2.GIS坐标系基础和投影变换

地理信息中各种坐标系区别和转换总结引言简述地理信息系统（GIS）中坐标系的重要性概述坐标系在地理信息处理中的应用一、坐标系基本概念1.1 坐标系定义定义地理坐标系和投影坐标系描述坐标系的组成要素1.2 地理坐标系（GCS）介绍地理坐标系的基本概念描述纬度、经度和高度的概念1.3 投影坐标系（PCS）介绍投影坐标系的基本概念解释地图投影的基本原理二、常见坐标系类型2.1 地理坐标系类型WGS 84北京 54国家大地测量 2000（CGCS2000）2.2 投影坐标系类型UTM（通用横轴墨卡托投影）State Plane Coordinate System（美国州平面坐标系）地方投影坐标系（如高斯-克吕格投影）三、坐标系之间的区别3.1 坐标系参数差异描述不同坐标系的基准面、椭球体和参数差异3.2 应用领域差异讨论不同坐标系在不同领域的应用特点3.3 精度和适用性分析不同坐标系的精度和适用性四、坐标系转换原理4.1 转换基础描述坐标系转换的数学基础解释坐标转换的七参数模型4.2 转换方法平移、旋转和缩放（7参数转换）相似变换（相似因子、旋转和偏移）4.3 转换工具和技术介绍GIS软件中的坐标系转换工具讨论专业的坐标转换软件和技术五、坐标系转换实践5.1 数据准备数据格式和坐标系信息的检查5.2 转换流程描述转换的具体步骤和注意事项5.3 转换精度评估讨论转换后的精度评估方法六、坐标系转换中的常见问题6.1 投影变形问题分析投影过程中可能出现的变形问题6.2 转换误差问题讨论转换过程中可能出现的误差来源6.3 技术限制问题描述现有技术和工具的限制七、坐标系转换案例分析7.1 案例选择选择具有代表性的坐标系转换案例7.2 案例实施过程详细描述案例实施的具体步骤7.3 案例结果分析分析案例的转换效果和经验教训八、未来发展趋势8.1 技术进步预测坐标系转换技术的未来发展趋势8.2 应用拓展探讨坐标系转换在新兴领域的应用前景8.3 标准化和国际化讨论坐标系转换标准化和国际化的重要性结语总结坐标系转换的重要性和本文档的主要内容对未来坐标系转换工作的展望。

如何进行地理坐标转换和投影变换地理坐标转换和投影变换是地理信息系统 (Geographic Information System, GIS) 中非常重要的概念和技术。

