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第4章 GIS數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)是記錄現(xiàn)實世界的各種信息，又被稱作空間數(shù)據(jù)（Spatial Data）。GIS地理處理需要的是存儲為不同類型的地圖數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。為了能夠應(yīng)用于GIS，人們開發(fā)了多種不同的數(shù)據(jù)格式，歸納起來可以分為兩類：矢量數(shù)據(jù)（Vector）和柵格數(shù)據(jù)（Raster）。這兩種模型中關(guān)鍵是采用x、y坐標(biāo)（有時包含z坐標(biāo)高程值）來表示空間中點、線或面的信息。x、y、z坐標(biāo)稱為空間數(shù)據(jù)，所表達(dá)的信息則叫做屬性信息。

4.1矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)

4.1.1矢量數(shù)據(jù)

矢量數(shù)據(jù)是采用一系列x-y坐標(biāo)位置來存儲信息的。矢量數(shù)據(jù)最大的特點是定位明顯，屬性隱含。

矢量數(shù)據(jù)可以分為三種：點（point）、線（polyline）、面/多邊形（polygon），統(tǒng)稱為要素（Feature）。點是x、y坐標(biāo)對，表示的是沒有維度的對象（井或采樣點）；線是定義形狀的坐標(biāo)對集合，表示一維維度的對象（道路或管線）；面/多邊形是定義封閉區(qū)域邊界的坐標(biāo)對集合，表示二位維度的對象（農(nóng)田或地塊）。

GIS中通常通常把要素分組到稱為要素類（Feature Class）的數(shù)據(jù)集。一個要素類只能存儲一種集合形狀，可以包括點、線或面/多邊形要素，但是絕不能包含這幾種要素的組合。例如道路和河流是不同的要素類型，應(yīng)當(dāng)存儲在單獨的不同的要素類中。下圖表示同一個區(qū)域的四個數(shù)據(jù)集：（1）以點形式存在的檢修孔蓋，（2）下水道管線，（3） 宗地面和 （4） 街道名注記。

矢量數(shù)據(jù)的優(yōu)點：

①能夠存儲高精度單一要素；②屬性信息的添加大大增加了矢量數(shù)據(jù)的可利用性；③由于能獲得高度準(zhǔn)確和詳細(xì)的要素，矢量數(shù)據(jù)非常適合地圖制作。

一般來講，要描述相同的信息，矢量數(shù)據(jù)大約只需要柵格數(shù)據(jù)十分之一的存儲空間。因此矢量數(shù)據(jù)非常適合像確定周長面積、探究要素的鄰接特征以及網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行建模等操作。

矢量數(shù)據(jù)也有一些先天的缺陷。在存儲連續(xù)變化的表面（高程或降水量）時，矢量數(shù)據(jù)就顯得力不從心。多年來一直在用等高線表示地表，但是很難從等高線中直接提取坡度、坡向和流向等信息。還有就是某些分析過程中采用矢量數(shù)據(jù)時會花費大量時間，不利于計算。

4.2.2柵格數(shù)據(jù)

柵格數(shù)據(jù)是存儲地理信息的另一種方法。其坐標(biāo)值x、y是通過行與列的形式表示的。要將柵格定位在地理空間中，至少需要知道柵格數(shù)據(jù)中一個頂點的坐標(biāo)(x, y)。柵格數(shù)據(jù)的特點是屬性明顯，定位隱含。

柵格數(shù)據(jù)的優(yōu)勢在于簡單，將空間數(shù)據(jù)表示為一系列像元（Cell）或像素（Pixel）的方格，每個像元都有一種屬性的數(shù)字編碼，整個柵格存儲為一個數(shù)字陣列。

柵格數(shù)據(jù)集的點可以用一個或多個連續(xù)的像元來表示。線可以用一個像元或幾個像元寬度的一系列像元來表示。多邊形可以用一定范圍內(nèi)的像元來表示。盡管在柵格數(shù)據(jù)集中，我們可以從視覺上識別點、線和多邊形，但如果想與要素交互，最好是將柵格轉(zhuǎn)換為矢量格式。

柵格模型特別適合存儲和分析空間連續(xù)的數(shù)據(jù)。柵格模型中的每個網(wǎng)格都含有一個值，代表一類、一個測量值或一個影像解譯值。

柵格數(shù)據(jù)在應(yīng)用的過程中需要把圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)才能應(yīng)用。

柵格數(shù)據(jù)通常包括影像和格網(wǎng)。

影像數(shù)據(jù)包括航片、衛(wèi)片或掃描地圖，常用來產(chǎn)生GIS數(shù)據(jù)。

格網(wǎng)數(shù)據(jù)是派生數(shù)據(jù)，經(jīng)常用于分析和模型模擬。格網(wǎng)產(chǎn)生的途徑有以下方式：①從采樣點，比如土壤化學(xué)沉積面的采樣點，生成格網(wǎng)；②對影像進(jìn)行分類生成格網(wǎng)，如土地覆蓋格網(wǎng)；③將矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以生成格網(wǎng)。

