地理坐標(biāo)到投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方法理論

1、地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影變換基礎(chǔ)知識一、理論知識和背景介紹       GIS處理的是空間信息，而所有對空間信息的量算都是基于某個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的，因此GIS中坐標(biāo)系統(tǒng)的定義是GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，正確理解GIS中的坐標(biāo)系統(tǒng)就變得尤為重要。坐標(biāo)系統(tǒng)又可分為兩大類：地理坐標(biāo)系統(tǒng)、投影坐標(biāo)系統(tǒng)。 本文就對坐標(biāo)系和投影及其在ArcGIS桌面產(chǎn)品中的應(yīng)用做一些簡單的論述。       GIS中的坐標(biāo)系定義由基準(zhǔn)面和地圖投影兩組參數(shù)確定，而基準(zhǔn)面的定義則由特定橢球體及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)確定，因此欲正確定

2、義GIS系統(tǒng)坐標(biāo)系，首先必須弄清地球橢球體(Ellipsoid)、大地基準(zhǔn)面(Datum)及地圖投影(Projection)三者的基本概念及它們之間的關(guān)系。1、地球橢球體(Ellipsoid)       眾所周知我們的地球表面是一個(gè)凸凹不平的表面，而對于地球測量而言，地表是一個(gè)無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的曲面，這樣的曲面不能作為測量和制圖的基準(zhǔn)面。假想一個(gè)扁率極小的橢圓，繞大地球體短軸旋轉(zhuǎn)所形成的規(guī)則橢球體稱之為地球橢球體。地球橢球體表面是一個(gè)規(guī)則的數(shù)學(xué)表面，可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，所以在測量和制圖中就用它替代地球的自然表面。因此就有了地球橢球

3、體的概念。地球橢球體有長半徑和短半徑之分，長半徑(a)即赤道半徑，短半徑(b)即極半徑。f=（a-b）/a為橢球體的扁率，表示橢球體的扁平程度。由此可見，地球橢球體的形狀和大小取決于a、b、f 。因此，a、b、f被稱為地球橢球體的三要素。ArcGIS(ArcInfo)桌面軟件中提供了30種地球橢球體模型；常見的地球橢球體數(shù)據(jù)見下表：               橢球名稱 年代 長半徑扁率附注德蘭勃18006 375 6531:334.0

4、法國 瓦爾別克18196 376 8961：302.8俄國 埃弗瑞斯特1830 6 377 2761：300.801英國 艾黎18306 376 5421：2993 英國 貝塞爾18416 377 3971：299152 德國 克拉克18566 377 8621：2981英國 克拉克18636 378 2881：2944 英國 克拉克18666 378 2061：294978英國 克拉克18806 378 2491：293459 英國 日丹諾夫18936 377 717 1：2997俄國 赫爾默

5、特19066 378 1401：2983 德國海福特19066 378 283 1：297.8美國赫爾默特1907 6 378 2001：2983德國海福特19106 378 3881：29701942年國際第一個(gè)推薦值熱海景良 19336 376 918 1：3106日本川煙辛夫19356 377 0871：3040日本克拉索夫斯基1940 6 378 2451：298.3蘇聯(lián)柯洛柯夫19556 378 2031：298.3蘇聯(lián)霍夫1956 6 378 2701：297.0美國WGS19606 378 1561：298.3美國國防部 1960年世界大地坐標(biāo)系弗希爾1960 6 378 160

6、1：298.329美國凡氏（C一5）1965 6 378 1691：298.25美國施密森天文臺凡氏（C一5）19666 378 165 1：298.25美國施密森天文臺對地球橢球體而言，其圍繞旋轉(zhuǎn)的軸叫地軸。地軸的北端稱為地球的北極，南端稱為南極；過地心與地軸垂直的平面與橢球面的交線是一個(gè)圓，這就是地球的赤道；過英國格林威治天文臺舊址和地軸的平面與橢球面的交線稱為本初子午線。以地球的北極、南極、赤道和本初子午線等作為基本要素，即可構(gòu)成地球橢球面的地理坐標(biāo)系統(tǒng)(A geographic coordinate system (GCS) uses a three dimensional spher

