GIS中坐标系的基本概念

GIS坐标系的分类

1、地理坐标系（Geographic Coordinate System, GCS）
2、投影坐标系（Projected Coordinate System, PCS）

平面极坐标系，这个在初中的时候都学过。GIS中的坐标系可以从这个概念入门学习。可以理解为“为确定两个值之间相对变化而产生的确定值“。这两个值在平面上。

在理解一下球坐标系，“为确定三个值之间相对变化而产生的确定值“。这三个值球面上。

现在再来看下GIS中的地理坐标系，就是在GIS学科中的球坐标系。以地球的质心为圆心，把地球的表面看做是球面。定义的单位是度。

而GIS中的投影坐标系，可以理解为“为了方便使用，将球面抽象为平面的过程”，这个过程可以理解为切西瓜的方式，将西瓜切开后平铺，就将球面坐标系转为平面坐标系，也就是将地理坐标系转换为投影坐标系。而这个不同的“切”西瓜的过程，可以就是不同的投影方法。

常见地理坐标系

WGS84坐标系

参考：世界大地测量系统

一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH（国际时间服务机构）1984.O定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。

北京54坐标系

新中国成立以后，全国范围内开展大地测量工作，急需一个参心大地坐标系。在当时“亲苏”的政治环境下，我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系，其原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。

其缺点主要包括：
（1）采用的克拉索夫斯基椭球与现代椭球相比，长半轴大了108m，扁率倒数大了0.04；
（2）椭球定位定向有较大偏差，与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜,最大倾斜量达65 m；
（3）椭球短轴的定向也不明确；
（4）几何大地测量与物理大地测量采用的椭球也不统一，给实际使用带来不便；
（5）坐标精度偏低, 相对精度为5×10^（-6）左右；
（6）由于采用了分区局部平差法，系统误差累积明显，导致大地网产生扭曲和变形。

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西安80坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立1980年国家大地坐标系。西安80坐标系采用IAG75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里。

其主要缺点包括：
（1）只能提供二维坐标，不能提供高精度三维坐标；
（2）采用了国际大地测量协会(IAG)1975 年推荐的椭球，该椭球与IERS 推荐的椭球相比，长半轴大了3m，这可能引起约5×10^（-7）量级的长度误差；
（3）椭球短轴指向JYD1968.0 极原点，与国际上通用的椭球短轴指向不一致；
（4）椭球定位没有顾及到占中国全部国土面积近三分之一的海域范围。

常见投影坐标系

2000国家大地坐标系

2000国家大地坐标系（CGCS2000）的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点， Y轴与Z轴、 X轴构成右手正交坐标系。

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常见投影方法

高斯-克吕格投影

高斯－克吕格投影分带规定：该投影是国家基本比例尺地形图的数学基础，为控制变形，采用分带投影的方法，在比例尺1：2.5万—1：50万图上采用6°分带，对比例尺为1：1万及大于1：1万的图采用3°分带。
6°分带法：从格林威治零度经线起，每6°分为一个投影带，全球共分为60个投影带，东半球从东经0°—6°为第一带，中央经线为3°，依此类推，投影带号为1—30。其投影代号n和中央经线经度L0的计算公式为：L0=(6n—3)°；西半球投影带从180°回算到0°，编号为31—60，投影代号n和中央经线经度L0的计算公式为L0=360—(6n—3)°。
3°分带法：从东经1°30′起，每3°为一带，将全球划分为120个投影带，东经1°30′—4°30′，…178°30′—西经178°30′，…1°30′—东经1°30′。
东半球有60个投影带，编号1—60，各带中央经线计算公式：L0=3°n，中央经线为3°、6°…180°。西半球有60个投影带，编号1—60，各带中央经线计算公式：L0=360°—3°n，中央经线为西经177°、…3°、0°。
为了便于地形图的测量作业，在高斯-克吕格投影带内布置了平面直角坐标系统，具体方法是，规定中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点，x值在北半球为正，南半球为负，y值在中央经线以东为正，中央经线以西为负。由于我国疆域均在北半球，x值均为正值，为了避免y值出现负值，规定各投影带的坐标纵轴均西移500km，中央经线上原横坐标值由0变为500km。为了方便带间点位的区分，可以在每个点位横坐标y值的百千米位数前加上所在带号。

