空間規劃師的座標系轉換手冊（國家2000大地座標系適用）(轉載)

聲明：本文所指空間規劃師特指城鄉規劃師，此處僅在標題名稱提法上與國家空間規劃體系改革相呼應，文中仍以規劃師或城鄉規劃師相稱，並沒有額外之意，請勿過分解讀；封面圖片來自於網絡，版權歸原做者全部。

 

隨着天然資源部的成立以及「創建國家空間規劃體系」的提出，不管是國土規劃仍是城鄉規劃都在向統一的空間規劃體系轉變升級。做爲統一空間規劃體系的重要事件，2018年7月1日起，天然資源部全面啓用2000國家大地座標系，以此做爲統一空間規劃的一致性空間參考體系，對於城鄉空間規劃的空間參考要求也將會愈來愈高，城鄉規劃師也須要逐步學會如何將多元數據在不一樣空間參考下進行轉換，尤爲是轉換爲國家2000大地座標系，這就是做者撰寫本文的初衷，本文命名爲《空間規劃師的座標轉換手冊》，其實更像是一個入門介紹，並不像手冊那麼深刻完善的面面俱到，主要是怕寫的太深又把咱們規劃師朋友講糊塗，本文重點是想讓規劃師能看懂，能理解座標系及其轉換的原理，但我仍是保留了這個名字，一是本文主要針對城鄉規劃師，二是但願規劃師朋友們能把它像手冊同樣收藏，有須要的時候就想手冊同樣把它打開看看可以解決疑惑。

本文不是一篇專業的座標系理論學術文章，而是試圖儘可能避開參數堆疊，經過規劃師能理解的語境（做者本人也是規劃出身的業餘GISer），對座標系的原理進行簡化講解，並對座標系定義和轉換的方法進行歸納梳理，以便規劃師在平常工做中須要的時候參考閱讀。

做爲一名城鄉規劃師，在傳統的CAD+SU+PS的套路下，對座標系的定義是弱化了的，甚至是徹底忽略的，一般認知裏，只有測繪和地信相關專業纔會關注空間參考座標系的定義，也只有他們才懂座標系轉換，對於規劃設計專業的朋友來說，一是看不懂各類複雜的座標系參數，二是不會GIS，不知道如何進行座標轉換操做，看到各種介紹座標系知識的文章和教材是很是晦澀的，經過閱讀本文，規劃師能夠初步理解座標系及不一樣座標系之間的轉換原理，結合專業的學術專著及論文可進一步深刻學習研究。

1、座標系的原理概述

1.1座標系的相關原理

（1）座標系

不管是在抽象的數學幾何空間仍是在現實的地理空間中，咱們要肯定一個要素（點、線、面、體或者地理對象）的空間位置，都要定義一個座標系做爲空間參考，而後以這個座標系下的座標值去描述要素的空間位置。

對於同一空間要素，定義不一樣的座標系，其空間參考位置就會存在差別，對應的其座標值也就不同，如圖1.一、圖1.2就是同一個要素點M在兩個不一樣座標系下的座標值描述，在A座標系的空間參考下，M點的座標值爲（3,2），在B座標系下M點的座標值爲（4,3）。

▲圖1.1對點要素定義空間參考（座標系）A所得到的座標值（3,2）▲圖1.2對點要素定義空間參考（座標系）B所得到的座標值（4,3）

（2）座標轉換

正如上文所述，M點在A、B兩個不一樣的座標系空間參考下，其座標值是不同的，假設當前M點的空間參考爲座標系A（如爲西安80座標系），其對應座標值爲（3，2），現根據某些要求（如如今國家要求統一轉換至國家大地2000座標系），須要將其空間參考轉變爲座標系B（假設爲國家大地2000座標系），那麼對應的座標值也將會轉變爲（4，3），這裏有兩種方法能夠實現：

