地理坐标系与投影坐标系的关系与区别

基于实景三维中国的主要结果数据，在使用数字正射影像等二维地图进行建模时，默认情况下都需要设置坐标位置这一必要参数。为什么要做到这一点呢？简单来说，在整合不同省份市县范围内的三维成果数据时，默认情况下如果不设置统一坐标系，在加载两个省份的数据进行查看时会出现重叠现象，并不能在同一界面同时显示这两个区域的数据。此外还会影响后续的数据处理功能——即实现成果数据的后期测量功能（例如填挖方计量分析），从而影响国家建设相关的各项任务完成情况。

在三维建模软件的应用过程中（包括但不限于）诸如CC这样的经典建模软件，在执行空中三角测量计算这一关键步骤时（或称为关键计算环节），并不强制要求用户预先设定相关参数（或称设置），而是采用预先设置好的自定义坐标系统（或称本地化建模框架）。等到最终生成数据后需选择输出结果对应的坐标系统时，则可以根据实际需求将自定义坐标系转换为指定的工作基准（或称统一空间参考系）。相比之下，在当前国产主流建模软件Mirauge3D的操作流程中，则要求用户在开展空中三角测量任务之前就必须明确界定输入数据和输出数据所使用的空间基准（或称地理基准），而在后续构建成果输出任务阶段则允许对输出坐标的基准进行必要的修改（或称为微调）。由此可见，在功能体系上CC具有更强的空天能力支撑能力，并能提供更为精确的空间解算成果。

下面我来介绍一下地理坐标系和投影坐标系的基本概念，还有几种常用的坐标系统。

（一）地理坐标系

地理坐标系采用经度与纬度标记地面点位置的球面坐标体系，在确定地面点位置之前必须认识地球的形状特征。如下图所示，地球是一个两极略扁的旋转椭球体其表面高度变化显著差异极大内部结构与质量分布复杂多变无法从数学体系中找到标准形状完美拟合其轮廓

然而地球本质上也是一个质体，在其周围空间中存在引力场这一物理现象。考虑到地球自转的影响，在物理学中通常将这种情况下下的引力场称为"有效重力场"或"正常重力场"。在有效重力相等的所有点所构成的空间区域则形成了一个被称为"参考椭球体"的闭合曲面或区域，在测量学中这个参考椭球体就被定义为"大地水准面"或其他相关名称如"参考椭球基准面"等等

这一类曲面仍然具有相当高的复杂度，在这种情况下我们采用了一种规范化的数学模型来进行近似表达 以此更加准确地勾勒出地球的整体形态特征 如下图所示

由于采用了近似拟合的方法，在形状确定之后

以下就是比较常用的几种地理坐标系（部分摘自网络百度百科等）。

国际地心坐标系统——GCS_WGS_1984（WGS_1984）该体系基于GPS卫星导航系统的应用需求而建立。由全球范围内的卫星地面观测站通过连续监测与精确计算完成定位。其基准椭球面的中心位置位于地球质心，并遵循右手三维直角坐标系原则：Z轴指向国际时间服务机构于1984年确定的标准协议地理极（CTP）方向；X轴指向该机构于1984年确定的零子午线与CTP赤道交点；Y轴垂直于Z轴与X轴构成右手空间直角坐标系框架。

②北京54坐标系为GCS_Beijing_1954（Krasovsky_1940）命名。新中国刚成立时由于当时的条件限制而暂时采用克拉索夫斯基椭球作为其参考框架并将大地原点设立于前苏联的普尔科沃地区

西安80坐标系基于GCS_Xian_1980（IAG_75）体系，在30年的实地测绘积累基础上，采用第十六届国际大地测量与地球物理联合会（IAG）于1975年推荐的标准椭球体参数，并通过重新定位计算确定基准点位置。随后，在陕西省西安市北泾阳县永乐镇选取某一固定点作为国家大地坐标原点，并以此建立了西安80坐标系。该系统由于其局限性，并不适于建立全球统一的坐标系统

④Cassino Geodetic System 2.19——即为 GCS_CN_1984（CN_1984），我国最新推出的国家大地方程坐标系统。该系统的基准面定位于整个地球的质量中心。
Cassino 系统与世界通用系统基本一致，在数学模型上两者的椭球参数存在微小差异。
尽管如此，在实际应用中两者定位精度相当接近接近。
值得注意的是因为‘84系统的基准面定位于特定时期（1984年）的地壳平衡状态，
而现代测量中涉及不同地质时期的站点，
由于全球板块运动的影响，
这些站点的实际位置已偏离了‘84系统的基准面定位。

（二）投影坐标系

投影坐标系的本质是将地球椭球面上任意一点的地理坐标(i,j)与该点在平面上对应的平面直角坐标(x,y)之间的函数关系得以建立。地理坐标准备通过投影转换成平面直角坐标准备的过程，则形成了相应的平面直角坐标系——即所谓的投影坐标准备体系。

根据投影构成方式、变形规律的不同，主要分为以下几类。

几何投影主要有三类。

• 方位投影：沿切线端点或割线无变形现象，在离这些线越远的地方出现显著的形变程度。
  • 圆锥投影：常用于绘制中纬度地区沿纬线方向延伸区域的地图。
  • 圆柱投影：常见于制作赤道附近地区及全球地图的绘制。

比较常用的投影就是高斯-克吕格投影、UTM投影。

该方法设想将一个椭圆柱横向放置在地球椭球体上的某一条特定经线上，在这种情况下产生的接触点即为中央经线。这种设计使得它成为一个经典的等角横轴切椭圆柱投影，在地图学领域具有重要地位。其核心原理是以中央经线作为其对称轴，并将东西两侧划分为各自宽广程度不同的区域——具体来说就是划分为东西两侧各3度或1度半宽的不同区域范围。根据数学规律和投影原则将这些区域内的经纬网展开到平面并完成展平工作之后形成的这种特殊的地理网格系统被称为高斯-克吕格平面展平后的区域。

它的特点就是

中央经线是一条直线，在长度上始终保持不变；其余的经线则呈现出弯曲呈凹向形态，并且均对称于这条主经线。

赤道线是一条直线但在长度上有所变形；其余纬度则呈现出向外凸出的弧形轨迹同时均以赤道线作为对称轴

③经线和纬线投影后仍然保持正交；

④离开中央子午线越远，变形越大。

于1947年提出的一种UTM投影方案由美国军方提出，并且类似于'高斯-克吕格'的那种坐标系统。然而实际上在UTM中采用的是网格状的区域划分方式（即以条带或区块的形式划分）。值得注意的是在全球其他地区普遍使用的坐标系是WGS84首先在设计上与全球定位系统(GPS)不同的是_UTM采用了等角正切投影的方式；其次并且并非从本初子午线开始而是从东经180度开始划分的一般而言会选择那些地理区域变形程度较小、投影误差较低的地 writable地带