天球坐標(biāo)系統(tǒng)

1、 天球坐標(biāo)系統(tǒng) 是天文學(xué)上用來描繪天體在天球上位置的坐標(biāo)系統(tǒng)。有許多不同的坐標(biāo)系統(tǒng)都使用球面坐標(biāo)投影在天球上，類似于使用在地球表面的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。這些坐標(biāo)系統(tǒng)的不同處只在用來將天空分割成兩個(gè)相等半球的大圓，也就是基面的不同。例如，地理坐標(biāo)系統(tǒng)的基面是地球的赤道。每個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的命名都是依據(jù)其所選擇的基面。地平坐標(biāo)系（1）基圈是地平圈（2）原點(diǎn)是南點(diǎn),始圈是午圈（3）緯度叫高度或高度角h,是天體相對(duì)地平圈上下的角距離.地平圈為起點(diǎn)0,向上至天頂為90,向下至天底為-90.天體相對(duì)天頂?shù)慕蔷嚯x叫天頂距Z,Z=90-h（4）經(jīng)度叫方位或方位角A,是天體所在地平圈相對(duì)原點(diǎn)的方向和角距離.南0,西90,北

2、180,東270.（5）地球自轉(zhuǎn)引起天體自東向西的周日視運(yùn)動(dòng),h和A變化；同時(shí)h和A隨經(jīng)緯度變化,故記錄天體位置及繪制星圖不宜用地平坐標(biāo)系.地平坐標(biāo)系反映天體在天空中高度和方位.第一赤道坐標(biāo)系（時(shí)角坐標(biāo)系）（1）基圈是天赤道（2）主點(diǎn)為天赤道與觀測者天頂南子午圈交點(diǎn)（上點(diǎn)）,主圈為過的赤經(jīng)圈.天體所在赤經(jīng)圈平面與主圈平面的夾角即時(shí)角.從0到正負(fù)180,即0時(shí)到正負(fù)12時(shí),東負(fù)西正.（3）異地異時(shí)時(shí)角變化,時(shí)角坐標(biāo)系用于時(shí)間度量.（第二）赤道坐標(biāo)系（1）基圈是天赤道（2）主點(diǎn)為春分點(diǎn),主圈為過春分點(diǎn)的赤經(jīng)圈（時(shí)圈）叫春分圈.向東,從0到360,即0時(shí)到24時(shí).（3）赤緯是天體與天赤道的方向和角距

3、離；赤經(jīng)是天體所在赤經(jīng)圈平面與主圈平面的夾角.（4）天體周日視運(yùn)動(dòng)不影響春分點(diǎn)與天體間的相對(duì)位置,和不變；異地異時(shí)和也不變,故用赤道坐標(biāo)系記錄天體位置及繪制星圖.黃道坐標(biāo)系（1）基圈是黃道（2）原點(diǎn)為春分點(diǎn),始圈為過春分點(diǎn)的黃經(jīng)圈（KK）.（3）黃緯是天體與天赤道的方向和角距離；黃經(jīng)是天體所在黃經(jīng)圈平面與始圈平面的夾角.（4）黃道坐標(biāo)系常用于日地月位置關(guān)系 不同坐標(biāo)系介紹及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系一、各坐標(biāo)系介紹GIS的坐標(biāo)系統(tǒng)大致有三種：PlannarCoordinateSystem（平面坐標(biāo)系統(tǒng)，或者Custom用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)）、GeographicCoordinateSystem(地理坐標(biāo)系統(tǒng)）

4、、ProjectionCoordinateSystem(投影坐標(biāo)系統(tǒng))。這三者并不是完全獨(dú)立的，而且各自都有各自的應(yīng)用特點(diǎn)。如平面坐標(biāo)系統(tǒng)常常在小范圍內(nèi)不需要投影或坐標(biāo)變換的情況下使用，地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影坐標(biāo)系統(tǒng)是相互聯(lián)系的，地理坐標(biāo)系統(tǒng)是投影坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一。1、橢球面(Ellipsoid)地圖坐標(biāo)系由大地基準(zhǔn)面和地圖投影確定，大地基準(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)國家或地區(qū)均有各自的大地基準(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)際上指的是我國的兩個(gè)大地基準(zhǔn)面。我國參照前蘇聯(lián)從1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)橢球體建立了我國的北京54坐

5、標(biāo)系，1978年采用國際大地測量協(xié)會(huì)推薦的IAG75地球橢球體建立了我國新的大地坐標(biāo)系-西安80坐標(biāo)系，目前GPS定位所得出的結(jié)果都屬于WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，WGS84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的坐標(biāo)系。因此相對(duì)同一地理位置，不同的大地基準(zhǔn)面，它們的經(jīng)緯度坐標(biāo)是有差異的。采用的3個(gè)橢球體參數(shù)如下橢球體長半軸短半軸Krassovsky（北京54坐標(biāo)系）.0188IAG75（西安80坐標(biāo)系）.2882WGS84.31422、高斯投影坐標(biāo)系統(tǒng)（1）高斯-克呂格投影性質(zhì)高斯-克呂格(Gauss-Kruger)投影簡稱“高斯投影”，又名等角橫切橢圓柱投影”，地球橢

