空間坐標(biāo)系統(tǒng)

1、三、空間坐標(biāo)系統(tǒng) 空間坐標(biāo)系統(tǒng)類型空間坐標(biāo)系統(tǒng)類型 定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息 空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 空間數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的最大區(qū)別在于空間數(shù)據(jù)具有空間位置信息。 空間位置可以由不同的坐標(biāo)系統(tǒng)來描述，同一實(shí)體，在不同坐標(biāo)系統(tǒng)中具有不同坐標(biāo)值。 坐標(biāo)系統(tǒng)分地理坐標(biāo)系統(tǒng)（Geographic Coordinate System，GCS）和投影坐標(biāo)系統(tǒng)（Projected Coordinate System，PCS）兩大類型。 以經(jīng)度和緯度表示任何一點(diǎn)的位置。經(jīng)度是觀測點(diǎn)所在子午線與初始子午線之間的角度（大多數(shù)GCS以格林威治為初始子午線，也有一些國家選用其他地方為初始子午線）；緯度是觀測點(diǎn)與赤道之間的角

2、度。地理坐標(biāo)系統(tǒng)1 經(jīng)度和緯度一般是以十進(jìn)制度或度分秒（DMS）來表示。緯度值從90（南極）到90（北極）；經(jīng)度自西向東從180到 180。 經(jīng)緯度的測量首先是要建立大地測量基準(zhǔn)（Datum） ，即確定地球橢球數(shù)據(jù)、橢球的定位和定向以及大地原點(diǎn)等參數(shù)。 地球橢球數(shù)據(jù)是指地球的形狀與大小，一般用長半徑a（赤道半徑）、短半徑b（極軸半徑）以及扁率f =（(a-b)/a）來定義。 橢球的定位和定向是指橢球的位置與指向。 大地原點(diǎn)是指國家大地控制網(wǎng)起算點(diǎn)，地球橢球模型與實(shí)際地球在該點(diǎn)是完全重合。 由于地球表面是一個起伏不平、十分不規(guī)則的表面，因此不可能建立一個與實(shí)際情況完全一致的模型。因此，一個國家或

3、地區(qū)在建立大地坐標(biāo)系時，為使地球橢球面更切合本國或本地區(qū)的自然地球表面，往往需選擇合適的橢球參數(shù)、確定一個大地原點(diǎn)的起始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行橢球的定位和定向。 同一點(diǎn)采用不同的大地測量基準(zhǔn)，所得到的坐標(biāo)值是有差異。WGS84、NAD27大地測量基準(zhǔn)所定義的橢球面與實(shí)際的地球橢球面比較 由于采用不同資料推算，目前有幾百種地球橢球體參數(shù)定義。名稱年代短半軸扁率Bessel1841 63560791:299.15Clarke188063565151:293.50海福特（Hyford） 191063783881:297.00克拉索夫斯基194063568631:298.30WGS 721972 6378135

4、 1:298.26WGS 841984 63781371:298.26常用的橢球體數(shù)據(jù) 1954年以前我國采用美國海福特橢球參數(shù)。 新中國成立初期，我國采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)，大地原點(diǎn)是原蘇聯(lián)的普爾科沃，利用該基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)稱為北京54坐標(biāo)。 由于54坐標(biāo)存在許多缺點(diǎn)和問題，1980年，采用了1975年國際大地測量學(xué)聯(lián)合會第16屆大會上的推薦的地球橢球定義，大地原點(diǎn)定在我國中部地區(qū)的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，利用該基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)稱為西安80坐標(biāo)。 目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是World Geodetical System-84（世界大地坐標(biāo)系-84）， 簡稱WGS-84坐標(biāo)。 采用的Datum不同

5、，同一控制點(diǎn)或明顯地物點(diǎn)所計算出來的地理坐標(biāo)是不一樣的，位置誤差可以達(dá)到1km。 地球橢球面是曲面，地圖是平面。地球橢球面不能直接展開成平面，只能通過投影方式把地球表面上的點(diǎn)投影到平面或可展開為平面的圓柱面或圓錐面上。 投影坐標(biāo)系統(tǒng)是以平面直角坐標(biāo)（x，y）表示地面點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。投影坐標(biāo)系統(tǒng)2 平面直角坐標(biāo)（x，y）與經(jīng)緯度（， ）可用兩個方程式表示： x = f1(，) y = f2(，) 由于平面直角坐標(biāo)是從地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而來，因此，坐標(biāo)值同樣與Datum有關(guān)。 有三種基本類型投影： 圓錐投影 圓柱投影 平面投影圓錐投影圓柱投影平面投影 投影選擇 地圖投影不可避免會造成空間誤差（面積、

