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1、3.3.空间坐标系统空间坐标系统(2014)(2014)什么是空间坐标系统？什么是空间坐标系统？地理坐标系统投影坐标系统创建坐标系统信息空间坐标系统转换任何一个度量值都是和一个度量参照系统相对应，同一对象，用不同的参照系统所得到的度量值是不一样的。在对度量值进行分析时，我们需要知道这些度量值的参照系统以及相互转换方法，只有这样，不同参照系统所得到的度量值只有转换到相同的参照系统，才能正确地进行相互比较。59-70F（15-21）16-242011年10月10日北京和巴黎的温度比较地球上的空间实体都具有空间位置特性，即可以用坐标值来描述。通过坐标值，我们可以对每个实体进行空间定位。同一空间实体，
2、在不同坐标系统中具有不同坐标值，因此，我们在实际工作中，除了要知道空间实体的坐标值，同时也要知道所采用的坐标系统。空间坐标值有三种类型：曲面坐标值，球面上的坐标值，以经纬度表示，对应的坐标系统为地理坐标系统（Geographic Coordinate System，GCS）。平面坐标值，把经纬度坐标投影到平面得到的X、Y坐标，对应的坐标系统为投影坐标系统（Projected Coordinate System，PCS） 。垂直坐标值，高程值，对应的坐标系统为垂直坐标系统（Vertical Coordinate System，VCS） 。上述三种坐标系统分别是用不同的参照要素来定义的，对某一种坐
3、标系统来说，又可以通过不同的参照要素值来定义不同的坐标系统。什么是空间坐标系统？地理坐标系统地理坐标系统投影坐标系统定义空间数据的坐标系统信息空间坐标系统转换定义地理坐标系统是以经纬度表示空间实体的位置信息。其中经度是观测点所在子午面与初始子午面之间的角度（大多数GCS以通过格林威治的子午面为初始子午面）；纬度是观测点与地球球心的连线和赤道面之间的角度。1由于地球是一个不规则的椭球体，为了测量地球上任何一点的经纬度坐标，需要定义一个标准的椭球体、确定椭球体的指向以及椭球体与实际的地球在哪个位置完全重合等，这些参数统称为大地测量基准（Datum）。大地测量基准大地测量基准包括如下参数：地球椭球体
4、的形状与大小，一般用长半径a（赤道半径）、短半径b（极轴半径）以及扁率f =（(a-b)/a）来定义。地球椭球体的指向（正北点的位置）。大地原点，是指大地测量控制网起算点，地球椭球体模型与实际地球在该点是完全重合。初始子午线。测量单位。2一个国家或地区在建立大地坐标系时，为使地球椭球体更切合本国或本地区的自然地球表面，往往需选择合适的椭球参数、确定一个大地原点的起始数据，并进行椭球的定向。由于采用不同资料推算，目前有几百种大地测量基准。常用的地球椭球体参数名称年代短半轴扁率Bessel1841 63560791:299.15Clarke188063565151:293.50海福特（Hyford
5、） 191063783881:297.00克拉索夫斯基194063568631:298.30WGS 721972 6378135 1:298.26WGS 841984 63781371:298.26WGS84、NAD27大地测量基准所定义的椭球面与实际的地球椭球面比较采用的Datum不同，同一点所计算出来的地理坐标是不一样的，位置误差可以达到1km。我国采用的大地测量基准北京54大地测量基准新中国成立初期我国采用的大地测量基准。该基准采用克拉索夫斯基椭球参数，大地原点在原苏联的普尔科沃，利用该基准建立的坐标系称为北京54坐标系。3西安80大地测量基准1980年起我国采用的大地测量基准。该基准采
6、用1975年国际大地测量学联合会第16届大会上推荐的地球椭球定义，大地原点定在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇，利用该基准建立的坐标系称为西安80坐标系。CGCS2000大地测量基准是我国新的大地测量基准，2008年7月1日启用，最大特点是椭球体中心是地球的质量中心。WGS-84大地测量基准目前GPS所采用的坐标系统是World Geodetical System-84（世界大地坐标系-84），简称WGS-84坐标系。什么是空间坐标系统？地理坐标系统投影坐标系统投影坐标系统创建坐标系统信息空间坐标系统转换定义地球椭球面是曲面，地图是平面。地球椭球面不能直接展开成平面，只能通过投影方式把地球表面
