摘要

在進行空間數據相關的分析時，坐標系是一個繞不過的坎，也是新手最容易碰到問題的地方。Excel 數據導入ArcGIS 為什么位置不對？ Cad數據導入ArcGIS應該定義成什么坐標？火星坐標是什么鬼？百度坐標是什么鬼？這些問題折磨了一批又一批人。

現在福利來了，鑒于群中有很多群友對坐標系的困惑，城市數據團系統整理了坐標系的相關知識，希望給大家答疑解惑。該篇文章主要包括坐標系相關的理論知識和GIS中關于坐標系的具體操作兩大內容。

扯一扯坐標系的理論知識

從整體上來說，坐標系分為地理坐標系和投影坐標系。地理坐標系和投影坐標系分別都是什么東東？我們來好好看看

一 ．地理坐標系

1.先來看看地理坐標系的定義

地理坐標系（Geographic Coordinate System），是使用三維球面來定義地球表面位置，以實現通過經緯度對地球表面點位引用的坐標系。

2.為什么要有地理坐標系這個東西？

學過地理的我們都知道，地球是一個兩極稍扁赤道略鼓的不規則橢圓球體，且地球表面凸凹不平，有些地方是高山，有些地方是深溝。這樣的地球表面帶來一個很大的問題，就是地球表面無法用數學公式表達，進而不能作為測量和制圖的基準面，而我們在很多領域中，比如航海、工程建設中都需要定位和測量。

于是聰明的地理學家們想出了一個方法，用一個可以近似表示地球表面的規則的橢圓來進行地球表面的定位和測量，這個規則的三維球面就是地理坐標的參考橢球體。那全球有多少種地理坐標？

答案是全球有非常多種地理坐標，甚至每個國家或地區都有自己獨特的地理坐標系。那為什么會有那么多種地理坐標系？

這就需要我們再深入了解一下參考橢球體的知識。由于地球表面凹凸不平，任何一個參考橢球體都不能精確貼合地區的任一地區，一個參考橢球體對一個地區來說是非常貼合實際地表面的，而對另外一個地區而言可能就相差很大。因此對應每個地區而言，最貼合的參考橢球體并不一樣，因此也就有了不同的地理坐標系。

3.常用地理坐標系

3.1國際常用地理坐標系

●    WGS84 坐標系

是國際通用坐標系，也叫地球坐標系，大名鼎鼎的GPS系統就是采用的WGS84坐標系。WGS84坐標系對于具體地方的位置描述可能不如當地坐標系來的準確，但是它對全球范圍內的位置估計更準確。谷歌地圖（非中國境內）也是采用的WGS84坐標系。在進行不同坐標系之間轉換的時候，一般以 WGS84坐標系作為基準坐標。

3.2我國常用地理坐標系

●    北京 54 坐標系

是建國初期提出的地理坐標系，因此在早期有比較廣泛的運用，有一定比例的數據使用的是1954 北京坐標系。從現代的眼光看，它并不能十分準確地表達我國國境內的空間位置。

●    西安 80 坐標系

由于后期意識到北京54坐標系的不足，我國1978年4月在西安召開全國天文大地網平差會議，確定重新定位，建立的我國新地理坐標系，它在中國經濟建設、國防建設和科學研究中發揮了巨大作用。

● 2000 國家大地坐標系

我國當前最新的國家大地坐標系。2018年，我國國土資源系統全面采用 2000國家大地坐標系，并要求各類國土資源數據向2000國家大地坐標系進行轉換。

● 地方獨立坐標系

許多城市、礦區基于實用、方便與科學的目的，建立了地方坐標系。

4.總結

地理坐標系是用經緯度表示的坐標系，國際上通用的地理坐標系是WGS84坐標系。國內常用的地理坐標系有北京54坐標系、西安80坐標系、2000國家大地坐標系以及地方坐標系；其中，西安80坐標系最為常見，也要少部分是北京54坐標系，2000國家大地坐標系將是我國今后的主流坐標系。在涉及到不同坐標系轉化的時候，通常是把北京54坐標系、西安80坐標系、2000國家大地坐標系轉為通用的WGS84坐標系。

二 ．投影坐標系

1.先來看看投影坐標系的定義

投影坐標系是將三維的地理坐標系投影到二維平面上，形成投影坐標系。因此，投影坐 標系就是地理坐標系+投影過程。

2.為什么要有投影坐標系這個東西？

既然都有地理坐標系了，能夠表達一個地方的位置了，為什么我們還需要投影坐標系呢？以及投影到底是個怎么樣的過程呢？

地理坐標系說到底是個橢圓體，它的面是曲面，在曲面上進行空間數據的處理分析比較復雜，顯然不如在一個平面上進行處理來的簡單高效，并且我們日常生活中的地圖及量測空間通常也是二維平面，在地圖制圖和線性量測時我們首先考慮把曲面轉化成平面，而這些需求誕生了投影坐標系。投影的方法多種多樣，以下是一些投影轉換的方法：