格網(wǎng)可以存儲如高程表面之類的連續(xù)數(shù)值，也能存儲分類數(shù)據(jù)，如植被類型數(shù)據(jù)。

柵格數(shù)據(jù)彌補(bǔ)了矢量數(shù)據(jù)的某些缺陷，適合存儲連續(xù)信息和快速變化的非連續(xù)信息。每個像元都能夠完全擁有完全不同于其相鄰單元的數(shù)值，很多解釋操作因而簡單且快速。在GIS分析中，柵格數(shù)據(jù)分析工具遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過矢量數(shù)據(jù)。

柵格數(shù)據(jù)也有自己的缺點：①與矢量數(shù)據(jù)相比，柵格數(shù)據(jù)必須要平衡協(xié)調(diào)精度與存儲空間之間的關(guān)系。②柵格數(shù)據(jù)不能存儲多個屬性。柵格文件是包含數(shù)字值的單元陣列，每個單元只有一個數(shù)值。

4.3.3矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)比較

4.2 ArcGIS支持的數(shù)據(jù)格式

ArcGIS能夠讀取多種數(shù)據(jù)格式，其中很多來自于軟件的早期版本，有些來自于其它程序。ArcGIS能夠支持的數(shù)據(jù)格式。

4.2.1矢量數(shù)據(jù)類型

4.2.1.1 Shapefile

Shapefile是ArcView早期版本開發(fā)的地理相關(guān)數(shù)據(jù)模型，是一種用于存儲地理要素的幾何位置和屬性信息的非拓?fù)浜唵胃袷?。Shapefile 中的地理要素可通過點、線或面來表示。包含 shapefile 的工作空間還可以包含 dBASE 表，它們用于存儲可連接到 Shapefile 的要素的附加屬性。

Shapefile在ArcCatalog中只顯示為綠色圖標(biāo)。

Shapefile文件包含多個相關(guān)文件，文件詳細(xì)情況。

其中.shp、.dbf、.shx這三個文件必不可少，能夠確保Shapefile的準(zhǔn)確。在復(fù)制移動Shapefile文件時，需要把所有的文件一起移動，在Winddows資源管理器中容易出現(xiàn)遺漏，而在ArcCatalog中則可以一次復(fù)制所有文件，建議在以后的工作中用ArcCatalog進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)的管理工作。

Shapefile文件的屬性表中，系統(tǒng)保留前兩個字段存儲要素識別碼（FID）和數(shù)據(jù)類型（Shape），這些字段由ArcGIS創(chuàng)建并維護(hù)，用戶不能進(jìn)行編輯操作，其他字段由用戶自行添加維護(hù)。dBASE表中的屬性字段及字段寬度。

Shapefile文件大小限制為2G，可包含的點要素最多約為7000萬；Shapefile不包含類似于地理數(shù)據(jù)庫要素類 x、y 容差的信息；Shapefile 的空間索引不足以與地理數(shù)據(jù)庫要素類的空間索引進(jìn)行對比；shapefile 不支持通過參數(shù)定義的圓弧曲線。

4.2.2.2 Coverage

Coverage是ESRI公司為Arc/INFO量身定做的矢量數(shù)據(jù)格式，同時也是最古老的的數(shù)據(jù)格式。Coverage 使用一組要素類來表示地理要素。每個要素類存儲一組點、線（?。⒚婊蜃⒂洠ㄎ谋荆?。Coverage 可以具有拓?fù)洌糜诖_定要素間的關(guān)系。

定義Coverage中的要素通常需要多個要素類。Coverage 同時使用線和面要素類來表示面要素。面要素還包含標(biāo)注點，這些點以單獨要素類的形式顯示。每個 coverage 都具有一個包含控制點的要素類，用來表示已知的實際坐標(biāo)。這些控制點可幫助定義 coverage 的范圍，但并不表示 coverage 中的任何實際數(shù)據(jù)點。下圖顯示了 Coverage 中的通用要素類。其他 Coverage 要素類包括弧段要素類、路徑要素類、區(qū)域要素類和關(guān)聯(lián)要素類。

Coverage以目錄形式存儲，而目錄中的每個要素類則以一組文件的形式進(jìn)行存儲。Coverage在ArcCatalog顯示為黃色圖標(biāo)。

而在Windows資源管理中的顯示。

Coverage由一組文件組成，每個文件都包含有關(guān)特定要素類的信息。存儲在 Coverage 中的文件組取決于 Coverage 中包含的要素類。每個 Coverage 工作空間都有一個 INFO 數(shù)據(jù)庫，存儲在子目錄 info 下。Coverage 文件夾中的每個 .adf 文件都與 INFO 文件夾中的一對 .dat 和 .nit 文件關(guān)聯(lián)。INFO 目錄中的 arc.dir 文件用于追蹤與 .adf 文件關(guān)聯(lián)的那對 .nit 和 .dat 文件。

