GIS基础（1）空间参考

1 前言

基本了解了WebGIS的一个框架后，我准备先把GIS的基础再过一遍，主要集中在坐标系和数据两大块，这一篇从坐标系入手。

当我们拿到一份空间数据，我们立马会问的一个问题应该是：这数据是什么坐标系的呀？空间参考对于地理数据是非常重要的，无论以何种形式创建一个使用地理数据的应用。一个空间参考定义了用以定位的坐标系统，它控制了数据以何种形式显示在哪里，一幅2D平面图，又或者是一个3D场景。原则上，当建立一个应用，所有地理数据应该使用公共的空间参考，或者投影到一个空间参考，这才能保证后续空间分析结果的可靠性。

2 WKID（well-known ID）

当我们打开ArcGIS的空间参考库，我们可以看到有非常多的空间参考，各个地区可能都有自己的空间参考。因此，为了简单的在应用中获得并使用它们，可以用WKID方式区分它们，它是一个整数。最普遍的坐标系统是：WKID：4326（WGS84）和WKID：3857（Web Mercator）。可以到EPSG（European Petroleum Survey Group）网站（http://epsg.io/）上搜索坐标系统，有相应的WKID，比如我搜索4326，结果就如下，点击进去就能查看坐标系的详细参数。

3 坐标系统和投影

总的来说，坐标系统可以分为以下几种：

地理坐标系（Geographic coordinate systems，GCSs）
投影坐标系（Projected coordinate systems，PCSs）
本地坐标系（Local coordinate systems）
垂直坐标系（Vertical coordinate systems，VCSs）

地理数据被定义在水平坐标系统和垂直坐标系统内，如果不涉及三维信息一般还不用垂直坐标系。

3.1 地理坐标系

在说地理坐标系前，我们先来谈谈地球。我们知道，地球是一个两极稍扁，赤道略鼓的不规则球体，它的表面也是凹凸不平的。但你看微信启动页面的地球照片（The Blue Marble，蓝色弹珠，是一张在1972年12月7日由阿波罗17号太空船船员所拍摄的著名地球照片），是不是感觉还挺平整，还挺圆的。这是因为地面的起伏高低相对于地球半径来说那是十分微小的（8848m/6378km)。

这时，我们便可以先引出大地水准面的概念，它是处处都与重力垂直的一个假想地球表面。当在地球这么大的白板空间上画出这个大地水准面，它是起伏非常微小的，很接近一个规则椭球体。于是人们便用这个水准面所包围成的椭球体来近似代替地球自然表面，它可以用数学公式表达了，这便是参考椭球体。参考椭球体有几个参数，长半轴（图中a），短半轴（图中b），扁率（f=(a-b)/a)。

当然了，参考椭球体也有很多。比如我国常用的几个坐标系，北京54（克拉索夫斯基椭球体），西安80（IAG1975椭球体），国家2000（GRS1980椭球体）。

当我们有了参考椭球体，就可以建立地理坐标系，但还存在一个问题，参考椭球体虽然宏观上来看能贴近地球，但是到每一个小区域那是有的地方很贴近，有的就差点意思。所以呢，不同的地方可以挪动这个参考椭球体，椭球体是不变的，就把它通过平移，旋转以充分贴合我当地的表面。这就需要七个参数：三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ；三个旋转参数εx、εy、εz；最后是比例校正因子，用于调整椭球大小，这里的参数就是大地基准面。

随后有了参考椭球体和大地基准面就可以建立地理坐标系了。

下面以WGS84坐标系介绍地理坐标系，我们先来看ArcGIS中WGS84坐标系的参数

Geographic coordinate system	WGS 1984
WKID	4326
Angular Unit（角度单位，π/180）	Degree(0.0174532925199433)
Prime Meridian（子午线，起始经度）	Greenwich(0,0)
Datum（基准面）	D WGS 1984
Spheroid（椭球体）	WGS 1984
Semimajor Axis（长轴）	6378137.0
Semiminor Axis（短轴）	6356752.314245179
Inverse Flattening （扁率）	298.257223563

在地理坐标系中，地面点的位置用经度，纬度和高度来表示（B，L，H）。纬度（地面点原点连线与赤道面夹角）由赤道开始计算，而经度（子午面旋转至该点的角度）则由子午线开始计算。
高度的控制需要设定一个高程基准面，我国用的是1985国家高程基准。

3.2 投影坐标系

我们所看到的地图都是平面的，这是在地理坐标系中的数据经过投影得到的。地图投影就是将椭球表面的数据映射到平面上的过程。因此，我们可以知道一个投影坐标系总是基于一个地理坐标系。下面以UTM，G-K（高斯克吕格），Web Mercator投影来介绍相关参数。

UTM

UTM（Universal Transverse Mercator Projection）通用横轴墨卡托投影，是一种等角横轴割圆柱投影，由美国陆军工程兵测绘局提出，其现在基于WGS 1984地理坐标系。arcgis中第50带的参数如下：

UTM投影采用6度带分带，从西经180度开始计算，计算分带公式为，M（中央经线经度）=6N-183。可以看到上面投影是50带，中央经线为117。
为了防止一个带内出现横坐标负值，每个纵轴都西移500km，在南半球横轴也移动10000km，我国处于北半球，所以只移动纵轴。
因为它是割圆柱投影，所以中央经线会缩短，比例为0.996。

G-K投影

高斯克吕格投影和UTM很像，G-K投影是横轴切圆柱投影，所以在中央经线上不会有变形，Scale Factor为1。参数如下：

还有一个不同便是带号的计算，高斯克吕格是从0度开始计算，每6度一带，所以计算公式为M=6N-3。
G-K投影也是西偏500km。

Web Mercator投影

很多网络应用都使用Web Mercator投影，比如google和OpenStreetMap。这个投影是为了将整个世界显示在一个标准矩形内，这样方便地图切片计算。
它的坐标计算方式是：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。

3.3 本地坐标系

本地坐标系通常是投影坐标系，是由本地坐标系通常是地方单位创建的投影方式，它的原始位置和xy坐标单位是参照当地的一些控制点。一般本地坐标系和其他的坐标系关系很难建立，因为通常是加密的。

3.4 垂直坐标系

垂直坐标系在应用3D数据上是有意义的。垂直坐标系定义了在垂直高度上的线性测量单位。有两种主要的垂直坐标系：椭圆系统从数学定义的三维椭圆表面测量 z 值。大多数通过全球导航卫星系统接收器（例如 GPS）收集的数据都在椭圆形 VCS 中。基于重力的系统从代表平均海平面的分析表面测量 z 值。基于重力的VCS更常用于显示和处理3D数据。空间参考可能具有VCS集，也可能没有VCS集。任何特定的垂直坐标系可用于不同的水平坐标系。

参考

https://www.cnblogs.com/lishanyang/p/6008256.html
https://blog.csdn.net/qq_34720818/article/details/115913976
http://blog.sina.com.cn/s/blog_4c5f7aaf0100t8ur.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-856115-839212.html
https://www.cnblogs.com/tuncaysanli/p/3805421.html