7、上的点投影到平面或可展开为平面的圆柱面或圆锥面上。投影坐标系统是以平面直角坐标（x，y）表示地面点与坐标原点的距离。1平面直角坐标（x，y）与经纬度（， ）可用两个方程式表示： x = f1(，) y = f2(，)由于平面直角坐标是从地理坐标转换而来，因此，坐标值同样与Datum有关。投影类型有三种基本类型投影：圆锥投影圆柱投影平面（方位）投影2圆锥投影圆柱投影平面（方位）投影投影选择地图投影不可避免会造成空间误差（面积、形状、距离等），但我们可以选择不同投影来保证其中的某些空间特性没有误差或误差很小。如用于面积量算，一般选择等积投影；用于航海，一般选择等角投影。3地图类型所用投影中国全图斜
8、轴等面积（或等角）方位投影中国分省地图正轴等角（或等面积）割圆锥投影1:100万地形图正轴等角割圆锥投影1:2.5-1:50万地形图高斯克吕格投影（6度分带）1:5000-1:1万高斯克吕格投影（3度分带）1:500-1:5000局部坐标的高斯投影Web地图Web墨卡托投影常用地图的地图投影高斯克吕格投影高斯克吕格投影是等角横轴切椭圆柱投影，与通用横轴墨卡托投影（UTM投影，等角横轴割椭圆柱投影）之间差异很小。自1952年起，我国将其作为国家大地测量和地形图的基本投影，亦称为主投影。4高斯克吕格投影是分带投影，有6分带和3分带两种。1:2.5万至1:50万比例尺的地形图采用6分带，1:5千至1
9、:1万比例尺地形图采用3分带。每个带中间的经线称为中央经线，中央经线和赤道线的交点为坐标原点。分带分带起始经线起始经线经差经差全球带数全球带数计算公式计算公式6分带0660N=MOD（/6） + 13分带1303120N=MOD（-1.5/3） + 1我国领土位于东经72136之间，共包括11个6投影带（1323带），22个3投影带（2445带）。上海市的经度在121 之间， 6分带在21带， 3分带在40带。6分带和3分带为了使所有的坐标都为正值，在实际应用中通常对坐标轴进行平移（False_Easting和False_Northing），如我国境内的高斯投影规定将各带纵坐标原点西移500公
10、里。由于采用分带方法，各带的投影完全相同，某个投影带上一个点的坐标值在其它投影带上也会有相应值，不能确切表示一个点的位置。因此，通常在横坐标值前冠以带号，这样的坐标称为通用坐标，如华东师大的高斯投影（ 6分带）坐标值约是：348km，3456km，通用坐标则为21348km，3456km 。1：1万地形图1：2.5万地形图Web墨卡托投影墨卡托(Mercator)投影，又名“等角正轴圆柱投影”，是荷兰地图学家墨卡托在1569年提出的，该投影假设一个圆柱面与地球相切，然后把球面上的图形投影到圆柱面上。5Web墨卡托投影也称为球面墨卡托投影，它与常规墨卡托投影的主要区别就是把地球模拟为球体而非椭球
11、体，该投影的特点是精度较低，但计算简单。Google Maps、Virtual Earth、百度地图等web地图都采用Web墨卡托投影。独立坐标系一些城市采用独立坐标系，以城市中的某一点作为坐标原点。上海市地方坐标以国际饭店为原点，该点的经纬度约为：121.46；31.23。6什么是空间坐标系统？地理坐标系统投影坐标系统创建坐标系统信息创建坐标系统信息空间坐标系统转换什么是坐标系统信息？坐标系统信息就是描述空间数据所采用的坐标系统。通常情况下，空间数据中记录坐标的数据和记录坐标系统信息的数据是分离的（不同文件或不同数据表），改变坐标系统信息并不改变原有数据的空间坐标值，但在数据显示或坐标转换时
12、，会用到坐标系统信息。1坐标系统信息不是自动产生的，需要用户输入相关信息来产生，可以在新建数据时创建，也可以对已有数据创建坐标系统信息。坐标系统信息以文件或数据表的形式保存。如空间数据为shapefile形式，定义坐标系统信息后将产生一个与shapefile文件同名的prj文件（*.prj），并且和shapefile文件存放在同一个文件夹中。 prj文件是一个文本文件，可以在通过相关软件浏览。prj文件中记录的空间坐标系统信息定义坐标系统信息在ArcGIS中，可以在新建数据时（ArcCatalog环境下）定义坐标系统信息，也可以利用Define Projection工具（ArcToolboxD
