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1、ArcGIS中坐标系的定义及投影转换方法张卫东(安徽省环境信息中心合肥230001 )摘 要 本文就安徽省GIS项冃中地理数据所涉及的多种坐标系及地图投影转换等问题作了详细分 析.并在ESRI公司的ArcGIS软件平台上介绍了不同坐标系的定义及投形转换方法.关键词坐标系：地图投影1问题的提出GIS技术在安徽省环保工作中已应用多年，现有多套基于不同坐标系的地理数据，如全省1 : 5万的北京54坐标系数据，主要城市1 ： 1万的西安80坐标系数据，GPS采集的WGS84坐标系 数据以及同是北京54坐标系但不同投影的遥感解译数据零，这些不同坐标系的数据给我们的使用 带来了困难；如何将遥感解译数据和不
2、同的地理数据转换到一起，GPS采集的经纬度数据如何正 确加载到地图上，以前在北京54坐标系上使用的数据又如何转换到新的西安80坐标系上来？通 过摸索，本人找到了解决问题的一些方法，现介绍如下，首先介绍一下相关的几个概念.2相关概念.由于GIS所描述是位于地球表面的空间信息，所以在表示时必须嵌入到一个空间参照系中， 这个参照系统就是坐标系，它是根据椭球体等参数建立的.另外，为了能够将地图从球面转换到 平面，还要进行投影。2.1 椭球体(Spheroid) 基准面(Datum).坐标系(Coordinate System)及投影(Projection) 尽管地球是一个不规则的椭球，但为了将数据信息
3、以科学的方法存放到椭球上，我们需要用 一个可以最化计算的椭球体作为地球的模型.这样的椭球体用长半轴a(semimajoraxis),短半轴 b (semiminoraxis)偏心率倒数lf (Inverse flattening)来描述，这三个参数数学关系为:lf=al (a-b),实际中我们一般用长、短半轴两个参数来表示就可以了，根据需要人们定义了多种参考 桶球体模型。然而有了这个椭球体还不够，还需要一个大地基准面将这个楠球定位，它的作用是 来确定地球与椭球体Z间的位置关系，由于每个国家或地区需要最大限度的贴合自己的那一部分 不同.基准面也不同.有了基于椭球体参数的基准面.再加上角度单位(A
4、ngular Unit)和本初子午线(Prime Meridian),就定义了地理坐标系(Geographic Coordinate Sysiem).图2淸楚地表明了这一点但地理坐标系趁用经纬度表示球面的位置，很多时候我们精确分析需要在平面上来进行，这 就要将地图从三维地理坐标通过投影转换成二维平面坐标，这样的坐标系叫投影坐标系 (Projection Coordinate System),它是在地理坐标系上加上投彫转换参数(图4)一 94 由于从球面到平面的转换会引起距离.面积、形状、方向一个或多个空间属性的变形失真. 没有一种投影传换能保持所有的空间属性不变.所以一些地图投影通过损失其他空
5、间属性来使某 一属性失真最小.而另一些地图投影则努力平衡全部空间属性的失真，现有数百种地图投影它 们各自适合于表示整个地球表面或某些区域的不同需求.如我国1 ：50万和更大比例尺地形图使 用的是高斯-克吕格(GaussKruger)投影，它没有角度变形在长度和面稅上变形也很小.通过 分带投影后能保证很高的精度(图4),而遥感解译数据常采用阿尔勃斯(Albers Equal-Area Conic) 投影.它是等面枳割圆锥投影，町以保持面枳不变(图5人.2.2三种主要坐标系北京54、西安80、WGS84坐标系这是我国目前所用到的建国前我国没有统一的坐标系统，新中国成立后，由于峡少必要的资料，将苏联
