摘要

在进行空间数据相关的分析时，坐标系是一个绕不过的坎，也是新手最容易碰到问题的地方。Excel 数据导入ArcGIS 为什么位置不对？ Cad数据导入ArcGIS应该定义成什么坐标？火星坐标是什么鬼？百度坐标是什么鬼？这些问题折磨了一批又一批人。

现在福利来了，鉴于群中有很多群友对坐标系的困惑，城市数据团系统整理了坐标系的相关知识，希望给大家答疑解惑。该篇文章主要包括坐标系相关的理论知识和GIS中关于坐标系的具体操作两大内容。

扯一扯坐标系的理论知识

从整体上来说，坐标系分为地理坐标系和投影坐标系。地理坐标系和投影坐标系分别都是什么东东？我们来好好看看

一 ．地理坐标系

1.先来看看地理坐标系的定义

地理坐标系（Geographic Coordinate System），是使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。

2.为什么要有地理坐标系这个东西？

学过地理的我们都知道，地球是一个两极稍扁赤道略鼓的不规则椭圆球体，且地球表面凸凹不平，有些地方是高山，有些地方是深沟。这样的地球表面带来一个很大的问题，就是地球表面无法用数学公式表达，进而不能作为测量和制图的基准面，而我们在很多领域中，比如航海、工程建设中都需要定位和测量。

于是聪明的地理学家们想出了一个方法，用一个可以近似表示地球表面的规则的椭圆来进行地球表面的定位和测量，这个规则的三维球面就是地理坐标的参考椭球体。那全球有多少种地理坐标？

答案是全球有非常多种地理坐标，甚至每个国家或地区都有自己独特的地理坐标系。那为什么会有那么多种地理坐标系？

这就需要我们再深入了解一下参考椭球体的知识。由于地球表面凹凸不平，任何一个参考椭球体都不能精确贴合地区的任一地区，一个参考椭球体对一个地区来说是非常贴合实际地表面的，而对另外一个地区而言可能就相差很大。因此对应每个地区而言，最贴合的参考椭球体并不一样，因此也就有了不同的地理坐标系。

3.常用地理坐标系

3.1国际常用地理坐标系

●    WGS84 坐标系

是国际通用坐标系，也叫地球坐标系，大名鼎鼎的GPS系统就是采用的WGS84坐标系。WGS84坐标系对于具体地方的位置描述可能不如当地坐标系来的准确，但是它对全球范围内的位置估计更准确。谷歌地图（非中国境内）也是采用的WGS84坐标系。在进行不同坐标系之间转换的时候，一般以 WGS84坐标系作为基准坐标。

3.2我国常用地理坐标系

●    北京 54 坐标系

是建国初期提出的地理坐标系，因此在早期有比较广泛的运用，有一定比例的数据使用的是1954 北京坐标系。从现代的眼光看，它并不能十分准确地表达我国国境内的空间位置。

●    西安 80 坐标系

由于后期意识到北京54坐标系的不足，我国1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立的我国新地理坐标系，它在中国经济建设、国防建设和科学研究中发挥了巨大作用。

● 2000 国家大地坐标系

我国当前最新的国家大地坐标系。2018年，我国国土资源系统全面采用 2000国家大地坐标系，并要求各类国土资源数据向2000国家大地坐标系进行转换。

● 地方独立坐标系

许多城市、矿区基于实用、方便与科学的目的，建立了地方坐标系。

4.总结

地理坐标系是用经纬度表示的坐标系，国际上通用的地理坐标系是WGS84坐标系。国内常用的地理坐标系有北京54坐标系、西安80坐标系、2000国家大地坐标系以及地方坐标系；其中，西安80坐标系最为常见，也要少部分是北京54坐标系，2000国家大地坐标系将是我国今后的主流坐标系。在涉及到不同坐标系转化的时候，通常是把北京54坐标系、西安80坐标系、2000国家大地坐标系转为通用的WGS84坐标系。

二 ．投影坐标系

1.先来看看投影坐标系的定义

投影坐标系是将三维的地理坐标系投影到二维平面上，形成投影坐标系。因此，投影坐 标系就是地理坐标系+投影过程。

2.为什么要有投影坐标系这个东西？

既然都有地理坐标系了，能够表达一个地方的位置了，为什么我们还需要投影坐标系呢？以及投影到底是个怎么样的过程呢？

地理坐标系说到底是个椭圆体，它的面是曲面，在曲面上进行空间数据的处理分析比较复杂，显然不如在一个平面上进行处理来的简单高效，并且我们日常生活中的地图及量测空间通常也是二维平面，在地图制图和线性量测时我们首先考虑把曲面转化成平面，而这些需求诞生了投影坐标系。投影的方法多种多样，以下是一些投影转换的方法：