7、ical surface to define locations on the earth. A GCS includes an angular unit of measure, a prime meridian,  and a datum (based on a spheroid).)?？梢钥闯龅乩碜鴺?biāo)系統(tǒng)是球面坐標(biāo)系統(tǒng)，以經(jīng)度/維度（通常以十進(jìn)制度或度分秒(DMS)的形式）來表示地面點(diǎn)位的位置。地理坐標(biāo)系統(tǒng)以本初子午線為基準(zhǔn)（向東，向西各分了1800）之東為東經(jīng)其值為正，之西為西經(jīng)其值為負(fù)；以赤道為基準(zhǔn)（向南、向北各分了900）之北為北緯其值為正，之南為南緯其值為負(fù)。 

8、      地表任意位置的坐標(biāo)值可由圖1表達(dá)：                                          

9、        圖1 地理坐標(biāo)系統(tǒng)2、大地基準(zhǔn)面（Geodetic datum）大地基準(zhǔn)面（Geodetic datum），設(shè)計(jì)用為最密合部份或全部大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)模式。它由橢球體本身及橢球體和地表上一點(diǎn)視為原點(diǎn)間之關(guān)系來定義。此關(guān)系能以 6個(gè)量來定義，通常（但非必然）是大地緯度、大地經(jīng)度、原點(diǎn)高度、原點(diǎn)垂線偏差之兩分量及原點(diǎn)至某點(diǎn)的大地方位角。       讓我們先拋開測繪學(xué)上這個(gè)晦澀難懂的概念，看看GIS系統(tǒng)中的基準(zhǔn)面是如何定義的，GIS中的基準(zhǔn)面通過當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)面

10、向WGS1984的轉(zhuǎn)換7參數(shù)來定義，轉(zhuǎn)換通過相似變換方法實(shí)現(xiàn)，具體算法可參考科學(xué)出版社1999年出版的城市地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化指南第76至86頁。假設(shè)Xg、Yg、Zg表示W(wǎng)GS84地心坐標(biāo)系的三坐標(biāo)軸，Xt、Yt、Zt表示當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的三坐標(biāo)軸，那么自定義基準(zhǔn)面的7參數(shù)分別為：三個(gè)平移參數(shù)X、Y、Z表示兩坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值；三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)x、y、z表示當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系旋轉(zhuǎn)至與地心坐標(biāo)系平行時(shí)，分別繞Xt、Yt、Zt的旋轉(zhuǎn)角；最后是比例校正因子，用于調(diào)整橢球大小。       那么現(xiàn)在讓我們把地球橢球體和基準(zhǔn)面結(jié)合起來看，在此我們把地球比做是“馬鈴薯

11、”，表面凸凹不平，而地球橢球體就好比一個(gè)“鴨蛋”，那么按照我們前面的定義，基準(zhǔn)面就定義了怎樣拿這個(gè)“鴨蛋”去逼近“馬鈴薯”某一個(gè)區(qū)域的表面，X、Y、Z軸進(jìn)行一定的偏移，并各自旋轉(zhuǎn)一定的角度，大小不適當(dāng)?shù)臅r(shí)候就縮放一下“鴨蛋”，那么通過如上的處理必定可以達(dá)到很好的逼近地球某一區(qū)域的表面。因此，從這一點(diǎn)上也可以很好的理解，每個(gè)國家或地區(qū)均有各自的基準(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坐標(biāo)系，1978年采用國際大地測量協(xié)會推薦的1975地球橢球體（IAG75）

12、建立了我國新的大地坐標(biāo)系-西安80坐標(biāo)系，目前大地測量基本上仍以北京54坐標(biāo)系作為參照，北京54與西安80坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換可查閱國家測繪局公布的對照表。 WGS1984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，目前GPS測量數(shù)據(jù)多以WGS1984為基準(zhǔn)?？死鞣蛩够?Krassovsky)、1975地球橢球體（IAG75）、WGS1984橢球體的參數(shù)可以參考常見的地球橢球體數(shù)據(jù)表。橢球體與基準(zhǔn)面之間的關(guān)系是一對多的關(guān)系，也就是基準(zhǔn)面是在橢球體基礎(chǔ)上建立的，但橢球體不能代表基準(zhǔn)面，同樣的橢球體能定義不同的基準(zhǔn)面。地球橢球體和基準(zhǔn)面之間的關(guān)系以及基準(zhǔn)面是如何結(jié)合地球橢球體