第一種方法就是保持座標系A的空間位置不變，將M點移動到座標系A下的（4，3）的位置後重新將座標系A強制性定義爲座標系B，以下圖1.3所示；

▲圖1.3 座標轉換方式一：移動要素

第二中方法是保持M位置不變，將座標系A向左、向下分別移動一個單位，及將座標系A變換爲座標系B，則M的座標值也會變成（4，3）。

▲圖1.4 座標轉換方式二：移動座標系

以上就是簡化後的座標和座標系變換的基本原理，然而實際的地理座標和座標系變換要複雜的多，這是由於一方面地球表面不是上圖中簡單的規則圖面，另外一方面地理座標線也不是上圖中簡單的直角座標系，具體請參閱相關專業文檔，本文僅作簡單院裏講解，便於規劃師入門理解。

（3）座標轉換變形

以上兩種座標轉換方法都只有平移變換，其都有個前提，就是A、B兩個座標系的座標尺度和單位是一致的，這就是咱們常見的地理座標系向地理座標系轉換，投影座標系向投影座標系之間轉換的簡化原理。

另一種狀況是兩個座標系之間的座標尺度和單位不一致，以下圖1.四、圖1.5所示，座標系B的Y軸刻度是座標軸A的一半，也就是座標刻度尺寸不同，所以Y軸方向一樣距離在座標系B下會比座標系A顯示效果進行收縮顯示，最後致使圖形顯示變形。這就是咱們在座標轉換中常見會遇到的變形，常見於地理座標系與投影座標系之間的轉換，由於地理座標系的單位是角度單位（度、分、秒），而投影座標系的座標單位爲公制單位（米、公里等）。

對於地理要素座標轉換而言，除了縮放變形以外，一般還伴有旋轉扭曲變形。

▲圖1.5 座標轉換變形

根據以上的分析，咱們在進行地理空間要素座標變換時一般會涉及到平移、縮放、旋轉幾類操做，對應的變換參考量選擇就可能會有4個參考量（3個平移參考量，1個縮放因子參考量，沒有旋轉變形）或者7個參考量（3個平移參考量、3個旋轉角度參考量、1個尺度縮放因子參考量），這就是咱們常見的4參數、7參數座標轉換的來源。

2.2 地理要素空間參考座標系分類

（1）地理座標系
咱們知道地球是不規則橢球體，在進行地理要素定位描述時，一般會用一個最接近於地球形狀及其表面的規則橢球體對齊進行擬合，而後再基於這個橢球體構建一個球體座標，也就是咱們常說的地理座標系，該座標系的座標原點爲擬合橢球體的球心，也就是最接近於地球球心的點，一般有地球質心或幾何中心，地球表面的點經過經緯度來表示，其座標值的單位爲度、分、秒，根據球心的不一樣一般有地心座標系（WGS84）或參心座標系（Xian80）等。地理座標系一般用來表示地物的位置，不太適合用來測量地物的長度、面積等尺度大小。

（2）投影座標系

在平常工程設計中，咱們除了瞭解地理要素的位置以外，一般還須要瞭解地理要素的長度、面積等尺度大小，也須要了解不一樣地理要素之間的距離等屬性，測量單位一般爲米、公里等公制單位，所以就須要將地理座標系轉換爲以公制（米、公里等）單位爲座標系單位的投影座標系，這個過程就是地圖投影。

前面咱們講到，不一樣座標系之間的轉換存在變形，尤爲是地理座標系向投影座標系之間轉換，加上地球表面的複雜性，所以地理座標系向投影座標系轉換過程當中必然存在複雜的變形，同時也就會產生不一樣程度的偏差，爲了減小這種偏差以提升測繪的準確性，不一樣地域、不一樣尺度下就有不一樣的地圖投影方法，以減小轉換變形和偏差，提升測繪精度，所以也就有不一樣的投影座標系了。換個說法就是不一樣尺度或不一樣地域會用最接近於其對應地球表面的的球面去擬合地球球面，而後再進行投影變換，以獲得最接近於真實狀況的地球表面地物的座標值。這就是地圖投影及投影座標系的意義所在。

 

