02.自定義坐標(biāo)系和投影變換

1、1 .概述1.1 地理投影的基本原理常用到的地圖坐標(biāo)系有 2種，即地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是以經(jīng)緯度為單位的地球坐標(biāo)系統(tǒng)，地理坐標(biāo)系中有2個(gè)重要部分，即地球橢球體（spheroid ）和大地基準(zhǔn)面（datum ）。由于地球表面的不規(guī)則性，它不能用數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)，也就無(wú)法實(shí)施運(yùn)算， 所以必須找一個(gè)形狀和大小都很接近地球的橢球體來(lái)代替地球，這個(gè)橢球體被稱為地球橢球體，我國(guó)常用的橢球體如下表所示。表：我國(guó)常用橢球體WGS8419846378137.06356752.31 : 298.257克拉索夫斯基（Krasovsky)19406378245.06356863.01 : 298.3Xia

2、n_198019756378140.06356755.31 : 298.257CGCS2000(CRS80)20086378137.06356752.31 : 298.257大地基準(zhǔn)面指目前參考橢球與WGS84參考橢球間的相對(duì)位置關(guān)系（3個(gè)平移，3個(gè)旋轉(zhuǎn)，1個(gè)縮放），可以用其中 3個(gè)、4個(gè)或者7個(gè)參數(shù)來(lái)描述它們之間的關(guān)系，每個(gè)橢球體 都對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)大地基準(zhǔn)面。投影坐標(biāo)系是利用一定的數(shù)學(xué)法則把地球表面上的經(jīng)緯線網(wǎng)表示到平面上，屬于平面坐標(biāo)系。數(shù)學(xué)法則指的是投影類型，目前我國(guó)普遍采用的是高斯一一克呂格投影，在英美國(guó)家稱為橫軸墨卡托投影（Transverse Mercator ）。高斯克呂格投影的

3、中央經(jīng)線和赤道為互相垂直，分帶標(biāo)準(zhǔn)分為 3度帶和6度帶。美國(guó)編制世界各地軍用地圖和地球資源衛(wèi)星像片所采用的全球橫軸墨卡托投影（UTM ）是橫軸墨卡托投影的一種變型。高斯克呂格投影的中央經(jīng)線長(zhǎng)度比等于 1 , UTM投影規(guī)定中央經(jīng)線長(zhǎng)度比為0.9996 。我國(guó)規(guī)定1:1萬(wàn)、1 : 2.5萬(wàn)、1:5萬(wàn)、1 : 10萬(wàn)、1 : 25萬(wàn)、1 : 50萬(wàn)比例尺地形圖，均采用高斯克呂格投影。1 : 2.5萬(wàn)至1 : 50萬(wàn)比例尺地形圖采用經(jīng)差6度分帶，1: 1萬(wàn)和1 : 2.5萬(wàn)比例尺地形圖采用經(jīng)差 3度分帶。1.2 國(guó)內(nèi)坐標(biāo)系介紹大地坐標(biāo)，在地面上建立一系列相連接的三角形，量取一段精確的距離作為起算邊，

4、在這個(gè)邊的兩端點(diǎn)，采用天文觀測(cè)的方法確定其點(diǎn)位(經(jīng)度、緯度和方位角)，用精密測(cè)角儀器測(cè)定各三角形的角值，根據(jù)起算邊的邊長(zhǎng)和點(diǎn)位，就可以推算出其他各點(diǎn)的坐標(biāo)。這樣推算出的坐標(biāo)，稱為大地坐標(biāo)。我國(guó)1954年在北京設(shè)立了大地坐標(biāo)原點(diǎn)，由此計(jì)算出來(lái)的各大地控制點(diǎn)的坐標(biāo)，稱為1954年北京坐標(biāo)系。為了適應(yīng)大地測(cè)量的發(fā)展，我國(guó)于 1978年采用國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)推薦的Xian_1980地球橢球體建立了我國(guó)新的大地坐標(biāo)系，并在1986年宣布在陜西省涇陽(yáng)縣設(shè)立了新的大地坐標(biāo)原點(diǎn)，由此計(jì)算出來(lái)的各大地控制點(diǎn)坐標(biāo)，稱為 1980年大地坐標(biāo)系。隨著社會(huì)的進(jìn)步，國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展、科學(xué)研究等對(duì)國(guó)家大地坐標(biāo)

