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地图投影系列介绍（二）----地理坐标系
3、地理坐标系
地球的形状与大小确定之后，还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系，这项工作称为椭球定位与定向。与大地水准面符合得最好的一个地球椭球体，称为参考椭球体，是地球形体三级逼近。
说到这里，我们需要对这几个词汇做区分：
球体：小比例尺，视作球体。
椭球体/旋转椭球体：大比例尺，两个概念不区分。
地球椭球体：限地球椭球体模型。
参考椭球体：定位相关，与局部或全局大地水准面最为吻合的椭球体模型。
3.1 大地基准面
大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。ArcGIS中，基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。大地基准面分为地心基准面、区域基准面。
地心基准面：由卫星数据得到，使用地球的质心作为原点，使用最广泛的是 WGS 1984。
区域基准面：特定区域内与地球表面吻合，大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点，例如Beijing54、Xian80。
每个国家或地区均有各自的大地基准面。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。相对同一地理位置，不同的大地基准面，它们的经纬度坐标是有差异的。
椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系。因为基准面是在椭球体的基础上建立的，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。
在目前的GIS商用软件中，大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义，即：
– 三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值。
– 三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系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。
Beijing54、Xian80相对WGS84的转换参数至今也没有公开，实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与WGS84坐标值的转换，在只有一个已知控制点的情况下（往往如此），用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数，当工作区范围不大时，如青岛市（10654平方公里），精度也足够了。
3.2 地理坐标系建立
地理坐标系（大地坐标系）是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用经度、纬度、和大地高度表示。大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。
参心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。
地心大地坐标系：指经过定位与定向后，地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。
建立地理坐标系的过程如下：
i. 选择一个椭球体：Krasovsky_1940椭球体。
ii. 椭球定位与定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基准面将这个椭球定位。
有了 Spheroid 和 Datum 两个基本条件，就确定了大地基准面，地理坐标系统便也可以确定，即经纬度。
3.3 我国常用地理坐标系
名称 | 类型 | 介绍 | 缺点 | 优点与意义 |
Beijing54 | 参心坐标系 | 1954年，我国将原苏联采用克拉索夫斯基椭球元素建立的坐标系，联测并经平差计算引申到我国，以北京为全国大地坐标原点，确定了过渡性大地坐标系。 | 参考椭球长半轴偏长；椭球基准轴定向不明确；椭球面与我国境内的大地水准面不太吻合，东部高程异常可达68米；点位精度不高。 |
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Xian80 | 参心坐标系 | 1978年，采用新的椭球体参数GRS(1975)，以陕西省西安市以北泾阳县永乐镇某点为国家大地坐标原点，进行定位和测量工作，通过全国天文大地网整体平差计算，建立了全国统一的大地坐标系。 | 与当今社会发展存在的矛盾：①坐标维的矛盾：随着卫星定位导航技术在我国的广泛使用，二维不能适应现代的三维定位技术； ②精度的矛盾：卫星定位技术可达10-7～10-8的点位相对精度，而西安80系只能保证3×10-6；③坐标系统（框架）的矛盾：数字地球的发展要求用户需要提供与全球总体适配的地心坐标系统。 | 椭球体参数精度高；定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合好；天文大地坐标网传算误差和天文重力水准路线传算误差都不太大，而且天文大地坐标网坐标经过了全国性整体平差，坐标统一，精度优良，可以满足1：5000甚至更大比例尺测图的要求等 |
CGCS2000 | 地心坐标系 | 2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。 ——地球椭球参数如下： ü 长半轴 a＝6378137m ü 扁率f＝1/298.257222101 ü 地心引力常数GM＝3.986004418×1014m3s-2 ü 自转角速度ω＝7.292115×10-5rad s-1
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| 采用2000国家大地坐标系将促进航天、海洋、地震、地质、国土等领域的科学研究，提供以全球参考的、全国统一的、协调一致的坐标系统。 采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在我国的广泛应用，发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。 采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。车载、船载实时定位获取的精确的三维坐标。 卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合，将会创造出更多新产品和新服务，市场前景更为看好。 |
WGS84 | 地心坐标系 | 目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标系统，WGS84基准面采用WGS84椭球体。 |
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目前的商用GIS也多采用此坐标系统。 |
ArcGIS中这4个地理坐标系的定义如下：
3.4 我国常用高程系
大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置，这种位置包括两个方面：一是点在地球椭球面上的平面位置，即经度和纬度；二是确定点到大地水准面的高度，即高程。
高程控制网的建立，必须规定一个统一的高程基准面。我国利用青岛验潮站1950～1956年的观测记录，确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面，并在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统，统称“1956年黄海高程系”。
1987年，因多年观测资料显示，黄海平均海平面发生了微小的变化，由原来的72.289m变为72.260m，国家决定启用新的高程基准面，即“1985年国家高程基准”。高程控制点的高程也发生微小的变化，但对已成图上的等高线的影响则可忽略不计。
国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统。按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为416619．1公里。
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