6、形狀、距離等），但我們可以選擇不同投影來保證其中的某些空間特性沒有誤差或誤差很小。如用于面積量算，一般選擇等積投影；用于航海，一般選擇等角投影。我國主要類型地圖所采用的地圖投影地圖類型所用投影中國全圖斜軸等面積（或等角）方位投影中國分省地圖正軸等角（或等面積）割圓錐投影1:100萬地形圖正軸等角割圓錐投影1:5-1:50萬地形圖高斯克呂格投影（6度分帶）1:5000-1:2.5萬高斯克呂格投影（3度分帶）1:500-1:5000局部坐標(biāo)的高斯投影 高斯克呂格投影 高斯克呂格投影是等角橫切橢圓柱投影，與通用橫軸墨卡托投影（UTM投影，等角橫軸割圓柱投影）之間差異很小。自1952年起，我國將其作為

7、國家大地測量和地形圖的基本投影，亦稱為主投影。 1：2.5萬至1：50萬比例尺的地形圖均采用6分帶，1：1萬比例尺地形圖采用3分帶。 6分帶是從格林尼治0子午線起算，自西向東每隔經(jīng)差6為一個投影帶，全球共分為60個投影帶，即東經(jīng)06為第1帶，其中央經(jīng)線為3E，東經(jīng)612為第2帶，其中央經(jīng)線為9E。我國領(lǐng)土位于東經(jīng)72136之間，共包括11個投影帶，即1323帶。計算公式 N=MOD（/6） + 1。 3分帶是從東經(jīng)130的經(jīng)線開始，每隔3為一帶，全球劃分為120個投影帶。 高斯投影每一個投影帶都是相對于本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對坐標(biāo)值。我國位于北半球，全部的X坐標(biāo)值都為正值，但在每個投影帶中有一半的Y

8、坐標(biāo)值為負(fù)，為了使我國境內(nèi)的坐標(biāo)均取正值，規(guī)定將各帶縱坐標(biāo)西移500公里。 由于采用分帶方法，各帶的投影完全相同，某一坐標(biāo)值在每一投影帶中均有一個，在全球則有60個，不能確切表示一個點(diǎn)的位置。因此，通常在Y坐標(biāo)值前冠以帶號，這樣的坐標(biāo)稱為通用坐標(biāo)。 如華東師大的高斯投影坐標(biāo)值約是：347900m，3456000m，通用坐標(biāo)則為21347900m，3456000m 。 獨(dú)立坐標(biāo)系 一些城市采用獨(dú)立坐標(biāo)系，以城市中的某一點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。 上海市地方坐標(biāo)以國際飯店為原點(diǎn)，該點(diǎn)的經(jīng)緯度約為：121.46；31.23 空間坐標(biāo)系統(tǒng)類型 定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息 空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)

9、換 在新建空間數(shù)據(jù)時，可以定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息，也可以不定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息。如果沒有定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息，用戶就不能很好地了解空間數(shù)據(jù)，另一方面，也不能利用已有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。因此，在數(shù)據(jù)采集時，盡可能定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息。坐標(biāo)系統(tǒng)信息的形式 坐標(biāo)系統(tǒng)信息用于描述空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)特性。 對文件形式的數(shù)據(jù)，定義投影后將產(chǎn)生一個投影文件（*.prj），投影文件是一個文本文件。對數(shù)據(jù)庫形式的數(shù)據(jù)，定義投影后，將把坐標(biāo)系統(tǒng)信息增加到空間參照表中。1prj文件中記錄的空間坐標(biāo)系統(tǒng)信息定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息 在ArcGIS中，可以在新建數(shù)據(jù)時（ArcCatalog環(huán)境下）定義坐

