ARCGIS教程第二十二章 投影變換、坐標校正

1、第二十二章 投影變換、坐標校正1 坐標系、地圖投影地球表面事物的定位采用二大類坐標：（1）經(jīng)緯度坐標，ArcGIS 稱地理坐標系（Geographic Coordinate System，GCS）。（2）二維笛卡爾平面坐標，ArcGIS 稱投影坐標系（Projected Coordinate System，PCS）。在實際工作中，經(jīng)測量得到的空間信息在輸入 GIS 數(shù)據(jù)庫之前已經(jīng)定好了坐標系。不同來源、不同坐標系的空間數(shù)據(jù)要在一起使用、相互參照時，就要作坐標轉(zhuǎn)換，如果涉及不同的地圖投影，要作投影變換。利用 ArcGIS 新建數(shù)據(jù)庫時，軟件提示用戶，將要輸入的數(shù)據(jù)采用什么坐標系（也稱空間參照，S

2、patial Reference），包括坐標系的名稱、相關(guān)參數(shù)，然后輸入、保存空間數(shù)據(jù)，在這期間，軟件不對坐標作轉(zhuǎn)換處理，輸入前是什么坐標，就保存什么坐標。在某些情況下，可以忽略坐標系的具體名稱或相關(guān)參數(shù)， 由軟件默認，可能對當前的應(yīng)用沒有影響，但是不同坐標系的數(shù)據(jù)之間不能相 互參照使用?？赡苡腥N情況需要轉(zhuǎn)換或重新定義坐標系：（1）臨時變換。多種來源、不同投影的數(shù)據(jù)要在一起參照使用，或為了某種特別的應(yīng)用，可以臨時變換坐標，工作結(jié)束后，要素在數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)文件中 的坐標恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這種臨時變換的好處是一種數(shù)據(jù)可以適合多種用途， 缺點是每次變換都要花費計算時間。（2）永久轉(zhuǎn)換?？臻g要素的坐標

3、按新的坐標系作轉(zhuǎn)換處理，長期保存，反復(fù)使用，不再需要臨時變換。這用轉(zhuǎn)換的好處是反復(fù)使用中不需要轉(zhuǎn)換，節(jié)省計算時間。缺點是相同的事物可能有多個坐標系，有冗余，修改、維護不方便。 （3）修改坐標系的定義。用戶建立數(shù)據(jù)庫時，沒有定義坐標系或原來的坐標系定錯了，可以重新輸入坐標系名稱、相關(guān)參數(shù)。修改后，要素在數(shù)據(jù)庫中 的坐標并不發(fā)生變化，將來臨時變換、永久轉(zhuǎn)換時，按修改后的坐標系名稱、 相關(guān)參數(shù)起作用，對轉(zhuǎn)換的結(jié)果產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。2 投影變換啟動 ArcMap，打開/gis_ex09/ex24/ex24.mxd 文檔，進入 data frame1，可以 看到 World_grid 圖層顯示的是一個覆

4、蓋全球范圍的坐標網(wǎng)格。鼠標在圖上移動時可以看到狀態(tài)欄的坐標值，坐標單位是角度，網(wǎng)格的橫坐標最大值是東經(jīng) 180º（180º0000E），最小值是西經(jīng) 180º（180º0000W），縱坐標最大值是北緯 90º（90º0000N），縱坐標最小值是南緯 90º（90º0000S），鼠標在地圖窗 口中移動時，可以看到下側(cè)顯示出經(jīng)緯度坐標（圖 22-1）。 23-1 坐標系更改前后的區(qū)別雙擊 World_grid 層，在彈出的 Layer Properties 對話框中進入 Source 選項卡，可以看到坐 標系統(tǒng)是 GC

5、S_WGS_1984 （ GCS 表示 Geographic Coordinate System），可以看到，GCS 坐標系統(tǒng)到南北二極變形最大，南極點和北點在圖 上變成了和赤道平行、等長的兩條線。關(guān)閉對話框，選擇菜單 View / Data Frame Properties，進入 Coordinate System選項。當前的坐標系統(tǒng)顯示為 GCS_WGS_1984，準備定義一個新的坐標系統(tǒng)。 點擊按鈕 Clear，在下面的坐標選擇框中選擇 Predefined / Projected Coordinate System / UTM /WGS 1984 / WGS 1984 UTM Zone

