解读ArcGIS空间参照系统和地图投影

解读ArcGIS空间参照系统和地图投影讲座内容一．地球椭球体与大地基准面二．大地测量参考系统三.四.坐标转换地图投影四.常用地图投影六.地图投影变换七.Arcgis的空间参考八.地图投影选择九.资源GIS数据的空间参照系统•空间参照系统是GIS的重要组成部分．它主要用来解决空间信息的定位以及与之相关的地图制图、坐标变化等问题。空间参照系一般分为：（1）未知坐标系（2）地理坐标系（3）投影坐标系(4)垂直坐标系统完整的坐标参数往往包括大地基准、地图投影参数等,它是关于大地坐标与地图坐标的综合概念。地球的形状地球像一个倒放着的大鸭梨，两极略扁,中间略大的不规则球体地球椭球体决定地球椭球体形状和大小的参数：椭圆的长半径a，短半径b,扁率α。椭球体参数长半径a（赤道半径）短半径b（极半径）扁率••ε=(a-b)/a••第一偏心率e2=(a2-b2)/a2••第二偏心率e`2=(a2-b2)/b2参考椭球vs大地基准面•确定了地球的形状与大小之后，还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系，这项工作称为椭球定位与定向。•参考椭球一旦确定，则标志着一个大地基准或个形状、大小都已确定而且经过定位和定向的地球椭球，称为参考椭球体大地坐标系的建立。大地测量参考系统（GeodeticSystem）•坐标参考系统：以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式。•高程参考系统：以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的高程系统称为正常高，以旋转椭球面为参照面的高程系统称为大地高。•重力参考系统：重力观测值的参考系统。陈俊勇,中国大地测量科学发展的若干问题，地球科学进展，第16卷第5期,2001年10月大地测量参考系统ArcGISCoordinateSystems大地坐标系（地理坐标系）•大地坐标系就是以椭球体面为参考面，以法线为依据，大地经度和大地纬度表示地面点在椭球体表面上的位置的坐标系统。空间直角坐标系•原点若设在地球质心，则称地心空间直角坐标系。•原点若设在参考椭球的中心，则称参心空间直角坐标系。Z轴为椭球旋转轴，X轴指向本初子午面与赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。ArcGIS中的大地坐标系•Beijing1954.prj•GEOGCS[GCS_Beijing_1954,•DATUM[D_Beijing_1954,•SPHEROID[Krasovsky_1940,6378245,298.3]],•PRIMEM[Greenwich,0],•UNIT[Degree,0.017453292519943295]]参心坐标系与地心坐标系•大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。•指经过定位与定向后，地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心，以这种参考椭球为基准所建立的大地坐标系，称为参心大地坐标系，它属于区域性大地坐标系，是我国基本测图和常规大地测量的基础。如北京54坐标系，西安80坐标系。•指经过定位与定向后，地球椭球的中心与地球质心重合，并以总地球椭球为参考所建立的大地坐标系，称为地心大地坐标系。如2000国家大地坐标系，WGS-84大地坐标系。我国常用大地坐标系•1954年北京坐标系(参心坐标系)1954年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是：属参心大地坐标系；采用克氏椭球参数a=6878245m，f=1：298.3）；•1980年国家大地坐标系(参心坐标系)ICA-75椭球参数a=6378140mb=6356755mf=1/298.257•新54年北京坐标系(参心坐标系)将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新54年北京坐标系，它与80年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。•2000年国家大地坐标系(地心坐标系)•原点位于地球质量中心的三维国家大地坐标系•采用GRS80椭球参数，具体为：长半轴a＝6378137m；扁率f＝1/298.257222101等•坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，ArcGIS中我国常用大地坐标系GPS的坐标系统－WGS84坐标系•椭球中心O与地球质心重合，Z轴指向H1984.0定义的协议地极（CTP）方向。•X轴指向BIH1984.0的本初子午面与CTP赤道的交点。•Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。CGCS2000与WGS-84的比较•相同历元相同框架下的比较.在定义上CGCS2000与WGS-84是一致的，即关于坐标系原点，尺度，定向及定向演变的定义都是相同的。就是扁率有微小差异，在赤道上有1mm误差。可以认为在相同历元下CGCS2000与WGS-84（G1150），两者误差一致。•不同历元相同框架或同一历元不同框架点坐标是不同的。如ITRF97与ITRF2000在1997.0历元下的点位坐标差异一般在3~5cm.demoArcgis大地坐标系统的整体框架圆球体、椭球体和大地水准面与地图的关系大地坐标系统变换可分为三类：不同坐标系统之间的坐标转换，如WGS-84和西安80坐标系之间的转换。同一坐标系统不同坐标形式的转换，如空间直角坐标和大地坐标之间的转换。同一类坐标系统不同实现之间的转换，如北京54坐标系和西安80坐标系之间转换。党亚民成英燕，薛树强《大地坐标系统及应用》常用大地坐标系统的坐标变换•WGS-84与ITRF坐标转换•ITRF框架相互变换•CGCS2000与ITRF坐标转换•参心坐标系与WGS-84坐标转换•参心坐标系与CGCS2000坐标转换•相对独立平面坐标与国家大地坐标转换党亚民成英燕，薛树强《大地坐标系统及应用》坐标转换方法1.