在ArcGIS for Desktop中，僅支持對Coverage數(shù)據(jù)的顯示和轉(zhuǎn)換，不再支持對此數(shù)據(jù)格式的編輯，但是可以利用【創(chuàng)建 Coverage 工具】創(chuàng)建新的空的Coverage要素。如有需要，可以通過ArcInfo Workstation（10.1版本是最后一版，以后版本不再支持）來編輯Coverage數(shù)據(jù)，或者轉(zhuǎn)換為Shapefile或Geodatabase格式數(shù)據(jù)。

4.2.2.3 Geodatabase地理數(shù)據(jù)庫

Geodatabase是ESRI公司在ArbInfo8中引入的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。Geodatabase將每一個要素以行的形式存儲在表中，要素的矢量數(shù)據(jù)存儲在表中的shape字段中，屬性數(shù)據(jù)存儲在其他字段中，每個表存儲一個要素類。

除了存儲矢量數(shù)據(jù)外，Geodatabase還可以存儲柵格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)表以及其他數(shù)據(jù)表的參考。地理數(shù)據(jù)庫可以將所有空間數(shù)據(jù)存儲在一個地方，將 coverages、shape 文件、柵格數(shù)據(jù)添加到 DBMS 中，地理數(shù)據(jù)庫中主要的數(shù)據(jù)集合包含要素類數(shù)據(jù)集、柵格數(shù)據(jù)集和表3類。

要素類數(shù)據(jù)集是具有相同空間位置和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，例如，表示道路中心線的線要素類。最常用的四個要素類分別是點、線、面和注記（地圖文本的地理數(shù)據(jù)庫名稱）。

格數(shù)據(jù)集通過將世界分割成在格網(wǎng)上布局的離散方形或矩形像元來表示地理要素。每個像元都具有一個值，用于表示該位置的某個特征，例如溫度、高程或光譜值。

地理數(shù)據(jù)庫中的屬性基于一系列簡單且必要的關(guān)系數(shù)據(jù)概念在表中進(jìn)行管理，表和關(guān)系在ArcGIS中的作用與在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序中的作用同樣重要。

Geodatabase的優(yōu)點：其中的要素可以有內(nèi)建行為；要素完全存儲在單一的數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)量大的地理數(shù)據(jù)庫要素類可以實現(xiàn)不分塊、無縫存儲。

Geodatabase要素的基本圖形有點、線、面/多邊形、幾何網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)涞取?/p>

數(shù)據(jù)在Geodatabase中的存儲為灰色調(diào)，其形式和可以存儲的數(shù)據(jù)格式。

4.2.2.4矢量數(shù)據(jù)集比較

ArcGIS使用的三種主要地理數(shù)據(jù)集的類型分別為Shapefile、Coverage 和Geodatabase，其具體比較。

4.2.2柵格數(shù)據(jù)類型

ArcGI支持多種不同格式的柵格數(shù)據(jù)，例如jpeg、tif、geotif、bmp、mrsid以及原生二進(jìn)制文件（BIP、BSQ、BIL）。大部分柵格數(shù)據(jù)處數(shù)據(jù)自身外，通常還具有描述文件信息的頭文件，主要信息包括行列數(shù)與坐標(biāo)系統(tǒng)等。 ???

4.2.3不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）

不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)以數(shù)字方式來表示表面形態(tài)。TIN 是基于矢量的數(shù)字地理數(shù)據(jù)的一種形式，通過將一系列折點（點）組成三角形來構(gòu)建。各折點通過由一系列邊進(jìn)行連接，最終形成一個三角網(wǎng)。形成這些三角形的插值方法有很多種，例如 Delaunay 三角測量法或距離排序法。ArcGIS 支持 Delaunay 三角測量方法。

生成的三角測量滿足Delaunay三角形準(zhǔn)則，從而確保不會有任何折點位于網(wǎng)絡(luò)中各三角形的外接圓內(nèi)部。如果 TIN 上的任何位置都符合 Delaunay 準(zhǔn)則，則所有三角形的最小內(nèi)角都將被最大化。這樣會盡可能避免形成狹長三角形。

TIN的各邊形成不疊置的連續(xù)三角面，可用于捕獲在表面中發(fā)揮重要作用的線狀要素（如山脊線或河道）的位置。TIN 的結(jié)點和邊。

TIN 的結(jié)點、邊和面。

使用TIN模擬地表自然真實形態(tài)。

利用TIN可以做如下分析：

①計算表面上任意一點的高程、坡度和坡向；

②通過線性或多項式內(nèi)插三角形生成等高線；

③確定表面高程值的范圍；

④總結(jié)表面的統(tǒng)計參數(shù)，如相對于參考平面的體積，平均坡度、面積和周長；

⑤沿表面的剖線生成縱剖面圖；

⑥對于道路工程進(jìn)行土方體積計算，據(jù)此確定在一個地方挖出的土方體積等于在另一個地方堆填的體積；

⑦分析從某一點出發(fā)，表面的哪些區(qū)域是可見的。

4.2.4空間數(shù)據(jù)模擬表達(dá)現(xiàn)實世界

可以用三種基本的方式來模擬現(xiàn)實世界：以矢量格式的離散數(shù)據(jù)集、以具有光譜或?qū)傩詳?shù)據(jù)的像元格網(wǎng)或一系列三角形點擬合一個表面。