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Web墨卡托投影

Web墨卡托是2005年谷歌在谷歌地图中首次使用的，当时或更早的Web墨卡托使用者还是称其为世界墨卡托 World Mercator - Spherical Mercator (unofficial deprecated ESRI)，代号 WKID 54004 （在 EPSG:54004 或 ESRI:54004 中，非官方）。

GCJ02经纬度投影

GCJ-02是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统。
它其实就是对真实坐标系统进行人为的加偏处理，按照特殊的算法，将真实的坐标加密成虚假的坐标，而这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同。而加密后的坐标也常被大家称为“火星坐标系统”。
该坐标系的坐标值为经纬度格式，单位为度。
这里的GCJ02经纬度投影，也就是在WGS84经纬度的基础之上，进行GCJ-02加偏。

GCJ02 Web 墨卡托投影

GCJ-02是由中国国家测绘局（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）制订的地理信息系统的坐标系统。
它其实就是对真实坐标系统进行人为的加偏处理，按照特殊的算法，将真实的坐标加密成虚假的坐标，而这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同。而加密后的坐标也常被大家称为“火星坐标系统”。
该坐标系的坐标值为Web墨卡托格式，单位为米。
这里的GCJ02 Web 墨卡托，也就是在标准Web默卡托的基础之上，进行GCJ-02加偏。

BD09 经纬度投影

BD09经纬度投影属于百度坐标系，它是在标准经纬度的基础上进行GCJ-02加偏之后，再加上百度自身的加偏算法，也就是在标准经纬度的基础之上进行了两次加偏。
该坐标系的坐标值为经纬度格式，单位为度。

BD09 Web 墨卡托影

BD09 Web 墨卡托属于百度坐标系，它是在标准Web墨卡托的基础上进行GCJ-02加偏之后，再加上百度自身的加偏算法，也就是在Web墨卡托的基础之上进行了两次加偏。
该坐标系的坐标值为Web墨卡托格式，单位为米。

坐标系的表达

WKT

OpenGIS组织的定义。定义了两个表述空间对象的标准方式：一个是WKT（the Well-Known Text）形式，另一个是WKB（the Well-Known Binary）形式。这两种形式都包括对象的类型信息和形成对象的坐标信息。下面是用字符来描述要素的空间对象的例子：
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的说明书中还规定了空间对象的内部存储格式要包括一个空间参考系统标识（SRID）。当创建空间对象并向数据插入的时候需要这样的SRID。下面是一个有效创建和插入一个OGC空间对象的语句：

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

SRID-空间引用标识符

空间引用标识系统是由欧洲石油测绘组 (European Petroleum Survey Group, EPSG) 的标准定义的，它是为绘图、测绘以及大地测量数据存储而开发的一组标准。该标准归石油天然气生产商 (OGP) 测绘和定位委员会所有

参考微软SQL空间操作

EPSG

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

EPSG：European Petroleum Survey Group (EPSG)，它成立于1986年，并在2005年重组为OGP(Internation Association of Oil & Gas Producers)，它负责维护并发布坐标参照系统的数据集参数，以及坐标转换描述，该数据集被广泛接受并使用，通过一个Web发布平台进行分发，同时提供了微软Acess数据库的存储文件，通过SQL 脚本文件，mySQL, Oracle 和PostgreSQL等数据库也可使用。
目前已有的椭球体，投影坐标系等不同组合都对应着不同的ID号，这个号在EPSG中被称为EPSG-Code，它代表特定的椭球体、单位、地理坐标系或投影坐标系等信息。
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