6、坐标系引伸 到我国，定名为1954年北京坐标系S简称“北京54”.我们现有的大部分数据都是北京54坐 标系.但当时受技术条件限制，存在明显的累枳误差、点位精度较低、现势性差等问题。为了克服这些问题，1980年前后我国建立了新的坐标系.大地原点设在陕西径阳县永乐镇. 位于西安市西北方向约60km,简称西安80,现在测绘部门所做的基础地理数据大都是以此为标 准.这也姥我们今后GIS项目中首选的坐标系。WGS84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系，它以地球的质心作为坐标原点.即要求捕球 体的中心与地心重合.人造地球卫星绕地球运行时，轨道平面时时通过地球的质心，前面介绍的 本地坐标系虽能很好地拟合局部
7、地球表面却不能满足精确推算轨道与跟踪双测的要求(图D-因 此建立精确的地心坐标系对于卫星大地测金、全球性导航和地球动态研究等具有重要意义.WGS84是冃前GPS所采用的坐标系统，我省在污染监测、自然保护工作中使用GPS采集了 大量数据，这些数据默认情况下均为WGS84坐标系。图1不同基准面的坐标系这三套坐标系的椭球体参数参见表1.*1不同坐标系的林球体参数坐标系楠球体长半轴短半轴北京54Krassovsky-194063782456356863.0188西安80IAG 7563781406356755.2882WGSWGS8463781376356752.31423坐标系定义及投彩转换ArcG
8、IS是英国环境系统研究所(ESRI)推岀的新-代GIS系列产品，超世界上应用广泛的 GIS软件之一，由国家环保局实施的省级B-1及100个重点城市项目中选用此软件作为GIS开发 平台.这里主要以ArcGIS 8.2中Arc Toolbox模块来介绍具体方法。3.1坐标系參数的设置图2至图5是ArcGIS中设置坐标系参数的属性框。图2是系统预定义的北京54地理坐标系, 图3是根据表1进行自定义的西安80地理坐标系.图4、图5都是基于北京54但不同投影的坐 标系.图4是离斯-克吕格投形，图5是阿尔勃斯投彫.由此可知，每坐标系都是用地理坐标系或投影坐标系这两种具体方式来表示，而在投影坐标 系中又可选
9、用不同的投影.03 2北京54地理坐杯糸(北京54)图5是根据下面遥感解译数据捉供的投影参数设置的： 投形方式(Projection)： Albers Equal-Area Conic Projection 投形椭球体(Spheroid)： Krassovsky中央经线(Longitude of Central Meridian)： 110 参考纬度(LatiUide of Projection Origin)： 12 双标准纬度(Latitude of standard Parallels)： 标准纬线 1 (Parallel)： 25标准纬线 2 Data Management lbols
10、*Projections-Define Projection Wizard (shapefiles)# 输入要定义的shapefile数据文件名后，点击Select Coordinate System就打开如图6所示的空间参 考属性框.97 图4北京54高斯克吕格投影坐标系（北京54高斯投老ArcGIS提供了许多预先定义的坐标系，是以.pij文件存放的。一般我们可在预定义中进行选 择，如 GPS 采集的数据，点击 SelectGeographic Coordinate Systcm-World-WGS I984.pij 就定 义了它为WGS84坐标系；我们也可点击Import用某个已有数据的坐
11、标系来定义：还可以通过点 击New输入相应参数来自定义（图3）.3.3同一基准面不同投影的数据转换我们遥感解译数据是北京54阿尔勃斯投妙坐标系（图5）, 1 ：5万的基础地理数据是北 京54高斯-克吕格投影坐标系（图4）,这些数据都是北京54同一基准面.如果这两种数据要 转换，就可以按照一定的投影转换数学公式进行，这种转换都是严密的，一般GIS软件都提 供这种换算.打开 ArclbolbuAData Management Tools ProjFeaiuicPrvjcct Wizard （sluipefilcs） 按提示输入待转换的数据（已定义坐标系），要转出的数据，要转出数据的坐标系，即可完