6、 12N。點擊按鈕“應(yīng)用”，圖中的網(wǎng)格發(fā)生了變形，南極點和北極點交在一個點上，需要注意， World_grid 數(shù) 據(jù) 源 的 坐 標 值 并 沒 有 變 化 ， 仍 然 是 GCS_WGS_1984，ArcMap 只是臨時（On-the-fly）改變了原始數(shù)據(jù)的坐標系， 相當于前文討論的第一種情況。3 坐標轉(zhuǎn)換（Transforn）ArcGIS 有空間校正（Spatial Adjustment）功能，實現(xiàn)相同坐標系中要素坐標的校正，對矢量型的數(shù)據(jù)主要是三類：坐標轉(zhuǎn)換（Transform），橡皮拉伸（Rubber Sheeting），接邊（Edge Matching）。在 ArcMap 中，用

7、空間校正（SpatialAdjustment Toolbars）工具欄操作。圖 22-2 空間校正（Spatial Adjustment）工具欄選用菜單 View / Toolbars / Spatial Adjustment，添加空間校正工具條（見圖22-2）。激活 Data frame3，其中有三個圖層：Roadcenter（線）、Plan（多邊形）、 Design（線）。擊點目錄表（TOC）欄下方的 Source 標簽，顯示出各個圖層的 數(shù)據(jù)源?？梢钥吹竭@三個圖層的數(shù)據(jù)均在同一個 Geodatabase 的同一個要素集（Dataset）C1 中，因此坐標參照系是相同的，但是具體的位置不一

8、致。Roadcenter（線）和 Plan（多邊形）是已經(jīng)完成的某地區(qū)規(guī)劃道路中心線和規(guī)劃地塊，相 互位置基本準確。Design（線）是別人完成的詳細規(guī)劃設(shè)計圖，和前兩者的位 置有明顯偏差，可以看出 Design（線）需要移動、旋轉(zhuǎn)才能和 Roadcenter（線）、 Plan（多邊形）一致（見圖 22-3）。在 Editor 編輯工具條中，選擇菜單 Editor / Start Editing，進入編輯狀態(tài)。圖 22-3 Design 圖層需要坐標轉(zhuǎn)換31 選擇校正的對象在 Spatial Adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial Adjustment / Set Adjust

9、Data，進入校正對象選擇對話框：選擇 All features in these layers.RoadcenterPlan Design 勾選，Design 層上的所有要素需要校正按 OK 鍵確認。32 設(shè)定移位連接（Displacement Link）在 Spatial Adjustment 工具條中選擇新建移位連接（New displacement link） 工具，用光標在屏幕上先用工具確定校正圖層 Design 上需要校正的某一特征點，單擊鼠標的左鍵確定，在 Roadcenter 層上或和 Plan 層上找到正確位置的對應(yīng)點，單擊鼠標的左鍵確定，這就繪出了一條移位連接線（Displ

10、acement Link）。設(shè)置移位連接（Displacement Link）時，盡可能使用捕捉模式。在 Editor 工具條中，選擇菜單 Editor / Snapping，選擇不同的的捕捉方式（Edge, Vertex, End）。選用選擇菜單 Editor / Options，設(shè)置捕捉的距離。捕捉方式的具體使用， 可參考關(guān)于數(shù)據(jù)編輯的章節(jié)。配合使用捕捉方式，至少應(yīng)設(shè) 3 對移位連接，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，應(yīng)多設(shè)幾對，本練習(xí)建議設(shè) 6 對，而且都是在道路中心線的交叉點上（見圖 22-4）。圖 22-4 設(shè)置移位連接（Displacement Link）如果輸入的移位連接的位置有差錯，需要調(diào)整

11、，選用 Spatial Adjustment 工 具條中修改移位連接（Modify Link）工具，選中需要調(diào)整的移位連接。用鼠標對準該連接線的端點，按住鼠標的左鍵不放，可以拖動該端點微調(diào)。用選擇 元素（Select Elements）工具，選中某個移位連接線，按鍵盤中的 Del 鍵， 該移位連接線被刪除。在 Spatial Adjustment 工具條中選擇察看連接表工具（View Link Table）， 連接表對話框彈出：IDX SourceY SourceX DestinationY DestinationResidualerror連接編號原來X值 原來Y值 轉(zhuǎn)換后X值 轉(zhuǎn)換后Y值 殘