3.常用投影坐标系

3.1国际常用投影坐标系

● UTM 投影坐标系

WGS84地理坐标系常采用UTM投影坐标系。如何确定一个地区的UTM投影带数？UTM投影是从180度经线开始向东每6°为一个投影带，我国从西到东一共跨过了11个投影带，每个投影带的经度范围如下图，根据这张图我们就能很容易判断一个地点的UTM投影带，以上海为例，上海的经度约为东经121°,从下图可知其位于51度带；以北京为例，北京的经度约为东经116°,其位于50度带。（后面操作部分会给大家详细讲解如何由WGS84地理坐标转为UTM投影坐标）

我国UTM投影带的分布情况

3.2我国常用投影坐标系

●    高斯-克吕格投影坐标系

我国的地形图有如下基本比例尺：1:5 千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万。其中，大于等于1:50万的地形图均采用高斯-克吕格投影，因此，我们平时接触到的cad地形图均为高斯-克吕格投影，绝大多数为北京54高斯-克吕格投影或者西安80高斯-克吕格投影，知道了这个知识大家是不是就能在ArcGIS中定义cad文件的坐标啦。

高斯-克吕格投影坐标系又分为3°分带高斯-克吕格投影坐标系和6°分带投影坐标系，其中，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万这几个比例尺的地形图采用6°分带，而

1:1万及大于1:1万的图采用3°分带。概括来说，6°带用于中小比例尺测图，3°带用于大比 例尺测图，城建坐标多采用 3°带的高斯投影，因此，我们在平时项目中接触到的基地CAD文件多为3°带高斯投影，大家可以直接用3°带来定义坐标。3°分带高斯-克吕格投影从1.5°经线开始向东每3°为一个投影带。

我国横跨22个投影带，每个投影带的经度范围如下图，根据这张图我们就能很容易判断一个地点的高斯投影带，以上海为例，上海的经度约为东经121°,从下图可知其位于40度带；以北京为例，北京的经度约为东经116°,其位于39度带。（后面直接操作部分会给大家详细讲解如何定义CAD文件的高斯投影）.

此外，我国1：100万地形图采用兰勃特投影，这个使用较少，大家可以忽略。

我国高斯-克吕格投影带的分布情况

4. 投影坐标系的表示方法

道理我都懂，但是我还是看不懂投影坐标系的名字!

投影坐标系的名字其实分成三部分：它所使用的地理坐标系+以几度分的投影带+所在的投影带，由于投影带有两种表示方法：1.以zone来表示;2.以中央经线来表示，所以下面 我们就这两种表达方法分别进行举例说明。

4.1 以Zone表达投影带

在ArcGIS中，我们可以看到西安80坐标系下，有这样一系列的投影坐标系：

以Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_30 投影坐标系为例，这些数字是什么意思呢？

4.2 以中央经度表示投影带

同样是地理坐标系是西安80坐标系的例子：

以Xian_1980_3_Degree_GK_CM_102E 投影坐标系为例，Xian_1980_3_Degree与上面的例子含义都一样CM_102E表示的是中央经线（也就是投影带的中线）是东经102度。

三 ．国内的另类坐标

在我国，出于安全考虑，所有的公开的电子地图、导航设备，都需要加入国家保密插件，它是对真实坐标系统进行人为的加偏处理，按照特殊的算法，将真实的坐标加密成虚假的坐标，而这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同，而加密后的坐标也常被人称为火星坐标系统（GCJ02）， 国内大部分的在线地图都是采用的火星坐标系，而百度地图采用的是百度坐标（BD09），百度坐标是在火星坐标的基础上又经过加偏处理产生的。

我国各地图采用的坐标系

讲讲你最关心的实际操作的那些事

一 ．火星坐标/百度坐标转 WGS1984 坐标

1.火星坐标转WGS1984坐标

当你从高德地图下载了POI等数据，这个时候数据是火星坐标系，那么我们一般要做的第一步是将火星坐标系转为 WGS1984坐标，如何转哪？

插件在群文件“软件安装包”中，名字叫“坐标纠偏插件（百度、火星坐标转地球坐标的软件）”, 插件操作非常简单，里面也有详细的使用说明，大家自取吧，当然我们也为贴心的为大家准备了样例数据，就是从高德地图爬取的上海市小学数据（火星坐标系）供大家练习，练习文件位于群文件“坐标系专题资料”中。