12、成。3.4不同基准面的数据转换如果北京54的遥感解译数据与西安80数据进行转换.就是北京54基唯面和西安80基准面的数据转换.司样北京54坐标系上使用的数据转到西安80坐标系上也是这两个基准面Z间的转 换.GPS采集的经纬度数据加载到数字地图上.是WGS-84基准面和本地基准面(如北京54基 准面或西安80基准面之间的转换.这些都属于不同基准面的数据转换.由于是不同的基准面 转换是不严密的，也没有一套转换参数可以全国通用，在每个地区会不一样.我们常用的转换法 有七参数法(也叫Coordinate FramePosition Vector)x三参数法(Molodensky)等.七参数法一 般用于
13、转换精度要求较离的计算，如果区域范围不大、精度要求不离也可用三参数等方法.这些 参数可由当地测绘部门提供，也可根据工作区内几个控制点在两种坐标系中的数值由相应算法求 得(目前也有垠多根据此算法编写的小程序).图5北京54阿尔勃斯投影坐标系(北京54阿尔勃斯投形)现以WGS84坐标系的GPS数据转换为北京54坐标系为例，还是打开ArcToolbox-Data Management Tonk-Projection$ -Featiire-Project Wizard (shape6le) 按提示输入已定义坐标系 的待转换的数据，要转出的数据，要转岀数据的坐标系，由于不是同一基准面，系统要求设置地 理
14、转换，点击 Set Transformation,在出现 Geographic Coordinate System Transformations 对话框中 有系统提供的一些坐标系转换.但没有WGS84与北京54的转换.点击New岀现新建地理转换 框.如图7所示.选择一种转换方法，再输入相应参数.系统就可根据参数来转换了99 图6空间參考风性New Geographic Trans fora At ionNm:Geographic TransformationSource GCS： IGCSJGSJ984Ttr“t GCS： |GCS_Beijing_1954zJ-tthodNwe：Coord
15、inate Fr anezJPtrMtters：NameIVtlutX Axis Translttio .0Y Axis Translttio.0Z Axis Translttio0iOK| Cancel图7新建地理转换3.5 ArcMap加载数据时的动态转换以上介绍了坐标系定义和投彩转换的过程，这些工作应在ArcMap加载数据前完成.但有时 我们并没有对数据进行这些处理，在ArcMap也可以直接添加显示.这是由于ArcMap加载数据 时自动进行了一些处理（但有些GIS软件并不进行自动处理，如ESRI公司的早期产品ARC VIEW3.2）.具体过程是：首先空的数据框没有定义任何坐标系，如果这时
16、定义数据框属性的坐标 系即为默认坐标系，以后添加的数据都自动转换到此坐标系（如果是不同基准面就提示自动转换 会产生精度谋差）而且这些数据只是在显示时动态转换到款认坐标系,其数据并没有真正被转换： 如果空的数据框不定义坐标系，则第一个添加的数据坐标系为默认坐标系；如果添加的第一个数 据也没有坐标系，ArcMap就进行判断.如果符合横轴方向值在T80到180,纵轴方向值在-90到 90之间，就賦予一个美国的NAD27地理坐标系作为默认坐标系，如果超出上面的取值范围，就 会提示“丢失空间参考信息，不能进行投形3但仍然可以显示数据（单位未知）显然.这样做很容易出现问题，如ArcMap开始添加的数据是西
17、安80坐标系数据（即默认坐 标系）.而再添加的GPS釆集数据也未定义坐标系，这样在WGS84下釆集的经纬度数据就被认 为是西安80坐标系下的经纬度数据了.由前面介绍可知.地球上的同一点在不同坐标系下的经纬 度值是不同的，这在小比例尺上可能表现不出来，但在1：1万共至更大比例尺上就不能忽视了， 所以GPS采翼的经纬度数据必须要定义好坐标系再转换后才能正确加载到己有的数字地图上.4总结GIS中的坐标系定义是GIS系统的基础，正确定义GIS系统的坐标系非常重要.G1S的一个基本原则是用在一起的地图图层必须基于相同坐标系，随塔GIS应用的广泛，越 来越多的GIS项目使用不同的坐标系（有些项目采用当地定
