ArcGIS10.2 学习课程——2.坐标系基础和投影变换

1、坐标系基础和投影变换,闫磊 EMail：,Page 2,坐标系基础和投影变换,四、练习,四、文本、excel生成点,三、投影变换,二、坐标系介绍,一、坐标介绍,Page 3,坐标的基本概念,坐标是GIS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。 如经纬度下经度、纬度， 平面中X，Y,Page 4,什么是坐标系？,比方说，公路里碑上的公里数，通常是从大城市起算的；说某某建筑有多高，一般是从地面算起。这就是说，地球上任何一点的位置都是相互联系，都有一定相对关系。我们测绘地面上点的位置，也是一样，也要有一个起算标准，不然就分不出高低、这了。测绘地面上某个点的位

2、置时，需要两个起算点：一是平面位置，一是高程。计算这两个位置所依据的系统，就叫坐标系统和高程系统。,Page 5,坐标系关键,采用球体模型（椭球体，基准面) 选定原点，规定正方向和单位长度。 目的：坐标系的建立主要是便于计算 。,Page 6,基准面（Datum）,在测量学中，大地基准面（Geodetic datum），设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。此关系能以6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。 GIS中的基准面通过当地基准面向WGS1984的转换7

3、参数来定义，转换通过相似变换方法实现，假设 Xg、Yg、Zg表示WGS84 地心坐标系的三坐标轴，Xt、Yt、Zt 表示当地坐标系的三坐标轴，那么自定义基准面的 7参数分别为：三个平移参数X、Y、Z表示两坐标原点的平移值；三个旋转参数 x、y、z表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时，分别绕 Xt、Yt、Zt 的旋转角；最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京 54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。,Page 7,椭球体（Spheroid）,众所周知我们的地球表面是一个凸凹不平的表面，而对于地球测量而言，地表是一个无法用数学

4、公式表达的曲面，这样的曲面不能作为测量和制图的基准面。假想一个扁率极小的椭圆，绕大地球体短轴旋转所形成的规则椭球体称之为地球椭球体。地球椭球体表面是一个规则的数学表面，可以用数学公式表达，所以在测量和制图中就用它替代地球的自然表面。因此就有了地球椭球体的概念。 地球椭球体有长半径和短半径之分，长半径（a）即赤道半径，短半径（b）即极半径。f=(a-b)/a为椭球体的扁率，表示椭球体的扁平程度。由此可见，地球椭球体的形状和大小取决于a、b、f 。因此，a、b、f 被称为地球椭球体的三要素。,Page 8,基准面,当一个旋转椭球体的形状与地球相近时，基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。基准面

5、给出了测量地球表面上位置的参考框架。它定义了经线和纬线的原点及方向。 1、地心基准面 2、区域基准面,Page 9,地心基准面,在过去的 15 年中，卫星数据为测地学家提供了新的测量结果，用于定义与地球最吻合的、坐标与地球质心相关联的旋转椭球体。地球中心（或地心）基准面使用地球的质心作为原点。最新开发的并且使用最广泛的基准是 WGS 1984。它被用作在世界范围内进行定位测量的框架。 还有目前国家2000坐标系,Page 10,区域基准面,区域基准面是在特定区域内与地球表面极为吻合的旋转椭球体。旋转椭球体表面上的点与地球表面上的特定位置相匹配。该点也被称作基准面的原点。原点的坐标是固定的，所有

6、其他点由其计算获得。如北京54，和西安80,Page 11,几种基准面说明,北京54坐标系与西安80坐标系都是以Gauss_Kruger为基础，经局部平差后产生的坐标系 北京54坐标系:1954建立原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃 西安80坐标系:也称国家大地坐标系， 1980年，原点在西安附近,Page 12,几种基准面说明,GPS系统所采用的是1984年世界大地坐标系(Word Geodetic System 1984即WGS-84)。WGS-84坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系。原点是地球的质心。 2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整

7、个地球的质量中心,Page 13,几种常用的地准面,1、北京54 2、西安80 3、国家2000 4、WGS1984,Page 14,椭球体参数的区别,北京54:长半轴a=6378245m 短半轴b=6356863m 扁率 f=1/298.3 西安80:长半轴a=6378140m;短半轴b=6356755m 扁率f=1/298.25 WGS-84:长半轴a=6378137m;短半轴b=6356753.314m 扁率f=1/298.25 2000坐标系，a=6378137m b=6356752.31414m 扁率 f=1/298.257222101 注:扁率:f=（a-b）/a 由于长、短半轴不

8、一样，西安80坐标系与北京54坐标系转换是不严密不存在统一的公式 地球上同一点，各个坐标系的经纬度是不一样的,Page 15,注意问题,由于长、短半轴不一样，不同坐标系如西安80坐标系与北京54坐标系转换是不严密不存在统一的公式 地球上同一点，各个坐标系的经纬度是不一样的 北京54和西安80是二维坐标系 WGS84和2000是三维坐标系,Page 16,二、坐标系介绍,1.ArcGIS的坐标，投影文件的含义 2.北京54坐标系、西安80坐标系、WGS84的区别 3.3度，6度分带含义 4.ArcGIS坐标系统文件说明 5.ArcGIS坐标系中两个坐标系统 6.定义坐标系 7.常见问题解决,Pa

