GPS中的坐标系

坐标系统及转换主要内容：坐标系统概述投影带带号和中央子午线计算坐标系统转换软件操作演示一、坐标系统概述1、概念坐标系统是描述位置的一组数值，一般分为全球坐标系统和二维、三维坐标系统。将整个地表或某一部分投影到平面后，为了在地图上准确地定位，必须使用坐标系统。其主要参数为：地形面（Topography），大地水准面（Geoid），参考椭球面（ReferenceEllipsoid），基准（Datum）。坐标是地理数据的骨骼框架，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，以确定项目区位置，为项目建设和区域规划提供依据，并实现可视化。2、类别通常坐标系统分两种：地理空间坐标系（大地坐标）与投影坐标系（平面直角坐标）（1）地理空间坐标系(Geographiccoordinatesystem)使用基于经纬度坐标描述地球上某一点所处的位置。某一个地理坐标系是基于一个基准面来定义的。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；也称球面坐标。我国常用的坐标系有WGS1984（GPS点），Xian1980.prj，Beijing1954.prj。（2）投影坐标系统（Projectioncoordinatesystem）在球面上计算角度距离十分麻烦，而且地图是印刷在平面纸张上，要将球面上的物体画到纸上，就必须展平，这种将球面转化为平面的过程，称为“投影”。即平面直角坐标是球面坐标经由投影换算而成的。该坐标系是使用X,Y值来描述地球上某个点所处的位置。这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得到的，它对应于某个地理坐标系。平面坐标系统地图单位通常为米，也称非地球投影坐标系统（notearth），或者是平面直角坐标。投影坐标系由以下两项参数确定:地理坐标系（由基准面确定，比如:北京54、西安80、WGS84）投影方法（比如高斯－克吕格投影、Lambert投影）3、常用的坐标系（1）北京54坐标系北京54坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，源自于前苏联1942年普尔科夫坐标系。以克拉索夫斯基椭球为基础，以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准，经局部平差后产生的坐标系，其成果得到了广泛的应用。但是随着测绘新理论、新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在如下缺点：椭球参数有较大误差；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；几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一，这给实际工作带来了麻烦；定向不明确。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。（2）西安80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（IUG1975）。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坐标系是在1954北京坐标系的基础上建立起来的，具有以下优点：a.椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，并且是多点定位；b.定向明确；c.大地原点位置居中，比较适当；d.大地高程基准采用1985国家高程基准（3）WGS-84坐标系一种国际上采用的地心坐标系，采用GPS卫星轨道数据。坐标原点为包括海洋和大气在内的整个地球质心，空间直角坐标系的Z轴指向BIH（1984.0）定义的地极（CTP）方向，即国际协议原点CIO，它由IAU和IUGG共同推荐。X轴指向BIH定义的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z,X轴构成右手坐标系。WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会测量常数推荐值。建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。目前是世界通用的经纬度坐标系｡（4）2000国家大地坐标系（CGCS2000）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。因此，经国务院批准，根据《中华人民共和国测绘法》，我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系。国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。采用广义相对论意义下的尺度。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为：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=7.292115×10-5rads-14、常用投影（1）高斯投影(GaussProjection)高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影简称“高斯投影”，又名“等角横切椭圆柱投影”。德国数学家、物理学家、天文学家高斯（CarlFriedrichＧauss，1777~1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（JohannesKruger，1857~1928）于1912年对投影公式加以补充，故名。