ArcGIS空間參考

1、1.1 空間參考空間參考（Spatial Reference）是GIS數(shù)據(jù)的骨骼框架，能夠?qū)⑽覀兊臄?shù)據(jù)定位到相應(yīng)的位置，為地圖中的每一點(diǎn)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)。 在同一個(gè)地圖上顯示的地圖數(shù)據(jù)的空間參考必須是一致的，如果兩個(gè)圖層的空間參考不一致，往往會(huì)導(dǎo)致兩幅地圖無(wú)法正確拼合，因此開(kāi)發(fā)一個(gè)GIS系統(tǒng)時(shí)，為數(shù)據(jù)選擇正確的空間參考非常重要。在 ArcGIS 中，每個(gè)數(shù)據(jù)集都具有一個(gè)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系用于將數(shù)據(jù)集與通用坐標(biāo)框架（如地圖）內(nèi)的其他地理數(shù)據(jù)圖層集成。通過(guò)坐標(biāo)系可在地圖中集成數(shù)據(jù)集，以及執(zhí)行各種集成的分析操作，例如疊加不同的源和坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù)圖層。1.1.1 相關(guān)知識(shí) 大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)

2、面是由靜止海水面并向大陸延伸所形成的不規(guī)則的封閉曲面。它是重力等位面，即物體沿該面運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力不做功（如水在這個(gè)面上是不會(huì)流動(dòng)的）。因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量并非在各個(gè)點(diǎn)均勻分布，因此重力的方向也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，所以大地水準(zhǔn)面的形狀是不規(guī)則的，如下圖： 與平均海水面相吻合的稱為大地水準(zhǔn)面 地球橢球體由定義可以知大地水準(zhǔn)面的形狀也是不規(guī)則的，仍不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式表示，為了測(cè)量成果的計(jì)算和制圖的需要，人們選用一個(gè)同大地水準(zhǔn)面相近的可以用數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)的橢球體來(lái)代替，簡(jiǎn)稱地球橢球體，它是一個(gè)規(guī)則的曲面，是測(cè)量和制圖的基礎(chǔ)，因地球橢球體是人們選定的跟大地水準(zhǔn)面很接近的規(guī)則的曲面，所以地球橢球體就可

3、以有多個(gè)，地球橢球體是用長(zhǎng)半軸、短半軸和扁率來(lái)表示的。下表列出了一些最常見(jiàn)的參考橢球：橢球名稱長(zhǎng)半軸 (米)短半軸 (m)扁率的倒數(shù)，克拉克（Clarke） 18666 378 206.46 356 583.8294.978 698 2白塞爾（Bessel）18416 377 397.1556 356 078.965299.152 843 4International 19246 378 3886 356 911.9296.999 362 1克拉索夫斯基 19406 378 2456 356 863298.299 738 1GRS 19806 378 1376 356 752.3141298.

4、257 222 101WGS 19846 378 1376 356 752.3142298.257 223 56 基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面是在特定區(qū)域內(nèi)與地球表面極為吻合的橢球體。橢球體表面上的點(diǎn)與地球表面上的特定位置相匹配，也就是對(duì)橢球體進(jìn)行定位，該點(diǎn)也被稱作基準(zhǔn)面的原點(diǎn)。原點(diǎn)的坐標(biāo)是固定的，所有其他點(diǎn)由其計(jì)算獲得?；鶞?zhǔn)面的坐標(biāo)系原點(diǎn)往往距地心有一定偏移(有的也在地心，如WGS1984)，如西安80的基準(zhǔn)面和北京54的基準(zhǔn)面.因?yàn)闄E球體通過(guò)定位以便能更好的擬合不同的地區(qū)，所以同一個(gè)橢球體可以擬合好幾個(gè)基準(zhǔn)面.因?yàn)樵c(diǎn)不同，所以不同的基準(zhǔn)面上，同一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是不相同的，這點(diǎn)我們應(yīng)該清楚.下