9、ge 17,二、坐标系统介绍,1.ArcGIS的坐标，投影文件的含义 一、ArcGIS中坐标系统两种:地理坐标系与投影坐标系（平面直角坐标 ） 地理坐标系以度为单位， 地理空间坐标系（Geographic coordinate system ），使用基于经纬度坐标描述地球上某一点所处的位置。地理坐标系坐标经度范围（-180-180），纬度（-90-90） 投影坐标系以米为单位,Page 18,帮助,Page 19,ArcGIS的坐标，投影文件的含义,投影坐标系统 （Projection coordinate system）使用基于X,Y值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置。这个坐标系是从地

10、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 ，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、Lambert投影） 坐标是GIS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。,Page 20,投影方法介绍,1、兰伯特等角园锥投影 用于小比例尺的地图投影如1:50 万，1：100万，1:400等小比例尺，经线为辐射直线，纬线为同心圆圆弧。指定两条标准纬度线Q1，Q2，在这两条纬度线上没有长度变形,即M=N=1。此种投影也叫等角割

11、圆锥投影， 2、高斯克吕格投影（等角横切椭圆柱投影） 用于如1/10万，1/5 万、1/万等比例尺 高斯一克吕格投影（后，除中央经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于中央经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。,Page 21,UTM,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），圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，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

12、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。UTM投影沿每一条南北格网线比例系数为常数，在东西方向则为变数，中心格网线的比例系数为0.9996，在南北纵行最宽部分的边缘上距离中心点大约 363公里，比例系数为 1.00158。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。,Page 22,比较,Page 23,3、3度，6度分带含义（中级）,分度方法:有3度和6度分带法 6分带法:从格林威治零度经线起，每6分为一个投影带，全球共

13、分为60个投影带，东半球从东经0-6为第一带，中央经线为3，9，15 ，依此类推，投影带号为1-30。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，投影代号n和中央经线经度L0的计算公式L0=360-(6n-3)。,Page 24,3、3度，6度分带含义,3 分带法:从东经130起，每3为一带，将全球划分为120个投影带，东经130-430，.17830-西经17830，.130-东经130。 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，

14、各带中央经线计算公式:L0=360-3n ,中央经线为西经177、.3、0,Page 25,分割方法,Page 26,叠加,Page 27,单个模型,Page 28,带号和中央经线的计算公式,1、3度带 中央经线 L0=3*n 带号n:=L0/3 2、6度带 中央经线经度L0的计算公式为:L0=(6n-3) 带号n:=(L0+3)/6 我国共包括11个投影带（1323带）。 总之：中央经线和带号只和经线有关，与纬度纬度，经度在地球上表现为东西方向。,我国共包括22个投影带（2445带）。,Page 29,由经线(X)反算最近带号,1、3度带 以中央经线正负1.5度 N = Int（(X + 1

15、.50) / 3) 2、6度带 是以中央经线正负3度 N = Int(X/6) +1,Page 30,中国经纬度范围,中国经纬度范围 最东端 东经135度2分30秒 黑龙江和乌苏里江交汇处 最西端 东经73度40分 帕米尔高原乌兹别里山口（乌恰县） 最南端 北纬3度52分 南沙群岛曾母暗沙 最北端 北纬53度33分 漠河以北黑龙江主航道（漠河县）2日本朝鲜韩国 经度为73 135，3度为25带-45带， 6度带 13（对应中央经线为75度）-23（对应中央经线为135度） 纬度为3度-53度,Page 31,分带范围,Page 32,3度分带、6度分带对应平面XY规定,高斯- 克吕格投影是按分

16、带方法各自进行投影，故各带坐标成独立系统。以中央经线投影为纵轴(Y), 赤道投影为横轴(X),两轴交点即为各带的坐标原点。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球，纵坐标均为正值。横坐标如以中央经线为零起算，中央经线以东为正，以西为负，横坐标出现负值，使用不便。,Page 33,3度分带、6度分带对应平面XY规定,规定将坐标X轴东移500公里当作起始轴，凡是带内的横坐标值均加 500公里。由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，为了区别某一坐标系统属于哪一带，在横轴坐标前加上带号，如 (21655933m，4231898m)

17、，其中21即为带号。,Page 34,思考两个问题,1、X为负值 加500KM,向东平移500km 2、区别不同投影 加带号,Page 35,Page 36,平面坐标范围，以标准分幅为例,平面坐标:坐标X，Y（在ArcGIS中），X在前，Y在后, X坐标不加带号，是六位，加带号是八位, Y是七位（纬度大于10）,Page 37,Page 38,具体见 2ARCGIS10JOINMAP.exe,Page 39,问题,什么时候采用地理坐标，什么时候采用投影坐标？ 投影坐标采用3度带，6度带？,1:2.5万1:50万采用6度,Page 40,4 ArcGIS坐标系统文件说明-北京54,在 坐标系Pr