12、差可以用鼠標直接點擊連接表中的坐標值，直接輸入已知坐標值，以便于精確控制轉(zhuǎn)換后的位置。33 Transform 的方式在 Spatial Adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial Adjustment / Adjustment Methods / Transform affine，就選用了仿射變換的校正方式。選擇菜單 Spatial Adjustment / Preview Window ， 會 彈 出 校 正 預(yù) 覽 窗 口 （ Adjustment Preview Window），可以預(yù)覽校正后的變化。如果發(fā)現(xiàn)未能達到預(yù)期的效果，可以回到 上一步，繼續(xù)增設(shè)、調(diào)整移位連接。選用

13、菜單 Spatial Adjustment / Adjust，完成 Transform 轉(zhuǎn)換，將 Design 層經(jīng) 旋轉(zhuǎn)、移動等等變換，校正到預(yù)定的坐標位置上（圖 22-5）。圖 22-5 經(jīng) Transform 處理，Design 圖層被校正選擇 Editor 工具欄中菜單 Editor/ Stop Editing，結(jié)束編輯狀態(tài)。按系統(tǒng)的提示，保存校正的結(jié)果，完成坐標轉(zhuǎn)換。4 坐標拉伸（Rubber Sheeting）Rubber Sheeting 俗稱橡皮拉伸，和 Transform 不同，主要針對要素的不均 勻變形。激活 data frame3。其中有兩個圖層：Roadplan（規(guī)劃道

14、路，線）、Pipeline（地下管線，線）。點擊 TOC（目錄表）欄下方的 Source 標簽，顯示出各個圖 層的數(shù)據(jù)源?？梢钥吹竭@兩個圖層的數(shù)據(jù)均是存放在同一個 Geodatabase Data20 中，同屬一個要素集 Dataset C2。Roadplan 為某地區(qū)的規(guī)劃道路線，而 Pipeline 從紙圖掃描后矢量化得到設(shè) 計的排水管網(wǎng)，兩者不僅有定位偏差，而且因原始紙圖加掃描處理，排水管網(wǎng) 還有各個方向的不均勻變形（見圖 22-6），為此需要將 Pipeline 校正到和 Roadplan 一致的位置。在 TOC 中選擇圖層 Pipeline，Editor 編輯工具條中，選擇菜單 Ed

15、itor/ Start Editing，進入編輯狀態(tài)（如果無法啟用 Start Editing，很可能是另一個Feature Class 正在編輯，先用 Stop Editing 關(guān)閉）。41 選擇校正對象在 Spatial adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial adjustment / Set Adjust Data，進入校正對象選擇對話框，在其中：選擇 All features in these layers.Roadplan Pipeline 勾選，Pipeline 層上的所有要素需要校正選 OK 鍵確認。42 設(shè)定移位連接（Displacement Link）在 Sp

16、atial adjustment 工具條中選擇新建移位連接工具，用光標在屏幕上先用工具確定校正圖層 Pipeline 上的某一特征點，單擊鼠標的左鍵確定，然 后在 Roadplan 層找到對應(yīng)點，單擊鼠標的左鍵后，就可以輸入一條移位連接線（Displacement Link）。和 Transform 方法一樣，一般也需要配合使用捕捉方式， 建立多對移位連接（如圖 22-6）。圖 22-6 橡皮拉伸前，應(yīng)有多個移位連接線同樣也可使用 Spatial Adjustment 工具條中修改移位連接工具，調(diào)整已經(jīng) 輸入的移位連接線。用鼠標對準需要調(diào)整的連接線端點，按住鼠標的左鍵不放，用拖動方式對端點的位

17、置進行微調(diào)。用選擇元素工具，選中一個移位連接， 按下鍵盤中的 Del 鍵，就可以刪去不需要的連接線。選擇察看連接表工具，就會彈出連接表對話框，在其中察看已有的連接， 或者直接輸入或修改已知的坐標值，達到精確地輸入坐標的目的。43 選擇校正方式在 Spatial Adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial Adjustment / Adjustment Methods / Rubber Sheet，確定采用橡皮拉伸（Rubber sheeting）的校正方式。選 擇菜單 Spatial Adjustment / Adjustment Methods / Options，進入校正特性對