（3）我國常見座標系

在我國的測繪及相關地理信息產品中，常見的座標系有：

WGS84地理座標系（一般會用UTM橫軸墨卡託對其進行投影）

北京54座標系（包含地理座標系及其對應的投影座標系）

西安80座標系（包含地理座標系及其對應的投影座標系）

國家大地2000座標系（包含地理座標系及其對應的投影座標系）

地方獨立座標系（經常使用於局部區域的空間參考）

另外還有兩類座標系，分別爲GCJ0二、BD09座標系，也就是咱們常說的火星座標系和百度座標系，常見於國內網絡地圖產品，其中百度地圖相關產品使用的是百度座標系、國內其餘地圖產品用到的是火星座標系，這兩類座標系都是在國家大地座標系基礎上作了二次變形，並且其變形參數是保密的。（注意，Google地圖所用的是WGS84世界地理座標系）

 

【TIPS】
關於各類不一樣地理座標系及投影座標系的參數可經過網絡自行查閱，本文再也不贅述，以避免又把你們講暈。

【END】

2、ArcGIS中的動態投影

在講下一步以前，咱們在這裏先簡單說一下ArcGIS中的動態投影，這對於理解座標系空間參考也是很是重要的知識點。

動態投影就是在ArcGIS中，每個地理數據框架（MXD文件）能夠有一個獨立於數據的空間參考座標系，而這個座標系能夠與數據的座標系相同，也能夠不相同；不一樣數據之間的座標系也能夠相同，也能夠不一樣，只要是同一個地理空間範圍的數據並定義了正確的座標系，那麼在同一個地理數據框架（MXD）文件中，他們就能正確的空間疊加顯示和分析。

如圖2.1,爲某地區衛星影像圖，其空間參考座標系爲WGS84的地理座標系。

▲圖2.1 WGS84座標系數據

如圖2.2，爲相同地區的現狀用地圖斑，其空間參考座標系爲西安80投影座標系。

▲圖2.2 西安80座標系數據

如圖2.3，當咱們將上述圖2.一、2.2所示兩個不一樣數據加載到同一個MXD圖層框架中時，兩個不一樣座標系不一樣的數據圖層能自動對齊，這就是ArcGIS中神奇而又強大的動態投影。

▲圖2.3 動態投影顯示數據

3、爲何要統一使用2000座標系
要求《國土資源部 國家測繪地理信息局關於加快使用2000國家大地座標系的通知》（國土資發〔2017〕30號），2018年7月1日起，將在全系統各種天然資源空間數據全面使用2000國家大地座標系。

那爲何要統一使用2000國家大地座標系呢，根據前文的描述，咱們定義座標系的目的是經過數學方法擬合表示地理空間，不一樣座標系就是採用不一樣的數學描述方法對地理空間（某一區域地球表面）進行擬合，不一樣座標系也就是說不一樣的數學描述方法對地理空間的擬合精度是不同的，咱們在座標系設計的時候就是儘量的優化和修正這個數學方法，讓它更接近於咱們真實的地理空間，簡單理解，2000大地座標系就是比原來北京54和西安80可以更好擬合我國國土地理空間的一種座標系，使用2000大地座標系對我國天然地理要素進行空間位置和尺度描述時比原來的北京54和西安80更準確，所以咱們如今須要使用精度更高更準確的2000大地座標系。

4、各種座標系轉換2000座標系的方法

在咱們平常的規劃設計中，會遇到各類空間數據類型，概括起來主要包括矢量、柵格兩大類，不一樣的數據數據或許有座標系，或許沒有定義座標系，即便定義了座標系也多是各類不一樣的座標系，在這裏引用我在另外一篇推文裏面關於座標系定義和投影變換操做邏輯圖（詳情見《說說投影和座標系那些事兒》），請將圖中最後的"目標座標系"替換爲的2000座標系即爲轉換2000座標系的邏輯思路。

▲圖4.0 | 座標系和投影操做整體流程圖

（注意圖中黑色線條是針對單個數據的流程，藍色線條流程是針對多個數據的流程）

既然都要轉換爲2000座標系，就要分別進行闡述，本文根據各種座標系的轉換方法，整體上將數據分爲三大類，分別是已知座標系及座標參數的數據，已知座標系可是未知座標系參數的數據以及未知座標系的數據，下面分別針對本文描述的三大類數據及其轉換方法進行闡述。