13、從而實(shí)現(xiàn)來逼近地球表面的可以通過圖2一目了然。 圖2 基準(zhǔn)面定義橢球體擬合地表某一區(qū)域表面3、投影坐標(biāo)系統(tǒng)（Projected Coordinate Systems ）地球橢球體表面也是個(gè)曲面，而我們?nèi)粘Ｉ钪械牡貓D及量測空間通常是二維平面，因此在地圖制圖和線性量測時(shí)首先要考慮把曲面轉(zhuǎn)化成平面。由于球面上任何一點(diǎn)的位置是用地理坐標(biāo)（，）表示的，而平面上的點(diǎn)的位置是用直角坐標(biāo)（，）或極坐標(biāo)（r， ）表示的，所以要想將地球表面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到平面上，必須采用一定的方法來確定地理坐標(biāo)與平面直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)之間的關(guān)系。這種在球面和平面之間建立點(diǎn)與點(diǎn)之間函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，就是地圖投影方法。

14、60;      接下來首先讓我們來看看ArcGIS產(chǎn)品中對于北京54投影坐標(biāo)系統(tǒng)的定義參數(shù)：Projection: Gauss_Kruger Parameters: False_Easting: 500000.000000 False_Northing: 0.000000 Central_Meridian: 117.000000 Scale_Factor: 1.000000 Latitude_Of_Origin: 0.000000 Linear Unit: Meter (1.000000) Geographic Coordinate Syst

15、em: Name: GCS_Beijing_1954 Alias: Abbreviation: Remarks: Angular Unit: Degree (0.017453292519943299) Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000) Datum: D_Beijing_1954 Spheroid: Krasovsky_1940 Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000 Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000 Inverse Flattenin

16、g: 298.300000000000010000從參數(shù)中可以看出，每一個(gè)投影坐標(biāo)系統(tǒng)都必定會有Geographic Coordinate System（地理坐標(biāo)系統(tǒng)）。那么我們從這一角度上解釋一下投影和投影所需要的必要條件：將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)的過程便是投影過程；投影所需要的必要條件是：第一、任何一種投影都必須基于一個(gè)橢球（地球橢球體），第二、將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)的過程（投影算法）。簡單的說投影坐標(biāo)系是地理坐標(biāo)系+投影過程。讓我們從透視法（地圖投影方法的一種）角度來直觀的理解投影，圖3。幾何透視法是利用透視的關(guān)系，將地球體面上的點(diǎn)投影到投影面（借助的幾何面）上的一種投影方法。如假設(shè)地

17、球按比例縮小成一個(gè)透明的地球儀般的球體，在其球心或球面、球外安置一個(gè)光源，將球面上的經(jīng)緯線投影到球外的一個(gè)投影平面上。 圖3 透視法投影示意圖       投影既然是一種數(shù)學(xué)變換方法，那么任何一種投影都存在一定的變形，因此可以按照變形性質(zhì)將投影方法如下分類：等角投影（Conformal  Projection） 、   等積投影（Equal Area Projection）、等距投影（Equidistant Projection）、等方位投影（True-direction Projec

18、tion）四種。每種投影根據(jù)其名稱就可以知道其方法保證了數(shù)據(jù)的那些幾何屬性，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)需求來選取某種投影。       如果按照投影的構(gòu)成方法分類又可分為方位、圓柱、圓錐投影三種，在上述三種投影中由于幾何面與球面的關(guān)系位置不同，又分為正軸、橫軸和斜軸三種。圖3-5將直觀展現(xiàn)上述各種投影。 圖4 正、橫、斜圓柱投影示意圖 圖5正、橫、斜圓錐投影示意圖 圖6 正、橫、斜方位投影示意圖       接下來我們來看看我們國家通常采用的投影高斯

19、克呂格（Gauss-Kruger)投影，是一種“等角橫切圓柱投影”。德國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家高斯（Carl Friedrich Gauss，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（Johannes Kruger，18571928）于 1912年對投影公式加以補(bǔ)充，故名。設(shè)想用一個(gè)圓柱橫切于球面上投影帶的中央經(jīng)線，按照投影帶中央經(jīng)線投影為直線且長度不變和赤道投影為直線的條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)一定經(jīng)差范圍內(nèi)的球面正形投影于圓柱面。然后將圓柱面沿過南北極的母線剪開展平，即獲高斯-克呂格投影平面。高斯克呂格投影后，除中央經(jīng)線和赤道為直線外，其他經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)