18、話框， 選擇 General 標簽：Adjustment Rubbersheet 下拉選擇后，單擊 Options 鍵，進入下一步設(shè)置Method· Nature Neighbor Linear Rubbersheet 的方式為 Nature Neighbor按“確定”鍵完成 Rubbersheet 的方式設(shè)定，在校正特性對話框再選“確定” 鍵，結(jié)束校正方式選擇?？梢赃x擇菜單 Spatial Adjustment / Preview Window， 會彈出校正預(yù)覽窗口（Adjustment Preview Window），可以預(yù)覽校正后的變化。 如果發(fā)現(xiàn)未能達到預(yù)期的校正效果，可以回

19、到上一步，繼續(xù)增設(shè)、調(diào)整移位連 接。選用菜單 Spatial Adjustment / Adjust，完成橡皮拉伸（Rubber Sheeting），將 Pipleline 層，經(jīng)過各個不同方向的橡皮拉伸變換，校正到正確的坐標系中。選擇 Editor 工具欄中菜單 Editor/ Stop Editing，結(jié)束編輯狀態(tài)。按系統(tǒng)的提 示，保存校正的結(jié)果，完成橡皮拉伸（圖 22-7）。圖 22-7 用 Rubber Sheeting 方法校正后的 Pipeline 圖層5 接邊（Edge Match） 接邊是另一種空間校正方法，兩個圖層之間相互拼接。激活 data frame4。其中有兩個圖層：R

20、oad1（線）、Road2（線）。擊點 TOC欄下方的 Source 標簽，顯示出各個圖層的數(shù)據(jù)源?？梢钥吹竭@兩個圖層的數(shù)據(jù) 均是存放在同一個 Geodatabase Data20 中的同一個要素集（Dataset）C3 中。Road1和 Road2 是分圖幅數(shù)字化輸入的道路網(wǎng)。兩者的坐標均在允許誤差的范圍內(nèi)，但由于分開輸入的緣故，在兩圖幅的拼接處，并不嚴格對接（見圖 22-8）。在 Editor 編輯工具條中，選擇菜單 Editor / Start Editing，進入編輯狀態(tài)（如果無法 啟用 Start Editing，很可能是另一個 Feature Class 正在編輯，用 Stop E

21、diting 關(guān)閉）。圖 22-8 不同圖幅上的同一條道路線相互不連接51 選擇校正的對象在 Spatial Adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial Adjustment / Set Adjust Data，進入校正對象選擇對話框：選擇 All features in these layers. Road1 不勾選 Road2 勾選，Road2 圖層上的所有要素需要校正按 OK 鍵確認。52 選擇接邊的方式在 Spatial Adjustment 工具條中選擇菜單 Spatial Adjustment / Adjustment methods / Edge Snap，確定采用接

22、邊校正方式。選擇菜單 Spatial Adjustment / Adjustment Methods / Options，進入校正特性對話框，選擇 General 標簽：Adjustment Edge Snap 下拉選擇 Edge Snap，單擊 Options 鍵，進入 下一步設(shè)置Method· Smooth Line 設(shè)定接邊的方式為 Smooth按“確定”鍵繼續(xù)，在校正特性對話框選擇 Edge Snap 標簽，繼續(xù)設(shè)定接 邊的方式：Source layerTarget layerRoad2 下拉選擇 road2 為校正圖層Road1 下拉選擇 road1 為目標圖層Use at

23、tributes 不選，不使用屬性連接 One link for each destination point 勾選，每一目標點設(shè)一個連接 Prevent duplicate link 勾選，防止重復(fù)連接按“確定”鍵完成有關(guān)接邊的設(shè)置。53 接邊處理接邊是通過使用 Spatial Adjustment 工具條中的接邊工具（Edge Match）完成。使用接邊工具之前，還需要設(shè)置自動捕捉距離。選擇Editor工具條上的菜單Editor / Options，在其中Snapping一欄中輸入：Snapping 7 map units 設(shè)定捕捉距離為 7 個地圖單位，此處是 7 米圖 22-9 使用接

24、邊工具，自動生成接邊的移位連接按“確定”鍵完成。選擇使用 Spatial adjustment 工具條中的接邊工具， 用光標在屏幕上拉出一個選擇框，將需要接邊的三處拼接點全部框選輸入（見圖 22-9），系統(tǒng)自動生成接邊的移位連接線。選擇菜單 Spatial Adjustment /Preview Window，彈出校正預(yù)覽窗口（Adjustment Preview Window），可以預(yù)覽接邊后的變化。如果發(fā)現(xiàn)未能達到預(yù)期的接邊效果，可以回到上一步，繼續(xù)調(diào) 整。選用菜單 Spatial adjustment / Adjust，完成 Road1，Road2 兩個圖層的接邊（圖 22-10）。圖