它们在各种地图制作、地理空间分析和空间数据处理任务中起到了核心作用。

本文将介绍地理坐标转换和投影变换的基本原理和常用方法。

一、地理坐标转换1. 简介地理坐标转换是将一个地理位置点的坐标从一种坐标系统转换到另一种坐标系统的过程。

在地理信息系统中，常见的地理坐标系统有经纬度坐标系统 (WGS84)和投影坐标系统 (UTM) 等。

由于不同坐标系统间的坐标表示方式不同，因此需要进行坐标转换。

2. 原理地理坐标转换的原理是通过数学运算将坐标从一个坐标系统转换到另一个坐标系统。

这需要考虑坐标轴的旋转、尺度变换和坐标原点的平移等因素。

通常使用的方法有三参数法、七参数法和分区法等，根据不同的坐标系统和需求选择合适的方法。

3. 方法地理坐标转换的方法有多种，其中最常见的是使用地理坐标转换软件，如ArcGIS、QGIS等。

这些软件可以通过设置坐标系统和输入需转换的坐标来完成转换工作。

另外，也可以通过编程语言如Python中的库，如pyproj来实现地理坐标转换。

二、投影变换1. 简介投影变换是将地球表面的三维地理坐标转换为平面坐标的过程，也被称为地理坐标投影。

这是由于地球是一个三维椭球体，而平面地图是一个二维平面，因此需要将地球表面上的点投影到一个平面上。

2. 原理投影变换的原理是通过将地球椭球体投影到一个平面上，从而将三维地理坐标转换为二维平面坐标。

常见的投影方法有等距圆柱投影、等角圆锥投影和等面积投影等。

每种投影方法都有其特点和适用范围，根据需求选择合适的投影方法。

3. 方法投影变换的方法有多种，其中最常用的是使用地理信息系统软件进行投影变换，如ArcGIS、QGIS等。

这些软件提供了多种投影方法和参数设置，可以根据需求进行选择。

此外，也可以使用编程语言中的库，如Python中的proj4库进行投影变换。

ARCGIS中坐标转换及地理坐标、投影坐标的定义1.ARCGIS中坐标转换及地理坐标、投影坐标的定义1.1动态投影ArcMap所谓动态投影指,ArcMap中的Data 的空间参考或是说坐标系统是默认为第一加载到当前工作区的那个文件的坐标系统,后加入的数据,如果和当前工作区坐标系统不相同,则ArcMap会自动做投影变换,把后加入的数据投影变换到当前坐标系统下显示但此时数据文件所存储的数据并没有改变,只是显示形态上的变化因此叫动态投影表现这一点最明显的例子就是,在Export Data时,会让你选择是按this layer's source data数据源的坐标系统导出,还是按照the Data 当前数据框架的坐标系统导出数据1.2坐标系统描述ArcCatalog大家都知道在ArcCatalog中可以一个数据的坐标系统说明即在数据上鼠标右键->Properties->XY Coordinate System选项卡,这里可以通过modify,Select、Import方式来为数据选择坐标系统但有许多人认为在这里改完了,数据本身就发生改变了但不是这样的这里缩写的信息都对应到该数据的.aux文件如果你去把该文件删除了,重新查看该文件属性时,照样会显示Unknown这里改的仅仅是对数据的一个描述而已,就好比你入学时填写的基本资料登记卡,我改了说明但并没有改变你这个人本身因此数据文件中所存储的数据的坐标值并没有真正的投影变换到你想要更改到的坐标系统下但数据的这个描述也是非常重要的,如果你拿到一个数据,从ArcMap下所显示的坐标来看,像是投影坐标系统下的平面坐标,但不知道是基于什么投影的因此你就无法在做对数据的进一不处理比如：投影变换操作因为你不知道要从哪个投影开始变换因此大家要更正一下对 ArcCatalog中数据属性中关于坐标系统描述的认识1.3投影变换ArcToolBox上面说了这么多,要真正的改变数据怎么办,也就是做投影变换在ArcToolBox->Data Management Tools->Projections and Transformations下做在这个工具集下有这么几个工具最常用：1、Define Projection2、Feature->Project3、Raster->Project Raster4、Create Custom Geographic Transformation当数据没有任何空间参考时,显示为Unknown时就要先利用Define Projection来给数据定义一个Coordinate System,然后在利用Feature->Project或Raster->Project Raster 工具来对数据进行投影变换由于我国经常使用的投影坐标系统为北京54,西安80由这两个坐标系统变换到其他坐标系统下时,通常需要提供一个Geographic Transformation,因为Datum已经改变了这里就用到我们说常说的转换3参数、转换7参数了而我们国家的转换参数是保密的因此可以自己计算或在购买数据时向国家测绘部门索要知道转换参数后,可以利用Create Custom Geographic Transformation工具定义一个地理变换方法,变换方法可以根据3参数或7参数选择基于GEOCENTRIC_TRANSLATION和 COORDINATE_方法这样就完成了数据的投影变换数据本身坐标发生了变化当然这种投影变换工作也可以在ArcMap中通过改变Data 的Coordinate System来实现,只是要在做完之后在按照Data 的坐标系统导出数据即可方法一：在Arcmap中转换：1、加载要转换的数据,右下角为经纬度；2、点击视图——数据框属性——坐标系统；3、导入或选择正确的坐标系,确定;这时右下角也显示坐标;但数据没改变；4、右击图层——数据——导出数据；5、选择第二个数据框架,输出路径,确定；6、此方法类似于投影变换;方法二：在forestar中转换：1、用正确的坐标系和范围新建图层aa2、打开要转换的数据,图层输出与原来类型一致,命名aa,追加;方法三：在ArcToolbox中转换：1、管理工具——投影project,选择输入输出路径以及输出的坐标系2、前提是原始数据必须要有投影2.ArcGIS中的坐标系统定义与投影转换坐标系统是GIS数据重要的数学基础,用于表示地理要素、图像和观测结果的参照系统,坐标系统的定义能够保证地理数据在软件中正确的显示其位置、方向和距离,缺少坐标系统的GIS数据是不完善的,因此在ArcGIS软件中正确的定义坐标系统以及进行投影转换的操作非常重要;2.1ArcGIS中的坐标系统ArcGIS中预定义了两套坐标系统,地理坐标系Geographic