20、線的曲線。高斯克呂格投影沒有角度變形，在長度和面積上變形也很小，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，變形最大處在投影帶內(nèi)赤道的兩端。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，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

21、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)。    我國大于等于50萬的大中比例尺地形圖多采用六度帶高斯克呂格投影，三度帶高斯克呂格投影多用于大比例尺1：1萬測圖，如城建坐標(biāo)多采用三度帶的高斯克呂格投影。高斯克呂格投影按分帶方法各自進(jìn)行投影，故各帶坐標(biāo)成獨(dú)立系統(tǒng)。以中央

22、經(jīng)線（L0）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)。為了避免橫坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，高斯克呂格投影北半球投影中規(guī)定將坐標(biāo)縱軸西移500公里當(dāng)作起始軸。由于高斯克呂格投影每一個(gè)投影帶的坐標(biāo)都是對本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對值，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，通常在橫軸坐標(biāo)前加上帶號，如(4231898m,21655933m)，其中21即為帶號。高斯克呂格投影及分帶示意圖如下：                &#

23、160;                                    圖7 高斯克呂格投影及分帶示意圖       接下來讓我們來看看ArcGIS中對我們國家經(jīng)常采用北京54和西安80坐標(biāo)系統(tǒng)是怎么樣描述的，在

24、ArcMap或是ArcCatalog中選擇系統(tǒng)預(yù)定義的北京54和西安80坐標(biāo)系統(tǒng)。在$ArcGISHomeCoordinate SystemsCoordinate SystemsProjected Coordinate SystemsGauss KrugerBeijing 1954目錄中，我們可以看到四種不同的命名方式：Beijing 1954 3 Degree GK CM 75E.prj    Beijing 1954 3 Degree GK Zone 25.prj    Beijing 1954 GK Zone 13.prj

25、60;   Beijing 1954 GK Zone 13N.prj    對它們的說明分別如下：    三度分帶法的北京54坐標(biāo)系，中央經(jīng)線在東75度的分帶坐標(biāo)，橫坐標(biāo)前不加帶號    三度分帶法的北京54坐標(biāo)系，中央經(jīng)線在東75度的分帶坐標(biāo)，橫坐標(biāo)前加帶號    六度分帶法的北京54坐標(biāo)系，分帶號為13，橫坐標(biāo)前加帶號    六度分帶法的北京54坐標(biāo)系，分帶號為13，橫坐標(biāo)前不加帶號    在

26、Coordinate SystemsProjected Coordinate SystemsGauss KrugerXian 1980目錄中，文件命名方式又有所變化：    Xian 1980 3 Degree GK CM 75E.prj    Xian 1980 3 Degree GK Zone 25.prj    Xian 1980 GK CM 75E.prj    Xian 1980 GK Zone 13.prj    西安80坐標(biāo)文件的命

27、名方式、含義和北京54前兩個(gè)坐標(biāo)相同，但沒有出現(xiàn)“帶號+N”這種形式，為什么沒有采用統(tǒng)一的命名方式？讓人看了的確有些費(fèi)解，大家在應(yīng)用過程中需要特別注意一下。二、基于ArcGIS 的應(yīng)用        在我們了解了坐標(biāo)系統(tǒng)和投影的定義和其內(nèi)在的聯(lián)系后，本文著重總結(jié)一下坐標(biāo)系統(tǒng)和投影變換在桌面產(chǎn)品（版本9.2）中的應(yīng)用（分ArcMap、ArcCatalog、ArcToolBox三大主要應(yīng)用模塊）。1、動態(tài)投影(ArcMap)     所謂動態(tài)投影指：改變ArcMap中的Data Frame（工作區(qū)）