10、標(biāo)系統(tǒng)信息，也可以利用Define Projection工具（ArcToolboxData Management ToolsProjections and TransformationsDefine Projection）對已有的數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息。 這兩種方式顯示的對話框是一致的。2定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息對話框 對話框提供三種方式定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息： 選擇預(yù)定義的坐標(biāo)系統(tǒng)（Select）。 從其它數(shù)據(jù)（有坐標(biāo)系統(tǒng)定義）中輸入坐標(biāo)系統(tǒng)（Import）。 新建一個坐標(biāo)系統(tǒng)（New）。 選擇預(yù)定義的坐標(biāo)系統(tǒng)是在ArcGIS坐標(biāo)系統(tǒng)庫中選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，目前ArcGIS中有幾百種已定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。 如高

11、斯克呂格投影坐標(biāo)系統(tǒng)，包括不同Datum（如北京54、西安80）、不同投影帶以及是否加帶號的高斯克呂格投影坐標(biāo)系統(tǒng)。 如地理坐標(biāo)加帶號，則按照帶號選擇（如Xian 1980 GK Zone 21）；如地理坐標(biāo)不加帶號，則按照中央經(jīng)線選擇（如Xian 1980 CM 123E）。 如果需要定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一致，且已有數(shù)據(jù)已定義坐標(biāo)系統(tǒng)，則可選擇從其它數(shù)據(jù)中輸入坐標(biāo)系統(tǒng)信息。 如ArcGIS坐標(biāo)系統(tǒng)庫中沒有相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，同時也不能通過已有文件輸入坐標(biāo)系統(tǒng)信息，在已知坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)情況下，可新建坐標(biāo)系統(tǒng)信息文件。定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息的意義 定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息并不改變原有數(shù)據(jù)的空間

12、坐標(biāo)值。但定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息一方面可以更好地認(rèn)識數(shù)據(jù)，另一方面，可以在視圖窗口中實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)的實(shí)時轉(zhuǎn)換。3 視圖窗口的坐標(biāo)系統(tǒng)可以在Data Frame Properties對話框中定義。右擊圖例窗口中的Layers， 在Data Frame Properties對話框中點(diǎn)擊Coodinate System。 如加載圖層前沒有定義坐標(biāo)系統(tǒng)，則加載的第一個圖層作為視圖窗口的坐標(biāo)系統(tǒng)，以后增加的圖層如與第一個圖層的坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，則可以自動轉(zhuǎn)換空間坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行顯示。 必須注意只是顯示的坐標(biāo)發(fā)生變化，實(shí)際的數(shù)據(jù)沒有變化。如要改變數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)，則可以在圖例窗口中選中圖層，右擊鼠標(biāo)，點(diǎn)擊DataExpo

13、rt Data，以數(shù)據(jù)框架的坐標(biāo)系統(tǒng)輸出新的數(shù)據(jù)。 演示： 兩個不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（UTM坐標(biāo)和上海地方坐標(biāo)）在未定義坐標(biāo)系統(tǒng)信息情況下在ArcMap中的顯示。 利用Define Projection工具分別定義兩個數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)信息。 在ArcMap中顯示有空間坐標(biāo)信息情況下兩個不同坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)整合。 空間坐標(biāo)系統(tǒng)類型 定義空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息 空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換空間坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換包括： 不同基準(zhǔn)（Datum）地理坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換 地理坐標(biāo)與投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（可以包括Datum 轉(zhuǎn)換） 不同投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（可以包括Datum 轉(zhuǎn)換） 未定義（或未知）坐標(biāo)與已定義坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系

14、統(tǒng)的變換將產(chǎn)生空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)值的變化，即產(chǎn)生新的空間數(shù)據(jù)。在ArcGIS中，可以利用Project工具實(shí)現(xiàn)已知坐標(biāo)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，也可以利用幾何校正模塊實(shí)現(xiàn)未知坐標(biāo)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)）的相互轉(zhuǎn)換。已知坐標(biāo)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 對已知坐標(biāo)系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)可通過Project工具實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。1要求輸入數(shù)據(jù)有坐標(biāo)系統(tǒng)信息定義輸出數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息選擇不同Datum相互轉(zhuǎn)換模型 ArcGIS有幾百種不同Datum之間的轉(zhuǎn)換模型（主要是與WGS84的轉(zhuǎn)換），但目前還沒有與北京54以及西安80的轉(zhuǎn)換模型。 ArcGIS有幾百種通用的地圖投影以及不同地圖投影間的轉(zhuǎn)換模型，但對于自定義