5、面以華盛頓州貝靈厄姆市為例來(lái)說(shuō)明。使用 NAD27、NAD83 和 WGS84 以十進(jìn)制為單位比較貝靈厄姆的坐標(biāo)。顯而易見(jiàn)，NAD83 和 WGS84 表示的坐標(biāo)幾乎相同，但 NAD27 表示的坐標(biāo)則大不相同，這是因?yàn)樗褂玫幕鶞?zhǔn)面和旋轉(zhuǎn)橢球體對(duì)地球基本形狀的表示方式不同。基準(zhǔn)面經(jīng)度緯度NAD 1927-122.4669036865248.7440490722656NAD 1983-122.4681835379348.7438798543649WGS 1984-122.4681835379348.74387985342993 個(gè)不同基準(zhǔn)面時(shí)華盛頓州貝靈厄姆市的地理坐標(biāo)下圖來(lái)自ArcGIS 說(shuō)明

6、了基準(zhǔn)面是基于橢球體的： 地圖投影簡(jiǎn)單的說(shuō)地圖投影就是把地球表面的任意點(diǎn)，利用一定數(shù)學(xué)法則，轉(zhuǎn)換到地圖平面上的理論和方法。1.1.2 兩種坐標(biāo)系 地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系也可稱為真實(shí)世界的坐標(biāo)系，是用于確定地物在地球上位置的坐標(biāo)系，它用經(jīng)緯度來(lái)表示地物的位置，經(jīng)度和緯度是從地心到地球表面上某點(diǎn)的測(cè)量角，通常以度或百分度為單位來(lái)測(cè)量該角度。下圖將地球顯示為具有經(jīng)度和緯度值的地球。地理坐標(biāo)系 (GCS) 是基于基準(zhǔn)面的使用三維球面來(lái)定義地球上的位置，GCS 往往被誤稱為基準(zhǔn)面，而基準(zhǔn)面僅是 GCS 的一部分，GCS 包括角度測(cè)量單位、本初子午線和基準(zhǔn)面。下圖來(lái)自ArcGIS

7、說(shuō)明了了地理坐標(biāo)系的組成： 投影坐標(biāo)系投影坐標(biāo)系是基于地理坐標(biāo)系的，它使用基于X，Y值的坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述地球上某個(gè)點(diǎn)所處的位置，可以這樣認(rèn)為投影坐標(biāo)系=地理坐標(biāo)系(如：北京54、西安80、WGS84)+投影方法(如：高斯克呂格、Lambert投影、Mercator投影)+線性單位。下圖來(lái)自ArcGIS說(shuō)明了投影坐標(biāo)系的組成：1.1.3 ArcGIS Engine對(duì)空間參考的支持ArcGIS Engine提供了一系列對(duì)象供開(kāi)發(fā)者管理GIS系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)大部分開(kāi)發(fā)者而言了解ProjectedCoordinateSystem，GeographicCoordinateSystem，Sp

8、atialReference Environment這三個(gè)組件類是非常有必要的，對(duì)于高級(jí)開(kāi)發(fā)者而言，可能需要自定義坐標(biāo)系統(tǒng)可以使用這些對(duì)象Projection，Datum，AngularUnit，Spheriod，PrimeMeridian和GeoTransformation等。在ArcGIS中除了我們上面介紹的兩種坐標(biāo)系，還有一種稱之為Unknown的坐標(biāo)系，這種坐標(biāo)系是當(dāng)我們的數(shù)據(jù)沒(méi)有坐標(biāo)（jpg等文件）或者坐標(biāo)文件丟失的時(shí)候ArcMap不能識(shí)別數(shù)據(jù)的投影信息而賦予的，在ArcGIS Engine中下面三個(gè)類分別對(duì)應(yīng)了三個(gè)坐標(biāo)系：利用ArcGIS Engine創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo)系或者基準(zhǔn)面用的是