2.百度坐标转WGS1984坐标

当你从百度地图下载了POI等数据，这个时候数据是百度坐标系，相应的我们一般要做 的第一步是将百度坐标系转为 WGS1984坐标，同样我们也为大家准备了插件，和火星坐标转 WGS1984坐标插件在同一个位置，插件操作也基本一致，在此不多赘述。

二．定义投影

1.导入 Excel 数据时的定义坐标

你在处理数据的时候，肯定经常碰到这样的问题，拿到一个Excel或是Csv 格式文件，坐标已经转为了WGS1984坐标，但是你导入Gis后还是和别的数据对不上，你很困惑！

这个地方之所以错误的原因是因为在导入excle数据的时候没有定义坐标，我们以上文转好的上海市小学数据为例来给操作，正确的步骤应该是：

① 将excel数据拖入ArcGIS中的内容列表，然后右键数据，选择“显示 XY 数据”，然后会弹出如图的对话框（图 1）；

② 在该窗口中需要进行几个设置：

● X 字段：选择经度信息

● Y 字段：选择纬度信息

● Z 字段：应该选择高程信息，但是本文件中没有高度信息，所以这里选择“无”

● 定义坐标（此步非常关键）：点击编辑，进入ArcGIS的坐标系库，选择文件正确的坐标，由于我们知道该份数据使用的是WGS84地理坐标系，所以我们在地理坐标系下找到WGS1984坐标系，点击确定，表格文件成功转换成ArcGIS空间文件，并且拥有正确的坐标系了（图2）

2. 当文件没有坐标或是坐标错误时的定义坐标

你也可能遇到过这种情况，就是拿到的矢量数据或是栅格数据没有坐标，那么这个时候你就需要给文件定义坐标，怎么定义坐标？

我们以一份没有坐标系信息的上海轨道交通站点数据（练习文件位于群文件“坐标系专 题资料”）来操作，事前我们已经知道这个文件的正确坐标是 WGS1984 坐标系，操作步骤是 这样的：

① 导入数据，这时我们可以看到ArcGIS弹出警告，点确定即可（图1）

② 导入后，打开“定义坐标”工具，工具的设置如下：

● 输入数据集或要素类：选择你要进行重新定义坐标系的空间数据（图2）

● 坐标系：现在我们看到显示的信息是“Unknown”，点击右边的小手，我们将进入ArcGIS的坐标系库，选择正确的坐标系，这里是“WGS1984地理坐标系”，点击确定。（图2）

● 这个时候我们就看到坐标系栏的信息变成了“WGS1984 地理坐标系”，点确定，我们就完成了对坐标系的重新定义。（图3）

③然后我们可以对这个要素文件的坐标系信息进行查看—，右键该文件，选择属性，然后你将会看到属性的弹出框如图 4。

3.导入CAD数据时的定义坐标

当你将CAD文件导入ArcGIS的时候，软件肯定会提示你说这个文件没有坐标，这是因为CAD文件不能带有坐标信息，我们必须对导入ArcGIS中的CAD文件进行定义坐标，如何定义？

下面以湖北省黄冈市宛大村的 CAD 地形文件为例（文件位于群文件“坐标系专题资料”），具体说明如何对其进行坐标系操作。

①首先，将CAD文件导入ArcGIS，然后导出成Shapefile文件

②然后，思考一下，我国CAD地形图的地理坐标最有可能是西安80坐标，也可能是北京54，当然也有少许可能是其他地理坐标，这儿我们忽略不计。在这种情况下，只能把西安80 坐标和北京54坐标都试一下，然后再和宛大村WGS1984坐标的影像图进行对比，看看哪个坐标更贴切，就是哪个地理坐标；

③再进一步思考下，我们平时接触到的CAD文件都能度量距离，因此都是投影坐标系，所以我们要在地理坐标系的基础上确定CAD文件的投影坐标系。百度可知宛大村的经度在115.93°左右，从前文内容可知，宛大村所在的投影带是39°带，无论是北京54坐标系，还是西安80坐标系，投影带都该选择zone39（或者中央经度为117°)。因此我们就可以定义该CAD的坐标为“xian19803DegreeGKZone39”或者“beijing19543DegreeGKZone39”

④通过上一小节“定义坐标”的相关知识，我们可以分别定义宛大村的地形文件为“xian1980 3 Degree GK Zone39”或者“beijing 1954 3 Degree GK Zone 39”坐标

