地球這么大，如何確定測量原點呢？對于規(guī)則的球體來說，沒有比幾何球心更好的原點了，可地球不是個“正經(jīng)”的球啊，它的球心在哪呢？
1.參心坐標(biāo)系
地球的球心不好確定，但參考橢球體是規(guī)則的??！參心坐標(biāo)系就是以參考橢球的幾何中心為原點的大地坐標(biāo)系，“參心”意指參考橢球的中心。原點 O 為參考橢球的幾何中心，X 軸與赤道面和零子午線的交線重合，向東為正，Z 軸與旋轉(zhuǎn)橢球的短軸重合，向北為正，Y 軸垂直于 XZ 平面構(gòu)成右手系。
但是為了研究地球形狀的整體及其外部重力場以及地球動力現(xiàn)象；特別是50年代末，人造地球衛(wèi)星和遠(yuǎn)程彈道武器出現(xiàn)后，為了描述它們在空間的位置和運(yùn)動，以及表示其地面發(fā)射站和跟蹤站的位置，這些需要從全球范圍考慮定位問題時，參心坐標(biāo)系已經(jīng)不能滿足需求。
這就好比你在小區(qū)遛狗，如果問你狗在哪呢？你可以說狗在小池塘東面5米處；某天你家傻狗不滿足只在小區(qū)里玩耍了，非要跑到十幾里地外的公園里耍，這時再問你狗在哪呢？你總不能說狗在小區(qū)池塘西面5千米處，不合適?。?/div>
上文提到的北京54、西安80、WGS84、國家大地坐標(biāo)系 CGCS2000都屬于地理坐標(biāo)系的范疇。
00地心坐標(biāo)系
既然在全球范圍下，參心坐標(biāo)系已經(jīng)不合適了，考慮到衛(wèi)星和彈道武器的空間位置定位地球引力問題，此時地球質(zhì)心自然出現(xiàn)在人們視野中。地心坐標(biāo)系是在大地體系內(nèi)建立的OXYZ坐標(biāo)系，與參心坐標(biāo)系不同的是它的坐標(biāo)原點 O 變成大地體的質(zhì)量中心，即地球質(zhì)心。質(zhì)心的測算是個復(fù)雜的工程，它不僅為確定地球表面、大氣以及空間位置的相對運(yùn)動提供了參考系，也對人們研究海平面變化、地震、火山以及冰川消退對地球的影響至關(guān)重要。
耳熟能詳?shù)?WGS84 、CGCS2000 坐標(biāo)系就是地心坐標(biāo)系，WGS84 是為GPS全球定位系統(tǒng)使用而建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，也是如今很多互聯(lián)網(wǎng)地圖采用的坐標(biāo)系統(tǒng)；CGCS2000 是在北京54、西安80這兩種局部坐標(biāo)系不能滿足中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)需要時建立的全球坐標(biāo)系。
01地理坐標(biāo)系
我們?？吹叫侣剤髮?dǎo)說東經(jīng)多少度，北緯多少度發(fā)生地震，這里面所說的經(jīng)緯度就屬于地理坐標(biāo)系統(tǒng)。地球表面南北距離的度數(shù)，以赤道為 0°，以北為北緯，以南為南緯，南北各 90°。通過某地的緯線跟赤道相距的度數(shù)，就是該地的緯度，如下圖 ∠POP'；把通過英國格林尼治天文臺原址的子午線定為 0°，叫做本初子午線。以東 180° 為東經(jīng)，以西 180° 為西經(jīng)。某地的經(jīng)度值即該地的子午線和本初子午線相距的度數(shù)，如下圖 ∠XOP'。
上文提到的北京54、西安80、WGS84、國家大地坐標(biāo)系 CGCS2000都屬于地理坐標(biāo)系的范疇。
由上圖可以看出，橢球體和水準(zhǔn)面決定了坐標(biāo)系類型。北京54和西安80屬于參心坐標(biāo)系。北京54采用的是克拉索夫斯基橢球體，西安80采用的是IAG75橢球體，由于采用了不同的橢球體，相同坐標(biāo)所代表的位置是有差距的。
WGS84 和 CGCS2000 屬于地心坐標(biāo)系。WGS84 采用的橢球體是WGS84 橢球體，CGCS2000 采用的橢球體是 CGCS2000 橢球體。地球只有一個質(zhì)心，只是測不測得精確的問題而已，因此 CGCS2000 橢球和WGS84 橢球極為相似，偏差僅有 0.11mm，完全可以兼容使用。
02投影坐標(biāo)系
地理坐標(biāo)系統(tǒng)中經(jīng)緯度本身不帶單位，度分秒僅僅是一個進(jìn)制；另外，同樣是1度經(jīng)度，在不同的緯度帶表示的弧段長是不一樣的，這給面積計算，定量計算等帶來困難；我們?nèi)粘Ｉ钪械牡貓D及量測空間通常是二維平面，因此在地圖制圖和線性量測時首先要考慮把曲面轉(zhuǎn)化為平面，投影坐標(biāo)系統(tǒng)就是鑒于這些問題而被科學(xué)家提出。
地圖投影的實質(zhì)就是建立地球橢球表面上的點與地圖平面上的點之間的對應(yīng)關(guān)系，將建立在球體上的地理坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過一種投影方法轉(zhuǎn)為平面上的直角坐標(biāo)?？梢姡队白鴺?biāo)系 = 地理坐標(biāo)系 + 投影方式。
投影肯定會有變形，所以為了最大化的減少變形產(chǎn)生的誤差，不同的應(yīng)用場景和應(yīng)用區(qū)域采用的投影方式也不同，我們常見的投影類型有：高斯克呂格（Gauss Kruger）投影、墨卡托（Mercator）投影和蘭伯特（Lambert）投影等，下一篇文章會詳細(xì)介紹這些常用投影方式。
03總結(jié)
根據(jù)坐標(biāo)系的使用區(qū)域范圍劃分出了參心坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系，如果只考慮在小范圍比如只在一個國家內(nèi)使用，且對定位精度有較高的要求，就應(yīng)該采用參心坐標(biāo)系；相反，如果使用場景涉及全球范圍，比如衛(wèi)星定位，就需要采用地心坐標(biāo)系，除非這個衛(wèi)星只限制在本國使用或者說不考慮其他區(qū)域的定位精度，這顯然不現(xiàn)實。地理坐標(biāo)系是指用經(jīng)緯度來確定地物位置的坐標(biāo)系統(tǒng)，它可能屬于地心坐標(biāo)系，或者是參心坐標(biāo)系，這由它的應(yīng)用范圍決定；投影坐標(biāo)系是為了量測、制圖產(chǎn)生的一種坐標(biāo)系，是地理坐標(biāo)系結(jié)合一種合適的投影方式形成的一種具有應(yīng)用特色的坐標(biāo)系統(tǒng)。
本文作者：碼上GIS
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