18、义的坐标系），如果要将这些项目中 的地图数据放在一起使用.那么使用前必须先经过处理，也就是嬰进行转换，这属于一个GIS项 目的前期任务由于坐标系和投彭涉及概念较多，在很多情况下实现起来也很复杂，在此本人仅通过ArcGIS 软件介绍了实际工作中常见问题的解决方法.很多方面没有展开.希望能得到相关方面专业人士 的进一步指导.参考文献Kang-uungChang靳 陈健飞等译，地理信息系统导论.北乩 科学出版社.2003 马永立.地图学教程.南京大学岀版社.2000年GPS全球定位系统测量规范.GB/T 18314-2001Meliu Kennedy and Steve Kopp, Understa
19、nding Map Projections. GIS by ESRI101 一1 1 1 WAHFAHGDATAArcGIS中坐标系的定义及投影转换方法作者：张卫东作者单位：安徽省环境信息中心合肥2300011. 期刊论文 施一民.朱紫阳.陈月梅.SHI Yimin .ZHU Ziyang.CHEN Yueme减小长度投影变形的一种地图投影新方法-同济大学学报(自然科学版)2007,35(3)以规则的经纬网格为单元以每个网格角点所构成的平面来切割并逼近椭球面f球面上同纬度的点子均以椭球短轴上的相应点为投影中心投影到各 切割平面采用这种类似楔形的投影方式將减小长度投影变形的最大值并使相邻图幅之间
20、保持空间连续突破了传统地图投影的禁锢基于新大地坐标系 对这种新的地图投影方法进行理论研究和数据验证.2. 学位论文周念东基于嵌入式LINUX勺GP导航系统的研究与实现2005随着GP系统在包括道路测控、汽车导航、交通管理、石油勘探、海上作业和紧急救援等军事和民用的众多领域中的应用和发展系统的影响也 越来越广泛。另一方面，不断发展的嵌入式操作系统促使移动计算技术在手持设备中也得到广泛的应用，以掌上PD脑为代表的移动式计算系统日益 普及，在手持式设备中实3GP移动导航功能具有良好的市场前景。本课题选择Linux为嵌入式操作系统，并采用rolltech公司Qt/Embedd为应用程序开发平台，研究应
21、用于手持终端设备GP导航系统的实现方案 ，开发具有自主知识产权的导航系统。坐标系统转换和地图投影眉P导航系统中的核心技术。本文首先分析P系统中地理坐标系统的定义和坐标转换基本原理，从大地坐标系、空间直 角坐标系以及国家当地坐标系的概念入手，研究大地地心坐标系与空间直角坐标系以及当地国家坐标系的关系，并研究从大地地心坐标系转换为国家当 地坐标系的转换算法，研究地心坐标系到平面直角坐标系的转换方法，并推导了相应的转换公式。在我国导航系统中应用上述转换算法，实WGS-坐标系到北京54坐标系或西安8(坐标系的转换，利用高斯正形投影算法实现地图投影，减小投影 变形。研究横轴墨卡托投影、兰勃特投影以及线性
22、投影等其它坐标投影方式，实现地理经纬度坐标到平面直角坐标的转换，支持多比例尺地图。通过 GP数据接收装置，检测卫星状态并获取地理信息，研究如何快速有效的获取可用于定位的坐标信息的数据处理方法。根据设备体积小、功耗低、人机界面简单易用以及运行稳定、操作简单、处理速度快的系统要求，选择Xscale系列应用处理辭XA25作为处理 器平台，构建系统硬件平台。选择penSourCArmLinu作为嵌入式操作系统以及选掩t/Embedd(为GU平台，搭建了软件开发环境，完成了 ArmLinuX勺系统移植，并实现了IMB-E010-2G模Sfe的设备驱动，设计和实现亏PS数据通信模块，改善了3P数据接收与G
23、P导航应用之间的数据通信 接口。根据坐标系转换以及地图投影算法的研究成果，使CSC+语言采用面向对象编程技术进行了程序编码，实现了定位、导航、轨迹显示图下载 和设置等功能。本文最后给出了目标系统的实验结果，并分析了系统设计中的一些不足，提出了在以后工作中改进系统性能的设想。3. 期刊论文 易会战.蔡勋.宋君强.单调红 地图投影中的一种新的向量显示方法-计算机研究与发展2003,40(2)在地球空间，环境和气象等领域全球数据的可视化是经常面临的一个问融于地球是一个不可展曲面在平面上直接表示球面上的向量数据存在着 误差对直接表示方法存在的问题进行了讨I提出了一种新的基于地图投影的向量可视化方法并给
