[基礎(chǔ)科學(xué)]坐標(biāo)系統(tǒng)與投影變換及在arcgis中的應(yīng)用

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1、坐標(biāo)系統(tǒng)與投影變換及在ARCGIS中的應(yīng)用概述：本文共可分為如下幾個(gè)部分組成：地球橢球體(Ellipsoid)大地基準(zhǔn)面（Geodeticdatum）投影坐標(biāo)系統(tǒng)（ProjectedCoordinateSystems）坐標(biāo)系統(tǒng)和投影變換在桌面產(chǎn)品中的應(yīng)用?一、Worldfiles文件GIS處理的是空間信息，而所有對(duì)空間信息的量算都是基于某個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的，因此GIS中坐標(biāo)系統(tǒng)的定義是GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，正確理解GIS中的坐標(biāo)系統(tǒng)就變得尤為重要。坐標(biāo)系統(tǒng)又可分為兩大類：地理坐標(biāo)系統(tǒng)、投影坐標(biāo)系統(tǒng)。本文就對(duì)坐標(biāo)系和投影及其

2、在ArcGIS桌面產(chǎn)品中的應(yīng)用做一些簡單的論述。?GIS中的坐標(biāo)系定義由基準(zhǔn)面和地圖投影兩組參數(shù)確定，而基準(zhǔn)面的定義則由特定橢球體及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定，因此欲正確定義GIS系統(tǒng)坐標(biāo)系，首先必須弄清地球橢球體(Ellipsoid)、大地基準(zhǔn)面(Datum)及地圖投影(Projection)三者的基本概念及它們之間的關(guān)系。?二、地球橢球體(Ellipsoid)??????眾所周知我們的地球表面是一個(gè)凸凹不平的表面，而對(duì)于地球測量而言，地表是一個(gè)無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的曲面，這樣的曲面不能作為測量和制圖的基準(zhǔn)面。假想一個(gè)

3、扁率極小的橢圓，繞大地球體短軸旋轉(zhuǎn)所形成的規(guī)則橢球體稱之為地球橢球體。地球橢球體表面是一個(gè)規(guī)則的數(shù)學(xué)表面，可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，所以在測量和制圖中就用它替代地球的自然表面。因此就有了地球橢球體的概念。?地球橢球體有長半徑和短半徑之分，長半徑(a)即赤道半徑，短半徑(b)即極半徑。f=（a-b）/a為橢球體的扁率，表示橢球體的扁平程度。由此可見，地球橢球體的形狀和大小取決于a、b、f。因此，a、b、f被稱為地球橢球體的三要素。?ArcGIS(ArcInfo)桌面軟件中提供了30種地球橢球體模型；常見的地球橢球體數(shù)據(jù)見

4、下表：??對(duì)地球橢球體而言，其圍繞旋轉(zhuǎn)的軸叫地軸。地軸的北端稱為地球的北極，南端稱為南極；過地心與地軸垂直的平面與橢球面的交線是一個(gè)圓，這就是地球的赤道；過英國格林威治天文臺(tái)舊址和地軸的平面與橢球面的交線稱為本初子午線。以地球的北極、南極、赤道和本初子午線等作為基本要素，即可構(gòu)成地球橢球面的地理坐標(biāo)系統(tǒng)(Ageographiccoordinatesystem(GCS)usesathreedimensionalsphericalsurfacetodefinelocationsontheearth.AGCSinclu

5、desanangularunitofmeasure,aprimemeridian,andadatum(basedonaspheroid).)?？梢钥闯龅乩碜鴺?biāo)系統(tǒng)是球面坐標(biāo)系統(tǒng)，以經(jīng)度/維度（通常以十進(jìn)制度或度分秒(DMS)的形式）來表示地面點(diǎn)位的位置。?地理坐標(biāo)系統(tǒng)以本初子午線為基準(zhǔn)（向東，向西各分了1800）之東為東經(jīng)其值為正，之西為西經(jīng)其值為負(fù)；以赤道為基準(zhǔn)（向南、向北各分了900）之北為北緯其值為正，之南為南緯其值為負(fù)。???????地表任意位置的坐標(biāo)值可由圖2表達(dá)：???????????????????

6、???????????????????圖2地理坐標(biāo)系統(tǒng)??三、大地基準(zhǔn)面（Geodeticdatum）??????大地基準(zhǔn)面（Geodeticdatum），設(shè)計(jì)用為最密合部份或全部大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模式。它由橢球體本身及橢球體和地表上一點(diǎn)視為原點(diǎn)間之關(guān)系來定義。此關(guān)系能以6個(gè)量來定義，通常（但非必然）是大地緯度、大地經(jīng)度、原點(diǎn)高度、原點(diǎn)垂線偏差之兩分量及原點(diǎn)至某點(diǎn)的大地方位角。?先拋開測繪學(xué)上這個(gè)晦澀難懂的概念，看看GIS系統(tǒng)中的基準(zhǔn)面是如何定義的，GIS中的基準(zhǔn)面通過當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面向WGS1984的轉(zhuǎn)換7參數(shù)來定義，

7、轉(zhuǎn)換通過相似變換方法實(shí)現(xiàn)，具體算法可參考科學(xué)出版社1999年出版的《城市地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化指南》第76至86頁。假設(shè)Xg、Yg、Zg表示W(wǎng)GS84地心坐標(biāo)系的三坐標(biāo)軸，Xt、Yt、Zt表示當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的三坐標(biāo)軸，那么自定義基準(zhǔn)面的7參數(shù)分別為：三個(gè)平移參數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ表示兩坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值；三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)εx、εy、εz表示當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系旋轉(zhuǎn)至與地心坐標(biāo)系平行時(shí)，分別繞Xt、Yt、Zt的旋轉(zhuǎn)角；最后是比例校正因子，用于調(diào)整橢球大小。???????把地球橢球體和基準(zhǔn)面結(jié)合起來看，如果把地球比做是“馬鈴薯”，表面凸凹不平

8、，而地球橢球體就好比一個(gè)“鴨蛋”，那么按照前面的定義，基準(zhǔn)面就定義了怎樣拿這個(gè)“鴨蛋”去逼近“馬鈴薯”某一個(gè)區(qū)域的表面，X、Y、Z軸進(jìn)行一定的偏移，并各自旋轉(zhuǎn)一定的角度，大小不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候就縮放一下“鴨蛋”，這樣通過如上的處理必定可以達(dá)到很好的逼近地球某一區(qū)域的表面。???????因此，每個(gè)國家或地區(qū)均有各自的基準(zhǔn)面，我們通常稱謂的北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系實(shí)際上指的是