ArcGIS中的地理坐标系与投影坐标系
ArcGIS中的地理坐标系与投影坐标系
一、ArcGIS中的地理坐标系与投影坐标系及地图投影
1、基本概念
地理坐标系(Geographic Coordinate System) ，是使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。一个地理坐标系包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。在球面系统中，水平线是等纬度线或纬线。垂直线是等经度线或经线。
投影坐标系 (Projection coordinatesystem) ，是平面坐标系统，地图单位通常为米，也称非地球投影坐标系统(notearth)，或者是平面坐标。投影坐标系使用基于X,Y值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置。这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得到的，它对应于某个地理坐标系。
地图投影 是利用一定数学法则把地球表面的经、纬线转换到平面上的理论和方法。
2、区别与联系
简而言之，地理坐标系属于球面坐标系统，其参考面为椭球面，坐标单位为经纬度；而投影坐标系属于平面坐标系统，其参考面是水平面，坐标单位则包括米、千米等。地理坐标系向投影坐标系的转换过程可理解为投影，即通过将地球曲面的不规则形状转换为平面实现这一目标。主要区别体现在以下几个方面：首先，地理坐标系统是一种球面坐标，而投影坐标系统是平面坐标；其次，投影坐标系统在二维平面上具有恒定的长度、角度和面积；最后，投影坐标系统是通过将地理坐标投影到平面坐标上而形成的。这些特性使得投影坐标系统在地图制作和空间分析中具有重要价值。
3、ArcGIS中的坐标系统
ArcGIS内置了两套标准坐标系统，地理坐标参考系统（Geographic Coordinate System, GCS）和投影参考系统（Projected Coordinate System, PCS）。
1）ArcGIS中我国常用的坐标系统
北京54坐标系，基于Krasovsky_1940椭球，属于GCS_Beijing_1954体系。
西安80坐标系，基于IAG_75椭球，属于GCS_Xian_1980体系。
WGS-84世界大地坐标系，基于WGS_1984椭球，属于GCS_WGS_1984体系。
2000坐标系，基于CN_2000椭球，属于GCS_CN_2000体系。
中文版说明：请参考相关文献获取详细信息。
英文版：
我国的投影坐标系主要采用高斯-克吕格投影（Gauss Kruger），分为6度分带和3度分带的投影。其中，1:2.5万至1:50万比例尺的地形图采用6度分带，而1:1万比例尺的地形图则采用3度分带。6度分带的划分从本初子午线起始，每隔6度为一个投影带，全球共分为60个带，中国地区覆盖第13至23个带。相比之下，3度分带则从东经1度30分经线（1.5°）开始，每隔3度为一个带，全球共分为120个带，中国地区则跨越第25至45个带。以西安80坐标为例，在ArcGIS中我们可以看到以下几种不同的命名方式：①Xian 1980 3 Degree GK CM 102E，其中中央经线为102度的无带号的西安80 3度分带；②Xian 1980 3 Degree GK Zone 34，表示西安1980 3度分带中的第34度带；③Xian 1980 GK Zone 13，为西安80 6度分带中的第13度带；④Xian 1980 GK Zone 13N / Xian 1980 GK CM 75E，其中75度中央经线的无带号西安80 6度分带。注意，GK代表高斯克吕格投影，CM是中央子午线，Zone是分带号，N表示不显示带号。
二、我国最常用的三大坐标系发展历程简介
我国应用广泛使用的大地坐标系包括1954年北京54坐标系、1980年西安80坐标系以及近年来推广的2000国家2000坐标系。这些坐标系由于社会发展需要，结合经济建设与科技进步，经过长期发展与完善而形成。
1、1954年北京坐标系
自新中国成立以来，各行各业逐步复苏，全国范围内推行了全面、规范的测绘工作，这已成为推动社会经济发展的关键基础，亟需建立一个参数明确的参心坐标系。受当时‘单一方向’的政治导向影响，我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并将其与1942年苏联坐标系进行联测，通过计算迅速确立了我国大地坐标系，命名为1954年北京坐标系。由此可见，1954年北京坐标系可视为1942年苏联坐标系的延伸，其起算基准位于前苏联玻尔可夫天文台，而非北京地区。该坐标系在应用过程中存在以下不足：首先，椭球参数存在明显误差；其次，参考椭球面与我国大地水准面在自西向东方向上存在显著差异，在东部地区差距最达+68米；再次，该坐标系的几何大地测量与物理大地测量所采用的参考椭球面并不统一；此外，椭球短轴的定位不符合国际协议原点和我国地极原点；最后，该坐标系的坐标原点位于前苏联的普尔科夫，而非北京。
2、1980年西安坐标系
由于1954年北京坐标系的起算点位于前苏联境内，其采用的椭球模型与我国境内地表形状存在较大差异，因此逐渐不适应我国发展的需要。1975年，我国启动了对郑州、武汉、西安、兰州等地的地形、地质、重力等要素的实地探测工作。通过对比分析，发现以陕西省泾阳县为基准点建立的椭球模型，与我国似大地水准面的拟合程度更高。1980年，国家决定建立国家大地坐标系，并将我国的第一个大地原点设立在泾阳县境内。该坐标系采用了国际大地测量与地球物理联合会1975年推荐的IAG 75椭球模型。这是我国实现测绘独立自主的重要标志，标志着我国与国际大地坐标系实现了 seamless 的接轨，对经济社会发展具有重要支撑作用。由于泾阳县位于西安市周边，因此该坐标系亦被命名为1980西安坐标系。
3、2000国家大地坐标系
1954年北京坐标系和1980年西安坐标系，在我国经济建设、国防和科技研究领域发挥着重要作用。受限于当时的科技水平，这两个坐标系都是基于地面观测的传统技术手段建立的，其基准点均设于地面并实施严格保护措施，仅限于区域性定位研究，其精度水平较低，无法满足现代大地测量需求。随着航空航天技术的飞速发展和空间技术的广泛应用，1954年北京坐标系和1980年西安坐标系在精度和适用范围上 increasingly难以满足国家需求。2000国家大地坐标系应运而生，它以地球质心为原点，采用动态定位、实用性强、全球统一的定位方式，标志着我国大地测量技术的重大进步。
三、CGCS2000与WGS-84对比
CGCS2000的定义在本质上与WGS84一致，具体体现在它们对坐标原点位置、长短轴长度、方向以及方向变化规律的定义上是完全相同的。两者的参考椭球极其接近，仅扁率存在微小差异。微小的扁率差异导致椭球面上的纬度和高度变化最多达0.1毫米。在当前测量精度范围内，可以忽略这点差异。可以说两者相容至厘米级水平，但若某点的坐标精度达不到厘米水平，则不能认为CGCS2000和WGS84的坐标是相容的。仅考虑椭球的差异，两者的结果是一致的，但因2000国家大地坐标系的坐标定义在2000年那一时刻，而大多数应用实际上是不同时间进行定位，地球上的板块在不断运动，不同时刻位于不同板块上的站点的实际位置已经偏离了2000年的定义位置。因此，基于当前历元（如2009年）的坐标值与2000国家大地坐标系相比，最大差值为0.6米。但对于1:1万以小比例尺的应用，可简单近似地认为是同一坐标系。
四、参心坐标与地心坐标系的比较
1、基本概念
参心坐标系（Reference-ellipsoid-centric coordinate system）是以参考椭球中心为原点的大地坐标系。其中，“参心”意指参考椭球的中心位置。
地心坐标系（Geocentric coordinate system）：
2、参心坐标与地心坐标系的比较
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