地圖投影系列介紹（二）_ 地理座標系

 3、地理座標系

        地球的形狀與大小確定之後，還必須確定橢球體與大地水準面的相對關係，這項工作稱為橢球定位與定向。與大地水準面符合得最好的一個地球橢球體，稱為參考橢球體，是地球形體三級逼近。

        

        說到這裡，我們需要對這幾個詞彙做區分：

             球體：小比例尺，視作球體。
             橢球體/旋轉橢球體：大比例尺，兩個概念不區分。
             地球橢球體：限地球橢球體模型。
             參考橢球體：定位相關，與區域性或全域性大地水準面最為吻合的橢球體模型。

    3.1 大地基準面

        大地基準面是利用特定橢球體對特定地區地球表面的逼近。ArcGIS中，基準面用於定義旋轉橢球體相對於地心的位置。大地基準面分為地心基準面、區域基準面。

        

         地心基準面：由衛星資料得到，使用地球的質心作為原點，使用最廣泛的是 WGS 1984。

         區域基準面：特定區域內與地球表面吻合，大地原點是參考橢球與大地水準面相切的點，例如Beijing54、Xian80。

        每個國家或地區均有各自的大地基準面。我們通常稱謂的Beijing54、Xian80座標系實際上指的是我國的兩個大地基準面。相對同一地理位置，不同的大地基準面，它們的經緯度座標是有差異的。

        橢球體與大地基準面之間的關係是一對多的關係。因為基準面是在橢球體的基礎上建立的，但橢球體不能代表基準面，同樣的橢球體能定義不同的基準面。

        在目前的GIS商用軟體中，大地基準面都通過當地基準面向WGS84的轉換7引數來定義，即：
            – 三個平移引數ΔX、ΔY、ΔZ表示兩座標原點的平移值。
            – 三個旋轉引數εx、εy、εz表示當地座標系旋轉至與地心座標系平行時，分別繞Xt、Yt、Zt的旋轉角。
            – 最後是比例校正因子，用於調整橢球大小。

        Beijing54、Xian80相對WGS84的轉換引數至今也沒有公開，實際工作中可利用工作區內已知的北京54或西安80座標控制點進行與WGS84座標值的轉換，在只有一個已知控制點的情況下（往往如此），用已知點的北京54與WGS84座標之差作為平移引數，當工作區範圍不大時，如青島市（10654平方公里），精度也足夠了。

    3.2 地理座標系建立

        地理座標系（大地座標系）是大地測量中以參考橢球面為基準面建立起來的座標系。地面點的位置用經度、緯度、和大地高度表示。大地座標系可分為參心大地座標系和地心大地座標系。

         參心大地座標系：指經過定位與定向後，地球橢球的中心不與地球質心重合而是接近地球質心。區域性大地座標系。是我國基本測圖和常規大地測量的基礎。如Beijing54、Xian80。

         地心大地座標系：指經過定位與定向後，地球橢球的中心與地球質心重合。如CGCS2000、WGS84。

        建立地理座標系的過程如下：
        i. 選擇一個橢球體：Krasovsky_1940橢球體。
        ii. 橢球定位與定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基準面將這個橢球定位。

        

        有了 Spheroid 和 Datum 兩個基本條件，就確定了大地基準面，地理座標系統便也可以確定，即經緯度。

    3.3 我國常用地理座標系

名稱	型別	介紹	缺點	優點與意義
Beijing54	參心座標系	1954年，我國將原蘇聯採用克拉索夫斯基橢球元素建立的座標系，聯測並經平差計算引申到我國，以北京為全國大地座標原點，確定了過渡性大地座標系。	參考橢球長半軸偏長；橢球基準軸定向不明確；橢球面與我國境內的大地水準面不太吻合，東部高程異常可達68米；點位精度不高。
Xian80	參心座標系	1978年，採用新的橢球體引數GRS(1975)，以陝西省西安市以北涇陽縣永樂鎮某點為國家大地座標原點，進行定位和測量工作，通過全國天文大地網整體平差計算，建立了全國統一的大地座標系。	與當今社會發展存在的矛盾：①座標維的矛盾：隨著衛星定位導航技術在我國的廣泛使用，二維不能適應現代的三維定位技術； ②精度的矛盾：衛星定位技術可達10-7～10-8的點位相對精度，而西安80系只能保證3×10-6；③座標系統（框架）的矛盾：數字地球的發展要求使用者需要提供與全球總體適配的地心座標系統。	橢球體引數精度高；定位採用的橢球體面與我國大地水準面符合好；天文大地座標網傳算誤差和天文重力水準路線傳算誤差都不太大，而且天文大地座標網座標經過了全國性整體平差，座標統一，精度優良，可以滿足1：5000甚至更大比例尺測圖的要求等
CGCS2000	地心座標系	2000國家大地座標系是全球地心座標系在我國的具體體現，其原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心。 ——地球橢球引數如下： ü  長半軸 a＝6378137m ü  扁率f＝1/298.257222101 ü  地心引力常數GM＝3.986004418×1014m3s-2 ü  自轉角速度ω＝7.292115×10-5rad s-1		採用2000國家大地座標系將促進航天、海洋、地震、地質、國土等領域的科學研究，提供以全球參考的、全國統一的、協調一致的座標系統。 採用2000國家大地座標系將進一步促進遙感技術在我國的廣泛應用，發揮其在資源和生態環境動態監測方面的作用。 採用2000國家大地座標系也是保障交通運輸、航海等安全的需要。車載、船載實時定位獲取的精確的三維座標。 衛星導航技術與通訊、遙感和電子消費產品不斷融合，將會創造出更多新產品和新服務，市場前景更為看好。
WGS84	地心座標系	目前GPS定位所得出的結果都屬於WGS84座標系統，WGS84基準面採用WGS84橢球體。		目前的商用GIS也多采用此座標系統。

        

        ArcGIS中這4個地理座標系的定義如下：

        

    3.4 我國常用高程系

        大地控制的主要任務是確定地面點在地球橢球體上的位置，這種位置包括兩個方面：一是點在地球橢球面上的平面位置，即經度和緯度；二是確定點到大地水準面的高度，即高程。

        高程控制網的建立，必須規定一個統一的高程基準面。我國利用青島驗潮站1950～1956年的觀測記錄，確定黃海平均海水面為全國統一的高程基準面，並在青島觀象山埋設了永久性的水準原點。以黃海平均海水面建立起來的高程控制系統，統稱“1956年黃海高程系”。

        1987年，因多年觀測資料顯示，黃海平均海平面發生了微小的變化，由原來的72.289m變為72.260m，國家決定啟用新的高程基準面，即“1985年國家高程基準”。高程控制點的高程也發生微小的變化，但對已成圖上的等高線的影響則可忽略不計。

        國家高程控制網是確定地貌地物海拔高程的座標系統。按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網。目前提供使用的1985國家高程系統共有水準點成果114041個，水準路線長度為416619．1公里。

        

——下篇介紹“地圖投影”