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应用软件 GIS中的坐标系定义与转换

时间:2008-01-18 10:38来源:GPS之家-导航之家 作者:hcpyg.wang
自Mapinfo上的GIS系统开发一文在计算机世界网上刊登后,有好几位读者向我询问坐标系定义与转换方面的问题,问题可归结为 (1) 地图在Mapinfo上显示得很好,但在MapX中却显示不出来或显示得不对;(2) GPS定位得到的WGS84坐标怎么往北京54坐标地图上转。这些问题也是曾经困

自“Mapinfo上的GIS系统开发”一文在计算机世界网上刊登后,有好几位读者向我询问坐标系定义与转换方面的问题,问题可归结为 (1) 地图在Mapinfo上显示得很好,但在MapX中却显示不出来或显示得不对;(2) GPS定位得到的WGS84坐标怎么往北京54坐标地图上转。这些问题也是曾经困惑我的问题,在此我谈谈我个人的一些认识及经验,供各位读者参考,也希望相关方面的专业人士能给予纠正及补充。
 
1. 椭球体、基准面及地图投影
 
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。
 
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。 
 
上述3个椭球体参数如下:
 
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。 
 
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。
 
2. GIS中基准面的定义与转换
 
虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用,但均没有我们国家的基准面定义。假如精度要求不高,可利用前苏联的Pulkovo 1942基准面(Mapinfo中代号为1001)代替北京54坐标系;假如精度要求较高,如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统,则需要自定义基准面。
 
GIS系统中的基准面通过当地基准面向WGS1984的转换7参数来定义,转换通过相似变换方法实现,具体算法可参考科学出版社1999年出版的《城市地理炒股配资 系统标准化指南》第76至86页。假设Xg、Yg、Zg表示WGS84地心坐标系的三坐标轴,Xt、Yt、Zt表示当地坐标系的三坐标轴,那么自定义基准面的7参数分别为:三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值;三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时,分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角;最后是比例校正因子,用于调整椭球大小。
 
 
MapX中基准面定义方法如下:
 
Datum.Set(Ellipsoid, ShiftX, ShiftY, ShiftZ, RotateX, RotateY, RotateZ, ScaleAdjust, PrimeMeridian) 
 
其中参数: Ellipsoid为基准面采用的椭球体;
ShiftX, ShiftY, ShiftZ为平移参数;
RotateX, RotateY, RotateZ为旋转参数;
ScaleAdjust为比例校正因子,以百万分之一计;
PrimeMeridian为本初子午线经度,在我国取0,表示经度从格林威治起算。
 
美国国家测绘局(National Imagery and Mapping Agency)公布了世界大多数国家的当地基准面至WGS1984基准面的转换3参数(平移参数),可从 http://164.214.2.59/GandG/wgs84dt/dtp.html 下载,其中包括有香港Hong Kong 1963基准面、台湾 Hu-Tzu-Shan 基准面的转换3参数,但是没有中国大陆的参数。
 
实际工作中一般都根据工作区内已知的北京54坐标控制点计算转换参数,如果工作区内有足够多的已知北京54与WGS84坐标控制点,可直接计算坐标转换的7参数或3参数;当工作区内有3个已知北京54与WGS84坐标控制点时,可用下式计算WGS84到北京54坐标的转换参数(A、B、C、D、E、F):x54 = AX84 + BY84 + C,y54 = DX84 + EY84 + F,多余一点用作检验;在只有一个已知控制点的情况下(往往如此),用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数,当工作区范围不大时精度也足够了。
 
从Mapinfo中国的URL(http://www.mapinfo.com.cn/download)可下载到包含北京54、西安80坐标系定义的Mapinfow.prj文件,其中定义的北京54基准面参数为:(3,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0),西安80基准面参数为:(31,24,-123,-94,-0.02,0.25,0.13,1.1,0),文件中没有注明其参数的来源,我发现它们与Mapinfo参考手册附录G定义自定义基准面中的一个例子所列参数相同,因此其可靠性值得怀疑,尤其从西安80与北京54采用相同的7参数来看,至少西安80的基准面定义肯定是不对的。因此,当系统精度要求较高时,一定要对所采用的参数进行检测、验证,确保坐标系定义的正确性。
 

(责任编辑:admin)

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