13、ata Management ToolsProjections and TransformationsDefine Projection）对已有的数据定义坐标系统信息。这两种方式显示的对话框是一致的。2定义坐标系统信息对话框对话框提供三种方式定义坐标系统信息：选择预定义的坐标系统（Select）。从其它数据（有坐标系统定义）中输入坐标系统信息（Import）。新建一个坐标系统信息（New）。ArcGIS已预定义了几百种坐标系统，可以根据是地理坐标系统还是投影坐标系统、Datum类型、投影类型、投影带等进行选择。选择预定义的坐标系统对话框对高斯克吕格投影坐标系统来说，包括：不同Datum（如北京
14、54、西安80）。横坐标值是否加带号，如加带号，则选择GK Zone，如不加带号，则选择GK CM。如选GK Zone，则进一步确定带号（如Xian 1980 GK Zone 21）；如选CM，则进一步确定中央经线（如Xian 1980 GK CM 123E）。如果需要定义坐标系统信息的数据与已有数据的坐标系统一致，且已有数据已定义坐标系统，则可选择从其它数据中输入坐标系统信息。这个方法实际上是把其它数据的prj文件复制过来（A.prj B.prj）。如ArcGIS坐标系统库中没有相应的坐标系统，同时也不能通过已有文件输入坐标系统信息，在已知坐标系统参数情况下，可新建坐标系统信息文件。新建坐标
15、系统信息文件演示：两个不同坐标系统的数据在未定义坐标系统信息情况下在ArcMap中的显示。利用Define Projection工具分别定义两个数据的空间坐标信息。在ArcMap中显示有空间坐标信息情况下两个不同坐标系统数据的坐标整合。演示解释：如加载的图层与Data Frame的坐标系统不一致，则自动转换空间坐标进行显示。如Data Frame没有定义坐标系统，则第一个加载图层的坐标系统作为Data Frame的坐标系统。必须注意只是显示的坐标发生变化，实际的数据没有变化。如要改变数据的坐标系统，则可以在TOC窗口中选中图层，右击鼠标，点击DataExport Data，以数据框架的坐标系统
16、输出新的数据。什么是空间坐标系统？地理坐标系统投影坐标系统创建坐标系统信息空间坐标系统转换空间坐标系统转换坐标系统的转换包括：不同基准（Datum）地理坐标系统的相互转换。地理坐标系统与投影坐标系统的转换（可以包括Datum 转换）。不同投影坐标系统的转换（可以包括Datum 转换）。未定义坐标系统的转换。坐标系统的转换将导致空间数据坐标值的变化，即产生新的空间数据。已定义坐标系统的转换方法：加载数据，在Data Frame的属性框中定义新的坐标系统，并按Data Frame的坐标系统输出数据。 利用Project工具。未定义坐标系统的转换方法：利用空间配准扩展模块（Spatial Adjus
17、tment和Georeferencing），前者用于矢量数据，后者用于栅格数据。利用Project工具进行坐标系统转换点击工具箱中的Data Management ToolsProjections and TransformationFeatureProject，显示Project对话框，可对已知坐标系统信息的数据进行坐标系统转换。1要求输入数据有坐标系统信息定义输出数据的坐标系统信息选择不同Datum相互转换模型利用Project工具进行坐标系统转换ArcGIS有几百种不同Datum之间的转换模型（主要是与WGS84的转换），同个转换模型又有多个不同参数的选择（如Beijing 54到WGS
18、 84 有6个选择）。有些基准（如西安80），ArcGIS没有提供转换模型，在这种情况下，可利用控制点来建立转换模型，具体方法有三参数法、七参数法等。创建不同基准的转换模型演示：地理坐标数据转换成投影坐标数据。不同投影坐标数据的相互转换。USA_Contiguous_Albers_Equal_Area_Conic利用Spatial Adjustment扩展模块ArcGIS中的Spatial Adjustment扩展模块是通过选取控制点（同名点）对矢量数据进行坐标转换，从而实现两个不同坐标系统矢量数据的空间配准。2空间配准前的数据显示空间配准后的数据显示坐标转换步骤：在Tools菜单下点击Cus
