什么是gis系统中的坐标系？

空间参考（ Spatial Reference）是 GIS 数据的骨骼框架，能够将我们的数据定位到相应的位置，为地图中的每一点提供准确的坐标。 在同一个地图上显示的地图数据的空间参考必须是一致的，如果两个图层的空间参考不一致，往往会导致两幅地图无法正确拼合，因此开发一个 GIS系统时，为数据选择正确的空间参考非常重要。

地理坐标系：为球面坐标。参考平面地是椭球面，坐标单位：经纬度；

投影坐标系：为平面坐标。参考平面地是水平面，坐标单位：米、千米等；

地理坐标转换到投影坐标的过程可理解为投影。（投影：将不规则的地球曲面转换为平面）

（重点，地理坐标系、投影坐标系，当地坐标系），展示不同坐标系下显示效果

1、坐标系三级逼近

1.1、大地水准面

地球的自然表面有高山也有洼地，是崎岖不平的，我们要使用数学法则来描述他，就必须找到一个相对规则的数学面。大地水准面是地球表面的第一级逼近。假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的曲面，这就是大地水准面。

它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。因为地球的质量并非在各个点均匀分布，因此重力的方向也会相应发生变化，所以大地水准面的形状是不规则的，如下图：

1.2、地球椭球体

大地水准面可以近似成一个规则成椭球体，但并不是完全规则，其形状接近一个扁率极小的椭圆绕短轴旋转所形成的规则椭球体，这个椭球体称为地球椭球体。它是地球的第二级逼近。

由定义可以知大地水准面的形状也是不规则的，仍不能用简单的数学公式表示，为了测量成果的计算和制图的需要，人们选用一个同大地水准面相近的可以用数学方法来表达的椭球体来代替，简称地球椭球体，它是一个规则的曲面，是测量和制图的基础，因地球椭球体是人们选定的跟大地水准面很接近的规则的曲面，所以地球椭球体就可以有多个，地球椭球体是用长半轴、短半轴和扁率来表示的。

1.3、基准面

确定了一个规则的椭球表面以后，我们会发现还有一个问题，参考椭球体是对地球的抽象，因此其并不能去地球表面完全重合，在设置参考椭球体的时候必然会出现有的地方贴近的好（参考椭球体与地球表面位置接近），有地地方贴近的不好的问题，因此这里还需要一个大地基准面来控制参考椭球和地球的相对位置。 这是地球表面的第三级逼近。

基准面是在特定区域内与地球表面极为吻合的椭球体。椭球体表面上的点与地球表面上的特定位置相匹配， 也就是对椭球体进行定位， 该点也被称作基准面的原点。原点的坐标是固定的，所有其他点由其计算获得。

基准面的坐标系原点往往距地心有一定偏移(有的也在地心， 如 WGS1984) ， 如西安 80 的基准面和北京54 的基准面. 因为椭球体通过定位以便能更好的拟合不同的地区， 所以同一个椭球体可以拟合好几个基准面. 因为原点不同， 所以不同的基准面上， 同一个点的坐标是不相同的， 这点我们应该清楚. 下面以华盛顿州贝灵厄姆市为例来说明。使用 NAD27、 NAD83 和 WGS84 以十进制为单位比较贝灵厄姆的坐标。显而易见，NAD83 和 WGS84 表示的坐标几乎相同，但 NAD27 表示的坐标则大不相同，这是因为所使用的基准面和旋转椭球体对地球基本形状的表示方式不同。

3 个不同基准面时华盛顿州贝灵厄姆市的地理坐标

根据原点位置和区域吻合度，有以下两类基准面：

地心基准面：由卫星数据得到，使用地球的质心作为原点，使用最广泛的是 WGS 1984。

区域基准面：特定区域内与地球表面吻合，大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点，例如Beijing54、Xian80。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。

我们通常说的参心大地坐标系和地心大地坐标系的区别就在于此。 

参心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。 

地心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。

2、地理坐标系

地理坐标系也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系，它用经纬度来表示地物的位置，经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角，通常以度或百分度为单位来测量该角度。下图将地球显示为具有经度和纬度值的地球。

地理坐标系 (GCS) 是基于基准面的使用三维球面来定义地球上的位置， GCS 往往被误称为基准面，而基准面仅是 GCS 的一部分， GCS 包括角度测量单位、本初子午线和基准面。（WGS84坐标系参数.png 几个比较）

3、投影坐标系

地图投影：简单的说地图投影就是把地球表面的任意点，利用一定数学法则，转换到地图平面上的理论和方法。

墨卡托：墨卡托投影（Mercator Projection），又名“等角正轴圆柱投影”，荷兰地图学家墨卡托（Mercator）在1569年拟定，假设地球被围在一个中空的圆柱里，其赤道与圆柱相接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅标准纬线为零度（即赤道）的“墨卡托投影”绘制出的世界地图。

墨卡托投影以整个世界范围，赤道作为标准纬线，本初子午线作为中央经线，两者交点为坐标原点，向东向北为正，向西向南为负。南北极在地图的正下、上方，而东西方向处于地图的正右、左。

基于椭球面与球面的墨卡托投影均没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等（比例因子为常数），因此具有沿直线方位不变的特点，这样航海者只要根据直线与子午线之间的夹角即可在图上确定航线，因此航海图几乎清一色采用墨卡托投影，但在陆域制图中很少采用，因为长度和面积变形明显。

通用横轴墨卡托：UTM投影是横轴等角割圆柱投影。此投影系统是美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星像片所采用的投影系统.

UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”UNIVERSALTRANSVERSEMERCATOLPROJECTION，是一种“等角横轴割圆柱投影”，椭圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条相割的经线上没有变形，而中央经线上长度比0.9996。UTM投影是为了全球战争需要创建的，美国于1948年完成这种通用投影系统的计算。与高斯-克吕格投影相似，该投影角度没有变形，中央经线为直线，且为投影的对称轴，中央经线的比例因子取0.9996是为了保证离中央经线左右约330km处有两条不失真的标准经线。

高斯-克吕格：在采用分带的投影坐标系统中，我们最常用的是高斯-克吕格投影，它是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl Friedrich Ｇauss，1777—1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，1857～1928）于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯-克吕格投影。它是横轴墨卡托投影的一个变种，高斯-克吕格只是它通俗的名称，比较专业的名称叫做横轴等角切椭圆柱投影。

设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线，按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即获高斯—克吕格投影平面。高斯—克吕格投影后，除中央经线和赤道为直线外，其他经线均为对称于中央经线的曲线。高斯-克吕格投影没有角度变形，在长度和面积上变形也很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大处在投影带内赤道的两端。下图是高斯—克吕格投影方式示意图。

在我国，1:1万比例尺地形图采用高斯-克吕格3度分带投影坐标，而1:2.5万—1:50万比例尺的地形图采用的是6度分带。一般，在我国标准地形图上，X坐标的前两位代表所在分度带带号，其余的表示X坐标，通常带号的字体要比坐标的字体大。

Web 墨卡托：Web 墨卡托投影在 2005 年发布的 Google 地图中首次使用，考虑到相互之间的平台兼容，随后跟进的微软 Bing Maps、在线地图服务公司 Mapquest Maps、以及雅虎的 Yahoo Maps 纷纷采用了。ESRI 称其为“WGS 1984 Web 墨卡托辅助球投影”， EPSG称其为“公共可视化伪墨卡托投影”。

Web 墨卡托投影采用基于椭球面的球面墨卡托投影公式（相当于椭球面墨卡托投影近似公式）

投影坐标系是基于地理坐标系的，它使用基于 X， Y 值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置，可以这样认为投影坐标系=地理坐标系(如：北京 54、西安 80、 WGS84)+投影方法(如：高斯－克吕格、 Lambert投影、 Mercator 投影)+线性单位。下图来自 ArcGIS 说明了投影坐标系的组成：（WGS84坐标系投影.png  等几个比较）

4、坐标系转换

分两种转换：（可以直接在ArcGIS里面展示没有投影的数据，切换不同的投影）

同一个基准面的转换

对于同一基准面，我们可以肯定一点就是同一位置经纬度坐标是一样的，而不同的就是计算成平面坐标的时候可能有所不同，因为算法不一样，在这里我只是将经纬度坐标转成平面的坐标。

例如：坐标系是西安80的地理坐标系没有投影，转换为Xian1980_3_Degree_GK_Zone_34（3度带 34分带）的投影坐标系下的坐标，这个就是经纬度转平面坐标，可以互相转换。

不同基准面的转换

地球上同一位置的坐标在不同的基准面上是不一样的，而基准面是构成坐标系的一个部分，因为基准面在定位的时候牵扯到了相对地心的平移或旋转等，所以对于这样的转换我们无法直接进行，需要一个转换参数，而这些参数也是基于不同的模型的，常用的有三参数和 7 参数， 三参数是比较简单的也是比较容易理解的，三参数是在两个基准面之间进行了 X， Y， Z 轴的平移，如果知道了这三个平移的参数 外加个基准面上的点，那么另外一个点的坐标就是，对于 7 参数，我们知道了平移三参数 旋转三参数 以及比例因子 外加一个基准面上的坐标就可按照下面的公式求出另外一个基准面上的坐标

北京54全国80及WGS84坐标系的相互转换

这三个坐标系统是当前国内较为常用的，它们均采用不同的椭球基准。其中北京54坐标系，属参心坐标系，大地原点在苏联的普而科沃，长轴6378245m，短轴6356863，扁率1/298.3；西安80坐标系，属参心坐标系，大地原点在陕西省径阳县永乐镇，长轴6378140m，短轴6356755，扁率1/298.25722101；WGS84坐标系为地心坐标系，长轴6378137.000m，短轴6356752.314，扁率1/298.257223563。由于采用不一样的椭球基准，所以转换是不严密的。全国各个地方的转换参数也是不一致的。对于这样的转换一般选用七参数法，即X平移，Y平移，Z平移，X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K。如果区域范围不大，最远点间的距离小于30Km(经验值)，这可以用三参数，即X平移，Y平移，Z平移，而将X旋转，Y旋转，Z旋转，尺度变化K视为0，所以三参数只是七参数的一种特例。要求得七参数就需要在一个地区至少3个重合点（即为在两坐标系中坐标均为已知的点，采用布尔莎模型进行求解。一般我们将GPS测量的WGS84坐标（X84,Y84,Z84）通过空间转换模型，将其转换为地方坐标系的空间直角坐标例如北京54（X54,Y54,Z54）。其布尔莎7参数转换模型为

WKID、EPSG、SRID、WKD：大部分都是相同的，也有一些个别的是独有的；

平时常用的地理坐标系、投影坐标系都是一样的

Geographic Coordinate System 地理坐标

4214  GCS_Beijing_1954 

4326 GCS_WGS_1984 

4490 GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000 

4555 GCS_New_Beijing 

4610 GCS_Xian_1980