15、投影，需要定義投影參數(shù)才能建立轉(zhuǎn)換模型。 演示： 地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 不同投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。USA_Contiguous_Albers_Equal_Area_Conic矢量數(shù)據(jù)的幾何校正 利用ArcGIS中的Spatial Adjustment模塊可以對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正，從而實(shí)現(xiàn)兩個不同坐標(biāo)系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。2 配準(zhǔn)步驟： 在Tools菜單下點(diǎn)擊Customize菜單項，打開Customize對話框，選中Spatial Adjustment擴(kuò)展模塊，將顯示Spatial Adjustment工具條。 在一個視圖窗口中同時顯示兩個不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。 點(diǎn)擊Spatial

16、 Adjustment菜單下Set Adjust Data 菜單項，打開選擇校正數(shù)據(jù)對話框。以其中一個數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，對另一個數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行幾何校正（需校正的數(shù)據(jù)處于編輯狀態(tài)）?？梢詫φ麄€數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，也可以只對選中數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，如對整個數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，則選擇All feature in these。 先選中需要改變坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)（源數(shù)據(jù)），右擊鼠標(biāo)，在對話框中選擇Zoom To Layer，使選中數(shù)據(jù)全圖顯示。在Spatial Adjustment菜單下點(diǎn)擊Preview Window，打開Preview窗口，使基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)（目標(biāo)數(shù)據(jù)）全圖顯示。 利用Link工具 在兩個地圖數(shù)據(jù)

17、中找同名點(diǎn)。先點(diǎn)擊源數(shù)據(jù)的一個控制點(diǎn)，然后，在目標(biāo)數(shù)據(jù)中對同名點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)擊，建立控制點(diǎn)連接。 至少要確定3個控制點(diǎn)，才能進(jìn)行幾何校正（ Spatial Adjustment菜單下點(diǎn)擊Adjust菜單項）。 校正后的數(shù)據(jù)可以輸出作為新的數(shù)據(jù)保存。 在選擇控制點(diǎn)時，可以打開Link Table，觀察控制點(diǎn)坐標(biāo)和殘差，對殘差大的控制點(diǎn)，可以刪除。 演示： UTM坐標(biāo)的上海行政區(qū)劃圖通過幾何校正與上海地方坐標(biāo)的上海行政區(qū)劃圖配準(zhǔn)。柵格數(shù)據(jù)的幾何校正 柵格數(shù)據(jù)屬性明顯，但位置信息隱含，通過頭文件反映。 通用的柵格數(shù)據(jù)（如tif、jpg等）在頭文件只有行列坐標(biāo)信息，而沒有實(shí)際空間位置坐標(biāo)信息。 專業(yè)的柵格數(shù)

18、據(jù)一般在頭文件中既包含行列坐標(biāo)信息，同時又包含實(shí)際空間位置坐標(biāo)信息。3 對通用的柵格數(shù)據(jù)，可以在同一文件夾下增加一個同名的world文件（ 擴(kuò)展名加w，如tifw、jpgw ），使得柵格數(shù)據(jù)能在顯示時進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即能顯示柵格數(shù)據(jù)的實(shí)際空間位置坐標(biāo)。 World文件的形式如下：28 x方向的比例尺-5 行旋轉(zhuǎn)-5 列旋轉(zhuǎn)-28 y方向的比例尺-34180 左上角像元的x坐標(biāo)72571 左上角像元的y坐標(biāo) World文件是文本文件，可以用記事本或其它文本編輯器產(chǎn)生。從文件中可以看出，利用world文件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)際上是對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，不能進(jìn)行非線性變換。 ArcGIS中的Georeferencing擴(kuò)展模塊提供了柵格數(shù)據(jù)幾何校正功能，它可以對柵格數(shù)據(jù)幾何進(jìn)行線性和非線性幾何校正。 在Tools菜單下點(diǎn)擊Customize菜單項，打開Customize對話框，選中Georeferencing擴(kuò)展模塊，將顯示Georeferencing工具條。 方法和矢量數(shù)據(jù)幾何校正基本相同，但每選一個控制點(diǎn)，圖像都會進(jìn)行相應(yīng)幾何變換。 利用Georeferencing下的Rec