GIS数据知识

       背景：很多新接触GIS的人员对地图投影以及坐标系统很难理解，甚至做GIS开发做了好几年的人也有这方面的疑惑，地球仪式的地图是如何变成纸上的平面地图的？平面的二维地图是如何在三维GIS里面进行展示的，因为三维地球里面的地图也是用的二维的地图瓦片，小编在这里对投影的内容进行一下简单梳理。        1 投影类型        地图投影的种类很多，一般按照两种标准进行分类：一是按投影的变形性质分类，二是按照投影的构成方式分类。        1.1 按投影变形性质分类        按照投影的变形性质可以分为以下几类：等角投影、等积投影、任意投影。        1.1.1 等角投影        能保持无限小图形的相似。同一点上长度比处处相同-变形圆，不同点变形圆的半径不同，大范围看，投影图形与地面实际形状并不完全相似。由于这种投影无角度变形，便于图上量测方向/角度，所以常用于对真实角度和方向要求高的地图，比如航海、洋流和风向图等。由于此类投影面积变形很大，故不能量算面积。        1.1.2 等面积投影        等积投影是等面积投影，便于面积的比较和量算。常用于对面积精度要求较高的自然和经济地图，如地质、土壤、土地利用、行政区划等地图。        1.1.3 任意投影        任意投影既不等角又不等积，各方面变形都存在，但都适中。在任意投影中，有一类比较特殊的投影叫做等距投影，满足正轴投影中经线长度比为1，在斜轴或横轴投影中垂直圈长度比为1。任意投影常用于教学地图、科学参考地图和通用世界地图等。        1.2 按投影构成方式分类        根据投影构成方式可以分为两类：几何投影和解析投影。        1.2.1几何投影        几何投影是把椭球体面上的经纬网直接或附加某种条件投影到几何承影面上，然后将几何面展开为平面而得到的一类投影，包括方位投影、圆锥投影和圆柱投影。根据投影面与球面的位置关系的不同又可将其划分为：正轴投影、横轴投影、斜轴投影。如下图所示：

       几何投影        a 方位投影：以平面作为几何承影面，使平面与椭球体面相切或相割，将球面经纬网投影到平面上而成的投影。在切点或割线上无任何变形，离切点或割线越远，变形越大。        b 圆锥投影：以圆锥作为几何承影面，使圆锥与椭球体面相切或相割，将球面经纬网投影到圆锥面上而成的投影。该投影适用于中纬度地带沿纬线方向伸展地区的地图，我国的地图多用此投影。        c 圆柱投影：以圆柱作为几何承影面，使圆柱与椭球体面相切或相割，将球面经纬网投影到圆柱面上而成的投影。该投影方式一般适用于编制赤道附近地区的地图和世界地图。        1.2.2 解析投影        解析投影是不借助于辅助几何面，直接用解析法得到经纬网的一种投影。主要包括：伪方位投影，伪圆锥投影，伪圆柱投影，多圆锥投影。此处不再赘述。        a 伪方位投影：据方位投影修改而来。在正轴情况下，纬线仍为同心圆，除中央经线为直线外，其余经线均改为中央经线的曲线，且相交于纬线的圆心。        b 伪圆柱投影：据圆柱投影修改而来。在正轴圆柱投影的基础上，要求纬线仍为平行直线，除中央经线为直线外，其余的经线均改为对称于中央经线的曲线。        c 伪圆锥投影：据圆锥投影修改而来。在正轴圆锥投影的基础上，要求经线仍为同心圆弧，除中央经线为直线外，其余的经线均改为对称于中央经线的曲线。        d 多圆锥投影：这是一种假想借助多个圆锥表面与球体相切而设计成的投影。纬线为同轴圆弧，其圆心均位于中央经线上，中央经线为直线，其余的经线均为对称于中央经线的曲线。

图：伪方位投影的经纬线形状示意图  

图：伪圆柱投影的经纬线形状示意图

图：伪圆锥投影的经纬线形状示意图  

图：多圆锥投影的经纬线形状示意图

       看了以上的那些地图，没有找到一丁点的似曾相识的感觉，日常用到的百度地图、高德地图、谷歌地图都是什么投影呢？ 先了解一下坐标系统的概念：        2 坐标系统：