4.3坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)也被成為地圖投影，是空間數(shù)據(jù)的任意表征，可以為地球表面上任一位置或區(qū)域提供共同的基礎(chǔ)，地圖圖層中的所有元素都具有特定的地理位置和范圍，能夠定位到相應(yīng)的位置。精確定位地理要素對于GIS來說尤為重要。點通過單一xy坐標(biāo)對描述，線是一系列xy坐標(biāo)對。使用坐標(biāo)系最關(guān)鍵的問題有兩個：一是要了解使用的是何種地圖投影；二是將正確的坐標(biāo)系信息與數(shù)據(jù)集相關(guān)聯(lián)。

4.3.1坐標(biāo)系與空間參考

4.3.1.1坐標(biāo)系

坐標(biāo)系使地理數(shù)據(jù)集可使用公共位置進(jìn)行集成。坐標(biāo)系是用于表示地理要素、影像和觀測結(jié)果（如通用地理框架內(nèi)的GPS位置）的參考系統(tǒng)。

每個坐標(biāo)系通過以下幾方面定義：

（1）測量框架，可以是地理框架（從地心開始測量球面坐標(biāo)），也可以是平面框架（將地球的坐標(biāo)投影到二維平面上）。

（2）測量單位（通常對于投影坐標(biāo)系為英尺或米，對于經(jīng)緯度為十進(jìn)制度數(shù)）。

（3）投影坐標(biāo)系的地圖投影定義。

（4）其他測量系統(tǒng)屬性，例如參考橢圓體、基準(zhǔn)面以及一條或多條標(biāo)準(zhǔn)緯線、中央經(jīng)線和 x 與 y 方向的可能位移之類的投影參數(shù)。

坐標(biāo)系通常包含兩種類型：地理坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系）和投影坐標(biāo)系。

4.3.1.2空間參考

ArcGIS中的空間參考是為地理數(shù)據(jù)庫中的每個數(shù)據(jù)集定義坐標(biāo)系和其他空間屬性的一系列參數(shù)。通常同一區(qū)域（以及同一地理數(shù)據(jù)庫）的所有數(shù)據(jù)集使用共同的空間參考定義。

ArcGIS空間參考包括以下幾個方面的設(shè)置：

（1）坐標(biāo)系 ；

（2）存儲坐標(biāo)時使用的坐標(biāo)精度（通常稱為坐標(biāo)分辨率） ；

（3）處理容差（如拓?fù)淙莶睿?；

（4）數(shù)據(jù)集覆蓋的空間或地圖范圍（通常稱為空間域）。

在Geodatabase的坐標(biāo)系中，重要的參數(shù)包括：

（1）Precision：要素坐標(biāo)值的放大倍數(shù)，決定了要素坐標(biāo)的有效倍數(shù)，由軟件自動計算而得；

（2）X domain、Y domain：要素X、Y坐標(biāo)值可允許輸入的范圍；

（3）Z domain、M domain：要素Z、M坐標(biāo)值可允許輸入的范圍；

（4）min X、min Y、min Z、Min M：坐標(biāo)偏移量的起算位置。

（5）Reslution：分辨率，代表當(dāng)前地圖范圍內(nèi)1像素代表多少地圖單位，地圖單位取決于數(shù)據(jù)本身的空間參考。

4.3.2地理坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系）

地理坐標(biāo)系（Geographic Coordinate System），簡稱GCS。GCS是使用三維球面來表示地球表面要素的空間位置。GCS包括角度測量單位、本初子午線和基準(zhǔn)面（旋轉(zhuǎn)橢球面）。

（1）角度測量單位和本初子午線

GCS中角度測量單位為度（Degree），通常用度分秒的形式表示。

在表示地球表面的時候用經(jīng)緯度的形式確定地面點的坐標(biāo)位置。經(jīng)度和緯度是從地心位置到地球表面上某點的測量角度。

在球面系統(tǒng)中，水平線（或東西線）是等緯度線或緯線。垂直線（或南北線）是等經(jīng)度線或經(jīng)線。這些線包絡(luò)著地球，構(gòu)成了一個稱為經(jīng)緯網(wǎng)的格網(wǎng)化網(wǎng)絡(luò)。

