【ArcGIS】基本概念-空间参考与变换

1 空间参考与地图投影

1.1 空间参考

空间参考是用于存储各要素类（element）和栅格数据集（raster）坐标属性的坐标系。

1.坐标系统
坐标系统是一个二维或三维的参照系,用于定位坐标点,通过坐标系统可以确定要素在地球上的位置。比较常用的坐标系统有两种：大地坐标系和投影坐标系。

2.坐标域
坐标域是一个要素类中,X、Y、Z和M坐标的允许取值范围。一般来说，定位地理位置只需要X和Y坐标。可选的Z和M坐标用来存储高程值和里程值（高程值Z可用于3D分析，里程值M可用于线性参考等）。
在Geodatabase中，空间参考是独立要素类和要素集的属性，要素集中的要素类必须应用要素集的空间参考。空间参考必须在要素类或要素集的创建过程中设置，一旦设置完成，只能修改坐标系统，而无法修改坐标域。

在 Geodatabase的坐标系中,有以下几个重要参数：Precision，X、Y domain，Z domain，M domain，Resolution等。为提高存储和处理效率，要素的坐标值存储整数。

• Precision是要素坐标值的放大倍数，决定了要素坐标的小数点后的位数，或者说决定了要素坐标的有效位数。
• X、Y domain 是要素的X、Y坐标值可允许的输人范围。
• Zdomain和M domain分别是Z坐标和M 坐标可允许的输入范围。其中,minX、minY、minZ和minM是坐标偏移量的起算位置。
• Precision参数由软件自动计算，用户只需设置Resolution参数。
• Resolution指分辨率，代表当前地图范围内1像素代表多少地图单位，地图单位取决于数据本身的空间参考，一般来说，使用默认值即可。

1.2 大地坐标系（地理坐标系）

地理坐标系（Geographic Coordinate System），是使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。一个地理坐标系包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。
在球面系统中，水平线是等纬度线或纬线。垂直线是等经度线或经线。

1.3 投影坐标系

投影坐标系 （Projected Coordinate System）平面坐标系统地图单位通常为米 ，也称非地球投影坐标系统（notearth），或者是平面坐标。
投影坐标系始终基于地理坐标系，而后者是基于球体或旋转椭球体的。大地坐标系是一个不可展的曲面,以经纬度为单位。而地图是一个平面,且实际工作中经常需要对长度和面积进行量算，所以需要将坐标系统由曲面转换为平面，并将坐标值单位由度转换为米等长度单位,这样的转换方法称为地图投影。投影后平面的、以米为单位的坐标系统称为投影坐标系统。

我国现行的大于1:50万比例尺的各种地形图都采用高斯-克吕格投影。高斯-克吕格投影属于等角投影，没有角度变形。常用的1954北京坐标系和1980西安坐标系的投影坐标系统采用的就是高斯-克吕格投影。

投影坐标系由以下参数确定：

• 地理坐标系（由基准面确定，比如：北京54、西安80、WGS84）
• 投影方法（比如高斯克吕格（Gauss Kruger）投影、兰伯特正形圆锥（Lambert Conformal Conic）投影、Mercator投影、阿尔伯斯等面积圆锥（Albers Equal Area Conic）投影）
  ① 高斯克吕格（Gauss Kruger）投影：
  ② 兰伯特正形圆锥（Lambert Conformal Conic）投影：
  ③ 阿尔伯斯等面积圆锥（Albers Equal Area Conic）投影：和兰伯特正形圆锥投影类似，同样需要定义两条基准纬线。不同的是阿尔伯斯投影是等面积投影，地图的面积和真实面积相同。地图存在形状和距离的变形

总结

（1）地理坐标系：为球面坐标。 参考平面地是椭球面，坐标单位：经纬度；
（2）投影坐标系：为平面坐标。参考平面地是水平面，坐标单位：米、千米等；
（3）地理坐标转换到投影坐标的过程可理解为投影。（投影：将不规则的地球曲面转换为平面）

2 投影变换预处理

当数据的空间参考系统（坐标系统、投影方式等）与用户的需求不一致时，就需要对数据进行投影变换。
同样，在完成本身有投影信息的数据采集时，为了保证数据的完整性和易交换性，要定义数据投影。这时，就需要进行一些预处理，如利用定义投影工具为数据预先定义投影，以便用于后续操作；利用创建自定义地理（坐标）变换工具，创建符合实际需要的坐标转换方法等。

2.1 定义投影

坐标系的信息通常从数据源获得。如果数据源具有已定义的坐标系，ArcMap可将其动态投影到不同的坐标系中；反之，则无法对其进行动态投影。因此，在对未知坐标系的数据进行投影时，需要先使用定义投影工具为其添加正确的坐标信息。此外,如果某一数据集的坐标系不正确，也可使用该工具进行校正。定义投影的操作步骤如下：

2.2 转换自定义地理（坐标）变换

有时需要对一个地区的数据进行地理坐标转换，如将1954北京坐标系转换为WGS84坐标系，但系统提供的地理变换方法不能满足实际需要，可根据自身需求自定义地理变换，用于在两个地理坐标系或基准面之间进行数据转换。

2.3 转换坐标记法

转换坐标记法将包含点坐标字段的表转换为点要素类。输入表的坐标字段可以有多种记法，例如GARS(全球区域参考系统)、UTM(通用横轴墨卡托投影)和MGRS(军事格网参考系)，输出的点要素类中包含该坐标字段。

3 投影变换

投影变换是指将一种地图投影转换为另一种地图投影，主要包括投影类型、投影参数和椭球体参数等的改变。在ArcToolbox的【数据管理工具】下的【投影和变换】工具集中有栅格（Raster）和要素（Element）两种类型的数据变换。

3.1 矢量数据的投影变换

3.2 栅格数据的投影变换

另：ArcGIS中地理配准与空间校正的不同

1、处理对象不同：
地理配准针对栅格数据，而空间校正针对矢量数据。
因此空间校正需要建立在矢量数据编辑的基础上，空间校正之前应开始编辑。
2、处理算法不同：
地理配准：包括样条函数、二阶多项式、三阶多项式的栅格重采样变换方法。

几何校正：包括相似变换、仿射变换、投影变换、橡皮页变换等几何变换方法。

参考

1、书籍-ArcGIS 10地理信息系统教程-从初学到精通