5、系提出了新的要求，迫切需要采用原點(diǎn)位于地球質(zhì)量中心的坐標(biāo)系統(tǒng)作為國(guó)家大地坐標(biāo)系。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(China Geodetic Coordinate System 2000, CGCS2000 )是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，CGCS2000是我國(guó)當(dāng)前最新的國(guó)家大地坐標(biāo)系。我們經(jīng)常給影像投影時(shí)用到的北京54、西安80和2000坐標(biāo)系是投影直角坐標(biāo)系，如下表所示為國(guó)內(nèi)坐標(biāo)系采用的主要參數(shù)。從中可以看到我們通常稱謂的北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系實(shí)際上指的是我國(guó)的大地基準(zhǔn)面。表：北京54、西安80和2000坐標(biāo)系參數(shù)列表北京54Gauss Kr

6、uger(Transverse Mercator)KrasovskyD_Beijing_1954西安80Gauss Kruger(Transverse Mercator)IAG75D_Xian_1980CGCS2000Gauss Kruger(Transverse Mercator)CGCS2000D_China_20001.3 參數(shù)的獲取對(duì)于地理坐標(biāo)，只需要確定兩個(gè)參數(shù)，即橢球體和大地基準(zhǔn)面。對(duì)于投影坐標(biāo)，投影 類型為 Gauss Kruger (Transverse Mercator ),除了確定橢球體和大地基準(zhǔn)面外，還需 要確定中央經(jīng)線。大地基準(zhǔn)面的確定關(guān)鍵是確定7個(gè)參數(shù)(或者其中幾個(gè)參

7、數(shù))，北京 54基準(zhǔn)面可以用三個(gè)平移參數(shù)來(lái)確定，即 "-12,-113,-41,0,0,0,0",很多軟件近似為80坐標(biāo)系與其他坐標(biāo)系的Coord MG 。Krasovsky(0,0,0,0,0,0,0)基準(zhǔn)面；西安80的7參數(shù)比較特殊，各個(gè)區(qū)域不一樣。一般有兩個(gè)途徑：一是直接從測(cè)繪部門(mén)獲取；二是根據(jù)三個(gè)以上具有西安同名點(diǎn)坐標(biāo)值，利用軟件來(lái)推算，有一些綠色軟件具有這個(gè)功能，如中央經(jīng)線獲取可有以下兩種方法，第一種根據(jù)已知帶號(hào)計(jì)算，6度帶用6*N-3 , 3度帶用3*N ;第二種方法是根據(jù)經(jīng)度從下圖中查找。圖：高斯一一克呂格投影的分帶2 .詳細(xì)操作步驟ENVI中的坐標(biāo)定義文件存

8、放在安裝路徑下的map_proj文件夾內(nèi)，在不同的ENVI版本中路徑稍有不同，分別為： ENVI 4.x : HOMEITTIDLXXproductsenvi4Xmap_proj ENVI 5.x : HOMEExelisENVI5Xclassicmap_proj在map_proj文件夾內(nèi)有三個(gè)文本文件記錄了坐標(biāo)信息，分別為： ellipse.txt橢球體參數(shù)文件 datum.txt基準(zhǔn)面參數(shù)文件 map_proj.txt坐標(biāo)系參數(shù)文件在ENVI中自定義坐標(biāo)系分三步：定義橢球體、基準(zhǔn)面和定義坐標(biāo)參數(shù)。2.1 添加橢球體修改文件為ellipse.txt ,語(yǔ)法為橢球體名稱 >,< 長(zhǎng)

