第4章 空间参照系

在GIS中，地图图层中的元素都具有特定的地理位置和范围，使得它们能够定位到地球表面或靠近地球表面的位置。精确定位地理要素的能力对于GIS来说是至关重要的。要准确地描述地理要素的位置和形状，需要一个用于定义现实世界空间位置的坐标框架。

使用经度和纬度的球面测量值来描述地球表面上的地理位置，此类空间参照系常被称为地理坐标系。经度用于测量东西方向的角度，以本初子午线为起点，往西通常记为负经度，往东记为正经度。纬度用于测量南北方向的角度，以赤道为起点。

由于赤道上方和下方，用来定义经纬线的圆将逐渐变小，最终在南极点和北极点处变为一个点，所以经纬度的度数无法对应某一标准长度，因此无法精确测量距离和面积，也难以准确地在平面地图或计算机屏幕上显示数据。在使用GIS进行空间分析和制图时，经常需要使用投影坐标系提供的平面坐标框架。

由于地球是球体，所以GIS用户所要面临的一个挑战就是如何使用平面坐标系表达真实世界。要体会这种困境，只需要想一想如何将半个篮球变平即可；如果不改变它的形状，就无法做到这一点。将地球曲面表示为平面的过程称之为投影，由此产生了术语——地图投影。

投影坐标系是指用于平面的任何坐标系。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。不过，将地球表面表示为平面地图的所有地图投影会在某些方面（如距离、面积、形状或方向）产生变形。某一地图投影可能用于保持形状不变，而另一投影可能用于保持面积不变（等角投影与等积投影）。用户可通过适合所需用途、特定地理位置和范围的地图投影来解决上述限制。GIS软件也支持在坐标系之间进行信息转换，以支持对具有不同坐标系的数据集进行整合。

直角坐标系使用x值和y值描述要素的地理位置和形状，水平轴（X）表示东西方向，垂直轴（Y）表示南北方向。在三维坐标系里，投影坐标系使用z值来测量平均海平面以上或以下的高程。

在为每个GIS数据集和地图定义坐标系时，这些属性（地图投影方式、椭球体和基准面）将成为重要的参数。通过为每个GIS数据集记录这些属性的详细描述，计算机可以动态地将数据集元素的地理位置重新投影并转换到适当的坐标系中。因为有了空间参照系框架，使得GIS能够做到精确定位，这项基本功能构成了几乎所有的GIS操作的基础。

空间参照系包含两方面的内容：一是在把大地水准面上的测量成果换算到椭球体面上的计算工作中，所采用椭球的大小；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，选定了一个一定大小的椭球体，并确定了它与大地水准面的相关位置，就确定了一个空间参照系。