coordinate system和投影坐标系Projectedcoordinate system;2.1.1地理坐标系地理坐标系 GCS 使用三维球面来定义地球上的位置;GCS中的重要参数包括角度测量单位、本初子午线和基准面基于旋转椭球体;地理坐标系统中用经纬度来确定球面上的点位,经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角;球面系统中的水平线是等纬度线或纬线,垂直线是等经度线或经线;这些线包络着地球,构成了一个称为经纬网的格网化网络;GCS中经度和纬度值以十进制度为单位或以度、分和秒 DMS 为单位进行测量;纬度值相对于赤道进行测量,其范围是 -90°南极点到 +90°北极点;经度值相对于本初子午线进行测量;其范围是 -180°向西行进时到 180°向东行进时;ArcGIS中,中国常用的坐标系统为GCS_Beijing_1954Krasovsky_1940,GCS_Xian_1980IAG_75,GCS_WGS_1984WGS_1984,GCS_CN _2000CN_2000;2.1..2投影坐标系将球面坐标转化为平面坐标的过程称为投影;投影坐标系的实质是平面坐标系统,地图单位通常为米;投影坐标系在二维平面中进行定义;与地理坐标系不同,在二维空间范围内,投影坐标系的长度、角度和面积恒定;投影坐标系始终基于地理坐标系,即：“投影坐标系=地理坐标系+投影算法函数“;我们国家的投影坐标系主要采用高斯-克吕格投影,分为6度和3度分带投影,1:2.5万－1:50万比例尺地形图采用经差6度分带,1:1万比例尺的地形图采用经差3度分带;具体分带法是：6度分带从本初子午线prime meridian开始,按经差6度为一个投影带自西向东划分,全球共分60个投影带,中国跨13-23带；3度投影带是从东经1度30分经线1.5°开始,按经差3度为一个投影带自西向东划分,全球共分120个投影带,中国跨25-45带;在CoordinateSystems\Projected Coordinate Systems\Gauss Kruger\Beijing 1954目录中,我们可以看到四种不同的命名方式：Beijing 1954 Xian 1980 3 Degree GK CM 117E北京54西安1980 3度带无带号Beijing 1954 Xian 1980 3 Degree GK Zone 25北京54 西安1980 3度带有带号Beijing 1954 Xian 1980 GK Zone 13北京54 西安1980 6度带有带号Beijing 1954 GK Zone 13NXian 1980 GK CM 75E北京54 西安1980 6度带无带号注释：GK 是高斯克吕格,CM 是CentralMeridian 中央子午线,Zone是分带号,N是表示不显示带号;2.2 ArcGIS中定义坐标系ArcGIS中所有地理数据集均需要用于显示、测量和转换地理数据的坐标系,该坐标系在ArcGIS 中使用;如果某一数据集的坐标系未知或不正确,可以使用定义坐标系统的工具来指定正确的坐标系,使用此工具前,必须已获知该数据集的正确坐标系;该工具为包含未定义或未知坐标系的要素类或数据集定义坐标系,位于ArcToolbox—Data management tools—Projections and transfomations —Define Projections Input Dataset：要定义投影的数据集或要素类CoordinateSystem：为数据集定义的坐标系统2.3基于ArcGIS的投影转换在数据的操作中,我们经常需要将不同坐标系统的数据转换到统一坐标系下,方便对数据进行处理与分析,软件中坐标系转换常用以下两种方式：2.3.1 直接采用已定义参数实现投影转换ArcGIS软件中已经定义了坐标转换参数时,可直接调用坐标系转换工具,直接选择转换参数即可;工具位于ArcTool box—Data management tools—Projections andtransfomations——Feature—Project栅格数据投影转换工具Raster—Project raster,在工具界面中输入以下参数：Input dataset：要投影的要素类、要素图层或要素数据集Output Dataset：已在输出坐标系参数中指定坐标系的新要素数据集或要素类;out_coor_system：已知要素类将转换到的新坐标系Geographic Transformation:列表中为转换参数,以GCS_Beijing_1954转为GCS_WGS_1984为例,各转换参数含义如下：Beijing_1954_To_WGS_1984_1 15918 鄂尔多斯盆地Beijing_1954_To_WGS_1984_2 15919 黄海海域Beijing_1954_To_WGS_1984_3 15920 南海海域-珠江口Beijing_1954_To_WGS_1984_4 15921 塔里木盆地Beijing_1954_To_WGS_1984_5 15935 北部湾Beijing_1954_To_WGS_1984_6 15936鄂尔多斯盆地2.3.2 自定义三参数或七参数转换当ArcGIS软件中不能自动实现投影间直接转换时,需要自定义七参数或三参数实现投影转换,以七参数为例,转换方法如下：在ArcTool box中选择Create Custom Geographic Transformation工具, 在弹出的窗口中,输入一个转换的名字,如wgs84ToBJ54;在定义地理转换方法下面,在Method中选择合适的转换方法如 COORDINATE_FRAME,然后输入七参数,即平移参数、旋转角度和比例因子,如图所示：2.3.2.2 投影转换打开工具箱下的Projections and Transformations>Feature>Project,在弹出的窗口中输入要转换的数据以及Output Coordinate System,然后输入第一步自定义的地理坐标系如wgs84ToBJ54,开始投影变换,如图所示完成投影转换：。

