水利工程論文-GIS中的坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換.doc

水利工程論文-GIS中的坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換摘要：自“Mapinfo上的GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”一文在計(jì)算機(jī)世界網(wǎng)上刊登后，有好幾位讀者向我詢問(wèn)坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換方面的問(wèn)題，問(wèn)題可歸結(jié)為(1)地圖在Mapinfo上顯示得很好,但在MapX中卻顯示不出來(lái)或顯示得不對(duì)；(2)GPS定位得到的WGS84坐標(biāo)怎么往北京54坐標(biāo)地圖上轉(zhuǎn)。這些問(wèn)題也是曾經(jīng)困惑我的問(wèn)題，在此我談?wù)勎覀€(gè)人的一些認(rèn)識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，供各位讀者參考，也希望相關(guān)方面的專業(yè)人士能給予糾正及補(bǔ)充。關(guān)鍵詞：GIS坐標(biāo)系定義轉(zhuǎn)換自“Mapinfo上的GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”一文在計(jì)算機(jī)世界網(wǎng)上刊登后，有好幾位讀者向我詢問(wèn)坐標(biāo)系定義與轉(zhuǎn)換方面的問(wèn)題，問(wèn)題可歸結(jié)為(1)地圖在Mapinfo上顯示得很好,但在MapX中卻顯示不出來(lái)或顯示得不對(duì)；(2)GPS定位得到的WGS84坐標(biāo)怎么往北京54坐標(biāo)地圖上轉(zhuǎn)。這些問(wèn)題也是曾經(jīng)困惑我的問(wèn)題，在此我談?wù)勎覀€(gè)人的一些認(rèn)識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，供各位讀者參考，也希望相關(guān)方面的專業(yè)人士能給予糾正及補(bǔ)充。1.橢球體、基準(zhǔn)面及地圖投影GIS中的坐標(biāo)系定義是GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，正確定義GIS系統(tǒng)的坐標(biāo)系非常重要。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?；鶞?zhǔn)面是利用特定橢球體對(duì)特定地區(qū)地球表面的逼近，因此每個(gè)國(guó)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)際上指的是我國(guó)的兩個(gè)大地基準(zhǔn)面。我國(guó)參照前蘇聯(lián)從1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)橢球體建立了我國(guó)的北京54坐標(biāo)系，1978年采用國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)推薦的1975地球橢球體建立了我國(guó)新的大地坐標(biāo)系-西安80坐標(biāo)系，目前大地測(cè)量基本上仍以北京54坐標(biāo)系作為參照，北京54與西安80坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換可查閱國(guó)家測(cè)繪局公布的對(duì)照表。WGS1984基準(zhǔn)面采用WGS84橢球體，它是一地心坐標(biāo)系，即以地心作為橢球體中心，目前GPS測(cè)量數(shù)據(jù)多以WGS1984為基準(zhǔn)。上述3個(gè)橢球體參數(shù)如下：橢球體與基準(zhǔn)面之間的關(guān)系是一對(duì)多的關(guān)系，也就是基準(zhǔn)面是在橢球體基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準(zhǔn)面，同樣的橢球體能定義不同的基準(zhǔn)面，如前蘇聯(lián)的Pulkovo1942、非洲索馬里的Afgooye基準(zhǔn)面都采用了Krassovsky橢球體，但它們的基準(zhǔn)面顯然是不同的。地圖投影是將地圖從球面轉(zhuǎn)換到平面的數(shù)學(xué)變換，如果有人說(shuō)：該點(diǎn)北京54坐標(biāo)值為X=4231898,Y=21655933，實(shí)際上指的是北京54基準(zhǔn)面下的投影坐標(biāo)，也就是北京54基準(zhǔn)面下的經(jīng)緯度坐標(biāo)在直角平面坐標(biāo)上的投影結(jié)果。2.GIS中基準(zhǔn)面的定義與轉(zhuǎn)換雖然現(xiàn)有GIS平臺(tái)中都預(yù)定義有上百個(gè)基準(zhǔn)面供用戶選用，但均沒(méi)有我們國(guó)家的基準(zhǔn)面定義。假如精度要求不高，可利用前蘇聯(lián)的Pulkovo1942基準(zhǔn)面(Mapinfo中代號(hào)為1001)代替北京54坐標(biāo)系；假如精度要求較高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系統(tǒng)，則需要自定義基準(zhǔn)面。