位于兩極點中間的緯線稱為赤道。它定義的是零緯度線。零經(jīng)度線稱為本初子午線。對于絕大多數(shù)地理坐標(biāo)系，本初子午線是指通過英國格林尼治的經(jīng)線。其他國家/地區(qū)使用通過伯爾尼、波哥大和巴黎的經(jīng)線作為本初子午線。經(jīng)緯網(wǎng)的原點 (0,0) 定義在赤道和本初子午線的交點處。這樣，地球就被分為了四個地理象限，它們均基于與原點所成的羅盤方位角。南和北分別位于赤道的下方和上方，而西和東分別位于本初子午線的左側(cè)和右側(cè)。

通常，經(jīng)度和緯度值以十進(jìn)制度為單位或以度、分和秒(DMS)為單位進(jìn)行測量。維度值相對于赤道進(jìn)行測量，其范圍是 -90°（南極點）到 +90°（北極點）。經(jīng)度值相對于本初子午線進(jìn)行測量。其范圍是 -180°（向西行進(jìn)時）到 180°（向東行進(jìn)時）。如果本初子午線是格林尼治子午線，則對于位于赤道南部和格林尼治東部的澳大利亞，其經(jīng)度為正值，緯度為負(fù)值。

用X表示經(jīng)度值并用 Y 表示緯度值，顯示在地理坐標(biāo)系上定義的數(shù)據(jù)就如同度是線性測量單位一樣。

（2）基準(zhǔn)面與旋轉(zhuǎn)橢球

地理坐標(biāo)系表面的形狀和大小由球體或旋轉(zhuǎn)橢球體定義。盡管地球最適合用旋轉(zhuǎn)橢球體表示，但有時將地球視作球體可使數(shù)學(xué)計算更為簡便。對于小比例尺地圖（小于1:5,000,000）來說，可以將地球假設(shè)為球體。采用這種比例尺時，在地圖上察覺不出球體與旋轉(zhuǎn)橢球體的區(qū)別。但是，為了保證大比例尺地圖（比例尺為 1:1,000,000 或更大）的精度，必須使用旋轉(zhuǎn)橢球體表現(xiàn)地球的形狀。

球體以圓為基礎(chǔ)，而旋轉(zhuǎn)橢球體（或橢球體）以橢圓為基礎(chǔ)。

將橢圓繞短半軸旋轉(zhuǎn)將生成旋轉(zhuǎn)橢球體。旋轉(zhuǎn)橢球體也稱為旋轉(zhuǎn)扁橢球體。

為了更好地了解地表要素及其特有的不規(guī)則性，人們已對地球進(jìn)行過多次測量。由這些測量結(jié)果產(chǎn)生了許多用來表示地球的旋轉(zhuǎn)橢球體。通常，使用某個旋轉(zhuǎn)橢球體來擬合一個國家/地區(qū)或者特定區(qū)域。最適合某個地區(qū)的旋轉(zhuǎn)橢球體不一定適合另一個地區(qū)。

基準(zhǔn)面構(gòu)建于所選橢球體之上，它可以包含局部高程變化。由于橢球體由橢圓旋轉(zhuǎn)形成，因此得到的整個地球表面都是完全平滑的。但是這樣并沒有真實地反映實際情況，所以局部基準(zhǔn)面可以包含局部高程變化。

我國地理坐標(biāo)系中常用的旋轉(zhuǎn)橢球和基準(zhǔn)面參數(shù)。

4.3.3投影坐標(biāo)系

無論將地球視為球體還是旋轉(zhuǎn)橢球體，都必須變換其三維曲面以創(chuàng)建平面地圖圖幅。此數(shù)學(xué)變換通常稱作地圖投影（Projection）。

地圖投影原理為：假設(shè)地球表面可以透過光線，在其上繪制經(jīng)緯網(wǎng)，在球心位置放置一個點光源，光線透過地球表面將經(jīng)緯網(wǎng)投影到一張紙上，展開這張紙并將其鋪平得到的即為地球經(jīng)緯網(wǎng)投影。紙張上的經(jīng)緯網(wǎng)形狀與地球上的形狀不同，地圖投影使經(jīng)緯網(wǎng)發(fā)生了變形。

地圖投影使用數(shù)學(xué)公式將地球上的球面坐標(biāo)與平面坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來。不同投影會引起不同類型的變形。有些投影旨在最大限度地降低一種或兩種數(shù)據(jù)特性的變形。投影可保持要素面積不變，但會改變其形狀。

地圖投影根據(jù)投影需要常分為以下三種：

（1）等角投影：

等角投影保留局部形狀。要保留描述空間關(guān)系的各個角，等角投影必須在地圖上顯示以90度角相交的垂直經(jīng)緯網(wǎng)線。地圖投影通過保持所有角不變來加以實現(xiàn)。缺點是由一些弧線圍起來的區(qū)域?qū)⒃诖诉^程中發(fā)生巨大變形。地圖投影無法保留較大區(qū)域的形狀。

（2）等積投影

等積投影保留所顯示要素的面積。形狀、角和比例等其他屬性將發(fā)生變形。在等積投影中，經(jīng)線和緯線可能不垂直相交。有些情況下，尤其是較小區(qū)域的地圖，形狀不會明顯變形，且很難區(qū)分等積投影和等角投影，除非加以說明或進(jìn)行測量。

