地理坐标系和投影坐标系

1 地理坐标系与投影坐标系的区别与联系

1.1 地理坐标系与投影坐标系的区别

1.1.1 地理坐标系（Geographic Coordinate System, GCS）

• 使用经度（Longitude）和纬度（Latitude）来定位地球表面上的点。
• 坐标是基于地球的曲面，单位通常为度。经纬度的范围分别是 -180° 到 180° 和 -90° 到 90°。
• 示例：WGS 84（世界大地坐标系）、CGCS 2000（中国大地坐标系2000）。

1.1.2 投影坐标系（Projected Coordinate System, PCS）

• 将地球表面的点映射到平面上，使用平面坐标来表示位置（通常为X和Y）。
• 坐标系统需要通过投影方法将球面坐标（地理坐标系）转换为平面坐标（投影坐标系），因此会引入变形。
• 示例：UTM（通用横轴墨卡托投影）、国家2000坐标系。

1.2 地理坐标系与投影坐标系的联系

1.2.1 转换关系

• 地理坐标系描述的是地球表面上的位置，而投影坐标系则是将这些位置映射到平面图像上。
• 任何投影坐标系都依赖于一个地理坐标系，作为基础框架。
• 投影坐标系的创建和应用离不开地理坐标系，因此两者是相互依存的。

1.2.2 转换过程

• 地理坐标系与投影坐标系之间的转换需要通过特定的投影算法，通常涉及到选择投影类型（如等角、等面积、等距等），并设置参数（如中央经线、标准纬度、缩放因子等）。

2 地理坐标系与投影坐标系的用途

2.1 地理坐标系的用途

• 用于描述地球表面的位置，适合进行全球范围的空间分析。
• 适用于大范围、非局部精度要求高的应用，如大气、气候研究。
• 适用于全球范围的数据展示和分析，如全球气候研究、海洋环流监测等。在导航领域，用于确定船只、飞机等的位置。同时，在数据收集和整合阶段，许多地理数据最初都是以地理坐标系记录的。

2.2 投影坐标系的用途

• 适合在局部范围内进行精确测量和绘图，如城市规划、工程测量等。
• 提供更高的精度，适用于小范围的空间分析。
• 方便进行距离、面积和角度的测量计算，在工程建设、土地规划、地图制图等领域广泛应用。例如，在城市规划中，需要精确计算地块面积和建筑物之间的距离，投影坐标系能满足这些需求。

3 在ArcGIS中实现坐标系的设置与转换

假设你使用RTK测量某个校园，得到了一些带有高程的矢量点数据，原坐标系为CGCS 2000，但你需要将其转换为WGS 84坐标系以便与影像数据匹配。具体有三个操作步骤：设置数据的坐标系、坐标系转换和验证坐标系转换。

3.1 RTK数据展点并设置坐标系

• 数据准备：RTK的测量数据由Excel表格（.xls）呈现，主要包括经纬度和高程。
  
• 打开 ArcGIS 软件添加数据：启动 ArcMap ，在 ArcMap 中，点击 “文件”->“添加数据”->“添加 XY 数据”。
  
  
  
• 点数据导出成矢量点。
  

3.1.2 定义坐标系（如果坐标系未定义）

• 如果数据没有正确的坐标系信息（比如在导入时未定义），你需要使用ArcGIS中的Define Projection工具来定义坐标系。
• 通过“工具箱” → “数据管理工具” → “投影和变换” → “定义投影”来打开工具。在弹出的窗口中，选择原始坐标系为CGCS 2000，并将其应用到数据上。
  

3.2 坐标系转换

• 选择“工具箱” → “数据管理工具” → “投影和变换” → “投影”。
• 在弹出的对话框中，选择原数据集（CGCS 2000坐标系），然后选择目标坐标系为WGS 84。
• 设置输出路径，选择转换后数据保存的位置，并运行工具。此时，原来的CGCS 2000数据将被转换为WGS 84坐标系。
  

