GIS中座標系的基本概念

GIS座標系的分類

1、地理座標系（Geographic Coordinate System, GCS）
2、投影座標系（Projected Coordinate System, PCS）

平面極座標系，這個在初中的時候都學過。GIS中的座標系可以從這個概念入門學習。可以理解為“為確定兩個值之間相對變化而產生的確定值“。這兩個值在平面上。

在理解一下球座標系，“為確定三個值之間相對變化而產生的確定值“。這三個值球面上。

現在再來看下GIS中的地理座標系，就是在GIS學科中的球座標系。以地球的質心為圓心，把地球的表面看做是球面。定義的單位是度。

而GIS中的投影座標系，可以理解為“為了方便使用，將球面抽象為平面的過程”，這個過程可以理解為切西瓜的方式，將西瓜切開後平鋪，就將球面座標系轉為平面座標系，也就是將地理座標系轉換為投影座標系。而這個不同的“切”西瓜的過程，可以就是不同的投影方法。

常見地理座標系

WGS84座標系

參考：世界大地測量系統

一種國際上採用的地心座標系。座標原點為地球質心，其地心空間直角座標系的Z軸指向BIH（國際時間服務機構）1984.O定義的協議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手座標系，稱為1984年世界大地座標系統。

北京54座標系

新中國成立以後，全國範圍內開展大地測量工作，急需一個參心大地座標系。在當時“親蘇”的政治環境下，我國採用了前蘇聯的克拉索夫斯基橢球引數，通過計算建立了我國大地座標系，定名為1954年北京座標系，其原點不在北京而是在前蘇聯的普爾科沃。

其缺點主要包括：
（1）採用的克拉索夫斯基橢球與現代橢球相比，長半軸大了108m，扁率倒數大了0.04；
（2）橢球定位定向有較大偏差，與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統性傾斜,最大傾斜量達65 m；
（3）橢球短軸的定向也不明確；
（4）幾何大地測量與物理大地測量採用的橢球也不統一，給實際使用帶來不便；
（5）座標精度偏低, 相對精度為5×10^（-6）左右；
（6）由於採用了分割槽區域性平差法，系統誤差累積明顯，導致大地網產生扭曲和變形。

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西安80座標系

1978年4月在西安召開全國天文大地網平差會議，確定重新定位，建立1980年國家大地座標系。西安80座標系採用IAG75地球橢球體。該座標系的大地原點設在我國中部的陝西省涇陽縣永樂鎮，位於西安市西北方向約60公里。

其主要缺點包括：
（1）只能提供二維座標，不能提供高精度三維座標；
（2）採用了國際大地測量協會(IAG)1975 年推薦的橢球，該橢球與IERS 推薦的橢球相比，長半軸大了3m，這可能引起約5×10^（-7）量級的長度誤差；
（3）橢球短軸指向JYD1968.0 極原點，與國際上通用的橢球短軸指向不一致；
（4）橢球定位沒有顧及到佔中國全部國土面積近三分之一的海域範圍。

常見投影座標系

2000國家大地座標系

2000國家大地座標系（CGCS2000）的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心。2000國家大地座標系的Z軸由原點指向曆元2000.0的地球參考極的方向，該曆元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對於地殼不產生殘餘的全球旋轉，X軸由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（曆元2000.0）的交點， Y軸與Z軸、 X軸構成右手正交座標系。

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常見投影方法

高斯-克呂格投影

高斯－克呂格投影分帶規定：該投影是國家基本比例尺地形圖的數學基礎，為控制變形，採用分帶投影的方法，在比例尺1：2.5萬—1：50萬圖上採用6°分帶，對比例尺為1：1萬及大於1：1萬的圖採用3°分帶。
6°分帶法：從格林威治零度經線起，每6°分為一個投影帶，全球共分為60個投影帶，東半球從東經0°—6°為第一帶，中央經線為3°，依此類推，投影帶號為1—30。其投影代號n和中央經線經度L0的計算公式為：L0=(6n—3)°；西半球投影帶從180°回算到0°，編號為31—60，投影代號n和中央經線經度L0的計算公式為L0=360—(6n—3)°。
3°分帶法：從東經1°30′起，每3°為一帶，將全球劃分為120個投影帶，東經1°30′—4°30′，…178°30′—西經178°30′，…1°30′—東經1°30′。
東半球有60個投影帶，編號1—60，各帶中央經線計算公式：L0=3°n，中央經線為3°、6°…180°。西半球有60個投影帶，編號1—60，各帶中央經線計算公式：L0=360°—3°n，中央經線為西經177°、…3°、0°。
為了便於地形圖的測量作業，在高斯-克呂格投影帶內佈置了平面直角座標系統，具體方法是，規定中央經線為X軸，赤道為Y軸，中央經線與赤道交點為座標原點，x值在北半球為正，南半球為負，y值在中央經線以東為正，中央經線以西為負。由於我國疆域均在北半球，x值均為正值，為了避免y值出現負值，規定各投影帶的座標縱軸均西移500km，中央經線上原橫座標值由0變為500km。為了方便帶間點位的區分，可以在每個點位橫座標y值的百千米位數前加上所在帶號。