⑤ 加载宛大村WGS1984坐标的遥感影像图（可以通过群文件软件安装包中的全能电子地图下载器来下载WGS1984坐标的影像图）作为底图，用来比照两种坐标系下的文件哪个与影像图更贴合。结果如下图，其中红线文件是“beijing19543DegreeGKZone39”坐标，蓝线文件是“xian19803DegreeGKZone39”通过对比发现“xian19803DegreeGKZone39”更贴合影像图，因此，宛大村的地形文件应该是“xian19803DegreeGKZone39”坐标。至此，我们完成了对CAD文件的坐标定义。

三 ．坐标转换（坐标投影）

1.统一坐标系下地理坐标转投影坐标

在使用ArcGIS进行分析时，我们通常会需要将地理坐标转为投影坐标系，因为投影坐标系是以距离为单位的，我们在进行距离、面积测量和计算时，必须在投影坐标系下进行，因此地理坐标系转投影坐标系非常重要。那么如何转哪？

以定义坐标后的上海市交通轨道站点数据为例，操作步骤为：

①首先，这份数据的坐标系是WGS1984地理坐标系。通过百度，我们知道上海的经度是121.48°E。然后根据上面UTM投影专题里面提到的分度带图，我们知道了上海所在的分度带是Zone51。

②然后我们找到ArcGIS中的“投影”工具，设置如下：

● 输入数据集或要素类：你想要转换坐标系的空间数据，这里是上海轨道交通站点的要素文件。并且可以看到，输入坐标系栏里，会自动识别输入数据的坐标系。

● 输出数据集或要素类：为之后的输出文件指定文件名和储存路径。这里，我将输出文件命名为上海_轨道交通站点 UTM

● 输出坐标系：这儿选择你要转换成的地理坐标系，当然选择“WGS 1984 UTM Zone 51N”(其中，N代表北半球，我们大上海当然在北半球)

● 地理（坐标）变化：由于我们的操作是同一坐标系的地理坐标转为投影坐标，没有涉及到不同地理坐标系之间的转化，所以不需要设置“地理（坐标） 变化”，留白即可

● 确定一下，就完成了地理坐标系到投影坐标系的转换

2. 不同坐标系之间的转换

在使用 ArcGIS进行不同坐标系之间的转换时，主要碰到的场景就是北京54投影坐标系或是西安80坐标系转WGS1984地理坐标。本次以湖北省长阳县的CAD文件（数据位于群文件“坐标系专题资料”中）进行讲解，通过前面的“为CAD文件定义坐标”的操作步骤我们可以确定，湖北省长阳县CAD文件的坐标为Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_111E，该坐标转为WGS1984地理坐标的步骤如下：

① 打开投影工具，设置如下图：

● 其中，前三个对话框的设置参考前面的内容；

● 重点强调下第四个对话框，地理（坐标）变化：由于转换前后的两个坐标系使用的是不同的地理坐标系，所以两者之间的转换不是唯一的。ArcGIS提供了6种WGS1984和北京54地理坐标系之间的转化方法。大家可以参考下面的表格来确定转化方法。长阳的经度是116.28°E，纬度是39.82°N，与转换方法2的经纬度适用范围比较接近。所以这里我使用的是beijing_1954_To_WGS_1984_2。

②我们必须意识到，不同地理坐标系之间的转换不是十分准确的。这是因为我国对北京54、西安80到WGS1984 的转换参数进行了加密，我们没有办法准确进行北京54、西安80 到WGS1984 坐标的转换，如果想要提升对接的精度，需要配合地理配准（针对栅格文件）或是空间矫正（针对矢量文件）工具进行手动对准，该两工具的使用方法不在本次讨论之列。

补充重要概念——动图投影

在gis中有个关于坐标系的操作非常有意思知识叫动态投影。ArcMap文档的坐标系统默认为第一个加载到当前ArcMap的那个文件的坐标系统，后加入的数据，如果和当前工作区坐标系统不同，则ArcMap会自动做投影变换，把后加入的数据投影变换到当前坐标系统下显示，但此时数据文件所存储的实际数据坐标值并没有改变，只是显示形态上的变化！因 此叫动态投影。

给大家举个例子，我们有两个数据，一个是WGS1984地理坐标的上海市小学数据，一个是WGS1984UTM投影坐标的上海市小学文件，当我们打开 ArcMap，第一个拖入的文件是“WGS1984地理坐标”的上海市小学数据，而后拖入 WGS 1984投影坐标的上海市小学文件，那么尽管这两个数据的坐标系不同，但是他们的位置会自动对到一起，这就是动图投影。

来源：观察者GIS

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