28、的空間參考或是對后加入到ArcMap工作區(qū)中數(shù)據(jù)的投影變換。ArcMap的Data Frame（工作區(qū)）的坐標(biāo)系統(tǒng)默認(rèn)為第一個(gè)加載到當(dāng)前Data Frame（工作區(qū)）的那個(gè)文件的坐標(biāo)系統(tǒng)，后加入的數(shù)據(jù)，如果和當(dāng)前工作區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)不同，則ArcMap會自動做投影變換，把后加入的數(shù)據(jù)投影變換到當(dāng)前坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示，但此時(shí)數(shù)據(jù)文件所存儲的實(shí)際數(shù)據(jù)坐標(biāo)值并沒有改變，只是顯示形態(tài)上的變化！因此叫動態(tài)投影。表現(xiàn)這一點(diǎn)最明顯的例子就是在Export Data時(shí)，用戶可以選擇是按this layer's source data（數(shù)據(jù)源的坐標(biāo)系統(tǒng)導(dǎo)出），還是按照the Data Frame（當(dāng)前工作區(qū)的坐標(biāo)

29、系統(tǒng)）導(dǎo)出數(shù)據(jù)。       關(guān)于ArcMap的這種動態(tài)投影機(jī)制，我們可以利用一個(gè)北京54投影坐標(biāo)系數(shù)據(jù)（鄉(xiāng)鎮(zhèn).shp）和<ArcGIS Installation Directory>DeveloperKitSamepleComdataWorld目錄下的world30.shp數(shù)據(jù)來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)說明。鄉(xiāng)鎮(zhèn).shp數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54投影坐標(biāo)系（Krasovsky_1940_Transverse_Mercator）。在ArcMap或ArcCatalog中預(yù)覽形態(tài)如圖8所示： 圖8 北京54投影坐標(biāo)系數(shù)據(jù)單獨(dú)顯示幾何

30、形態(tài)world30.shp數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)系(GCS_WGS_1984)。在ArcMap或ArcCatalog中預(yù)覽形態(tài)如圖9所示： 圖9  WGS84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)單獨(dú)顯示幾何形態(tài)而在ArcMap中先加載北京54坐標(biāo)系數(shù)據(jù)后再加入WGS84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，讓ArcMap對WGS84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)投影后兩數(shù)據(jù)疊加顯示效果如圖10所示： 圖10  ArcMap對WGS84數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)投影后的顯示狀態(tài)       可以非常明顯的看到ArcMap對WGS84數(shù)據(jù)做完動態(tài)投影后的數(shù)據(jù)幾何形態(tài)上

31、的改變，并且此時(shí)從ArcMap右下角的狀態(tài)欄上也可以看到當(dāng)前Data Frame（工作空間）的坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54平面投影坐標(biāo)系統(tǒng)。       反之在ArcMap中先加載WGS84坐標(biāo)系數(shù)據(jù)后再加入北京54坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，讓ArcMap對北京54坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)投影后兩數(shù)據(jù)疊加顯示效果如圖11所示： 圖11  ArcMap對北京54坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)投影后的顯示狀態(tài)       將在圖10中動態(tài)投影后的WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)按系統(tǒng)框架坐標(biāo)系統(tǒng)導(dǎo)出后，單獨(dú)加載

32、或預(yù)覽的數(shù)據(jù)幾何形態(tài)如圖12： 圖12 按北京54坐標(biāo)系統(tǒng)框架導(dǎo)出WGS84數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)幾何形態(tài)顯示       通過上述實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫恼f明ArcMap的動態(tài)投影特性。2、坐標(biāo)系統(tǒng)描述(ArcCatalog)大家都知道在ArcCatalog中可以給數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)描述！即在數(shù)據(jù)上鼠標(biāo)右鍵->Properties->XY Coordinate System選項(xiàng)卡，這里可以通過New、Modify、Select、Import方式來為數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)描述。但有許多用戶都認(rèn)為在這里定義了數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)信息后，其數(shù)據(jù)本身就

33、發(fā)生了投影變換。其實(shí)不然，這里定義的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)信息都對應(yīng)到與該數(shù)據(jù)同名而后綴名為.prj的文件當(dāng)中！如果把該文件刪除，在ArcCatalog中重新查看（要在該數(shù)據(jù)的上層節(jié)點(diǎn)上Refresh刷新一下）該文件的坐標(biāo)信息時(shí)，一樣會顯示為Unknown，并且數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值并沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)上的投影變換，這里改的僅僅是對數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)信息的一個(gè)描述而已，這就好比我們每個(gè)人的基本信息登記卡，更改了登記信息，但并沒有改變你這個(gè)人本身。因此數(shù)據(jù)文件中所存儲數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值并沒有真正的投影變換到你想要更改到的坐標(biāo)系統(tǒng)下。我們同樣拿上述的兩個(gè)數(shù)據(jù)做一下實(shí)驗(yàn)，在ArcCatalog中更改world30.shp的坐標(biāo)系統(tǒng)描述，