9、半軸 >,< 短半軸 >。這里的逗號(hào)為 英文半角輸入狀態(tài)下的逗號(hào)，建議直接復(fù)制文件中已有的橢球體進(jìn)行修改。這里將下面三行加在ellipse.txt文件的末尾，保存關(guān)閉即可。最終效果如下圖所示。 Krasovsky,6378245.0,6356863.0 Xian_1980 ,6378140.0,6356755.3 CGCS2000,6378137.0,6356752.3注：ellipse.txt文件中已經(jīng)有了克拉索夫斯基橢球，由于翻譯原因，這里的英文名稱是Krassovsky ,為了讓其他軟件平臺(tái)識(shí)別，這里新建一個(gè)Krasovsky 橢球體。橢球體Krasovslcy, 63

10、7825. 0, 6356861 0Xi an9 ¥0, 6378140. 0, 6356755. 3CGCS2000, 6378137. 0, 5356752. 3圖：定義橢球體2.2 添加基準(zhǔn)面修改文件為datum.txt ,語(yǔ)法為 < 基準(zhǔn)面名稱 >,< 橢球體名稱 >,< 平移三參數(shù)>。這里將下面三行添加在datum.txt 文件末尾，保存關(guān)閉即可。最終效果如下圖所示。 D_Beijing_1954, Krasovsky, -12, -113, -41 D_Xian_1980,IAG-75,0,0,0 D_China_2000,CGCS20

11、00,0,0,0注：為了更好的與 ArcGIS系列產(chǎn)品兼容，從 ENVI 4.7開(kāi)始，所有產(chǎn)品包括 ENVI、ENVI+IDL、ENVI Zoom 和ENVI Ex ,全部采用 ArcGIS投影轉(zhuǎn)換引擎(ENVI4.7之前的 版本用的是GCTP 常規(guī)制圖轉(zhuǎn)換包)。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，ENVI菜單中所有的投影操作不變， 同時(shí)還直接支持 ArcGIS中的投影類型。但是自定義坐標(biāo)系時(shí)有一些改變，需要基準(zhǔn)面名稱、投影坐標(biāo)系名稱與 ArcGIS完全一致即可，字母的大小寫(xiě)也要相同。工山-evwi - U文用F)同5 MmWG£-S4, WG£ 04, Qt 0, 0.Yacarer Inter

12、national -155, 171, 37Zandcrijr Internationa 26Sr L20( '558D Beijing 1954. Krasovsky, -12, -113, -41'Xi a n J9 80.IAG 75,0.0,0DyChina_2000FCGCS2000FOAO圖：定義基準(zhǔn)面2.3定義坐標(biāo)系在ENVI任何用到投影坐標(biāo)的功能模塊中都可以新建坐標(biāo)系（在任何地圖投影選擇對(duì)話框中，點(diǎn)擊"New"按鈕即可）。下面我們以ENVI Classic為例，添加一個(gè)北京54坐標(biāo)系, 信息如下：北京 54坐標(biāo)系、帶號(hào)為 20、中央經(jīng)線117

13、E、不添加帶號(hào)信息。操作步驟如下：1 .打開(kāi) ENVI Classic ,選擇 Map > Customize Map Projection 工具；2 .在彈出的 Customized Map ProjectionDefinition對(duì)話框內(nèi)填寫(xiě)如圖所示參數(shù)，其中 Projection Name 保持與 ArcGIS中的名稱一致；3 . 選擇 Projection > Add New Projection ，保存投影坐標(biāo)系；4 .選才F File > Save Projections ，在彈出對(duì)話框中點(diǎn)擊 OK ,將新建坐標(biāo)系保 存在map_proj.txt文件內(nèi)，以便下次啟