地理坐标系转换为投影坐标系的方法地理坐标系（Geographic Coordinate System）是地球上用于定位点位置的坐标系统，通过经纬度来确定地球上任意一个点的位置。

投影坐标系（Projected Coordinate System）是在地理坐标系基础上通过数学变换将地球的曲面投射到平面上，以方便测量和空间分析。

在地理信息系统（GIS）中，地理坐标系常常需要转换为投影坐标系，以便进行测量、分析和地图制图等操作。

1.转换方法的选择：在进行地理坐标系转换为投影坐标系之前，需要先确定所需转换的投影坐标系的类型和参数。

投影坐标系的选择通常基于使用需求和地理区域。

例如，选择等距柱面投影、兰勃托投影、横轴墨卡托投影等不同类型的投影坐标系。

2.坐标转换过程：坐标转换的过程主要包括两个步骤：大地坐标系到空间直角坐标系的转换，以及空间直角坐标系到投影坐标系的转换。

(1)大地坐标系到空间直角坐标系的转换：大地坐标系是基于地球的椭球面建立的，常见的大地坐标系有经纬度坐标系和大地坐标系，转换时需要确定大地椭球模型和大地基准面。

(2)空间直角坐标系到投影坐标系的转换：空间直角坐标系是基于地球的空间直角坐标系，通常使用XYZ三维坐标表示，投影坐标系则将三维坐标投影到平面上。

转换时需要确定投影算法和投影参数。

3.常见的地理坐标系转换方法：(1)地理坐标系转换为高斯-克吕格投影坐标系：高斯-克吕格投影是常见的投影坐标系，广泛应用于中国和其他国家的大部分区域。

转换过程中需要使用高斯-克吕格投影算法和参数。

(2)地理坐标系转换为UTM（通用横轴墨卡托）投影坐标系：UTM投影是在全球范围内广泛应用的坐标系统，将地球分为60个投影区，每个投影区使用不同的投影参数。

转换过程中需要确定所在的UTM 投影区和相应的参数。

(3)地理坐标系转换为其他特定投影坐标系：根据不同的需求和地理区域，还可以选择其他特定的投影坐标系进行转换，如等距柱面投影、兰勃托投影、斯蒂芬森投影等。

测绘技术中的坐标系统和投影变换详解导语：在测绘技术中，坐标系统和投影变换是非常重要的概念和工具。

它们是测绘工作的基础，也是有效整合和分析地理信息的关键。

本文将详细介绍坐标系统和投影变换的原理、应用和未来发展趋势，希望能够为读者提供全面而深入的了解。

第一部分：什么是坐标系统坐标系统是用来描述和定位地理实体的数学模型和方法。

它将地球表面上的点与数学坐标相关联，使得我们可以准确地表示和计算地球上的各种位置。

常见的坐标系统包括地理坐标系统和投影坐标系统。

1.1 地理坐标系统地理坐标系统使用经纬度来表示地球上的点。

经度表示一个点相对于地球上的本初子午线的位置，纬度表示一个点距离地球赤道的距离。

经纬度的单位是度，范围分别是-180度到180度和-90度到90度。

地理坐标系统在全球范围内具有很好的精度，但不适用于大规模的地理信息分析和计算。

1.2 投影坐标系统投影坐标系统是一种将地球表面投影到平面上的方法。

它使用笛卡尔坐标系（x，y）来表示地球上的点。

投影坐标系统可以根据不同的投影方法和参数设置，将地球表面投影为不同的平面形状，如圆柱投影、圆锥投影和平面投影。

不同的投影方法适用于不同的地理区域和测绘需求。

第二部分：投影变换的原理和方法投影变换是指将地理坐标转换为投影坐标的过程。

它是测绘技术中非常关键的一步，能够将地理信息转化为可操作的平面坐标。

2.1 投影方法的选择在进行投影变换之前，我们首先需要选择合适的投影方法。

选择投影方法的主要考虑因素包括地理区域、地理特征、地图用途和测绘精度等。

常见的投影方法包括墨卡托投影、兰勃托投影和高斯投影等。

2.2 投影参数的确定每种投影方法都有相应的参数需要确定。

这些参数包括中央经线、标准纬度、比例尺因子等。

确定这些参数的关键在于保持地图的形状、方向和面积特性，并尽可能减小形变。

2.3 坐标转换坐标转换是指将地理坐标转换为投影坐标的过程，也可以将投影坐标转换为地理坐标。

常见的坐标转换方法包括正反算法、四参数转换和七参数转换等。

如何进行地理坐标系与投影坐标系的转换地理坐标系与投影坐标系的转换是地理信息系统（GIS）领域中一个重要的话题。