4 常用坐标系的定义、参数及相互转换

4.1 CGCS 2000（中国大地坐标系2000）

• CGCS2000 坐标系：中国国家大地坐标系，原点为地球质心，采用 2000 国家大地测量系统椭球参数。
• 参数：长半轴 a = 6378137m，扁率 f = 1/298.257222101 。是中国各类测绘、地理信息数据的基础坐标系。

4.2 WGS 84（世界大地坐标系）

• WGS84 坐标系：是一种国际上广泛使用的地理坐标系，定义为基于地球质心的大地坐标系，采用 WGS84 椭球体。
• 参数：长半轴 a = 6378137.000m，扁率 f = 1/298.257223563。常用于全球定位系统（GPS）定位和导航。

4.3 北京 54 坐标系

• 北京 54 坐标系：参心大地坐标系，以克拉索夫斯基椭球为基础，原点在北京。长半轴 a = 6378245.000m，扁率 f = 1/298.3。在我国早期的测绘工作中广泛应用。

5 ArcGIS 中完成 CGCS2000 转 WGS84 的方法

5.1 使用“投影”工具

• 打开 ArcMap 并加载数据：打开 ArcMap 软件，点击 “添加数据” 按钮，将需要转换坐标系的 CGCS2000 数据加载到地图文档中。
• 打开投影工具：选择右侧工具，点击 “工具箱”，再点击 “系统工具箱”，找到 “Data anagement Tools.tbx”，展开后点击 “投影和变换”，接着点击 “要素” 中的 “投影”，双击打开 “投影” 工具。
• 选择输入输出数据：在弹出的 “投影” 窗口中，点击右侧文件夹图标，在弹出的窗口中点击带 “+”号的图标，选择需要转换的文件所在的文件夹后点击 “确认” 按钮，然后选择需要转换的文件并点击 “添加” 按钮。
• 设置输出路径和文件名：点击右边第二个文件夹图标，弹出窗口后，点击带 “+” 号的文件夹图标，输入转换后的图层名称，下拉选择要素数据集，点击“保存” 按钮。
• 设置输出坐标系：点击右边第三个可选图标，弹出窗口后，输入转换后的坐标系 “4326”（WGS84 的 WKID），点击“enter” 键，筛选出 WGS84 坐标系，选择该坐标系后点击 “确定” 按钮. 开始转换：点击 “确定” 按钮，ArcGIS将开始进行坐标转换，并在右下角弹出提示框，显示转换进度和结果。转换完成后，即可在之前设置的输出路径下找到转换后的文件.

5.2 通过中间坐标系转换

• 将 CGCS2000 地理坐标系转换为 ITRF2000 地理坐标系：按照上述方法打开 “投影” 工具，选择输入的 CGCS2000数据，设置输出路径和文件名，然后在输出坐标系中选择 “地理坐标系”-“世界”-“ITRF2000”，点击 “确定” 开始转换，将数据转换为ITRF2000 地理坐标系。
• 重新定义投影：打开 ArcCatalog，找到上一步中已经转换为 ITRF2000 坐标系的 shp文件，单击右键选择 “属性”，在弹出的属性对话框中，将图层坐标重新定义成 WGS84 地理坐标系。

5.3 使用七参数转换法

• 计算七参数：收集三个以上同时具有 CGCS2000 坐标和 WGS84 坐标的控制点，利用专业软件或工具（如 COORD GM），通过这些控制点的坐标计算出七参数，包括三个平移参数（DX、DY、DZ）、三个旋转参数（WX、WY、WZ）和一个尺度参数（K）。
• 创建地理变换：在 ArcToolbox 中找到 “投影和变换” 工具集，点击 “创建自定义地理变换”，在弹出的对话框中，输入地理变换的名称，选择转换方法为 “布尔莎七参数” 或 “COORDINATE_FRAME”，然后将计算得到的七参数依次输入到相应的参数框中，点击 “确定” 完成地理变换的创建。
• 进行投影转换：使用 “投影” 工具，选择输入的 CGCS2000 数据，设置输出路径和文件名，在输出坐标系中选择“WGS84”，并在下方的 “地理变换” 下拉列表中选择刚才创建的地理变换名称，点击 “确定” 开始转换，ArcGIS 将根据七参数对数据进行精确的坐标转换。