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Web墨卡託投影

Web墨卡託是2005年穀歌在谷歌地圖中首次使用的，當時或更早的Web墨卡託使用者還是稱其為世界墨卡託 World Mercator - Spherical Mercator (unofficial deprecated ESRI)，代號 WKID 54004 （在 EPSG:54004 或 ESRI:54004 中，非官方）。

GCJ02經緯度投影

GCJ-02是由中國國家測繪局（G表示Guojia國家，C表示Cehui測繪，J表示Ju局）制訂的地理資訊系統的座標系統。
它其實就是對真實座標系統進行人為的加偏處理，按照特殊的演算法，將真實的座標加密成虛假的座標，而這個加偏並不是線性的加偏，所以各地的偏移情況都會有所不同。而加密後的座標也常被大家稱為“火星座標系統”。
該座標系的座標值為經緯度格式，單位為度。
這裡的GCJ02經緯度投影，也就是在WGS84經緯度的基礎之上，進行GCJ-02加偏。

GCJ02 Web 墨卡託投影

GCJ-02是由中國國家測繪局（G表示Guojia國家，C表示Cehui測繪，J表示Ju局）制訂的地理資訊系統的座標系統。
它其實就是對真實座標系統進行人為的加偏處理，按照特殊的演算法，將真實的座標加密成虛假的座標，而這個加偏並不是線性的加偏，所以各地的偏移情況都會有所不同。而加密後的座標也常被大家稱為“火星座標系統”。
該座標系的座標值為Web墨卡託格式，單位為米。
這裡的GCJ02 Web 墨卡託，也就是在標準Web默卡託的基礎之上，進行GCJ-02加偏。

BD09 經緯度投影

BD09經緯度投影屬於百度座標系，它是在標準經緯度的基礎上進行GCJ-02加偏之後，再加上百度自身的加偏演算法，也就是在標準經緯度的基礎之上進行了兩次加偏。
該座標系的座標值為經緯度格式，單位為度。

BD09 Web 墨卡託影

BD09 Web 墨卡託屬於百度座標系，它是在標準Web墨卡託的基礎上進行GCJ-02加偏之後，再加上百度自身的加偏演算法，也就是在Web墨卡託的基礎之上進行了兩次加偏。
該座標系的座標值為Web墨卡託格式，單位為米。

座標系的表達

WKT

OpenGIS組織的定義。定義了兩個表述空間物件的標準方式：一個是WKT（the Well-Known Text）形式，另一個是WKB（the Well-Known Binary）形式。這兩種形式都包括物件的型別資訊和形成物件的座標資訊。下面是用字元來描述要素的空間物件的例子：
POINT（0 0）
LINESTRING（0 0,1 1,1 2）
POLYGON（（0 0,4 0,4 4,0 4,0 0）,（1 1 ,2 1, 2 2, 1 2, 1 1））

OpenGIS的說明書中還規定了空間物件的內部儲存格式要包括一個空間參考系統標識（SRID）。當建立空間物件並向資料插入的時候需要這樣的SRID。下面是一個有效建立和插入一個OGC空間物件的語句：

INSERT INTO SPATIALTable ( THE_GEOM,　THE_NAME )　
VALUES ( GeomFromText(''POINT(-126.4 45.32)'', 312), ''A Place'' ) 

SRID-空間引用識別符號

空間引用標識系統是由 歐洲石油測繪組 (European Petroleum Survey Group, EPSG) 的標準定義的，它是為繪圖、測繪以及大地測量資料儲存而開發的一組標準。 該標準歸石油天然氣生產商 (OGP) 測繪和定位委員會所有

參考微軟SQL空間操作

EPSG

參考1：EPSG.io: Coordinate Systems Worldwide
參考2：EPSG Geodetic Parameter Dataset

EPSG：European Petroleum Survey Group (EPSG)，它成立於1986年，並在2005年重組為OGP(Internation Association of Oil & Gas Producers)，它負責維護併發布座標參照系統的資料集引數，以及座標轉換描述，該資料集被廣泛接受並使用，通過一個Web釋出平臺進行分發，同時提供了微軟Acess資料庫的儲存檔案，通過SQL 指令碼檔案，mySQL, Oracle 和PostgreSQL等資料庫也可使用。
目前已有的橢球體，投影座標系等不同組合都對應著不同的ID號，這個號在EPSG中被稱為EPSG-Code，它代表特定的橢球體、單位、地理座標系或投影座標系等資訊。
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