9、SpatialReferenceEnvironmentClass類，該類實(shí)現(xiàn)了ISpatialReferenceFactory接口，該接口定義了創(chuàng)建坐標(biāo)系，基準(zhǔn)面等方法和屬性，如下圖：在利用ISpatialReferenceFactory創(chuàng)建坐標(biāo)系的時(shí)候往往需要一個(gè)int類型的參數(shù)，這個(gè)int其實(shí)就是這些坐標(biāo)系的代號(hào)，如我們熟悉的4326就是WGS1984，下面為部分截圖： 同一基準(zhǔn)面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換對(duì)于同一基準(zhǔn)面，我們可以肯定一點(diǎn)就是同一位置經(jīng)緯度坐標(biāo)是一樣的，而不同的就是計(jì)算成平面坐標(biāo)的時(shí)候可能有所不同，因?yàn)樗惴ú灰粯樱谶@里我只是將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)成平面的坐標(biāo)。 private IP

10、oint GetpProjectPoint(IPoint pPoint， bool pBool) ISpatialReferenceFactory pSpatialReferenceEnvironemnt = new SpatialReferenceEnvironment(); ISpatialReference pFromSpatialReference = pSpatialReferenceEnvironemnt.CreateGeographicCoordinateSystem(int)esriSRGeoCS3Type.esriSRGeoCS_Xian1980);/西安80 ISpatia

11、lReference pToSpatialReference = pSpatialReferenceEnvironemnt.CreateProjectedCoordinateSystem(int)esriSRProjCS4Type.esriSRProjCS_Xian1980_3_Degree_GK_Zone_34);/西安80 if (pBool = true)/球面轉(zhuǎn)平面 IGeometry pGeo = (IGeometry)pPoint; pGeo.SpatialReference = pFromSpatialReference; pGeo.Project(pToSpatialRefer

12、ence); return pPoint; else /平面轉(zhuǎn)球面 IGeometry pGeo = (IGeometry)pPoint; pGeo.SpatialReference = pToSpatialReference; pGeo.Project(pFromSpatialReference); return pPoint; 不同基準(zhǔn)面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換通過(guò)前面的介紹，我們知道地球上同一位置的坐標(biāo)在不同的基準(zhǔn)面上是不一樣的，而基準(zhǔn)面是構(gòu)成坐標(biāo)系的一個(gè)部分，因?yàn)榛鶞?zhǔn)面在定位的時(shí)候牽扯到了相對(duì)地心的平移或旋轉(zhuǎn)等，所以對(duì)于這樣的轉(zhuǎn)換我們無(wú)法直接進(jìn)行，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而這些參數(shù)也是基于

13、不同的模型的，常用的有三參數(shù)和7參數(shù)，三參數(shù)是比較簡(jiǎn)單的也是比較容易理解的，三參數(shù)是在兩個(gè)基準(zhǔn)面之間進(jìn)行了X，Y，Z軸的平移，通過(guò)下面的圖我們很清楚的看到三參數(shù)之間兩個(gè)基準(zhǔn)面的關(guān)系：如果知道了這三個(gè)平移的參數(shù)外加個(gè)基準(zhǔn)面上的點(diǎn)，那么另外一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)就是而7參數(shù)的模型比較復(fù)雜，這種復(fù)雜的同時(shí)讓精度大為提高，7參數(shù)不僅僅考慮了兩個(gè)基準(zhǔn)面之間的平移，還考慮了旋轉(zhuǎn)外加一個(gè)比例因子(橢球體的大小可能不一樣)，從下面的圖我們可以清楚看到這種關(guān)系：對(duì)于7參數(shù)，我們知道了平移三參數(shù)旋轉(zhuǎn)三參數(shù)以及比例因子外加一個(gè)基準(zhǔn)面上的坐標(biāo)就可按照下面的公式求出另外一個(gè)基準(zhǔn)面上的坐標(biāo)：對(duì)于不同基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換，ArcGIS