3.常用投影坐標系

3.1國際常用投影坐標系

● UTM 投影坐標系

WGS84地理坐標系常采用UTM投影坐標系。如何確定一個地區的UTM投影帶數？UTM投影是從180度經線開始向東每6°為一個投影帶，我國從西到東一共跨過了11個投影帶，每個投影帶的經度范圍如下圖，根據這張圖我們就能很容易判斷一個地點的UTM投影帶，以上海為例，上海的經度約為東經121°,從下圖可知其位于51度帶；以北京為例，北京的經度約為東經116°,其位于50度帶。（后面操作部分會給大家詳細講解如何由WGS84地理坐標轉為UTM投影坐標）

我國UTM投影帶的分布情況

3.2我國常用投影坐標系

●    高斯-克呂格投影坐標系

我國的地形圖有如下基本比例尺：1:5 千，1:1萬，1:2.5萬，1:5萬，1:10萬，1:25萬，1:50萬，1:100萬。其中，大于等于1:50萬的地形圖均采用高斯-克呂格投影，因此，我們平時接觸到的cad地形圖均為高斯-克呂格投影，絕大多數為北京54高斯-克呂格投影或者西安80高斯-克呂格投影，知道了這個知識大家是不是就能在ArcGIS中定義cad文件的坐標啦。

高斯-克呂格投影坐標系又分為3°分帶高斯-克呂格投影坐標系和6°分帶投影坐標系，其中，1:2.5萬，1:5萬，1:10萬，1:25萬，1:50萬這幾個比例尺的地形圖采用6°分帶，而

1:1萬及大于1:1萬的圖采用3°分帶。概括來說，6°帶用于中小比例尺測圖，3°帶用于大比 例尺測圖，城建坐標多采用 3°帶的高斯投影，因此，我們在平時項目中接觸到的基地CAD文件多為3°帶高斯投影，大家可以直接用3°帶來定義坐標。3°分帶高斯-克呂格投影從1.5°經線開始向東每3°為一個投影帶。

我國橫跨22個投影帶，每個投影帶的經度范圍如下圖，根據這張圖我們就能很容易判斷一個地點的高斯投影帶，以上海為例，上海的經度約為東經121°,從下圖可知其位于40度帶；以北京為例，北京的經度約為東經116°,其位于39度帶。（后面直接操作部分會給大家詳細講解如何定義CAD文件的高斯投影）.

此外，我國1：100萬地形圖采用蘭勃特投影，這個使用較少，大家可以忽略。

我國高斯-克呂格投影帶的分布情況

4. 投影坐標系的表示方法

道理我都懂，但是我還是看不懂投影坐標系的名字!

投影坐標系的名字其實分成三部分：它所使用的地理坐標系+以幾度分的投影帶+所在的投影帶，由于投影帶有兩種表示方法：1.以zone來表示;2.以中央經線來表示，所以下面 我們就這兩種表達方法分別進行舉例說明。

4.1 以Zone表達投影帶

在ArcGIS中，我們可以看到西安80坐標系下，有這樣一系列的投影坐標系：

以Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_30 投影坐標系為例，這些數字是什么意思呢？

4.2 以中央經度表示投影帶

同樣是地理坐標系是西安80坐標系的例子：

以Xian_1980_3_Degree_GK_CM_102E 投影坐標系為例，Xian_1980_3_Degree與上面的例子含義都一樣CM_102E表示的是中央經線（也就是投影帶的中線）是東經102度。

三 ．國內的另類坐標

在我國，出于安全考慮，所有的公開的電子地圖、導航設備，都需要加入國家保密插件，它是對真實坐標系統進行人為的加偏處理，按照特殊的算法，將真實的坐標加密成虛假的坐標，而這個加偏并不是線性的加偏，所以各地的偏移情況都會有所不同，而加密后的坐標也常被人稱為火星坐標系統（GCJ02）， 國內大部分的在線地圖都是采用的火星坐標系，而百度地圖采用的是百度坐標（BD09），百度坐標是在火星坐標的基礎上又經過加偏處理產生的。

我國各地圖采用的坐標系

講講你最關心的實際操作的那些事

一 ．火星坐標/百度坐標轉 WGS1984 坐標

1.火星坐標轉WGS1984坐標

當你從高德地圖下載了POI等數據，這個時候數據是火星坐標系，那么我們一般要做的第一步是將火星坐標系轉為 WGS1984坐標，如何轉哪？

插件在群文件“軟件安裝包”中，名字叫“坐標糾偏插件（百度、火星坐標轉地球坐標的軟件）”, 插件操作非常簡單，里面也有詳細的使用說明，大家自取吧，當然我們也為貼心的為大家準備了樣例數據，就是從高德地圖爬取的上海市小學數據（火星坐標系）供大家練習，練習文件位于群文件“坐標系專題資料”中。