       这里小编把常见的一些问题列举出来，采用问答的方式进行说明。        1）说“经纬度投影”对吗？        经纬度表示的是地理坐标系（单位是度），不是投影坐标系（单位是米），两者放一起明显不妥。        2）大地坐标系与地理坐标系有何不同？        大地坐标系和地理坐标系都是经纬度表示的坐标系，本身并不包含投影信息，很多时候，这两种说法都是相同的。        3）为什么有地理坐标系和投影坐标系之分？        由于经纬度的度数不对应某一标准长度，因此无法精确测量距离或面积，也难以在平面地图或计算机屏幕上显示数据。在使用许多（不是全部）GIS 分析和制图应用程序时，经常需要由投影坐标系提供的更稳定的平面坐标框架。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。投影坐标系始终基于地理坐标系，而后者则是基于球体或旋转椭球体的。在投影坐标系中，通过格网上的 x,y 坐标来标识位置，其原点位于格网中心。        4）通常所说的西安80，北京54是指什么？        GIS中的坐标系统定义由基准面和地图投影两组参数确定，基准面对应一个参考椭球体，我们常说的北京54、西安80、国家大地2000坐标系都是指其参考椭球体。基于这种椭球体，我们能定义出大地坐标系和投影坐标系。只说一个西安80是不能确定坐标系统的，因为没有说明有没有投影及投影信息。如果不指明投影方式，则认为西安80、北京54的表现形式为大地坐标，而不是投影平面直角坐标。        5）什么都是高斯投影 ？        高斯-克吕格投影属于横轴墨卡托投影，能小范围内保持形状不变，因此被国内普遍采用，但在表示小比例尺数据时，这种投影明显不合适。就中国来说，一般50万以上比例尺采用高斯投影，50万以下采用兰伯特投影。数据用途不同，具体的投影方式各有不同，有的是为了保持面积不变，有的是为了保持形状不变。另一种世界常用的投影是UTM（通用墨卡托投影），高斯-克吕格投影是“等角横切椭圆柱投影”，投影后中央经线保持长度不变，即比例系数为1；UTM投影是“等角横轴割圆柱投影”，圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，投影后两条割线上没有变形，中央经线上长度比 0.9996。        6）北京54，西安80，WGS84，国家2000 有何不同？        54和80本质上是参心坐标系，大地原点分别在苏联和西安，原点是参考椭球的几何中心，这类坐标难以表达高度信息，精度信息等也不够，正被淘汰。。 84和2000本质上是地心坐标系，即以地球质量中心作为坐标系原点。 54的椭球体长半轴半径是6378245米，80为6378140米，84和2000坐标系一样，都是6378137米。国家最新的2000坐标系和WGS84据说在厘米级都是一样的，但和80坐标在高纬度地区误差达十几倍。        7) Google、Microsoft、ArcGIS提供的地图服务分别采用了什么坐标系？        现在都统一为了Web Mercator，即正轴墨卡托投影，和UTM（常规墨卡托）投影的主要区别是为了实现上的方便，把地球模拟为球体而非椭球体，精度理论上差别0.33%，比例尺大时基本可以忽略。同时纬度范围变成了(-85,85),南北极显示不了，但不影响正常使用，这样也减少了切图数量。        8）ArcGIS的空间参考与坐标系统？        ArcGIS的空间参考信息SpatialReference，不仅包含了坐标系统的定义，还包括容差Tolerance和分辨率Resolution等，通常由Prj文件表示。ArcGIS中的坐标系统分地理坐标系和投影坐标系，其中投影坐标系也一定包含一个地理坐标系，反之不然。        2.1 国家坐标系统和城市坐标系统        国家坐标系统是指采用国家规定的参考椭球，按照国家标准分带（6°带、3°带）形成的高斯投影平面直角坐标系。        城市坐标系统是指某些不适宜采用国家坐标系统的城市（如果采用国家标准分带，将会导致地面点的高斯投影变形超过国家相关测量规范规定的极限值），根据实际情况采用并报国家测绘管理部门批准的任意带高斯投影平面直角坐标系。        譬如，某城市采用的是中央子午线117°高斯投影平面直角坐标系，它就属于国家坐标系统；而另一个城市采用的是中央子午线116°20′高斯投影平面直角坐标系，它就属于城市坐标系统。        2.2 地理坐标系        地理坐标系 (GCS)使用三维球面来定义地球上的位置。GCS 往往被误称为基准面，而基准面仅是 GCS 的一部分。GCS 包括角度测量单位、本初子午线和基准面（基于旋转椭球体）。        可通过其经度和纬度值对点进行引用。经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角。通常以度或百分度为单位来测量该角度。下图将地球显示为具有经度和纬度值的地球。

地球经纬网格

       在球面系统中，水平线（或东西线）是等纬度线或纬线。垂直线（或南北线）是等经度线或经线。这些线包络着地球，构成了一个称为经纬网的格网化网络。        位于两极点中间的纬线称为赤道。它定义的是零纬度线。零经度线称为本初子午线。对于绝大多数地理坐标系，本初子午线是指通过英国格林尼治的经线。其他国家/地区使用通过伯尔尼、波哥大和巴黎的经线作为本初子午线。经纬网的原点 (0,0) 定义在赤道和本初子午线的交点处。这样，地球就被分为了四个地理象限，它们均基于与原点所成的罗盘方位角。南和北分别位于赤道的下方和上方，而西和东分别位于本初子午线的左侧和右侧。