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「GIS」ArcGIS基礎知識

作者:由 DuoDuo士多 發表于 收藏日期:2022-12-12

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ArcGIS基礎知識

1、概念

座標系統,是描述物質存在的空間位置(座標)的參照系,透過定義特定基準及其引數形式來實現。座標是描述位置的一組數值,按座標的維度一般分為一維座標(公路里程碑)和二維座標(笛卡爾平面直角座標、高斯平面直角座標)、三維座標(大地座標、空間直角座標)。為了描述或確定位置,必須建立座標系統,座標只有存在於某個座標系統才有實際的意義與具體的位置。座標系統(Coordinate System),在ArcGIS中也被稱為“空間參考(Spatial Reference)。

地球是一個球體,球面上的位置,是以經緯度來表示,它稱為“球面座標系統”或“地理座標系統”。投影座標系經由地理座標系投影的過程,把球面座標換算為平面直角座標,便於印刷與計算角度與距離。

地理座標系是球面座標,參考平面是橢球面,座標單位是經緯度;

投影座標系是平面座標系,參考平面是水平面,座標單位是米、千米等。

地理座標系轉換到投影座標系的過程理解為投影,即將不規則的地球曲面轉換為平面。

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2、地理座標系(Geographic Coordinate System)

(1)參考橢球體

地球表面是一個凸凹不平的表面,而對於地球測量而言,地表是一個無法用數學公式表達的曲面,這樣的曲面不能作為測量和製圖的基準面。假想一個扁率極小的橢圓,繞地球體短軸旋轉所形成的規則橢球體稱之為地球橢球體。

地球橢球體與地球形體非常接近,是一個形狀規則的數學表面,在其上可以做嚴密的計算,而且所推算的元素(如長度、角度)同大地水準面上的相應元素非常接近。

在滿足地心定位和雙平行條件下,確定橢球引數(長半軸、扁率)使它在全球範圍內與大地體最密合的地球橢球,稱為總地球橢球。

在區域性區域,具有確定的橢球引數,經過區域性定位和定向,同某一地區的國家大地水準面最佳擬合的地球橢球,稱為參考橢球。總地球橢球和參考橢球示意圖如圖所示。

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參心座標系是以參考橢球的幾何中心為原點,橢球定位與區域性區域的大地水準面最為密合而建立的座標系。其定義為:原點o位於參考橢球的中心,z軸平行於參考橢球的旋轉軸,x軸指向起始大地子午面和參考橢球赤道的交點,y軸垂直於xoz平面,構成右手座標系。

地心座標系是以地球質量中心為原點的座標系,其橢球中心與地球質心重合,且橢球定位與全球大地水準面最為密合。其定義為:原點o與地球質心重合,z軸指向地球北極,x軸指向格林尼治子午面與地球赤道的交點,y軸垂直於xoz平面,構成右手座標系。

無論是參心座標系還是地心座標系均有兩種表現形式:空間直角座標系(以x、y和z表示座標元素)和大地座標系(以緯度b、經度l和高度h表示座標元素)。如圖所示。

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地心地理座標系統:橢球的球心=地球的質心

參心地理座標系統:橢球的球心≠地球的質心

常用地心地理座標系:WGS84和CGCS2000。

常見參心座標系:北京54和西安80,它們的橢球體分別是克拉索夫斯基1940橢球體和IUGG1975橢球體。

(2)大地基準面

確定了一個規則的橢球表面以後,我們會發現還有一個問題,參考橢球體是對地球的抽象,因此其並不能去地球表面完全重合,在設定參考橢球體的時候必然會出現有的地方貼近的好(參考橢球體與地球表面位置接近),有地地方貼近的不好的問題,因此這裡還需要一個大地基準面來控制參考橢球和地球的相對位置。 這是地球表面的第三級逼近。

大地基準面是在特定區域內與地球表面極為吻合的橢球體。

大地基準面 = 橢球體 + 本初子午線

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基準面主要有兩類:

地心基準面:由衛星資料得到,使用地球的質心作為原點,使用最廣泛的是 WGS 1984。

區域基準面:特定區域內與地球表面吻合,大地原點是參考橢球與大地水準面相切的點,例如Beijing54、Xian80。我們通常稱謂的Beijing54、Xian80座標系實際上指的是我國的兩個大地基準面。

(3)地理座標系

地理座標系 = 基準面 + 本初子午線 + 角度測量單位

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編輯 注:WKID即Well Known ID,眾所周知的ID號的意思。EPSG是管理這些ID號的一個組織,故WKID也常稱為EPSG代號。