2.百度坐標轉WGS1984坐標

當你從百度地圖下載了POI等數據，這個時候數據是百度坐標系，相應的我們一般要做 的第一步是將百度坐標系轉為 WGS1984坐標，同樣我們也為大家準備了插件，和火星坐標轉 WGS1984坐標插件在同一個位置，插件操作也基本一致，在此不多贅述。

二．定義投影

1.導入 Excel 數據時的定義坐標

你在處理數據的時候，肯定經常碰到這樣的問題，拿到一個Excel或是Csv 格式文件，坐標已經轉為了WGS1984坐標，但是你導入Gis后還是和別的數據對不上，你很困惑！

這個地方之所以錯誤的原因是因為在導入excle數據的時候沒有定義坐標，我們以上文轉好的上海市小學數據為例來給操作，正確的步驟應該是：

① 將excel數據拖入ArcGIS中的內容列表，然后右鍵數據，選擇“顯示 XY 數據”，然后會彈出如圖的對話框（圖 1）；

② 在該窗口中需要進行幾個設置：

● X 字段：選擇經度信息

● Y 字段：選擇緯度信息

● Z 字段：應該選擇高程信息，但是本文件中沒有高度信息，所以這里選擇“無”

● 定義坐標（此步非常關鍵）：點擊編輯，進入ArcGIS的坐標系庫，選擇文件正確的坐標，由于我們知道該份數據使用的是WGS84地理坐標系，所以我們在地理坐標系下找到WGS1984坐標系，點擊確定，表格文件成功轉換成ArcGIS空間文件，并且擁有正確的坐標系了（圖2）

2. 當文件沒有坐標或是坐標錯誤時的定義坐標

你也可能遇到過這種情況，就是拿到的矢量數據或是柵格數據沒有坐標，那么這個時候你就需要給文件定義坐標，怎么定義坐標？

我們以一份沒有坐標系信息的上海軌道交通站點數據（練習文件位于群文件“坐標系專 題資料”）來操作，事前我們已經知道這個文件的正確坐標是 WGS1984 坐標系，操作步驟是 這樣的：

① 導入數據，這時我們可以看到ArcGIS彈出警告，點確定即可（圖1）

② 導入后，打開“定義坐標”工具，工具的設置如下：

● 輸入數據集或要素類：選擇你要進行重新定義坐標系的空間數據（圖2）

● 坐標系：現在我們看到顯示的信息是“Unknown”，點擊右邊的小手，我們將進入ArcGIS的坐標系庫，選擇正確的坐標系，這里是“WGS1984地理坐標系”，點擊確定。（圖2）

● 這個時候我們就看到坐標系欄的信息變成了“WGS1984 地理坐標系”，點確定，我們就完成了對坐標系的重新定義。（圖3）

③然后我們可以對這個要素文件的坐標系信息進行查看—，右鍵該文件，選擇屬性，然后你將會看到屬性的彈出框如圖 4。

3.導入CAD數據時的定義坐標

當你將CAD文件導入ArcGIS的時候，軟件肯定會提示你說這個文件沒有坐標，這是因為CAD文件不能帶有坐標信息，我們必須對導入ArcGIS中的CAD文件進行定義坐標，如何定義？

下面以湖北省黃岡市宛大村的 CAD 地形文件為例（文件位于群文件“坐標系專題資料”），具體說明如何對其進行坐標系操作。

①首先，將CAD文件導入ArcGIS，然后導出成Shapefile文件

②然后，思考一下，我國CAD地形圖的地理坐標最有可能是西安80坐標，也可能是北京54，當然也有少許可能是其他地理坐標，這兒我們忽略不計。在這種情況下，只能把西安80 坐標和北京54坐標都試一下，然后再和宛大村WGS1984坐標的影像圖進行對比，看看哪個坐標更貼切，就是哪個地理坐標；

③再進一步思考下，我們平時接觸到的CAD文件都能度量距離，因此都是投影坐標系，所以我們要在地理坐標系的基礎上確定CAD文件的投影坐標系。百度可知宛大村的經度在115.93°左右，從前文內容可知，宛大村所在的投影帶是39°帶，無論是北京54坐標系，還是西安80坐標系，投影帶都該選擇zone39（或者中央經度為117°)。因此我們就可以定義該CAD的坐標為“xian19803DegreeGKZone39”或者“beijing19543DegreeGKZone39”

④通過上一小節“定義坐標”的相關知識，我們可以分別定義宛大村的地形文件為“xian1980 3 Degree GK Zone39”或者“beijing 1954 3 Degree GK Zone 39”坐標

