从零开始学习GIS：坐标系统

 

地球这么大，如何确定测量原点呢？对于规则的球体来说，没有比几何球心更好的原点了，可地球不是个“正经”的球啊，它的球心在哪呢？
 

参心坐标系的原点与某一地区或国家所采用的参考椭球中心重合，与其所在地区的大地水准面最佳拟合，属于局部坐标系统。在当时的科学发展水平上，局部大地坐标系已能基本满足各国大地测量和制图工作的要求。比如我国的北京54、西安80 都是应用于我国范围内的参心坐标系。

 

但是为了研究地球形状的整体及其外部重力场以及地球动力现象；特别是50年代末，人造地球卫星和远程弹道武器出现后，为了描述它们在空间的位置和运动，以及表示其地面发射站和跟踪站的位置，这些需要从全球范围考虑定位问题时，参心坐标系已经不能满足需求。

 

这就好比你在小区遛狗，如果问你狗在哪呢？你可以说狗在小池塘东面5米处；某天你家傻狗不满足只在小区里玩耍了，非要跑到十几里地外的公园里耍，这时再问你狗在哪呢？你总不能说狗在小区池塘西面5千米处，不合适啊！

既然在全球范围下，参心坐标系已经不合适了，考虑到卫星和弹道武器的空间位置定位地球引力问题，此时地球质心自然出现在人们视野中。地心坐标系是在大地体系内建立的OXYZ坐标系，与参心坐标系不同的是它的坐标原点 O 变成大地体的质量中心，即地球质心。质心的测算是个复杂的工程，它不仅为确定地球表面、大气以及空间位置的相对运动提供了参考系，也对人们研究海平面变化、地震、火山以及冰川消退对地球的影响至关重要。

 

耳熟能详的 WGS84 、CGCS2000 坐标系就是地心坐标系，WGS84 是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统，也是如今很多互联网地图采用的坐标系统；CGCS2000 是在北京54、西安80这两种局部坐标系不能满足中国经济建设和国防建设需要时建立的全球坐标系。

我们常看到新闻报导说东经多少度，北纬多少度发生地震，这里面所说的经纬度就属于地理坐标系统。地球表面南北距离的度数，以赤道为 0°，以北为北纬，以南为南纬，南北各 90°。通过某地的纬线跟赤道相距的度数，就是该地的纬度，如下图 ∠POP'；把通过英国格林尼治天文台原址的子午线定为 0°，叫做本初子午线。以东 180° 为东经，以西 180° 为西经。某地的经度值即该地的子午线和本初子午线相距的度数，如下图 ∠XOP'。

由上图可以看出，椭球体和水准面决定了坐标系类型。北京54和西安80属于参心坐标系。北京54采用的是克拉索夫斯基椭球体，西安80采用的是IAG75椭球体，由于采用了不同的椭球体，相同坐标所代表的位置是有差距的。

 

WGS84 和 CGCS2000 属于地心坐标系。WGS84 采用的椭球体是WGS84 椭球体，CGCS2000 采用的椭球体是 CGCS2000 椭球体。地球只有一个质心，只是测不测得精确的问题而已，因此 CGCS2000 椭球和WGS84 椭球极为相似，偏差仅有 0.11mm，完全可以兼容使用。

 

地理坐标系统中经纬度本身不带单位，度分秒仅仅是一个进制；另外，同样是1度经度，在不同的纬度带表示的弧段长是不一样的，这给面积计算，定量计算等带来困难；我们日常生活中的地图及量测空间通常是二维平面，因此在地图制图和线性量测时首先要考虑把曲面转化为平面，投影坐标系统就是鉴于这些问题而被科学家提出。

 

地图投影的实质就是建立地球椭球表面上的点与地图平面上的点之间的对应关系，将建立在球体上的地理坐标系下的经纬度坐标，通过一种投影方法转为平面上的直角坐标。可见，投影坐标系 = 地理坐标系 + 投影方式。

 

投影肯定会有变形，所以为了最大化的减少变形产生的误差，不同的应用场景和应用区域采用的投影方式也不同，我们常见的投影类型有：高斯克吕格（Gauss Kruger）投影、墨卡托（Mercator）投影和兰伯特（Lambert）投影等，下一篇文章会详细介绍这些常用投影方式。

 

根据坐标系的使用区域范围划分出了参心坐标系和地心坐标系，如果只考虑在小范围比如只在一个国家内使用，且对定位精度有较高的要求，就应该采用参心坐标系；相反，如果使用场景涉及全球范围，比如卫星定位，就需要采用地心坐标系，除非这个卫星只限制在本国使用或者说不考虑其他区域的定位精度，这显然不现实。地理坐标系是指用经纬度来确定地物位置的坐标系统，它可能属于地心坐标系，或者是参心坐标系，这由它的应用范围决定；投影坐标系是为了量测、制图产生的一种坐标系，是地理坐标系结合一种合适的投影方式形成的一种具有应用特色的坐标系统。

本文作者：码上GIS