GIS中的坐标系的概念

GIS中的坐标系的概念


所谓坐标系包括两方面的内容：一是把大地基准面上的测量成果换算到椭球体面上的计算工作中所采用的椭球体的大小；二是椭球体与大地基准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果有不同的值。因此，选定了一个一定大小的椭球体并确定了它与大地基准面的相关位置，就确定了一个坐标系。

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。GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(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。

大地基准面(Datum)
基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从 1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。
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几个重要的名词
铅垂线：离心力和地心引力的合力称为重力，重力的作用线即为铅垂线。（它是测量工作的基准线。）
水准面：假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围了整个地球，形成一个闭合的曲面，这个曲面称为水准面。（无数个）
大地水准面：在无数个水准面中，其中与平均海水面相吻合的称为大地水准面。（它是测量工作的基准面。）
大地水准面的特性：不规则性（但处处与铅垂线垂直）；唯一性。
大地水准面的作用：点位的投影面；高程的起算面。

在 MapXtreme 2004 中，MapInfo.Geometry 命名空间的 DatumID 枚举枚举指定预定义的基准面的列表，Datum 类对基准面进行相关的操作。

椭球体(Ellipsoid)
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面，如前苏联的 Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。
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选用一个非常接近大地水准面，并可用数学表达式表示的规则几何形体来表示地球总的形状。这个数学形体就是由一个椭圆绕其短轴旋转所形成的椭球体。
长半轴 a ≈ 6378140 m
短半轴 b ≈ 6356755 m
扁 率 f = ( a - b ) / a ≈ 1 / 298.257
总椭球体须满足以下条件：
总椭球中心与地球质心重合；
总椭球旋转轴与地球自转轴重合，赤道与地球赤道一致；
体积V总椭球=V地球，且大地水准面与总椭球间的高差平方和Σ Δhi2 = min；
总质量M总椭球 = M地球；
旋转角速度φ总椭球 = φ地球。
地图投影(Projection) 地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换，如果有人说：该点北京54坐标值为X=4231898,Y=21655933，实际上指的是北京54基准面下的投影坐标，也就是北京54基准面下的经纬度坐标在直角平面坐标上的投影结果。