6、球面和平面間正形投影的一種。德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家高斯（CarlFriedrichauss，1777一1855）于十九世紀(jì)二十年代擬定，后經(jīng)德國大地測量學(xué)家克呂格（JohannesKruger，18571928）于1912年對(duì)投影公式加以補(bǔ)充，故名。該投影按照投影帶中央子午線投影為直線且長度不變和赤道投影為直線的條件，確定函數(shù)的形式，從而得到高斯一克呂格投影公式。投影后，除中央子午線和赤道為直線外，其他子午線均為對(duì)稱于中央子午線的曲線。設(shè)想用一個(gè)橢圓柱橫切于橢球面上投影帶的中央子午線，按上述投影條件，將中央子午線兩側(cè)一定經(jīng)差范圍內(nèi)的橢球面正形投影于橢圓柱面。將橢圓柱面沿過南北極的母線剪

7、開展平，即為高斯投影平面。取中央子午線與赤道交點(diǎn)的投影為原點(diǎn)，中央子午線的投影為縱坐標(biāo)x軸，赤道的投影為橫坐標(biāo)y軸，構(gòu)成高斯克呂格平面直角坐標(biāo)系。高斯-克呂格投影在長度和面積上變形很小，中央經(jīng)線無變形，自中央經(jīng)線向投影帶邊緣，變形逐漸增加，變形最大之處在投影帶內(nèi)赤道的兩端。由于其投影精度高，變形小，而且計(jì)算簡便（各投影帶坐標(biāo)一致，只要算出一個(gè)帶的數(shù)據(jù)，其他各帶都能應(yīng)用），因此在大比例尺地形圖中應(yīng)用，可以滿足軍事上各種需要，能在圖上進(jìn)行精確的量測計(jì)算。（2）高斯-克呂格投影分帶按一定經(jīng)差將地球橢球面劃分成若干投影帶,這是高斯投影中限制長度變形的最有效方法。分帶時(shí)既要控制長度變形使其不大于測圖誤差

8、，又要使帶數(shù)不致過多以減少換帶計(jì)算工作，據(jù)此原則將地球橢球面沿子午線劃分成經(jīng)差相等的瓜瓣形地帶,以便分帶投影。通常按經(jīng)差6度或3度分為六度帶或三度帶。六度帶自0度子午線起每隔經(jīng)差6度自西向東分帶，帶號(hào)依次編為第1、260帶。三度帶是在六度帶的基礎(chǔ)上分成的，它的中央子午線與六度帶的中央子午線和分帶子午線重合，即自1.5度子午線起每隔經(jīng)差3度自西向東分帶，帶號(hào)依次編為三度帶第1、2120帶。我國的經(jīng)度范圍西起73東至135，可分成六度帶十一個(gè)，各帶中央經(jīng)線依次為75、81、87、117、123、129、135，或三度帶二十二個(gè)。六度帶可用于中小比例尺（如1：）測圖，三度帶可用于大比例尺（如1：10

9、000）測圖，城建坐標(biāo)多采用三度帶的高斯投影。（3）高斯-克呂格投影坐標(biāo)高斯-克呂格投影是按分帶方法各自進(jìn)行投影，故各帶坐標(biāo)成獨(dú)立系統(tǒng)。以中央經(jīng)線投影為縱軸(x),赤道投影為橫軸(y),兩軸交點(diǎn)即為各帶的坐標(biāo)原點(diǎn)。縱坐標(biāo)以赤道為零起算，赤道以北為正，以南為負(fù)。我國位于北半球，縱坐標(biāo)均為正值。橫坐標(biāo)如以中央經(jīng)線為零起算，中央經(jīng)線以東為正，以西為負(fù)，橫坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，使用不便，故規(guī)定將坐標(biāo)縱軸西移500公里當(dāng)作起始軸，凡是帶內(nèi)的橫坐標(biāo)值均加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，為了區(qū)別某一坐標(biāo)系統(tǒng)屬于哪一帶，在橫軸坐標(biāo)前加上帶號(hào)，如(m

10、,m)，其中21即為帶號(hào)。（4）高斯-克呂格投影與UTM投影UTM投影全稱為“通用橫軸墨卡托投影”，是等角橫軸割圓柱投影（高斯-克呂格為等角橫軸切圓柱投影），圓柱割地球于南緯80度、北緯84度兩條等高圈，該投影將地球劃分為60個(gè)投影帶，每帶經(jīng)差為6度，已被許多國家作為地形圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。UTM投影與高斯投影的主要區(qū)別在南北格網(wǎng)線的比例系數(shù)上，高斯-克呂格投影的中央經(jīng)線投影后保持長度不變，即比例系數(shù)為1，而UTM投影的比例系數(shù)為0.9996。UTM投影沿每一條南北格網(wǎng)線比例系數(shù)為常數(shù)，在東西方向則為變數(shù)，中心格網(wǎng)線的比例系數(shù)為0.9996，在南北縱行最寬部分的邊緣上距離中心點(diǎn)大約363公里，比例系