25、22-10 Road1，Road2 兩個圖層的接邊完成選擇 Editor 工具欄中菜單 Editor/ Stop Editing，結(jié)束編輯狀態(tài)。按系統(tǒng)的提示，保存接邊結(jié)果。6 影像配準激活 data frame5，有 3 個圖層：“公路”、“縣界”、“遙感影像”，公路和縣 界的坐標一致、符合要求，影像圖的坐標有偏差，需要配準。在目錄表（TOC） 中右鍵點擊“遙感影像”層，選擇菜單項 Zoom To Layer，可以看到影像圖的全景（見圖 22-11），影像圖和矢量圖上都有 6 個點，這是本教材專門為練習(xí)輸入 的，是配準影像用的控制點，他們是 Graph（圖形），不是 Feature（要素），位

26、 置在公路和縣界的交點，三個縣的邊界交匯點（見圖 22-12，本例僅用于教學(xué)， 控制點精度不高）。讀者應(yīng)先熟悉一下他們的相互對應(yīng)關(guān)系，在配準過程中，影 像圖可能會移動，但控制點不會跟著移動。圖 22-11 Data frame5 的圖層顯示選擇菜單 View/Toolbars / Georeferencing，調(diào)出 Georeferencing 工具欄。如 果工具欄菜單 Georeferencing / Auto Adjust 被勾選，應(yīng)取消。在 Layer：下拉條 中選擇“遙感影像”。先放大顯示影像圖，便于精確定位在某個控制點上。選擇Georeferencing工具欄上的 Add Contr

27、ol Point工具，用鼠標左鍵在影像圖上選一個控制點，借助工具（Full Extent），（Zoom In），（Pan）， （Zoom Out）縮放、平移地圖，在“公路”、“縣界”圖層上找到對應(yīng)點，點擊圖標 ，在對應(yīng) 點上點擊鼠標左鍵，對應(yīng)鏈設(shè)好。如果在工具欄菜單中勾選 Georeferencing / Auto Adjust ，影像 圖會 立刻移 動， 否則影 像圖 位置不 變。 可以選 用菜 單 Geoferencing / Reset Transform，Georeferencing / Update Display，使影像圖在原 始、配準后二種位置上顯示。按上述方法繼續(xù)操作，建立起

28、6 對連接鏈。如果發(fā)現(xiàn)連接鏈輸錯了，可以刪除。先在矢量圖上移動鼠標，利用光標的位置在地圖窗口底部看到連接點的坐標，點擊圖標，彈出鏈接表（Link Table），查看 X Map，Y Map 的坐標值，找到對應(yīng)的記錄，鼠標點擊該記錄， 改變顏色后按鍵盤上 Del 鍵，該連接線被刪除。圖 22-12 配準后的影像圖選擇菜單 Georeferencing / Update Display，配準后的顯示效果見圖 22-12。 可以看到，配準后的“遙感影像”和“公路”、“縣界”基本上吻合。如果已知某點的具體坐標，用工具 點擊該點后，用鼠標右鍵，選擇菜單 Input X and Y，用鍵盤輸入該點坐標值。

29、點擊圖標，彈出鏈接表（Link Table），也可以修改坐標點的 x，y 值，字段 X Source，Y Source 表示影像的原始坐標，X Map，YMap表示配準后的坐標。目前的配準沒有實質(zhì)性改變影像圖的坐標，選擇用菜單 Georeferencing / Rectify，再選擇影像圖文件格式，如 GRID、TIFF、JPG、ERDAS IMAGINE。 經(jīng)處理后，影像圖的內(nèi)部坐標將實質(zhì)性改變。6 本章小結(jié)（1）地圖投影（Map Projection） 地球是一個近似的橢球，為了表達、量算的方便，需要將地球表面的事物轉(zhuǎn)換成平面。這種轉(zhuǎn)換對大范圍、小比例的地圖至關(guān)重要。本教程僅讓讀者了解 GIS 軟件具備這一功能，在實際應(yīng)用中，如何選擇投影方式、相關(guān)參數(shù)，相 互轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生什么后果，需通過其他途徑學(xué)習(xí)，可參考專門的教科書。（2）坐標轉(zhuǎn)換（Transform） 坐標轉(zhuǎn)