19、tomize菜单项，打开Customize对话框，选中Spatial Adjustment扩展模块，将显示Spatial Adjustment工具条。点击Editor菜单下的Start Editing命令，选择需要坐标转换的空间数据。点击Spatial Adjustment菜单下Set Adjust Data 菜单项，打开“选择校正数据”对话框。可以对整个数据进行校正，也可以只对选中数据进行校正，如对整个数据进行校正，则选择All feature in these。先选中需要改变坐标系统的数据（源数据），右击鼠标，在对话框中选择Zoom To Layer，使选中数据全图显示。在Spatial
20、Adjustment菜单下点击Preview Window，打开Preview窗口，使基准坐标系统数据（目标数据）全图显示。利用Link工具 在两个地图数据中找同名点。先点击源数据的一个控制点，然后，在目标数据中对同名点进行点击，建立控制点连接。至少要确定3个控制点，才能进行坐标转换（ Spatial Adjustment菜单下点击Adjust菜单项）。转换后的数据可以输出作为新的数据保存。在选择控制点时，可以打开Link Table，观察控制点坐标和残差，对残差大的控制点，可以删除。Link Table可以保存为Link文件，当要进行同样的坐标转换时，可以打开Link文件直接进行转换。Lin
21、k文件还可以通过文本编辑器创建，每一行的前两列表示原始x、y坐标，后两列表示目标x、y坐标。演示：高斯坐标的上海行政区划图通过坐标转换与上海地方坐标的上海行政区划图配准。利用Georeferencing扩展模块ArcGIS中的Georeferencing扩展模块是通过选取控制点（同名点）坐标对栅格数据进行坐标转换，从而实现两个不同坐标系统栅格数据的空间配准。3栅格数据属性明显，但位置信息隐含，通过头文件反映。通用的栅格数据（如tif、jpg等）在头文件只有行列坐标信息，而没有实际空间位置坐标信息。专业的栅格数据一般在头文件中既包含行列坐标信息，同时又包含实际空间位置坐标信息。对通用的栅格数据，
22、可以在同一文件夹下增加一个同名的world文件（ 扩展名加w，如tifw、jpgw ），使得栅格数据能在显示时进行坐标转换，即能显示栅格数据的实际空间位置坐标。World文件的形式如下：World文件是文本文件，可以用记事本或其它文本编辑器产生。从文件中可以看出，利用world文件进行坐标转换实际上是对栅格数据进行平移、缩放和旋转，不能进行非线性变换。ArcGIS中的Georeferencing扩展模块提供了栅格数据坐标转换功能，它可以对栅格数据进行线性和非线性几何校正。坐标转换步骤：在Tools菜单下点击Customize菜单项，打开Customize对话框，选中Georeferencing
23、扩展模块，将显示Georeferencing工具条。选取控制点。方法和Spatial Adjustment扩展模块基本相同，但每选一个控制点，图像都会进行相应几何变换。利用Georeferencing下的Rectify菜单项对数据进行几何校正（重采样），可以定义重采样栅格大小及选择重采样方法（最近邻法、双线性内插、三次卷积内插），校正后的数据可以以ESRI GRID、TIFF、ERDAS IMAGINE格式输出。演示：未定义空间坐标的卫星遥感图像与上海地方坐标的上海行政区划图配准。未定义空间坐标的栅格地图根据地图上的坐标进行坐标转换。几点总结一个空间数据采用何种坐标系统实际上是指空间数据的坐标值是如何得到的。定义坐标系统信息（创建投影文件）并不改变原有数据的空间坐标值，因此，也不改变原有数据的空间坐标系统。如定义的坐标系统信息不准确，就会产生不正确的坐标转换结果。如无法获得空间数据的坐标系统信息，要进行坐标转换则只能通过控制点进行转换，转换后的坐标系统与参照数据的坐标系统一致。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！83