34、在world30.shp文件上鼠標(biāo)右鍵->Properties->XY Coordinate System選項(xiàng)卡中，通過Import方式導(dǎo)入鄉(xiāng)鎮(zhèn).shp文件的Krasovsky_1940_Transverse_Mercator投影坐標(biāo)系統(tǒng)描述，之后看一下結(jié)果圖13。 圖13 更改坐標(biāo)系統(tǒng)描述后的數(shù)據(jù)幾何形態(tài)從上述示例我們可以很明顯的看到更改數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)描述并不能使數(shù)據(jù)做投影變換，從而使數(shù)據(jù)投影到平面上來，但該數(shù)據(jù)的prj文件已經(jīng)記錄了更改后的坐標(biāo)系統(tǒng)描述，PROJCS"Krasovsky_1940_Transverse_Mercator",GEOGC

35、S"GCS_Krasovsky_1940",DATUM"D_Krasovsky_1940",SPHEROID"Krasovsky_1940",6378245.0,298.3,PRIMEM"Greenwich",0.0,UNIT"Degree",0.0174532925199433,PROJECTION"Transverse_Mercator",PARAMETER"False_Easting",500000.0,PARAMETER"False_No

36、rthing",0.0,PARAMETER"Central_Meridian",111.0,PARAMETER"Scale_Factor",1.0,PARAMETER"Latitude_Of_Origin",0.0,UNIT"Meter",1.0      但對數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)的這個(gè)描述也是非常重要的，如果我們拿到一份數(shù)據(jù)，從ArcMap下所顯示的坐標(biāo)來看，像是投影坐標(biāo)系統(tǒng)下的平面坐標(biāo)，但不知道是基于哪個(gè)橢球體的什么投影方法，因此就無法再對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，

37、如：投影變換、量測等操作。因?yàn)槲覀儫o法得知從什么坐標(biāo)系統(tǒng)下開始變換，以及該坐標(biāo)系統(tǒng)下的量測單位是什么。因此大家一定要更正對ArcCatalog中數(shù)據(jù)屬性中關(guān)于坐標(biāo)系統(tǒng)描述的認(rèn)識。3、投影變換(ArcToolBox)     上面說了這么多，可能有人要問：“要真正的改變數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值該怎么辦？”也就是做真正的投影變換。在ArcToolBox->Data Management Tools->Projections and Transformations中提供了如下工具：      在這個(gè)工具集下有這么幾個(gè)工具最為常用：

38、1、Define Projection2、Feature->Project3、Raster->Project Raster 4、Create Custom Geographic Transformation當(dāng)數(shù)據(jù)在沒有任何空間參考信息時(shí)，在ArcCatalog的坐標(biāo)系統(tǒng)描述（XY Coordinate System）選項(xiàng)卡中會顯示為Unknown！這時(shí)如果要對數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換就要先利用Define Projection工具來給數(shù)據(jù)定義一個(gè)Coordinate System，然后再利用Feature->Project或Raster->Project Raster工具來對數(shù)

39、據(jù)進(jìn)行投影變換！    由于我們國家經(jīng)常使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54和西安80。這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)變換到其他坐標(biāo)系統(tǒng)下時(shí)，通常需要提供一個(gè)Geographic Transformation，因?yàn)椴煌队八诘臋E球體及Datum不同！關(guān)鍵是Datum不同，也就是說當(dāng)兩個(gè)投影基于不同的Datum時(shí)就需要制定參數(shù)做Geographic Transformation。這里就用到我們前面所說的轉(zhuǎn)換3參數(shù)、轉(zhuǎn)換7參數(shù)了（三個(gè)平移參數(shù)X、Y、Z表示兩坐標(biāo)原點(diǎn)的平移值；三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)x、y、z表示當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系旋轉(zhuǎn)至與地心坐標(biāo)系平行時(shí)，分別繞Xt、Yt、Zt的旋轉(zhuǎn)角；最后是比例校正因子，用于