GIS系統(tǒng)中的基準(zhǔn)面通過(guò)當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面向WGS1984的轉(zhuǎn)換7參數(shù)來(lái)定義，轉(zhuǎn)換通過(guò)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(yè)。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)X、Y、Z表示兩坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值；三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)x、y、z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。MapX中基準(zhǔn)面定義方法如下：Datum.Set(Ellipsoid,ShiftX,ShiftY,ShiftZ,RotateX,RotateY,RotateZ,ScaleAdjust,PrimeMeridian)其中參數(shù)：Ellipsoid為基準(zhǔn)面采用的橢球體；ShiftX,ShiftY,ShiftZ為平移參數(shù)；RotateX,RotateY,RotateZ為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；ScaleAdjust為比例校正因子，以百萬(wàn)分之一計(jì)；PrimeMeridian為本初子午線經(jīng)度，在我國(guó)取0，表示經(jīng)度從格林威治起算。美國(guó)國(guó)家測(cè)繪局(NationalImageryandMappingAgency)公布了世界大多數(shù)國(guó)家的當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面至WGS1984基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換3參數(shù)(平移參數(shù))，可從9/GandG/wgs84dt/dtp.html下載，其中包括有香港HongKong1963基準(zhǔn)面、臺(tái)灣Hu-Tzu-Shan基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換3參數(shù)，但是沒(méi)有中國(guó)大陸的參數(shù)。實(shí)際工作中一般都根據(jù)工作區(qū)內(nèi)已知的北京54坐標(biāo)控制點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，如果工作區(qū)內(nèi)有足夠多的已知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點(diǎn)，可直接計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的7參數(shù)或3參數(shù)；當(dāng)工作區(qū)內(nèi)有3個(gè)已知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點(diǎn)時(shí)，可用下式計(jì)算WGS84到北京54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)(A、B、C、D、E、F)：x54=AX84+BY84+C，y54=DX84+EY84+F，多余一點(diǎn)用作檢驗(yàn)；在只有一個(gè)已知控制點(diǎn)的情況下(往往如此)，用已知點(diǎn)的北京54與WGS84坐標(biāo)之差作為平移參數(shù)，當(dāng)工作區(qū)范圍不大時(shí)精度也足夠了。從Mapinfo中國(guó)的URL(/download)可下載到包含北京54、西安80坐標(biāo)系定義的Mapinfow.prj文件，其中定義的北京54基準(zhǔn)面參數(shù)為：(3,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0)，西安80基準(zhǔn)面參數(shù)為：(31,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0)，文件中沒(méi)有注明其參數(shù)的來(lái)源，我發(fā)現(xiàn)它們與Mapinfo參考手冊(cè)附錄G定義自定義基準(zhǔn)面中的一個(gè)例子所列參數(shù)相同，因此其可靠性值得懷疑，尤其從西安80與北京54采用相同的7參數(shù)來(lái)看，至少西安80的基準(zhǔn)面定義肯定是不對(duì)的。因此，當(dāng)系統(tǒng)精度要求較高時(shí)，一定要對(duì)所采用的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、驗(yàn)證，確保坐標(biāo)系定義的正確性。3.GIS中地圖投影的定義我國(guó)的基本比例尺地形圖(1:5千，1:1萬(wàn)，1:2.5萬(wàn)，1:5萬(wàn)，1:10萬(wàn)，1:25萬(wàn)，1:50萬(wàn)，1:100萬(wàn))中，大于等于50萬(wàn)的均采用高斯-克呂格投影(Gauss-Kruger)，又叫橫軸墨卡托投影(TransverseMercator)；小于50萬(wàn)的地形圖采用正軸等角割園錐投影，又叫蘭勃特投影(LambertConformalConic)；海上小于50萬(wàn)的地形圖多用正軸等角園柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)，我國(guó)的GIS系統(tǒng)中應(yīng)該采用與我國(guó)基本比例尺地形圖系列一致的地圖投影系統(tǒng)。