14、動(dòng) ENVI后依然可以使用。注：投影類型選擇 Transverse Mercator , Scale factor 填寫(xiě) 1 ,與 Gauss-Kruger等同。False easting 中如果把帶號(hào)，即 20500000 ,得到的坐標(biāo)就帶有帶號(hào)。圖：自定義北京54坐標(biāo)系參數(shù)設(shè)置2.4使用自定義坐標(biāo)系下面將利用自定義坐標(biāo)系將一副北京54坐標(biāo)系圖像轉(zhuǎn)化為 2000坐標(biāo)系。試驗(yàn)的柵格數(shù)據(jù)是一幅北京54坐標(biāo)系的柵格數(shù)據(jù)，投影參數(shù)如下： 投影類型：Transverse Mercator 橢球：Krassovsky 基準(zhǔn)面：Krassovsky (D_Beijing_1954 ) 中央經(jīng)線：117E東

15、向偏移：500000m由于數(shù)據(jù)的投影信息不是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或者說(shuō)其參數(shù)名稱不是標(biāo)準(zhǔn)的，所以在ENVI中有可能不能讀取數(shù)據(jù)的投影信息（如下圖-左），這個(gè)時(shí)候就需要重新設(shè)定投影信息。定義投影步驟如下：1 .按照2.3節(jié)的步驟進(jìn)行北京 54坐標(biāo)系的自定義；2 .打開(kāi)文件" 數(shù)據(jù)f49e011021.img”,在Available Bands List中右鍵點(diǎn)擊文件列表下的 Map Info ,選擇Edit Map Information ；3 .在彈出的 Edit Map Information對(duì)話框中點(diǎn)擊 Change Proj按鈕，選擇新建好的北京 54坐標(biāo)系，點(diǎn)擊 OK。ENVI將自動(dòng)為f

16、49e011021.img 的頭文 件中添加MapInfo ,識(shí)別結(jié)果如下圖-右所示。口 Fixtl： 2S UL 7064)00. 000; 24724T5. 000£W*nilO21.l gg*oiio2l:腓用VProj 的小 m Q 9549加+.20V口 D_Eei j iUL %。-22?(r liULW 崢 70&000 000, 2V547S. 000圖：未能識(shí)別投影坐標(biāo)系（左），定義坐標(biāo)系后（右） Projectian 5ele<jtion圖：定義輸入文件的投影坐標(biāo)系卜面介紹將北京 54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為2000坐標(biāo)系的步驟: 1.2.3 節(jié)的步驟定義200

17、0坐標(biāo)系，參數(shù)如下圖所示。M 律pM句彳#” 的£*舊n再片 Pr日g&0nPr*jeclii Qu FwtCGCS_3O0C_GI_I*f«_Z0MPrcij«e lifrit TpeP&lycfiXLi« XohiniomSbtridi OrtkMierpbi$i rniEQ idtlSttr«o &pki < (sph.ir 牽SlfcT*中(tilip工Xdt« 4»Unf 5AOOOO DOFQ” 儂1"3鵬0 ®L*tt «£ pr«

18、-j«e lien tri .inLa ti tvd« 口C0. CO-W4* Qf*3i泵 6Loaci to* H7C0 00Scale factor 1 OOttJCON&q-Ez* 觀業(yè) +&0WK-72ICE0Ihcu-rZutdiTL jD Stiji.ML154 rfiks iseolllip»id CGCS2D00圖：自定義2000坐標(biāo)系參數(shù)入文件2. 投影轉(zhuǎn) 換，選擇 Map > Convert Map Projection 工具，選擇輸 f49e011021.img （已經(jīng)定義為北京 54坐標(biāo)系），點(diǎn)擊 OK ;按鈕,3. 出的 Convert Map Projection Parameters 對(duì)話框中點(diǎn)擊 Change Proj 選擇新建的2000坐標(biāo)系，點(diǎn)擊 OK;4. onvert Map Projection Parameters面板右側(cè)修改轉(zhuǎn)換參數(shù)（如下圖所示）擇輸出路徑，點(diǎn)擊 OK即可。5. 投換結(jié)果如圖所示。圖：投影轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置-曰 BtijiftC!54_T