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空间参考系统（转）
2010-04-11
15:10
1.1
空间参考系相关概念
谈到空间参考系
统的时候，
我们会用到许多专业术语，
诸如坐标
(Coordinate)
、
坐标系
< br>(Coordinate System)
、
System Transformatio
n)
等。在许多的资料中，并没有准确地区分这些术语。例如：许多资料中会使用坐标<
/p>
Geographic information
–
Spatial referencing by coo
rdinates
中对这些术语进行了定义，本章中我们使用的
下图显示了空间参考系统的抽象模型。坐标是用来描述一个位置的序列值，有时我们将这个序列称之为坐
了一个基准面的坐标系。坐标系是一个抽象的数学概念，不绑定于任何物理对象，它定义了如何计
算坐标
面一般是指地球的基准面，当然也可以是其它对象的基准面。坐标操作
(Coordinate Operation)
可以用于将
间进行的坐标变换称之为坐标转换
(Transformation)
，在不同的地图投影和不同地区的坐标之间进行的坐标
1.1.1
坐标系的类型
不同的空间参考系统使用了不同的坐标系统，下面我们介绍几种常用的坐标系统。
l
椭球体坐标系
(Ellipsoidal
Coordinate System)
：一种二维或三维的坐标系。如果是二维，使用
经度和纬度
维。
l
笛卡尔坐标系
(Cartesian Coordinate
System)
：。一种一维、二维或三维的坐标系。如果为一维，那么它
坐标。
l
球形坐标系
(Spherical Coordinate S
ystem)
：一种三维的坐标系，它使用了一个到原点的距离和两个角度
1.1.2
椭球体和基准面
为了在地球表面上确定一个准确的位置，我们必须知道地球本身的形状和大小。正如我们所知，地球不是一< /p>
经常用椭球体的形状来描述地球的形状。人们以假想的平均静止的海水面形成的
―
大地体
‖
为参照，计算
出近
短半轴即极半径。
f=
（
a-b
）
/a
为椭球体
的扁率，表示椭球体的扁平程度。由此可见，地球椭球体的形状和
从
1953
年起我国参照前苏联采用的克拉索夫斯基
(Kra
ssovsky)
椭球体建立了我国的北京
54
坐标系，
1978
年
西安
80
坐标系。目前全球定位系统
(GPS)
采用的是
WGS84
椭球体。
椭球体
长半轴
(a)
短半轴
(b)
Krassovsky
6378245
6356863.0188
IAG 75
6378140
6356755.2882
WGS
84
6378137
6356752.3142
基准面是地球的一个模型，它给出
了坐标系统和地球之间的关联关系。通过以下的两点可以定义一个基准
1)
椭球体的大小和形状
(
长半轴
a
，短半轴
b)
。
2)
依据一个定位点，基于地球物理表面对椭球体进行定位。
基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。如果把地球比做是
―
马铃薯
‖
，表面凸凹不平，而地
球
这个
―
鸭蛋
‖
去逼近
―
马铃薯
‖
某一个区域的表面，
X
、
Y
、
Z
轴进行一定的
偏移，并各自旋转一定的角度，大小
近地球某一区域的表面。因为不同的地区关心的位置
不同，需要最大限度的贴合自己的那一部分，大地基
由此，我们可以看到椭球体与基准面
之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的
Pulkovo 1
942
、非洲索马里的
Afgooye
基准面都采用了
Krassovsky
椭球体，但它们的基准面
显然是不同的
许多商业的
GIS
系统中
，基准面是通过当地基准面向
WGS84
的转换
7
参数来定义，即三个平移参数
ΔX
< br>、
旋转至与地心坐标系平行时，分别绕
Xt
、
Yt
、
Zt
的旋转角；最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。
1.1.3
投影
< br>投影是为解决不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾，用几何透视方法或数学分析的方法，将地球上的点和< /p>
立该平面上的点、线和地球椭球面上的点、线的对应关系。
地图投影的过程是可以想象用一张足够大的纸去包裹地球，将地球上的地物投射到这张纸上。
地球表面投
平面。根据这张纸包裹的方式，地图投影又可以分成：方位投影、圆锥投影和
圆柱投影。根据这张纸与地
物是没有变形的，而距离切线或者割线越远变形越大。
还有不少投影直接用解析法得到。根据所借助的几何面不同可分为伪方位投影、伪圆锥投影、伪圆柱 投影
地图投影会存在两种误差，形状变化
(