24、出了球坐标系下的向量可视化方法推导出坐标和向 量的变换公式基于新的坐标和向量变换公式进行了试验对比E明新方法能够得到更好的向量表示.4. 期刊论文 张欣英.李欣.朱美正.ZHANG Xin-ying. LI Xin . ZHU Mei-zheng组件式空间参照系统的研究-计算机工 程与设计2007,28(17)空间参照系统是描述地球上各地理要素空间特性的框架GIS系统的基础参照ArcGI空间参照系统的设计框架遵循OGC布的有关地图投影的接口 和组件对象的规范设计并实现了一个基于组件技术的空间参照系统寸地图投影和参照系进行了研究介绍了空间参照系统的重要意义论述了空间参照 系统的设计思想和目标并给
25、出了该系统的体系结构分析了提高该系统实用性应注意的问题和方法.5. 期刊论文 黄永忠.Huang Yongzhong新技术条件下地方独立坐标系的建立-矿山测量2005,(2)常规测量技术条件下所定义的地方独立坐标課注重控制长度变形与独立坐标系相对应的参考椭球几何参数不襖不讨论相关的大地基准面无 法满足GP测量和地方GISS统的建设需要新技术条件下在选择地方独立坐标系时应当说明区域性椭球的几何参数、当地基准面向orld Geodetic System of 1984转换的个参数、地图投影.6. 学位论文杜华GIS电子地图坐标系的转换研究与实现2007本文对GIS中电子地图坐标系的转换进行了研究。
26、文章论述了空间参照系统、地图投影及常用坐标系等基础知识，研究了中坐标系转换的算法 ，深入探讨了WGS-坐标变换为3J-54坐标的七参数转换模型。通过C+编程构建坐标转换实验系统，实现WINDOW口界面化的输入和显示方式，快 速实现了坐标系之间的一系列转换，并WGS-坐标转换为3J-54坐标为例子，说明了其转换过程。7. 期刊论文 徐建刚.朱承霖MapInfo中的坐标系与地图数据的转换-现代测绘2003,26(3)本文就MapInfc系统中地图投影坐标系和有知黴据的转换作了一些有益的探讨并就目前比较多的各种地图数据转换成经纬度投影坐例如 :WGS投影坐标(进行了尝试和研究以供各位读者参考也希望相
27、关方面的专业人士能给予纠正及补充.8. 期刊论文 何兴燕.HE Xing-yan基于Mapinfo的福州地区坐标系定义与转换-露天采矿技术2007,(2)坐标系是空间数据的基准也是地理信息系统的基础正确定义GISS统的坐标系至关重要介绍了基于Mapinfo的坐标系的定义方法和不同坐标系间转 换途径以福州地区为例通过修改Mapinfo.prj文件中坐标参数来定义该地区坐标系并在该地区实现我国常用坐标系间的转J最后提出需要进一步解决 的问题.9. 会议论文 魏国辉.杜海涛.王强MAF开发中GIS坐标系定义与转换问题2006GIS中的坐标系定义是5IS系统的基础，正确定JGIS系统的坐标系非常重要G
28、I防的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定。本文介绍了 MAP二次开发中基准面的定义，北京4与西安30坐标之间的转换问题。10. 会议论文李辉GIS的坐标系定义与转换2006GIS中的坐标系定义是5IS系统的基础正确定义GIS系统的坐标系非常重要GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确廊基准面的定义则 由特定椭球体及其对应的转换参数确裁文详细介绍了地球椭球体Ellipsoid)、大地基准面Datum及地图投影Projection)三者的基本概念及它们之 间的关系.本文链接： 授权使用：兰州交通大学(Izjd)，授权号：6eefd91a-91bb-468a-a55d-9dff01783956下载时间： 2010年9月28日