4.1已知座標系及座標系參數

已知座標系及座標參數就是指咱們拿到一個數據，咱們明確知道其座標系爲某一特定座標系，並且有可能在其數據屬性中已經定義了對應的座標系信息，即便沒定義，咱們根據知道的座標系信息也能夠對其定義準確的座標系（對於數據的座標系定義請參考《說說投影和座標系那些事兒》），這類數據常見於以前國土、林業等部門提供的Shapefile格式數據，通常爲我國以前使用的北京54及西安80座標系，另外在網上下載的公開影像圖、數字高程DEM等數據也會有公開的WGS84座標系，對於這類數據，其轉換方法較爲簡單，由於北京5四、西安80以及國家大地2000座標系的座標參數都是內置於ArcGIS系統中的，其座標系之間的轉換能夠經過ArcGIS自動完成。

（1）如圖4.1.1，原始數據「衛星影像圖」座標系爲WGS84地理座標系，如今須要將其轉換爲國家2000大地座標系。

▲圖4.1.1 原始WGS84座標系數據

（2）如圖4.1.2，設置數據框圖層的座標系爲咱們須要轉換的目標座標系——國家2000大地座標系，此處應該選"投影座標系-Gauss Kruger-CGCS2000-CGCS2000 3 Degree GK CM 102E"，設置完點擊「確認」便可（有警告提示請點「是」）。

▲圖4.1.2 設置數據框座標系屬性

【TIPS】
一、CGCS2000跟西安80、北京54同樣都是採用的高斯克格的分帶投影方法，但這並不表明他們的座標系參數同樣，由於除了投影方法，還有他們的橢球體以及基準面是不同的，能夠按前文理解就是他們的座標系參考原點和座標軸的位置是不同的。

二、這裏選擇CGCS2000 3 Degree GK CM 102E的緣由是由於咱們所選擇的區域正好位於經度東經102度附近，因此在實際應用中請根據實際數據所在區域選擇離其最近的中央經線投影帶便可。（末尾的102E即表示該投影帶對應的中央經線）

【END】

 

（3）如圖4.1.3，在數據層上"右鍵_數據_導出數據"，在導出數據設置對話框按圖中將空間參考設置爲「數據框（當前）」，也就是咱們以前定義的國家2000大地座標系，這就是咱們須要轉換的目標座標系，按此設置後點擊保存便可，導出的數據會自動完成座標轉換。

▲圖4.1.3 按目標座標系導出數據

（4）如圖4.1.4，咱們打開轉換完成後的數據屬性，查看其座標系信息，已經成功轉換爲咱們的國家2000大地座標系。

▲圖4.1.4 轉換成果數據

經過對比，能夠發現轉換後的數據與轉換前的數據徹底重疊，彷佛並無變化，這正是由於兩個數據都是定義了「正確」的座標系，ArcGIS經過動態投影將該地理空間數據進行了正確的空間參考表達，所以兩個數據必然可以徹底重疊。

這種對於已知座標系及其參數的數據座標系轉換是相對簡單的轉換方法，因此咱們拿到數據首先就看其有沒有原始座標系，若是有的話咱們就能夠直接按這種方法進行座標系轉換。

通常狀況下，WGS8四、北京5四、西安80幾種座標系均可以按這種方法轉換爲國家2000大地座標系。

4.2已知座標系但未知座標系參數

已知座標系可是未知座標系參數是指咱們可以判斷某一個數據對應的座標系，可是因爲保密等緣由，其座標系參數是不公開的，因此即便咱們知道是某一個座標系，也不能將這個座標系定義到數據上，火星座標系和百度座標系就屬於這一類，出於保密要求，他們都是在國家標準大地座標系基礎上作了偏移和變形的，並且偏移和變形參數屬於保密信息，因此咱們沒法在GIS系統中直接對其定義相應的座標系。