18、ojected Coordinate SystemsGauss KrugerBeijing 1954 目录中，我们可以看到四种不同的命名方式: Beijing 1954 Degree GK CM 102E.prj Beijing 1954 Degree GK Zone 34.prj Beijing 1954 GK Zone 16.prj Beijing 1954 GK Zone 16N.prj 说明如下: 3度分带法的北京54坐标系，中央经线在东102度的分带坐标，横坐标前不带加号 3度分带法的北京54坐标系，34分带，中央经线在东102度的分带坐标，横坐标前加带号，分带确定，中央经线就确定

19、16 6度分带法的北京54坐标系，分带号为16，横坐标前加带号 16N6度分带法的北京54坐标系，分带号为16，横坐标前不加带号 记忆方式:3度分带，前有3.,Page 41,举例说明,Page 42,ArcGIS坐标系统文件说明-西安80,在 Coordinate SystemsProjected Coordinate SystemsGauss Krugerxian 1980 目录中，我们可以看到四种不同的命名方式: Xian 1980 3 Degree GK CM 102E.prj Xian 1980 3 Degree GK Zone 34.prj Xian 1980 GK CM 117E

20、.prj Xian 1980 GK Zone 20.prj 3度分带法的西安80坐标系，中央经线在东102度的分带坐标，横坐标前不带加号 3度分带法的西安80坐标系，34分带，中央经线在东102度的分带坐标，横坐标前加带号 117E 6度分带法的西安80坐标系，分带号为20，中央经线117，横坐标前不加带号 20 度分带法的西安80坐标系，分带号为20，中央经线117 ，横坐标前加带号20 记忆方式:3度分带，前有3，,Page 43,UTM,UTM投影自西经180起每隔经差6度自西向东分带，第1带的中央经度为-177，因此高斯-克吕格投影的第1带是UTM的第31带。此外，两投影的东伪偏移都是

21、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 中央经线L=6*(n-30)-3,Page 44,5.ArcGIS坐标系中两个坐标系统,数据有坐标系 地图窗口有坐标系 作用： 1.动态投影 2.在平面坐标下，在arcmap可以查看经纬度，反过来是经纬度坐标系统，无法看xy，因为中央经线不一样，xy就不一样,Page 45,6、定义坐标系,有三种方法 1、ArcCatalog右键属性（properties）中xy coord，select是自己选择一个坐标系统，import是按另一个文件设置本文件 2、ArcToolbox-定义投影 3、批量定义

22、坐标系统 右键,数据为自己新建表,Page 46,地理坐标系:GCS_WGS_1984，GCS_Xian_1980 GCS_Beijing_1954 都是以GCS开头 投影坐标系: 和坐标系的文件一致，详细部分， detail有向东偏移量，500公里，是不加带号，大于500公里，前两位为带号,查看已有的坐标系统,数据自己可以定义时观察，也可以看目前2下的数据,Page 47,6 、常见问题,没有坐标 坐标定义错误,Page 48,没有定义 2dltb.shp,Page 49,打开dgx.shp,在arcmap中加载地图，出现右图的错误，如何解决？,数据用2dgx.shp, 错误解决方法.exe

23、,Page 50,三、坐标变换和数据换带（中级）,同一椭球体：一种在地理坐标系（基准面）间转换数据的方法，当将矢量数据从一个坐标系统变换到另一个坐标系统下时，如果矢量数据的变换涉及基准面的改变时，需要通过地理变换来实现地理变换或基准面平移。 不同椭球体:当系统所使用的数据是来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的地理数据转换成另一种投影的地理数据，这就需要进行地图投影变换。,Page 51,3.1、坐标变换,基于同一椭球体，如北京54，地理坐标和平面坐标，可以有固定公式转换，ArcGIS可以直接转换，误差可以达到0.1mm， 实现北京54经纬度，和北京54平面（xy）之间转换 实现西安80经

24、纬度，和西安80平面（xy）之间转换 工具的位置:Data mangement tools下 projections and transformations-feature- project 投影 (Project)可以用于数据换带,数据使用: 2dgx.shp下数据,Page 52,投影,数据使用: 2dgx.shp，看“投影.exe”,Page 53,3.2、不同基准面坐标的转换,主要是:三参数和七参数法。 个别4参数,三参数转换含义 X平移，Y平移，Z平移 （如果区域范围不大，最远点间的距离不大于30Km（经验值） 四参数转换含义,见右图- 七参数转换含义 3个平移因子（X平移，Y平移，Z平移），3个旋转因子（X旋转，Y旋转，Z旋转），一个比例因子（也叫尺度变化K）。,Page 54,3.