(4)ArcGIS中的地理座標系

在ArcGIS中地理座標系由三個引數來定義:角度單位(Angular Unit)、本初子午線(Prime Meridian)和大地測量系統(Datum)。地理座標系“GCS_WGS_1984”使用的角度單位為“度(Degree)”,0。0174532925199433這個數字等於“π/180”,使用的本初子午線為0。0度經線,即格林威治皇家天文臺(Greenwich)所在位置的經線,使用的大地測量系統則為“D_WGS_1984”。地測量系統的最重要的引數是“橢球(Spheroid)”。橢球相同,大地測量系統不一定相同,因為原點(origin)和方位(orientation)可以不同。“D_WGS_1984”大地測量系統使用的橢球為“WGS_1984”,而“WGS_1984”橢球的“長半軸(Semimajor Axis)”和“短半軸(Semiminor Axis)”分別為6378137。0和6356752。314245179,其“反扁率(Inverse Flattening)”為298。257223563,等於Semimajor Axis/( Semimajor Axis - Semiminor Axis)。

3、投影座標系(Projected Coordinate System)

地理座標系經過投影后變成投影座標系,投影座標系因此由地理座標系和投影組成,投影座標系必然包括有一個地理座標系。

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投影座標系 = 地理座標系 + 投影方式 + 線性單位

(1)投影方式

國際間普遍採用的一種投影,是即橫軸墨卡託投影(Transverse Mecator Projection),又稱為高斯-克呂格投影(Gauss-Kruger Projection),在小範圍內保持形狀不變,對於各種應用較為方便。可以想象成將一個圓柱體橫躺,套在地球外面,再將地表投影到這個圓柱上,然後將圓柱體展開成平面。圓柱與地球沿南北經線方向相切,這條切線稱為“中央經線”。

我國主要採用該投影,適用於1:1萬、1:2。5萬、1:5萬、1:10萬、1:25萬、1:50萬比例尺的地形圖。

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高斯-克呂格和 UTM (UNIVERSALTRANSVERSEMERCARTORGRIDSYSTEM,通用橫墨卡託格網系統)投影都是橫向圓柱投影。在高斯-克呂格圖中,橫向圓柱與中央子午線相切,而在 UTM 圖中橫向圓柱切割是橢球的,這將導致在距中央子午線約 180 公里處有兩個穿透圓,它們被投影成真實的長度。UTM 中的中央經線以 0。9996 的比例因子投影。

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(2)分度帶計算

CGCS2000座標系分度帶帶號計算

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上圖中展示的帶號的分佈, 我們只需要知道當前資料的地理位置,在地圖軟體中(如百度地圖、高德)等拾取該地方的地理位置經緯度。計算方法如下:

6度帶帶號= 經度/6 向上取整

6度帶中央經線=(6度帶帶號*6)-3

3度帶帶號=(經度-1。5°)/3 向上取整

3度帶中央經線=3度帶帶號*3

如廣州位於東經113。280637,北緯23。125178,按3度帶計算,帶號為38度帶,中央經線為114°E。

選擇CGC S2000投影座標系:

CGCS2000_3_Degree_GK_CM_114E(無帶號)

CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_38(有帶號)

WGS 1984座標系UTM分度帶帶號計算

UTM是由美國製定,因此起始分帶並不在本初子午線,而是在180度,因而所有美國本土都處於0-30帶內。UTM投影採用6度分帶,從東經180度(或西經180度)開始,自西向東算起,因此1帶的中央經線為-177(-180 -(-6)),而0度經線為30帶和31帶的分界,這兩帶的分界分別是-3和3度。緯度採用8度分帶,從80S到84N共20個緯度帶(X帶多4度),分別用C到X的字母來表示。為了避免和數字混淆,I和O沒有采用。UTM的“false easting”值為500km,而南半球UTM帶的“false northing”為10000km

北半球地區,選擇最後字母為“N”的帶;帶數=(經度整數位/6)的整數部分+31

如廣州位於東經113。280637,北緯23。125178,按UTM分度帶計算,帶號為49度帶。

選擇WGS1984投影座標系:WGS_1984_UTM_Zone_49N

4、常用座標系及其轉換

(1)國內常用座標系

WGS84(EPSG:4326) : 目前最流行的地理座標系統,美國GPS就是使用的這個。一般的國外地圖如谷歌地圖、OpenStreetMap(OSM)均採用WGS84。

Pseudo-Mercator(EPSG:3857) : 投影座標系。偽墨卡託投影,也稱為球體墨卡託,Web Mercator。它是基於墨卡託投影的,把 WGS84 投影到正方形。各大網際網路地圖公司以它為準。偽墨卡託非常適合顯示資料、但不適合儲存資料。一般用 WGS84 儲存資料、用偽墨卡託顯示資料。