14、Engine提供了一個(gè)用來(lái)控制轉(zhuǎn)換參數(shù)的接口IGeoTransformation，該接口被以下類實(shí)現(xiàn)著每一個(gè)接口對(duì)應(yīng)了一種轉(zhuǎn)換方法，比如GeocentricTranslationClass類就實(shí)現(xiàn)了三參數(shù)，而CoordinateFrameTransformationClass類實(shí)現(xiàn)了7參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)3參數(shù)或者7參數(shù)需要IGeometry2或更新接口的ProjectEx方法，下面我們用代碼實(shí)現(xiàn)一個(gè)不同基準(zhǔn)面之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。public void ProjectExExample() ISpatialReferenceFactory pSpatialReferenceFactory = new Sp

15、atialReferenceEnvironmentClass(); / ISpatialReference pFromCustom = pSpatialReferenceFactory.CreateESRISpatialReferenceFromPRJFile(E:arcgisEnginezidingyi.prj); IPoint pFromPoint = new PointClass(); pFromPoint.X = 518950.788; pFromPoint.Y = 4335923.97; IZAware pZAware = pFromPoint as IZAware; pZAware

16、.ZAware = true; pFromPoint.Z = 958.4791; / (IGeometry)pFromPoint).SpatialReference = pFromCustom; /自定義投影WGS84下的北京6度19帶。 (IGeometry)pFromPoint).SpatialReference = CreateCustomProjectedCoordinateSystem(); /目標(biāo)投影 IProjectedCoordinateSystem projectedCoordinateSystem = pSpatialReferenceFactory.CreateProje

17、ctedCoordinateSystem(int)esriSRProjCS4Type.esriSRProjCS_Xian1980_GK_Zone_19); /因?yàn)槟繕?biāo)基準(zhǔn)面和原始基準(zhǔn)面不在同一個(gè)上，所以牽扯到參數(shù)轉(zhuǎn)換，我用7參數(shù)轉(zhuǎn)換 ICoordinateFrameTransformation pCoordinateFrameTransformation = new CoordinateFrameTransformationClass(); pCoordinateFrameTransformation.PutParameters(-112.117， 4.530， 21.89， -0.00058

18、702， -0.00476421， 0.00009358， 0.99998006411); pCoordinateFrameTransformation.PutSpatialReferences(CreateCustomProjectedCoordinateSystem()， projectedCoordinateSystem as ISpatialReference); /投影轉(zhuǎn)換 IGeometry2 pGeometry = pFromPoint as IGeometry2; pGeometry.ProjectEx(projectedCoordinateSystem as ISpatial

19、Reference， esriTransformDirection.esriTransformForward， pCoordinateFrameTransformation， false， 0， 0); private IProjectedCoordinateSystem CreateCustomProjectedCoordinateSystem() ISpatialReferenceFactory2 pSpatialReferenceFactory = new SpatialReferenceEnvironmentClass(); IProjectionGEN pProjection = p

20、SpatialReferenceFactory.CreateProjection(int) esriSRProjectionType.esriSRProjection_GaussKruger) as IProjectionGEN; IGeographicCoordinateSystem pGeographicCoordinateSystem = pSpatialReferenceFactory.CreateGeographicCoordinateSystem(int)esriSRGeoCSType.esriSRGeoCS_WGS1984); ILinearUnit pUnit = pSpati

21、alReferenceFactory.CreateUnit(int)esriSRUnitType.esriSRUnit_Meter) as ILinearUnit; IParameter pParameters = pProjection.GetDefaultParameters(); IProjectedCoordinateSystemEdit pProjectedCoordinateSystemEdit = new ProjectedCoordinateSystemClass(); object pName = WGS-BeiJing1954; object pAlias = WGS-BeiJing1954; object pAbbreviation = WGS-BeiJing1954; object pRemarks = WGS-BeiJing1954; object pUsage = Calculate Meter From lat and lon; object pGeographicCoordinateSystemObject = pGeographicCoordinateSystem as object; object pUnitObject