也称角度变化
)
或者面积变化。投影以后能保持形状不变化
的投影，称
地图上测量两个地物之间的角度也能和实地保持一致，这非常重要，当在两地
间航行必须保持航向的准确
须准确测量出来。因此等角投影是最常被使用的投影。等角投
影的缺点是高纬度地区地物的面积会被放大。
在有按面积分析需要的应用中很重要，显示
出来的地物相对面积比例准确，但是形状会有变化，假设地球
投影，意思是既有形状变化
也有面积变化，这类投影既不等角也不等积，长度、角度、面积都有变形。其
每一种投影
都有其各自的适用方面。例如
,
墨卡托投影适用于海图，其面积
变形随着纬度的增高而加大，但
增大，适用于制作不同的国家地图。等角投影常用于航海
图、风向图、洋流图等。现在世界各国地形图采
数数学地图和小比例尺普通地图来说，应
优先考虑等积的要求。地理区域，诸如国家、水域和地理分类地
常用作数学地图，以及要
求沿某一主方向保持距离正确的地图。常用作世界地图的投影有墨卡托投影、高
尔马耶夫
投影等。我国地形图所采用的高斯克吕格投影。
1.1.4
空间参考系的类型
在
GIS
中，应用最为普遍的空间参考系有：
l
地心参考系（
Geocentric Reference S
ystem
）：以地球中心为原点，使用
X
、
Y
、
Z
来描述一个坐标值。
l
地理参考系（
Geographic Reference S
ystem
）：它基于一个基准面，使用经度、纬度和高程描述一个坐
< br>l
投影参考系（
Projected
Reference System
）：它使用
X(Easti
ng)
、
Y(Northing)
来描
述地球上某个点的位
地心参考系统基于笛卡尔坐标系统，以地球的中心为原点。
z
轴与地球旋转的轴共轴，在北极的方向上是正
系统的优点在于它覆盖了整个地球，这也是它用于全球定位系统的原因。然而，地心参考系统只具有有限
与通常国家高程系统中的表示方式是不一致的。
地理参考系统是基于椭球体坐标系，使用经度和纬度确定地球上任何一坐标的位置。如果我们将地球看作
是从地球中心对地球表面给定点量测得到的角度。经度用位于格林威治子午线东面和西面的度数
来表示，
长度单位，不可用其量测长度。
1.1.5
高程参考
高程是定位地球上任何一点位置的重要部分。一个点的高程是它到所选择的参考表面的距离。通常，我
们使
l
正射高程系统：基于大地水准面给出高程。
l
球形高程系统：基于椭球体给出高程。
绝大多数国家都已经在正射高程系统的基础上建立了国家垂直参考系统，亦称之为垂直基准面。通常，一
内的平均海平面相对应。这个贯穿所有零高程点的表面成为大地水准面。
1.2
空间参考系的表示
不同的
GIS
应用程序经常会使用不同的名称或代码代表相同的空间参考系统，<
/p>
这样会导致难于在不同的
GI
最常用的要
数
EPSG
代码和
WKT
。
1.2.1
EPSG
代码
EPSG
是欧洲石油勘探组织
(European Petroleum
Survey Group)
的简称。在
1985
年，它创建了一个测量参
2005
年，欧洲石油勘测
组织重组为国际油气生产者协会
(International
Association of Oil and Gas Produce
现在，此数
据集由国际油气生产者协会下属的测量委员会来维护。为了保持此数据集命名的连续性，所以
ESPG
数据集主要包含如下两方面的参数信息。
l
用来定义一个空间参考系统的参数。
l
坐标转换和坐标变换参数。
ESPG
数据集由以下的三种方式发布。
l EPSG Registry
：以
Web
的方式发布，用户可以通过
/
访
问和查询此数据集。
l EPSG Database
：以关系
数据库的方式发布。当前，它使用了在
MS Access
数据
库，用户可以通过
http:/
l SQL Scripts<
/p>
：以
SQL
脚本的方式发布，用户可以通
过此
SQL
脚本在
Oracle
、
MySQL
等数据库中创建此数
EPSG
预留了从
0
到<
/p>
32767
的整数用来对不同类型的椭球体、基准面、空间参考系
统等参数进行编码，我们
参考系统的代码。例如：
EPSG::
4326
代表空间参考系统
WGS
84
。
1.2.2 WKT
WKT(Well-known Text)
表示的空间参考系
统是一种使用文字的方式表示的空间参考系统。正如大家所知，
一个对象，例如
DATUM
和
UNIT
。这些关键词之后跟着一些括号括起来的参数，参数之间使用逗号进行分
它对象所组成的
，所以
WKT(Well-known
Text)
表示的空间参考系统是一个嵌套的结构。
如下的扩展巴科斯范式
(Extended Backus
Naur Form
，简称为
EBNF)
显示了定义一个
WKT
表示的空间参考
l
用于数学转换的子句。
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