在GIS中，地理坐标系用经度和纬度表示地球上的位置，而投影坐标系则通过将地球的曲面投影到平面上来表示。

本文将从基础概念开始，介绍如何进行地理坐标系与投影坐标系之间的转换。

一、地理坐标系与投影坐标系的基本概念地理坐标系是基于地球的椭球体来定义的，通过经度（Longitude）和纬度（Latitude）来表示地球上的位置。

经度是指从地球中心引出的经线，在东经0度和西经0度之间取值，范围为-180度到180度；纬度是指从地球中心引出的纬线，在赤道和两极之间取值，范围为-90度到90度。

投影坐标系是将地球的曲面投影到平面上来表示地球上的位置，使得较大范围的地理信息能够在平面上得到合理的表示。

投影坐标系是二维的，使用直角坐标系来表示地球上的位置。

常见的投影方式有墨卡托投影、等经纬度投影、兰伯特等角投影等。

二、地理坐标系到投影坐标系的转换方法在GIS中，经常需要将地理坐标系转换为投影坐标系，以适应不同的应用需求。

下面介绍几种常见的转换方法。

1. 坐标参照系统（Coordinate Reference System，简称CRS）的设定CRS是地理信息数据的基础，它定义了地理坐标系和投影坐标系之间的关系。

在进行转换之前，首先需要确定数据使用的CRS。

2. 数据预处理在转换之前，需要对待转换的数据进行预处理。

这包括检查数据质量、确定数据坐标系，并进行必要的数据清洗和转换。

3. 地理坐标系到投影坐标系的转换转换地理坐标系到投影坐标系可以通过数学计算来实现。

通过使用已知的转换公式和参数，将经纬度坐标转换为直角坐标。

4. 空间插值和逆变换进行地理坐标系到投影坐标系的转换后，往往需要进行空间插值或逆变换来处理不同投影坐标系之间的差异。

空间插值方法可以校正因投影而引入的形变和失真。

三、常见的地理坐标系与投影坐标系的转换工具在实际应用中，有许多工具可以用来进行地理坐标系与投影坐标系的转换。

第二十二章投影变换、坐标校正1 坐标系、地图投影地球表面事物的定位采用二大类坐标：（1）经纬度坐标，ArcGIS 称地理坐标系（Geographic Coordinate System，GCS）。

（2）二维笛卡尔平面坐标，ArcGIS 称投影坐标系（Projected Coordinate System，PCS）。

在实际工作中，经测量得到的空间信息在输入GIS 数据库之前已经定好了坐标系。

不同来源、不同坐标系的空间数据要在一起使用、相互参照时，就要作坐标转换，如果涉及不同的地图投影，要作投影变换。

利用ArcGIS 新建数据库时，软件提示用户，将要输入的数据采用什么坐标系（也称空间参照，Spatial Reference），包括坐标系的名称、相关参数，然后输入、保存空间数据，在这期间，软件不对坐标作转换处理，输入前是什么坐标，就保存什么坐标。

在某些情况下，可以忽略坐标系的具体名称或相关参数，由软件默认，可能对当前的应用没有影响，但是不同坐标系的数据之间不能相互参照使用。

可能有三种情况需要转换或重新定义坐标系：（1）临时变换。

多种来源、不同投影的数据要在一起参照使用，或为了某种特别的应用，可以临时变换坐标，工作结束后，要素在数据库、数据文件中的坐标恢复到原来的状态。

这种临时变换的好处是一种数据可以适合多种用途，缺点是每次变换都要花费计算时间。

（2）永久转换。

空间要素的坐标按新的坐标系作转换处理，长期保存，反复使用，不再需要临时变换。

这用转换的好处是反复使用中不需要转换，节省计算时间。

缺点是相同的事物可能有多个坐标系，有冗余，修改、维护不方便。

（3）修改坐标系的定义。

用户建立数据库时，没有定义坐标系或原来的坐标系定错了，可以重新输入坐标系名称、相关参数。

修改后，要素在数据库中的坐标并不发生变化，将来临时变换、永久转换时，按修改后的坐标系名称、相关参数起作用，对转换的结果产生实质性的影响。

2 投影变换启动ArcMap，打开/gis_ex09/ex24/ex24.mxd 文档，进入data frame1，可以看到World_grid 图层显示的是一个覆盖全球范围的坐标网格。