（3）等距投影

等距地圖保留某些點間的距離。任何投影都無法在整幅地圖中正確保持比例不變。不過，多數(shù)情況下，地圖上總會存在一條或多條這樣的線：比例沿著這些線將正確地保持不變。多數(shù)等距投影都具有一條或多條這樣的線：在此類線中，地圖上線的長度（按地圖比例尺計算）與地球上同一條線的長度相同，無論它是大圓還是小圓，是直線還是曲線。此類距離被視為真實距離。

根據(jù)以上三種投影需求，常見的投影方式分為以下幾種：

（1）圓錐投影

最簡單的圓錐投影是沿一條緯線與地球相切獲得的投影。這條緯線稱作標(biāo)準(zhǔn)緯線。如圖4.23所示。所有的經(jīng)線都投影到圓錐面上，并在圓錐的頂點或某一點處相交。緯線在圓錐面上的投影是一個個環(huán)。將圓錐沿任意一條經(jīng)線“剪開”后即可獲得最終的圓錐投影，投影中的經(jīng)線顯示為匯聚到一點的直線，而緯線顯示為許多的同心圓弧。與剪開線相對的經(jīng)線成為中央子午線。

通常距標(biāo)準(zhǔn)緯線越遠(yuǎn)，變形就越嚴(yán)重，去掉圓錐的頂部會產(chǎn)生更精確的投影。此過程可以通過不使用極點區(qū)域的投影數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。圓錐投影用于沿東西方向延伸的中緯度地區(qū)。

利用圓錐投影創(chuàng)建的投影坐標(biāo)有：

①阿爾伯斯等積圓錐投影

這種圓錐投影使用兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線，相比使用一條標(biāo)準(zhǔn)緯線的投影可在某種程度上減少變形。雖然形狀或線性比例尺均不是完全正確的，但在標(biāo)準(zhǔn)緯線之間的區(qū)域中這些屬性的變形已減至最小。這種投影最適合于東西方向分布的大陸板塊，而不適合南北方向分布的大陸板塊。

????②蘭勃特等角圓錐投影

此投影是最適用于中緯度的一種投影。它類似于阿爾伯斯等積圓錐投影，不同之處在于其描繪形狀比描繪面積更準(zhǔn)確。蘭勃特等角圓錐投影通?；趦蓷l標(biāo)準(zhǔn)緯線，從而使其成為割投影。超過標(biāo)準(zhǔn)緯線的緯度間距將增加。這是唯一常用的將兩極表示為單個點的圓錐投影。也可使用單條標(biāo)準(zhǔn)緯線和比例尺因子定義。

我國1:100萬地形圖常采用蘭勃特等角圓錐投影，省區(qū)地形圖通常采用蘭勃特等角圓錐投影和阿爾伯斯等積圓錐投影相結(jié)合的方式。

（2）圓柱投影

圓錐投影類似，圓柱投影也存在相切或相割兩種情況。墨卡托投影是最常用的圓柱投影之一，并且通常以赤道為切線。經(jīng)線以幾何方式投影到圓柱面上，而緯線以數(shù)學(xué)方式進(jìn)行投影。這種投影方式產(chǎn)生成 90 度的經(jīng)緯網(wǎng)格。將圓柱沿任意一條經(jīng)線“剪開”可以獲得最終的圓柱投影。經(jīng)線等間距排列，而緯線間的間距越靠近極點越大。此投影是等角投影，并沿直線顯示真實的方向。在墨卡托投影中，恒向線、等方位角線是直線，但大多數(shù)的大圓都不是直線。

采用圓柱投影建立的投影坐標(biāo)系有：

①墨卡托（Mercator）投影

最初設(shè)計該投影的目的是為了精確顯示羅盤方位，為海上航行提供保障，此投影的另一功能是能夠精確而清晰地定義所有局部形狀。許多Web制圖站點都使用基于球體的墨卡托投影。在墨卡托投影上無法表示極點。可以對所有經(jīng)線進(jìn)行投影，但緯度的上下限約為 80°N 和 80°S。大面積變形使得墨卡托投影不適用于常規(guī)地理世界地圖。此投影的等角屬性最適合用于赤道附近地區(qū)。

②高斯-克呂格（Gauss-Krüger）投影

也稱為橫軸墨卡托，此投影與墨卡托投影類似，不同之處在于圓柱是沿子午線而非赤道縱向排列。通過這種方法生成的等角投影不能保持真實的方向。中央經(jīng)線位于將要高亮顯示的區(qū)域。這種中心對準(zhǔn)方法可以最大程度地減少該區(qū)域內(nèi)所有屬性的變形。此投影最適合于南北向伸展的地塊。我國大于1:50萬基本比例尺地形圖都采用的是高斯-克呂格投影。