基于方程的转换方法•GeocentricTransalation•Molodensky（莫洛金斯基）•MolodenskyAbridged•PositionVector•CoordinateFrame•Bursa-wolf2.基于格网的方法•NADCON和HARN方法•国家坐标系变换第2版(NTv2)•国家坐标系变换第1版(NTv1)demo坐标变换地图投影•地图投影是一套将三维的地球特征转换为二维显示的数学法则，需要建立地图平面上的点（x,y)和地球表面上的点(ϕ,λ)之间的函数关系。地图投影任务：建立地图的数学基础，将地球面上的坐标系统转化为平面的坐标系统。投影方法：几何透视方法：以透视学原理为基础.以视点位置不同分为：球心，球面，外心透视投影.数学模型分析方法…投影面：平面,园锥面,圆柱面…投影变形：将不可展的地球椭球面展绘到平面时产生的差异，包括长度变形，面积变形，角度变形.23投影的构成（按地图投影的数学表面：地球椭球面）正轴切圆锥投影正轴割圆锥投影横轴切圆锥投影横轴割圆锥投影横轴切圆柱投影横方位投影正轴割圆柱投影斜轴切圆柱投影斜轴切圆锥投影正轴切圆柱投影正方位投影斜方位投影地图投影——地图投影的变形•投影变形：长度变形面积变形角度变形•投影条件：等角投影等面积投影任意投影等距离投影是任意投影的一种地图投影坐标系•地图投影坐标系是依据一定的投影几何特征建立的，如G－K投影坐标系、圆锥投影的坐标系、圆柱投影的坐标系等。•在不同投影中原点有不同的定义，例如G－K投影的原点是投影带的中央经线和赤道的交点，而Mercator投影可以是制图区域的中央经线和赤道的交点，等等。SemimajorAxis:6378140.000000000000000000SemiminorAxis:6356755.288157528300000000InverseFlattening:298.257000000000010000•Projection:Gauss_Kruger•False_Easting:500000.000000•False_Northing:0.000000•Central_Meridian:102.000000•Scale_Factor:1.000000•Latitude_Of_Origin:0.000000•LinearUnit:Meter(1.000000)•GeographicCoordinateSystem:GCS_Xian_1980•AngularUnit:Degree(0.017453292519943299)•PrimeMeridian:Greenwich(0.000000000000000000)•Datum:D_Xian_1980Spheroid:Xian_1980ArcGIS地图投影坐标系常用地图投影•墨卡托投影(Mercator)•高斯-克吕格投影（Gauss-Kruger）•通用墨卡托投影（UTM）•兰伯特投影（Lambert）•阿尔伯斯(Albers)投影墨卡托(Mercator)投影（圆柱投影-等角正圆柱投影）•墨卡托投影为正轴等角圆柱投影，是由墨卡托于1569年专门为航海目的设计的。其设计思想是令一个与地轴方向一致的圆柱切于或割于地球，将球面上的经纬网按等角条件投影于圆柱表面上，然后将圆柱面沿一条母线剪开展成平面，即得墨卡托投影。广泛应用于航海,航空的重要投影；高斯⎯克吕格投影（Gauss-Kruger）横轴圆柱投影高斯投影特征：中央经线和赤道投影为互相垂直的直线，且为投影的对称轴投影后无角度变形，即保角投影中央经线无长度变形同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；高斯—克吕格投影（Gauss-Kruger）---投影分带•1∶2.5万－1∶50万地形图采用经差6°分带投影•1：1万及更大比例尺地形图采用经差3°分带投影从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带。从东经1度30分开始，自西向东每3度分为一个投影带。UTM投影(横轴等角割圆柱投影)椭圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比小于1；UTM投影条件：中央经线投影后为直线，中央经线长度比m0=0.9996;UTM–亦称之为：m0=0.9996的高斯投影；•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。平面直角系与高斯投影相同UTM投影分带UTM与高斯-克吕格投影的区别•带的划分相同而带号的起算不同高斯-克吕格投影分带从零子午线向东每6度为一带,UTM的分带从180度起向东每6度为一带.高斯-克吕格投影的第一带（0°~6°E）为UTM投影的31带。UTM的第一带（180°~174°E）是高斯-克吕格投影的31带。•根本的差别是中央经线长度不同高斯-克吕格投影每带中央经线的投影长度比为1。UTM投影每带中央经线上长度比0.9996。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。等角圆锥投影—兰勃特(Lambert)正形圆锥投影此投影是最适用于中纬度的一种投影。它类似于阿尔伯斯等积圆锥投影，不同之处在于其描绘形状比描绘面积更准确。投影方法圆锥投影通常基于两条标准纬线，从而使其成为割投影。超过标准纬线的纬度间距将增加。这是唯一常用的将两极表示为单个点的圆锥投影。也可使用单条标准纬线和比例尺因子定义。如果比例尺因子不等于1.0，投影实际上将变成割投影。兰勃特方位等积投影•此投影保留了各多边形的面积，同时也保留了中心的实际方向。变形的常规模式为径向。最适合按比例对称分割的单个地块（圆形或方形）。•投影方法：平面投影，从地球仪上任一点投影。这种投影可以包含以下所有投影方法：赤道投影、极方位投影和斜轴投影。•切点：通过经度和纬度指定的单个点，可在任何位置。•局限性：数据范围必须少于一个半球。软件无法处理距中心点超过90°的任何区域。•用途和应用：人口密度（面积）。行政边界（面积）。用于能源、矿物、地质和筑造的海洋制图（方向）。此投影可处理较大区域；因此，它用于显示整个大陆和极点区域。赤道投影：非洲、东南亚、澳洲、加勒比海和中美洲。