對於這兩類座標系的轉換本文介紹兩種方法，分別爲手動矯正、配準和第三方輔助法。

（1）手動矯正、配準

手動矯正、配準是指在不知道數據的空間參考座標系的前提下，強制對其定義爲國家2000座標系，而後經過手動移動、變形等操做將其對齊到正確位置上。

在ArcGIS中針對矢量和刪格數據，分別使用空間矯正和地理配準來實現數據的手動矯正和配準。具體操做方法參照本公衆號歷史推文，本文再也不贅述：

《「空間校訂」在座標變換中的應用》、《「地理配準」在座標變換中的應用》

（2）第三方輔助法

第三方輔助法是指經過第三方工具實現座標系的轉換，該類工具網上較多，使用比較多的有城市數據派和南京師範大學張海平博士開發的GeoSharp、將來交通實驗室開發的萬能座標轉換工具等；另外，網上還有不少基於JAVA、Python語言的轉換代碼。針對第三方工具請參考對應使用手冊和幫助文件，對於轉換代碼須要必定編程基礎，本文做爲面向大部分規劃師的教程，不作深刻介紹，若是有興趣的能夠自行研究。

本文推薦在小範圍內的少許數據可使用手動矯正和地理配準的方法進行座標系轉換，對於數據量大，精度要求相對較高建議使用第三方工具或者代碼法進行轉換。

須要說明的是，常見的第三方工具及公開代碼一般只能將火星座標系或百度座標系轉換爲WGS84地理座標系，咱們一般須要在此基礎上按前文所述再將其轉換爲咱們須要的國家2000大地座標系。

4.3未知座標系（必然未知座標系參數）

未知座標系是指事先沒法知道數據自己的座標系信息，甚至也沒法從數據的座標值大概判斷其座標系信息。

（1）獨立座標系

獨立座標系是各地方制定的更符合當地擬合精度要求的座標系，因爲不一樣地方對應不一樣的獨立座標系，所以咱們是很難對獨立座標系進行統一的參數定義和屬性描述，何況獨立座標系的參數都是保密的，所以咱們也是沒法對數據進行獨立座標系的定義，此類座標系的正確轉換方法是交由當地測繪信息主管部門進行轉換，而後再進行使用。在沒法識別其是否爲獨立座標系或者沒法交由相關部門轉換的狀況下就只能將其做爲未知座標系進行轉換處理。

（2）其餘未知座標系

在規劃設計項目中，咱們還常常會遇到各種成果JPG甚至是PDF格式的圖紙，這類圖件就徹底不具備空間參考座標系了，若是咱們要將他歸入GIS信息系統中對其進行空間位置定義，就須要對其定義一個座標系，以便其識別準確的地理位置。

針對以上的未知座標系，若是須要將其轉換爲國家2000座標系也是先將其定義爲2000座標系，而後經過空間矯正（矢量數據）或地理配準（刪格數據）的方式進行座標系變換。

具體操做方法參照本公衆號歷史推文，本文再也不贅述：

《「空間校訂」在座標變換中的應用》、《「地理配準」在座標變換中的應用》

 

5、總結

座標系和投影變換的概念和操做一直是GIS學習中的重難點，甚至有人將其形容爲規劃專業學習GIS的壁壘，尤爲是在地信和測繪專業的語境中對座標系和地圖投影的介紹都會涉及到各類參數，這對於規劃專業的學生或者從業者來說無異於看天書，然而對於規劃師來說，若是不能很好的理解座標系和地圖投影的原理以及轉換方法，在GIS學習和使用過程當中必然會遇到各種莫名其妙的問題，而如今隨着天然資源部的成立，之後對於城鄉規劃中的地理空間參考的重視程度和要求必然會愈來愈高，統一使用2000座標系就是一個重要的標誌性事件，本文試圖經過此次契機，以理論解釋和實際操做相結合的形式，讓規劃師可以更好的理解空間參考座標系的含義，並可以在ArcGIS中方便快捷的完成規劃設計項目中的座標轉換，以此進一步幫助規劃師理解座標系的含義，激發GIS學習的興趣和積極性。

固然，因爲做者能力有限，文中不免有錯誤和不足，本文僅做爲規劃師入門學習座標系和投影變換的建議參考操做手冊，系統的理論知識還請查閱相關專業書籍或教程，在座標轉換過程當中或者針對本文有任何疑問或者問題請在本公衆號（UGISER）留言或者直接添加後臺微信號（UGISER0084）諮詢，因爲是非商業運營，後臺回覆可能不及時，敬請諒解！