40、調(diào)整橢球大小），而我們國家的轉(zhuǎn)換參數(shù)是保密的，因此可以自己計(jì)算或在購買數(shù)據(jù)時(shí)向國家測繪部門索要。實(shí)際工作中一般都根據(jù)工作區(qū)內(nèi)已知的北京54坐標(biāo)控制點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，如果工作區(qū)內(nèi)有足夠多的已知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點(diǎn)，可直接計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需的7參數(shù)或3參數(shù)；當(dāng)工作區(qū)內(nèi)有3個(gè)已知北京54與WGS84坐標(biāo)控制點(diǎn)時(shí)，可用下式計(jì)算WGS84到北京54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)(A、B、C、D、E、F)：x54 = AX84 + BY84 + Cy54 = DX84 + EY84 + F多余一點(diǎn)用作檢驗(yàn)；在只有一個(gè)已知控制點(diǎn)的情況下(往往如此)，用已知點(diǎn)的北京54與WGS84坐標(biāo)之差作為平移參數(shù)，當(dāng)工作區(qū)范圍不大

41、時(shí)精度也足夠了。那么當(dāng)精度要求較高，實(shí)測數(shù)據(jù)為WGS1984坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，欲轉(zhuǎn)換到北京54基準(zhǔn)面的高斯-克呂格投影坐標(biāo)，如何定義坐標(biāo)系參數(shù)呢？你可選擇WGS 1984作為基準(zhǔn)面，當(dāng)只有一個(gè)已知控制點(diǎn)時(shí)，根據(jù)平移參數(shù)調(diào)整東偽偏移、北緯偏移值實(shí)現(xiàn)WGS84到北京54的轉(zhuǎn)換，此時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)(A、B、C、D、E、F)中A、B、D、E為0，只有X、Y方向的平移值C、F ；當(dāng)有3個(gè)已知控制點(diǎn)時(shí)，可利用得到的轉(zhuǎn)換系數(shù)(A、B、C、D、E、F)定義 AffineTransform坐標(biāo)系變換對象，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然有足夠多已知控制點(diǎn)時(shí)，直接求定7參數(shù)自定義基準(zhǔn)面就行了。Geographic Transform

42、ation通常需要指定變換方向的，如果沒有指定變換的方向，ArcMap會自動正確應(yīng)用變換方法如從WGS 1984到 NAD1927，我們就可以選擇NAD_1927_to_WGS_1984_3這種變換方法，ArcMap會自動判定轉(zhuǎn)換方向從而正確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的投影變換。有些變換方法是先把地理坐標(biāo)系（經(jīng)緯度）變換到地心坐標(biāo)系(X Y Z)，然后再將地心坐標(biāo)系坐標(biāo)(X Y Z)，變換到地理坐標(biāo)系統(tǒng)，圖14。 圖14 從地理坐標(biāo)系統(tǒng)變換到地心坐標(biāo)系統(tǒng)再到地理坐標(biāo)系統(tǒng)Geocentric Transformation(3參數(shù))、Coordinate Frame(7參數(shù))、Molodensky-Bad

43、ekas(10參數(shù)，是7參數(shù)變換方法的一種變體，多了定義XYZ旋轉(zhuǎn)軸的起始位置)都是這樣的方法。Molodensky(3參數(shù))和Abridged Molodensky(3參數(shù)是Molodensky方法的一種變體)變化方法則是直接在不同的地理坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行變換無需借助地心坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。那么上述的這些方法的精度取決與用于定義轉(zhuǎn)換參數(shù)的控制點(diǎn)的質(zhì)量個(gè)數(shù)及選擇的變換方法，精度相差可從厘米到米。美國國家大地測量局用一種基于格網(wǎng)的變換方法(NADCON和HARN)在NAD1927和NAD1983及其他地理坐標(biāo)系統(tǒng)下做變換，彼此相臨的州的精度可達(dá)0.15米，阿拉斯加州及周邊島嶼的精度可達(dá)0.5米，夏威夷地

44、區(qū)精度可達(dá)0.2米等等，精度取決于計(jì)算柵格大小時(shí)測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。隨著衛(wèi)星測距和測量技術(shù)的改善，美國在更新了測量控制網(wǎng)后，推出了這種High Accuracy Reference Network (HARN)方法或說是柵格格網(wǎng)，其精度可達(dá)0.05米。加拿大采用同NADCON類似的基于格網(wǎng)的方法(NTV2)在NAD 1927 和 NAD 1983之間做變換，這種方法采用了雙線性內(nèi)插的方法來計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)。關(guān)于這兩種方法本文不做更多描述，詳細(xì)信息可參考ArcGIS幫助。知道轉(zhuǎn)換參數(shù)后，可以利用Create Custom Geographic Transformation工具來定義一個(gè)Geographi