⑤ 加載宛大村WGS1984坐標的遙感影像圖（可以通過群文件軟件安裝包中的全能電子地圖下載器來下載WGS1984坐標的影像圖）作為底圖，用來比照兩種坐標系下的文件哪個與影像圖更貼合。結果如下圖，其中紅線文件是“beijing19543DegreeGKZone39”坐標，藍線文件是“xian19803DegreeGKZone39”通過對比發現“xian19803DegreeGKZone39”更貼合影像圖，因此，宛大村的地形文件應該是“xian19803DegreeGKZone39”坐標。至此，我們完成了對CAD文件的坐標定義。

三 ．坐標轉換（坐標投影）

1.統一坐標系下地理坐標轉投影坐標

在使用ArcGIS進行分析時，我們通常會需要將地理坐標轉為投影坐標系，因為投影坐標系是以距離為單位的，我們在進行距離、面積測量和計算時，必須在投影坐標系下進行，因此地理坐標系轉投影坐標系非常重要。那么如何轉哪？

以定義坐標后的上海市交通軌道站點數據為例，操作步驟為：

①首先，這份數據的坐標系是WGS1984地理坐標系。通過百度，我們知道上海的經度是121.48°E。然后根據上面UTM投影專題里面提到的分度帶圖，我們知道了上海所在的分度帶是Zone51。

②然后我們找到ArcGIS中的“投影”工具，設置如下：

● 輸入數據集或要素類：你想要轉換坐標系的空間數據，這里是上海軌道交通站點的要素文件。并且可以看到，輸入坐標系欄里，會自動識別輸入數據的坐標系。

● 輸出數據集或要素類：為之后的輸出文件指定文件名和儲存路徑。這里，我將輸出文件命名為上海_軌道交通站點 UTM

● 輸出坐標系：這兒選擇你要轉換成的地理坐標系，當然選擇“WGS 1984 UTM Zone 51N”(其中，N代表北半球，我們大上海當然在北半球)

● 地理（坐標）變化：由于我們的操作是同一坐標系的地理坐標轉為投影坐標，沒有涉及到不同地理坐標系之間的轉化，所以不需要設置“地理（坐標） 變化”，留白即可

● 確定一下，就完成了地理坐標系到投影坐標系的轉換

2. 不同坐標系之間的轉換

在使用 ArcGIS進行不同坐標系之間的轉換時，主要碰到的場景就是北京54投影坐標系或是西安80坐標系轉WGS1984地理坐標。本次以湖北省長陽縣的CAD文件（數據位于群文件“坐標系專題資料”中）進行講解，通過前面的“為CAD文件定義坐標”的操作步驟我們可以確定，湖北省長陽縣CAD文件的坐標為Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_111E，該坐標轉為WGS1984地理坐標的步驟如下：

① 打開投影工具，設置如下圖：

● 其中，前三個對話框的設置參考前面的內容；

● 重點強調下第四個對話框，地理（坐標）變化：由于轉換前后的兩個坐標系使用的是不同的地理坐標系，所以兩者之間的轉換不是唯一的。ArcGIS提供了6種WGS1984和北京54地理坐標系之間的轉化方法。大家可以參考下面的表格來確定轉化方法。長陽的經度是116.28°E，緯度是39.82°N，與轉換方法2的經緯度適用范圍比較接近。所以這里我使用的是beijing_1954_To_WGS_1984_2。

②我們必須意識到，不同地理坐標系之間的轉換不是十分準確的。這是因為我國對北京54、西安80到WGS1984 的轉換參數進行了加密，我們沒有辦法準確進行北京54、西安80 到WGS1984 坐標的轉換，如果想要提升對接的精度，需要配合地理配準（針對柵格文件）或是空間矯正（針對矢量文件）工具進行手動對準，該兩工具的使用方法不在本次討論之列。

補充重要概念——動圖投影

在gis中有個關于坐標系的操作非常有意思知識叫動態投影。ArcMap文檔的坐標系統默認為第一個加載到當前ArcMap的那個文件的坐標系統，后加入的數據，如果和當前工作區坐標系統不同，則ArcMap會自動做投影變換，把后加入的數據投影變換到當前坐標系統下顯示，但此時數據文件所存儲的實際數據坐標值并沒有改變，只是顯示形態上的變化！因 此叫動態投影。

給大家舉個例子，我們有兩個數據，一個是WGS1984地理坐標的上海市小學數據，一個是WGS1984UTM投影坐標的上海市小學文件，當我們打開 ArcMap，第一個拖入的文件是“WGS1984地理坐標”的上海市小學數據，而后拖入 WGS 1984投影坐標的上海市小學文件，那么盡管這兩個數據的坐標系不同，但是他們的位置會自動對到一起，這就是動圖投影。

來源：觀察者GIS

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