高斯-克吕格投影在长度和面积上变形很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大之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，能在图上进行精确的量测计算。横轴：赤道，用Y表示；纵轴：中央经线，用X表示；坐标原点：中央经线与赤道的交点，用O表示｡赤道以南为负，以北为正；中央经线以东为正，以西为负｡我国位于北半球，故纵坐标均为正值，但为避免中央经度线以西为负值的情况，将坐标纵轴西移500公里｡YX（2）UTM投影UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”，是等角横轴割圆柱投影（高斯-克吕格为等角横轴切圆柱投影），该投影将地球划分为60个投影带，每带经差为6度，已被许多国家作为地形图的数学基础。UTM投影与高斯投影的主要区别在南北格网线的比例系数上，高斯-克吕格投影的中央经线投影后保持长度不变，即比例系数为1，而UTM投影的比例系数为0.9996。高斯-克吕格投影与UTM投影可近似采用Xutm=0.9996*X高斯，Yutm=0.9996*Y高斯进行坐标转换。分度方法:有3度和6度分带法1、6度分带法从零度子午线开始，自西向东每个经差6度为一投影带，全球共分60个带，中央经线为3°，9°，15°，依此类推，投影带号为1，2，3…30表示。东半球从东经0～6度为第一带，其中央经线的经度为东经3度，东经6～12度为第二带，其中央经线的经度为9度｡其投影带号n和中央经线经度L0的计算公式为：L0=(6n-3)；西半球投影带从180°回算到0°，编号为31-60，其投影带号n和中央经线经度L0的计算公式为：L0=360-(6n-3)°一般中小比例尺，1：2.5万到1：50万的地形图采用6度分带投影。我国的经度范围西起73°东至135°，可分成六度带11个，各带中央经线依次为75°、81°、87°、……、129°、135°。新疆经度范围为73度东至96度东，各带中央经线依次为75°、81°、87°、93°。二、投影带带号和中央子午线计算模型首子午线第1带0°12°6°央子中午线赤道NS2、3度分带法3度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与六度带的中央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。即东经1.5～4.5度为第1带，其中央经线的经度为东经3度，东经4.5～7.5度为第2带，其中央经线的经度为东经6度。东半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线计算公式：L0=3n,中央经线为3°、6°...180°西半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线计算公式：L0=360°-3°n,中央经线为西经177°、...3°、0°我国三度带22个，新疆三度带中央经纬线依次为：75°、78°、81°、84°、87°、90°、93°。一般三度带用于大比例尺（如1：10000）测图，城建坐标多采用三度带的高斯投影。地形图上公里网横坐标前2位就是带号，例如：1：5万地形图上的横坐标为20345486，其中20即为带号，345486为横坐标值。（1）带号计算6度带是以中央经线正负3度，带号N6等于所在位置经度除以6取整数再加1，若没有余数则商数就是带号，即N=Int(X/6)+1。例如：所在位置经度为126°07′，除以6之后，商数为21，余数为07′，带号N6=21+1=223度带带号N3等于所处位置经度除以3四舍五入取整数。即：N=X/3。例如：乌鲁木齐经度87°28′27″E，除以3，商数为29.2，所以N3取整为29。3、带号及中央经纬线的计算（2）中央经线计算六度带中央经线经度L0的计算：L0=(6n-3)，并由此可反算带号n=(L0+3)/6例如：地形图上的横坐标为20345468，其所处的六度带的中央经线经度为：6°×20-3°=117°。三度带中央经线经度L0的计算：L0=3×n｡例如：带号为20，其所处的三度带的中央经线经度为：3×20=60°。三､坐标系统转换由于不同基准和不同坐标系的存在，在实际应用中常常导致需要在他们之间进行相互转换。转换分为两个基本类型：1.坐标系转换2.基准转换1、坐标系转换定义：指的是同一点的坐标在相同基准下，由一种坐标系下的坐标转换为另一种坐标系下的坐标。比如，同一坐标参照系下空间直角坐标与大地坐标之间的转换。特点：（1）坐标系转换不涉及基准转换（即不涉及椭球参数及其定位和定向的转换，也即它们不变）；（2）坐标系转换中的两种坐标实际上是同一点不同坐标表达方式间的变换，具有一一对应的关系。2、基准转换定义：就是两种坐标系由于采用的椭球参数、定位、定向或者由于尺度设置不同等原因导致两种基准之间的变换。基准变换和坐标系变换是本质上的区别。基准变换常见的是地心系与参心系之间的变换。如：北京54与西安80坐标间的转换。3、常见的坐标转换我们常用的坐标转换主要为大地坐标与平面坐标的转换、同一坐标系不同带的转换。以下主要介绍我们常用的两个坐标转换软件，即coord软件和实用坐标转换工具，进行经纬度坐标和公里网坐标的转换。经检验两种方法计算的结果是一致的。当用GPS在外业中测得经纬度坐标后可以转换为公里网坐标在图纸上应用。方法如下：（1）coord软件本次主要介绍经纬度转换为平面坐标。转换数据为：数据格式须设置为“度：分：秒”，如：87°21´04.43“，须设置为：87:21:04.43①双击coord.exe程序，打开转换软件界面，选择源坐标类型和目标坐标类型，椭球基准均选择北京54坐标系。经度纬度87°21´04.4343°57´40.0987°20´52.8743°57´43.5987°20´38.4343°57´29.8887°20´50.2943°57´26.17②坐标转换在“坐标转换”菜单下选择“投影设置”选项，弹出投影设置对话框。根据需转换坐标的经度87°21´04.43”，判断6度