11、數(shù)為1.00158。高斯-克呂格投影與UTM投影可近似采用Xutm=0.9996*X高斯，Yutm=0.9996*Y高斯進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。以下舉例說明(基準(zhǔn)面為WGS84)：輸入坐標(biāo)（度）高斯投影（米）UTM投影（米）Xutm=0.9996*X高斯,Yutm=0.9996*Y高斯緯度值（X）32.9.5.9*0.9996.5經(jīng)度值（Y）121.8.4(.8-)*0.9996+.4注：坐標(biāo)點(diǎn)（32,121）位于高斯投影的21帶，高斯投影Y值.8中前兩位“21”為帶號(hào)（三度帶還是六度帶？）；坐標(biāo)點(diǎn)（32,121）位于UTM投影的51帶，上表中UTM投影的Y值沒加帶號(hào)。因坐標(biāo)縱軸西移了米，轉(zhuǎn)換時(shí)必須將Y

12、值減去乘上比例因子后再加。理解：高斯投影的方法就是保持赤道和中央經(jīng)線不變形，把球面攤平。方法：用一個(gè)橢圓柱套住橢球，把它投影到橢圓柱上，然后打開橢圓柱即可。3、地理坐標(biāo)網(wǎng)（經(jīng)緯網(wǎng)）在我國1：1萬1：10萬地形圖上，經(jīng)緯線只以圖廓的形式表現(xiàn)，經(jīng)緯度數(shù)值注記在內(nèi)圖廓的四角，在內(nèi)外圖廓間，繪有黑白相間或僅用短線表示經(jīng)差、緯差1的分度帶，需要時(shí)將對(duì)應(yīng)點(diǎn)相連接，就構(gòu)成很密的經(jīng)緯網(wǎng)。在1：20萬1：100萬地形圖上，直接繪出經(jīng)緯網(wǎng)，有時(shí)還繪有供加密經(jīng)緯網(wǎng)的加密分割線。緯度注記在東西內(nèi)外圖廓間，經(jīng)度注記在南北內(nèi)外圖廓間。4、直角坐標(biāo)網(wǎng)（方里網(wǎng)）直角坐標(biāo)網(wǎng)是以每一投影帶的中央經(jīng)線作為縱軸（X軸），赤道作為橫軸

13、（Y軸）?？v坐標(biāo)以赤道我0起算，赤道以北為正，以南為負(fù)。我國位于北半球，縱坐標(biāo)都是正值。橫坐標(biāo)本應(yīng)以中央經(jīng)線為0起算，以東為正，以南為負(fù)，但因坐標(biāo)值有正有負(fù)，不便于使用，所以又規(guī)定凡橫坐標(biāo)值均加500公里，即等于將縱坐標(biāo)軸向西移500公里。橫坐標(biāo)從此縱軸起算，則都成正值。然后，以公里為單位，按相等的間距作平行于縱、橫軸的若干直線，便構(gòu)成了圖面上的平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，又叫方里網(wǎng)。二、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換（三度帶與六度帶相互轉(zhuǎn)換）在定位一個(gè)點(diǎn)時(shí)，首先需要一個(gè)坐標(biāo)系，也就是大地水準(zhǔn)面，因?yàn)閷?duì)同一地理位置，不同的大地基準(zhǔn)面，它們的經(jīng)緯度坐標(biāo)是有差異的。通過軟件或者編程實(shí)現(xiàn)，將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為高斯坐標(biāo)。鑒于我國曾使用不同的坐標(biāo)基準(zhǔn)（BJ54、State80、Correct54），各地的重力值又有很大差異，所以很難確定一套適合全國且精度較好的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在WGS-84坐標(biāo)和北京54坐標(biāo)之間是不存在一套轉(zhuǎn)換參數(shù)可以全國通用的，在每個(gè)地方會(huì)不一樣。必須了解，在不同的橢球之間的轉(zhuǎn)換是不嚴(yán)密的。那么，兩個(gè)橢球間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)該是怎樣的呢？一般而言比較嚴(yán)密的是用七參數(shù)法，即3個(gè)平移因子（X平移，Y平移，Z平移），3個(gè)旋轉(zhuǎn)因子（X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)，Z旋轉(zhuǎn)），一個(gè)比例因子（也叫尺度變化K）。國內(nèi)參數(shù)來源的途徑不多，一般當(dāng)?shù)販y繪部門會(huì)有。通行的做法是：在工作區(qū)內(nèi)找三個(gè)以上的已知點(diǎn)，