③通用橫軸墨卡托投影（UTM）

通用橫軸墨卡托(UTM)系統(tǒng)是對橫軸墨卡托投影的專門化應(yīng)用。地球被分為 60 個南北走向的帶，每個帶所跨經(jīng)度為 6°。每個帶都有自己的中央經(jīng)線。帶 1N 和 1S 始于 180° W。各帶的限值為 84°N 和 80°S，南北帶劃分的基線是赤道。極點區(qū)域使用通用極方位立體投影坐標(biāo)系。

每個帶的原點是其中央經(jīng)線和赤道。為了消除負(fù)坐標(biāo)，坐標(biāo)系需改變原點坐標(biāo)值。分配給中央經(jīng)線的值是東偏移量，而分配給赤道的值是北偏移量。采用500,000米作為東偏移量。北部帶的北偏移量為零，而南部帶的北偏移量為 10,000,000 米。

（3）平面投影

平面投影將地圖數(shù)據(jù)投影到與地球接觸的平面。平面投影也稱為方位投影或天頂投影。

此類型的投影通常在一點與地球相切，但也可能相割。接觸點可以是北極、南極、赤道上的某點或者赤道與兩極之間的任意點。此點會指定投影中心，并將作為投影的焦點。焦點由中央經(jīng)度和中央緯度標(biāo)識。可能的投影方法包括極方位投影、赤道投影和斜軸投影。

利用圓錐投影創(chuàng)建的投影坐標(biāo)有：

①球心投影

此方位投影將地心用作其透視點。無論方位如何，所有的大圓都將投影為直線。此投影適用于導(dǎo)航，因為大圓將突出顯示距離最短的路線。此投影是一種從地球中心進(jìn)行觀察的平面透視投影。可以從任意方位進(jìn)行投影。

②正射投影

透視投影從無窮遠(yuǎn)處觀察地球。這樣便可提供地球的三維圖像。在投影限界附近，大小和面積的變形要比幾乎任何其他投影（垂直近側(cè)透視投影除外）看上去都更真實。從無窮遠(yuǎn)處觀察的平面透視投影。對于極方位投影，經(jīng)線是從中心輻射的直線，而緯線則是作為同心圓投影，越靠近地球邊緣越密集。只有一個半球能夠不重疊顯示。

4.3.4高程坐標(biāo)系

高程坐標(biāo)系可以定義高度或深度值的原點。與水平坐標(biāo)系類似，除非要顯示數(shù)據(jù)集或者要將數(shù)據(jù)集與使用不同高程坐標(biāo)系的其他數(shù)據(jù)合并，否則不需要使用高程坐標(biāo)系中的大多數(shù)信息。

測量單位是高程坐標(biāo)系最重要的部分。測量單位始終是線性的（例如米）。另一個重要部分是z值究竟代表高度（高程）還是深度。對于每種類型，z 軸方向分別為正“北”或正“南”。下圖顯示了兩種高程坐標(biāo)系：平均海平面和平均低潮面。平均海平面用作高度值的零水平面。平均低潮面則是基于深度的高程坐標(biāo)系。

基于高度的平均海平面坐標(biāo)系顯示一個z值。落到平均海平線以下且以其為參照的任何點都具有負(fù) z 值。平均低潮面具有兩個與之關(guān)聯(lián)的 z 值。由于平均低潮面是基于深度的，因此 z 值為正。落到平均低潮面以上且以其為參照的任何點都具有負(fù) z 值。

我國常用的高程坐標(biāo)系為1985國家高程基準(zhǔn)。

4.4 ArcGIS坐標(biāo)系

ArcGIS坐標(biāo)系分為地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系和高程坐標(biāo)系

4.4.1地理坐標(biāo)系

地理坐標(biāo)系參數(shù)，包含以下幾項：

?坐標(biāo)系名稱（Name）

?角度單位（Angular unit ）

?本初子午線（Prime Meridian）

?基準(zhǔn)面（Datum）

?橢球體（Spheroid）

?長半軸（Semimajor Axis）

?短半軸（Semiminor Axis）

?扁率（Inverse Flattening）

Beijing54，Xian80，CGCS2000地理坐標(biāo)系參數(shù)如下所示。

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GCS_Beijing_1954

WKID: 4214權(quán)限: EPSG

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_Beijing_1954

??Spheroid: Krasovsky_1940

????Semimajor Axis: 6378245.0

????Semiminor Axis: 6356863.018773047

Inverse Flattening: 298.3

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GCS_Xian_1980

WKID: 4610權(quán)限: EPSG

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_Xian_1980

??Spheroid: Xian_1980

????Semimajor Axis: 6378140.0

Semiminor Axis: 6356755.288157528

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000

WKID: 4490權(quán)限: EPSG

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_China_2000

??Spheroid: CGCS2000

????Semimajor Axis: 6378137.0

Semiminor Axis: 6356752.314140356

4.4.2投影坐標(biāo)系

投影坐標(biāo)系參數(shù)包含以下幾項：

?坐標(biāo)系名稱（Name）

?坐標(biāo)東偏（False_Easting）

?坐標(biāo)北偏（False_Northing）

?中央子午線（Central_Meridian）

?縮放比例（Scale_Factor）

?原點緯度（Latitude_Of_Origin）

?線性單位（Linear Unit）

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Beijing54，Xian80，CGCS2000地理坐標(biāo)系參數(shù)如下所示。

Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_102E

WKID: 2431權(quán)限: EPSG

Projection: Gauss_Kruger

False_Easting: 500000.0

False_Northing: 0.0

Central_Meridian: 102.0

Scale_Factor: 1.0

Latitude_Of_Origin: 0.0

Linear Unit: Meter (1.0)

Geographic Coordinate System: GCS_Beijing_1954

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_Beijing_1954

??Spheroid: Krasovsky_1940

????Semimajor Axis: 6378245.0

Semiminor Axis: 6356863.018773047

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Xian_1980_3_Degree_GK_CM_102E

WKID: 2379權(quán)限: EPSG

Projection: Gauss_Kruger

False_Easting: 500000.0

False_Northing: 0.0

Central_Meridian: 102.0

Scale_Factor: 1.0

Latitude_Of_Origin: 0.0

Linear Unit: Meter (1.0)

Geographic Coordinate System: GCS_Xian_1980

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_Xian_1980

??Spheroid: Xian_1980

????Semimajor Axis: 6378140.0

????Semiminor Axis: 6356755.288157528

????Inverse Flattening: 298.257

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_34

WKID: 4522權(quán)限: EPSG

Projection: Gauss_Kruger

False_Easting: 34500000.0

False_Northing: 0.0

Central_Meridian: 102.0

Scale_Factor: 1.0

Latitude_Of_Origin: 0.0

Linear Unit: Meter (1.0)

Geographic Coordinate System: GCS_China_Geodetic_Coordinate_System_2000

Angular Unit: Degree (0.0174532925199433)

Prime Meridian: Greenwich (0.0)

Datum: D_China_2000

??Spheroid: CGCS2000

????Semimajor Axis: 6378137.0

????Semiminor Axis: 6356752.314140356

????Inverse Flattening: 298.257222101

其中的區(qū)別以Beijing54坐標(biāo)為例：

Beijing 1954 3 Degree GK CM 102E：北京54 3度帶無帶號

Beijing 1954 3 Degree GK Zone 34：北京54 3度帶有帶號

Beijing 1954 GK Zone 18：北京54 6度帶有帶號

Beijing 1954 GK Zone 18N：北京54 6度帶無帶號

4.4.3高程坐標(biāo)系

高程坐標(biāo)系包含參數(shù)如下：

?線性單位（Linear Units）

??方向（Direction）

??垂直偏移（Vertical Shift）

??垂直基準(zhǔn)面（Vertical Datum）

國家1985高程坐標(biāo)系參數(shù)如下所示：

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Yellow_Sea_1985

WKID: 5737權(quán)限: EPSG

Linear Units: Meter

Direction: positive up

Vertical Shift: 0.0

Vertical Datum: Yellow_Sea_1985

4.4.4 ArcGIS中建立和修改坐標(biāo)系

（1）在ArcMap中添加【連接到文件夾】至“ch4\坐標(biāo)系統(tǒng)\Data”，加載“中國政區(qū)圖.shp”。加載完成后在圖層上右鍵單擊選擇【屬性】，打開【屬性對話框】，選擇【源】選項卡，可以看到地圖坐標(biāo)是的經(jīng)緯度形式（狀態(tài)欄），地理坐標(biāo)系中顯示的未知坐標(biāo)系。

（2）定義地理坐標(biāo)系。

在【ArcToolbox】中選擇【Data Management?Tools】--【投影和變換】---【要素】--【投影】。

打開【投影】對話框，在對話框中，輸入數(shù)據(jù)集選擇：“中國政區(qū)圖”，輸出數(shù)據(jù)集選擇：“坐標(biāo)系統(tǒng)\Result\中國政區(qū)圖蘭伯特等角投影.shp”，【輸出坐標(biāo)系】點擊右側(cè)的按鈕打開【空間參考屬性】對話框，在其中選擇“新建”---“新建投影坐標(biāo)系” ，打開【新建投影坐標(biāo)系】對話框。

在【新建投影坐標(biāo)系】對話框中設(shè)置如下：

名稱：Lambert

投影名稱：Lambert_Conformal_Conic

Central_Meridian：110

Standard_Parallel_1：25

Standard_Parallel_1：45

在【地理坐標(biāo)系】選項中，單擊【更改】打開【空間參考屬性】對話框。在其中選擇【Spheroid-based】-【Krasovsky 1940】。

（3）這兩個圖層看著一模一樣，實際上“中國政區(qū)圖蘭伯特等角投影”已經(jīng)添加了地理坐標(biāo)，而“中國政區(qū)圖”沒有地理坐標(biāo)。