在MapX中坐標(biāo)系定義由基準(zhǔn)面、投影兩部分參數(shù)組成，方法如下：CoordSys.Set(Type,Datum,Units,OriginLongitude,OriginLatitude,StandardParallelOne,StandardParallelTwo,Azimuth,ScaleFactor,FalseEasting,FalseNorthing,Range,Bounds,AffineTransform)其中參數(shù)：Type表示投影類型，Type為1時(shí)地圖坐標(biāo)以經(jīng)緯度表示，它是必選參數(shù)，它后面的參數(shù)都為可選參數(shù)；Datum為大地基準(zhǔn)面對(duì)象，如果采用非地球坐標(biāo)(NonEarth)無(wú)需定義該參數(shù)；Units為坐標(biāo)單位，如Units為7表示以米為單位；OriginLongitude、OriginLatitude分別為原點(diǎn)經(jīng)度和緯度；StandardParallelOne、StandardParallelTwo為第一、第二標(biāo)準(zhǔn)緯線；Azimuth為方位角，斜軸投影需要定義該參數(shù)；ScaleFactor為比例系數(shù)；FalseEasting,FalseNorthing為東偽偏移、北偽偏移值；Range為地圖可見(jiàn)緯度范圍；Bounds為地圖坐標(biāo)范圍，是一矩形對(duì)象，非地球坐標(biāo)(NonEarth)必須定義該參數(shù)；AffineTransform為坐標(biāo)系變換對(duì)象。相應(yīng)高斯-克呂格投影、蘭勃特投影、墨卡托投影需要定義的坐標(biāo)系參數(shù)序列如下：高斯-克呂格：投影代號(hào)(Type)，基準(zhǔn)面(Datum)，單位(Unit)，中央經(jīng)度(OriginLongitude)，原點(diǎn)緯度(OriginLatitude)，比例系數(shù)(ScaleFactor)，東偽偏移(FalseEasting)，北緯偏移(FalseNorthing)蘭勃特:投影代號(hào)(Type)，基準(zhǔn)面(Datum)，單位(Unit)，中央經(jīng)度(OriginLongitude)，原點(diǎn)緯度(OriginLatitude)，標(biāo)準(zhǔn)緯度1(StandardParallelOne)，標(biāo)準(zhǔn)緯度2(StandardParallelTwo)，東偽偏移(FalseEasting)，北緯偏移(FalseNorthing)墨卡托:投影代號(hào)(Type)，基準(zhǔn)面(Datum)，單位(Unit)，原點(diǎn)經(jīng)度(OriginLongitude)，原點(diǎn)緯度(OriginLatitude)，標(biāo)準(zhǔn)緯度(StandardParallelOne)在城市GIS系統(tǒng)中均采用6度或3度分帶的高斯-克呂格投影，因?yàn)橐话愠墙ㄗ鴺?biāo)采用的是6度或3度分帶的高斯-克呂格投影坐標(biāo)。高斯-克呂格投影以6度或3度分帶，每一個(gè)分帶構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，投影帶中央經(jīng)線投影后的直線為X軸(縱軸，緯度方向)，赤道投影后為Y軸(橫軸，經(jīng)度方向)，為了防止經(jīng)度方向的坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，規(guī)定每帶的中央經(jīng)線西移500公里，即東偽偏移值為500公里，由于高斯-克呂格投影每一個(gè)投影帶的坐標(biāo)都是對(duì)本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)值，所以各帶的坐標(biāo)完全相同，因此規(guī)定在橫軸坐標(biāo)前加上帶號(hào)，如(4231898,21655933)其中21即為帶號(hào)，同樣所定義的東偽偏移值也需要加上帶號(hào)，如21帶的東偽偏移值為21500000米。假如你的工作區(qū)位于21帶，即經(jīng)度在120度至126度范圍，該帶的中央經(jīng)度為123度，采用Pulkovo1942基準(zhǔn)面，那么定義6度分帶的高斯-克呂格投影坐標(biāo)系參數(shù)為：(8，1001，7，123，0，1，21500000，0)。那么當(dāng)精度要求較高，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為WGS1984坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，欲轉(zhuǎn)換到北京54基準(zhǔn)面的高斯-克呂格投影坐標(biāo)，如何定義坐標(biāo)系參數(shù)呢？你可選擇WGS1984(Mapinfo中代號(hào)104)作為基準(zhǔn)面，當(dāng)只有一個(gè)已知控制點(diǎn)時(shí)(見(jiàn)第2部分)，根據(jù)平移參數(shù)調(diào)整東偽偏移、北緯偏移值實(shí)現(xiàn)WGS84到北京54的轉(zhuǎn)換，如:(8，104，7，123，0，1，21500200，-200)，也可利用AffineTransform坐標(biāo)系變換對(duì)象,此時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(A、B、C、D、E、F