴不理解参照下面的GAUSS-KRUGER定义）

     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：（即有四种方法）

    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 13 N.prj

  注释：GK 是高斯克吕格，CM 是Central Meridian *子午线，Zone是分带号，N是表示不显示带号， 对它们的说明分别如下：

    三度分带法的北京54坐标系，*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，*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：

//三分带

Xian 1980 3 Degree GK CM 75E.prj

Xian 1980 3 Degree GK Zone 25.prj  //红色表带数

//六分带

 Xian 1980 GK CM 75E.prj          //黑色表所在带的*经线

 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。

 注意：在实际运用中坐标中加有40是条带号，去、加条带号既是在上述四种命名投影方法的转换。（用project。），不可人为的移动40000000，这样是错误的。

 注意：不知道是否正确（只知道GK或者UTM的坐标的话是没法求带号的 因为每个投影带都是以投影中心以西500KM为坐标原点但是你都知道带号了 就相当于知道了投影中心，再往西500KM就是坐标原点啊）

＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

（2） 大地坐标（Geodetic Coordinate）: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。1：2 5万地形图上，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*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*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。

 （3）Vertical Coordinate Systems   //(垂直坐标系统)

  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中完成转换。

4. WGS84

WGS84:World Geodetic System 1984，（geodetic  测量）是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。通过遍布世界的卫星观测站观测到的左边建立，其初次WGS84的精度为1-2m，在1994年1月2号，通过10个观测站在GPS测量方法上改正，得到了WGS84（G730），G表示由GPS测量得到，730表示为GPS时间第730个周。

1996年，National Imagery and Mapping Agency (NIMA) 为美国国防部 (U.S.Departemt of Defense, DoD)做了一个新的坐标系统。这样实现了新的WGS版本：WGS（G873）。其因为加入了USNO站和北京站的改正，其东部方向加入了31-39cm 的改正。所有的其他坐标都有在1分米之内的修正

 什么是80西安坐标系？
        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。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）。
什么是地心坐标系？          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。
什么是WGS－84坐标系？
WGS－84坐标系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。

5. Gauss Kruger㈢㈣㈢

　（1）Gauss Kruger该词主要出现于地图投影中

　高斯-克吕格(GAUSS-KRUGER)是等角横切椭圆柱投影，是横轴墨卡托投影的变种。由德国数学家高斯提出，后经克吕格扩充并推倒出计算公式，故称为高斯-克吕格投影，简称高斯投影。该投影以*经线和赤道投影后为坐标轴，*经线和赤道交点为坐标原点，纵坐标由坐标原点向北为正，向南为负，规定为X轴，横坐标从*经线起算，向东为正，向西为负，规定为Y轴。所以，高斯-克吕格坐标系的X、Y轴正好对应MAPGIS坐标系的Y和X。

（2）高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影和UTM（Universal Transverse Mercator）投影

  ①高斯-克吕格投影与UTM投影异同 

   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*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，*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*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*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*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。

②  高斯-克吕格投影简介   

高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影，是一种“等角横切圆柱投影”。德国数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl Friedrich Ｇauss，1777一 1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，1857～1928）于 1912年对投影公式加以补充，故名。设想用一个圆柱横切于球面上投影带的*经线，按照投影带*经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将*经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯一克吕格投影平面。高斯一克吕格投影后，除*经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于*经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，*经线无变形，自*经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。由于其投影精度高，变形小，而且计算简便（各投影带坐标一致，只要算出一个带的数据，其他各带都能应用），因此在大比例尺地形图中应用，可以满足军事上各种需要，并能在图上进行精确的量测计算。按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带,这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带,以便分带投影。通常按经差6度或3度分为六度带或三度带。六度带自 0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，带号依次编为第 1、2…60带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的*子午线（既*经线）与六度带的*子午线和分带子午线重合，即自 1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，带号依次编为三度带第 1、2…120带。我国的经度范围西起 73°东至135°，可分成六度带十一个，各带*经线依次为75°、81°、87°、……、117°、123°、129°、135°，或三度带二十二个。我国大于等于50万的大中比例尺地形图多采用六度带高斯-克吕格投影，三度带高斯-克吕格投影多用于大比例尺测图，如城建坐标多采用三度带的高斯-克吕格投影。

③ UTM投影简介   

 UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”，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*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，*经线为直线，且为投影的对称轴，*经线的比例因子取0.9996是为了保证离*经线左右约330km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，是自西经180°起每隔经差6度自西向东分带，将地球划分为60个投影带。    我国的卫星影像资料常采用UTM投影。

④ 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*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。

转自：http://yusenys.blog.163.com/blog/static/81664713201210287555429/