CGCS2000(4490) : 國家大地座標系,類似於WGS84,是原始座標系,與WGS84相近,除釐米級的高精應用外,一般可將WGS84和CGCS2000視為一樣。國家背書的天地圖採用CGCS2000。

xian80(4610) : 1980年西安座標系,又簡稱西安大地原點,二維座標,現已退出歷史舞臺。2018年12月14日,自然資源部宣佈自2019年1月1日起,全面停止向社會提供1954年北京座標系和1980西安座標系基礎測繪成果。

beijing54(4214) : 北京54座標系(BJZ54),二維座標,現已退出歷史舞臺。2018年12月14日,自然資源部宣佈自2019年1月1日起,全面停止向社會提供1954年北京座標系和1980西安座標系基礎測繪成果。

GCJ02,又稱火星座標系,是我國測繪局(國測局,GCJ)制定的座標系,由WGS84座標系加密而成。一般的國內企業地圖服務如高德地圖、騰訊地圖均採用GCJ02。

BD09,即百度座標系,是百度地圖在GCJ02的基礎上進行二次加密後得到的座標系。

(2)座標系統轉換

ArcGIS

首先確定原始資料的座標系,如無則需要根據經驗定義座標系,然後根據需要選擇柵格或向量工具進行座標轉換。主要使用ArcTools>Data Management Tools>Projections and Transformatios中的工具。

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線上轉換工具

千尋:千尋知位

超圖:座標轉換工具 (supermapol。com)

空間投影座標轉換 (huangliuxu。com)

高程系統

1、概念

高程系統是指相對於不同性質的起算面(大地水準面、似大地水準面、橢球面等)所定義的高程體系。高程系統採用不同的基準面表示地面點的高低,或者對水準測量資料採取不同的處理方法而產生不同的系統,分為正高、正常高、力高和大地高程等系統。高程基準面基本上有兩種:一是大地水準面,它是正高和力高的基準面;二是橢球面,它是大地高程的基準面。此外,為了克服正高不能精確計算的困難還採用正常高,以似大地水準面為基準面,它非常接近大地水準面。

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2、常用高程系

(1)1956黃海高程

黃海高程系以青島驗潮站1950至1956年驗潮資料算得的平均海面為高程系統零點。原點設在青島市觀象山。該原點以“1956年黃海高程系”計算的高程為72。289米。

(2)1985國家高程

由於計算這個基面所依據的青島驗潮站的資料系列(1950年至1956年)較短等原因,中國測繪主管部門決定重新計算黃海平均海面,以青島驗潮站1952年至1979年的潮汐觀測資料為計算依據,並用精密水準測量監測位於青島的中華人民共和國水準原點,得出1985年國家高程基準高程和1956年黃海高程的關係:1985年國家高程基準高程=1956年黃海高程-0。029m。

(3)廣州高程

廣州高程 = 1985國家高程 + 4。26(米)廣州高程 = 1956黃海高程 + 4。41(米)

(4)珠基高程

根據2020年8月廣東省自然資源廳http://nr。gd。gov。cn/hdjlpt/detail?pid=783420

珠江高程基準是由水利部門建立的,與1985國家高程基準的關係請諮詢相關水利部門。

根據2021年12月份,廣東省水利廳http://slt。gd。gov。cn/dawenku/gcjgl/content/post_3709656。html

1985國家高程=珠江基面+0。744米。

3、CORS系統

連續執行衛星定位導航服務系統(CORS) 是測繪的基礎設施建設,也是資訊社會、知識經濟時代必備的基礎設施。CORS系統使用GPS,以後可能綜合應用GPS、GLONASS、GLOLILEO 和北斗系統。CORS由若干個連續執行的GPS基準站、資料處理控制中心資料傳輸與發播系統和移動站(使用者一單臺GPS接收機)組成。

使用RTK測量的高程依賴於WGS-84橢球面,所以使用RTK測量的高程屬於以橢球面為起算面的大地高程。我國現在常用的1985國家高程基準(以下簡稱85高程)是以黃海平均海平面為統一基準面,屬於以似大地水準面為起算面的正常高系統。CORS不能直接測85高程,需要轉換。在有控制點的情況下,可以使用高程擬合或者求七引數的方法。如果沒有控制點,則需要去當地的省/市CORS中心進行轉化。

4、DEM

數字高程模型( digital elevation model ,簡稱DEM)是採用規則或不規則多邊形擬合面狀空間物件的表面,主要是對數字高程表面的描述。根據多邊形的形狀,可以把DEM分為兩種,即格網模型和TIN模型,其中又以TIN模型運用的居多。DEM的主要優點是能夠方便地進行空間的分析和計算。常用DEM:

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一般各類公開DEM檔案(非國產和自制的DEM檔案),均採用WGS84座標系,高程基準為WGS84橢球。在實際應用,如果需要用到85黃海高時,均需要透過高程控制點進行控制。因此,一般DEM提供的主要是相對高程,絕對高程需要透過處理後獲得。