45、c Transformation方法，變換方法可以根據(jù)已知的轉(zhuǎn)換參數(shù)個(gè)數(shù)選擇變換方法，這就完成了對數(shù)據(jù)的投影變換，數(shù)據(jù)本身坐標(biāo)值就發(fā)生了變化。當(dāng)然這種投影變換工作也可以在ArcMap中通過改變Data Frame的Coordinate System來實(shí)現(xiàn)，只是要在做完之后按照Data Frame的坐標(biāo)系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)即可，即為做“動態(tài)投影變換”。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可選用ArcTutor(ArcDesktop中的練習(xí)數(shù)據(jù))中的WGS84和NAD1927或NAD1983數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。三、World files文件1、CAD world files該文件在ArcGIS中對于CAD來說，是定義了2個(gè)點(diǎn)之間的相似變

46、換的坐標(biāo)對。即源點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值，一般來說源數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)是CAD圖層上一個(gè)已知控制點(diǎn)（也可以是任意點(diǎn)）的坐標(biāo)，而目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值為想要該已知點(diǎn)重新定位到的坐標(biāo)值。       CAD的world files文件是一個(gè)以wld為后綴的文本文件。因此我們可以用記事本或?qū)懽职迦我鈩?chuàng)建或編輯world files文件，從而對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的配準(zhǔn)和矯正。world file文件的示例如圖15所示： 圖15 world file文件示例       CAD world fil

47、e里的坐標(biāo)對最多只有四對，即做一個(gè)2點(diǎn)的變換，world file文件既可以通過我們自己用文件編輯工具進(jìn)行創(chuàng)建，同樣ArcGIS也支持world file文件的創(chuàng)建與保存和加載等操作。在ArcMap中可以借助Georeferencing工具條的Add Contorl Point來增加控制點(diǎn)的映射關(guān)系（源和目標(biāo)點(diǎn)），通過View Link Table打開Link Table對話框，利用Save工具按鈕可以將建立好的Link關(guān)系保存成world file文件，或是使用Update Georeferencing菜單來保存Link關(guān)系從而生成world file文件。   

48、;    一個(gè)CAD只能有一個(gè)world file文件，如果該數(shù)據(jù)集已經(jīng)有了world file文件，則上述的Save或是Update Georeferencing操作將重寫現(xiàn)有的world file文件。       ArcMap在加載CAD數(shù)據(jù)時(shí)，如果該數(shù)據(jù)有world file文件，ArcMap將使用world file所定義的轉(zhuǎn)換關(guān)系對整個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)做變換。2、Raster world files       影像數(shù)據(jù)的投影及坐標(biāo)系統(tǒng)原

49、理與矢量數(shù)據(jù)一致，只是因?yàn)槠浯鎯Ψ绞绞且詵鸥裥辛行问酱鎯Φ?，因此需要將柵格?shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)系建立起一個(gè)聯(lián)系，因此部分影像數(shù)據(jù)也具有world file文件，之所以說部分影像具有world file文件是因?yàn)镋RDAS, IMAGINE, BSQ, BIL, BIP, GeoTIFF和Grid影像是在其頭文件中記錄了數(shù)據(jù)的地理參考信息。       其他格式的影像則用一個(gè)獨(dú)立的ASCII碼的world file文件，其中記錄著影像與real-world的坐標(biāo)變換信息。其命名規(guī)范為文件名稱與數(shù)據(jù)文件同名，后綴取影像格式后綴的第一第三個(gè)字符和w組成或直接在其后加w字符，對于沒有后綴或后綴不足3個(gè)字符的情況也采取在其命名后直接加w表示，如表 2所示： 表2  world file文件命名示例       在ArcGIS 9.2 SP2中，如果無法用world file文件來記錄這些變換信息，則Georeferencing 工具條的Update Georeferencing操作將把這些變換信息寫進(jìn)一個(gè)aux.xml文件中，并把這種仿射變換信息記錄于一個(gè)文本文件中或是后綴擴(kuò)展名以x結(jié)尾的文件中。