地理信息系统基础知识---第一篇 地理坐标系

      

    地理坐标系统是由经度与维度组合成的一个坐标系统，它是一种利用三维空间的球面来定义地球上空间的球面坐标系统，能够表示地球上任何一个位置。

         经度是地球上一个地点离一根被称为本初子午线的南北方向走线以东或以西的度数。本初子午线的经度是0°，地球上其它地点的经度是向东到180°或向西到180°。不像纬度有赤道作为自然的起点，经度没有自然的起点而使用经过伦敦格林尼治天文台旧址的子午线作为起点。东经180°即西经180°，约等同于国际日期变更线，国际日期变更线的两边，日期相差一日。

        纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0至90度之间。位于赤道以北的点的纬度叫北纬，记为N，位于赤道以南的点的纬度称南纬，记为S。

地理坐标系

要确定一个地理坐标系，需要由参考椭球体和基准面（Datum），其中的参考椭球体是地球的一个数学描述，基准面，也叫大地基准面（Geodetic datum），它是用参考椭球体逼近地球上特定区域的某一点得到的关系来定义的。

 

参考椭球体

在大地测量学中，参考椭球体是一个数据上定义地球表面的几何模型，它近似于地球的水准面（大地水准面）；要表示地球的形状和大小，就相当于定义参考椭球体的长半轴、短半轴和扁率（扁率的计算公式为：α=（a-b）/a），有了这系参数，就可以表示地球的形状和大小了。

那什么是大地水准面呢？在讲大地水准之前，我们先说说我们的生活的地球，大家都知道我们的地球的表面上很不规则的。这就成了我们无法用数学公式来表达地球的曲面，进而无法对地球进行测量和绘制地图。所以必须找到一个规则的曲面来替换地球的自然表面。

 

当海洋静止时，海平面就是一个平静的水面，并且水面上任意点的重力方向成正交，我们在想象下这个水面如果穿过陆地就会形成一个闭合的曲面，这个闭合的曲面我们把它叫做大地水准面。大地水准面所围成的球体就叫做大地球体。由于地球的质量分布不均匀，引起重力方向发生改变，导致大地水准面不规则，仍然不能用作数学表达的曲面。大地水准面的形状虽然高低起伏，但是起伏很微小。它是一个很接近绕地轴旋转的地球。所以在测量和制图中就用这个旋转椭球体来代替大地球体。这个旋转的椭球体我们把它叫做地球椭球体，简称椭球体。

下表列出了一些最常见的参考椭球：

 

基准面

在测绘学课本里面是这样解释的：

大地基准面（Geodetic datum），设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。此关系能以 6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。

更形象的解释：

现在让我们把地球椭球体和基准面结合起来看，在此我们把地球比做是“马铃薯”，表面凸凹不平，而地球椭球体就好比一个“鸭蛋”，那么按照我们前面的定义，基准面就定义了怎样拿这个“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，大小不适当的时候就缩放一下“鸭蛋”，那么通过如上的处理必定可以达到很好的逼近地球某一区域的表面。

因此，从这一点上也可以很好的理解，每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG75）建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。克拉索夫斯基(Krassovsky)、1975地球椭球体（IAG75）、WGS1984椭球体的参数可以参考常见的地球椭球体数据表。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，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面。地球椭球体和基准面之间的关系以及基准面是如何结合地球椭球体从而实现来逼近地球表面的

 

参考文献

地理坐标系统简介 http://blog.gisforum.net/u/211/archives/2007/1536.html

地球椭球体 大地基准面投影坐标 系统定义  http://www.topmap.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=128

geodetic datum  http://en.wikipedia.org/wiki/Datum_(geodesy) 

Geoid http://en.wikipedia.org/wiki/Geoid

Geodetic system http://en.wikipedia.org/wiki/Geodetic_system

大地坐标系 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E5%A4%A7%E5%9C%B0%E5%9D%90%E6%A0%87%E7%B3%BB

参考椭球体 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%82%E8%80%83%E6%A4%AD%E7%90%83%E4%BD%93

球面坐标系 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%90%83%E9%9D%A2%E5%9D%90%E6%A8%99%E7%B3%BB%E7%B5%B1