对GIS的一些科普知识(常见的坐标系、GPS精度)

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       GIS:Geographic information system 地理信息系统是位置服务(LBS)的根基。服务少不了地图数据+位置信息。另外导航功能还需要带路权的路线信息。以上信息用于编制地图,对于地图来讲非常重要的一个就是投影方法,因为地球是曲面,地图是平面。进化到了数字时代,数字出版地图都要包含图形数据和坐标数据。而坐标数据是依据坐标系的不同而不同的。
       一:常见的坐标系
       WGS-84:  
       英文http://en.wikipedia.org/wiki/World_Geodetic_System
       中文http://zh.wikipedia.org/wiki/WGS84
       地心坐标系,坐标原点为地球质心,其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH (国际时间)1984.O定义的协议地球极(CTP)方向,X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系,称为1984年世界大地坐标系统。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的
WGS84坐标系,长轴6378137.000m,短轴6356752.314,扁率1/298.257223563。 

       北京54
       http://baike.baidu.com/view/760807.htm
       北京54坐标系为参心大地坐标系,大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位,它是以克拉索夫斯基椭球为基础,经局部平差后产生的坐标系。
       与前苏联1942年坐标系进行联测,通过计算建立了我国大地坐标系,定名为1954年北京坐标系。因此,1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。
北京54坐标系,属三心坐标系,长轴6378245m,短轴6356863,扁率1/298.3;

       西安80
       http://zh.wikipedia.org/zh/%E8%A5%BF%E5%AE%89%E5%9D%90%E6%A0%87%E7%B3%BB
       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,建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据,即IAG 75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇,位于西安市西北方向约60公里,故称1980年西安坐标系,又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952-1979年确定的黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。
       西安80坐标系,属三心坐标系,长轴6378140m,短轴6356755,扁率1/298.25722101 

       另附:我国常用高程系
       “1956年黄海高程系”,是在1956年确定的。它是根据青岛验潮站1950年到1956年的黄海验潮资料,求出该站验潮井里横按铜丝的高度为3.61 米,所以就确定这个钢丝以下3.61米处为黄海平均海水面。从这个平均海水面起,于1956年推算出青岛水准原点的高程为72.289米。
       国家85高程基准其实也是黄海高程基准,只不过老的叫“1956年黄海高程系统”,新的叫“1985国家高程基准”,新的比旧的低0.029m
       我国于1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面,为中国第一个国家高程系统,从而结束了过去高程系统繁杂的局面。但由于计算这个基面所依据的青岛验潮站的资料系列(1950年~1956年)较短等原因,中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面,以青岛验潮站1952年~1979年的潮汐观测资料为计算依据,并用精密水准测量接测位于青岛的中华人民共和国水准原点,得出1985年国家高程基准高程和1956年黄海高程的关系为: 1985年国家高程基准高程=1956年黄海高程-0.029m。1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用,1956年黄海高程系同时废止。
       各高程系统之间的关系:
       56黄海高程基准:+0.000
       85高程基准(最新的黄海高程):56高程基准-0.029
       吴淞高程系统:56高程基准+1.688
       珠江高程系统:56高程基准-0.586
       我国目前通用的高程基准是:85高程基准 
       二、关于GPS精度的一些问题
       实际应用中,GPS接收机统一使用WGS-84。而WGS-84和我国使用的坐标系高程参数不同,会出现沿海得到海拔为负的状况。此情况正常, 不正常的情况应是平面位置的偏移,注意是偏移不是漂移,漂移是随机的,不可避免的。(就好比白噪声)而偏移是人为的。在2000年前,由于选择可用性(Selective Availability,简称SA)的存在,GPS民用几乎是无法实施的。但是2000年5月1日,美国政府停止了SA技术。
       http://en.wikipedia.org/wiki/Error_analysis_for_the_Global_Positioning_System#Selective_availability
       现在呢?这不得不提到一个蛋疼的词GCJ-02。GCJ-02是坐标系的名称,官方称呼叫做“国家保密插件”。它是一个对经纬度坐标进行加密的算法。算法有两个特点:不可逆+非线性。这个加密算法不可求反函数,不可回归。实际过程中体现出就是坐标无法对应到地图上,非加密图+加密位置数据,能对应到原点就有问题了。当然一般的应用也勉强可以,要精度,不可能的了……
       由中国国家测绘局制订的地理信息系统的坐标系统。它是一种对经纬度数据的加密算法,即加入随机的偏差。国内出版的各种地图系统(包括电子形式),必须采用GCJ-02对地理位置进行加密,俗称加偏,这样得到的坐标与实际的坐标(WGS-84)是有一个偏移量的。并通过算法保证最小偏移量>500米。
       明白了吗?所有出版地图,包括了书店里买到的地图册,电子发行的地图文件都是偏移地图,这样用偏移地图+偏移数据,负负得正就对回去了,bingo!(其实国内出版的地图准确叫“示意图”根本不算地图)由于工作需要用到地图的,或者需要用地图进行编制的,拿上单位证件和身份证到测绘局买真实地图去。
       三:解决。怎么办
       已经有人模拟出了地球坐标系 (WGS-84) 到火星坐标系 (GCJ-02) 的转换算法,google "wgtochina_lb" 即可,而对于逆向,只能在小范围内(Google卫星图的“图块”记得吗?)进行纠偏,因为加密是非线性的嘛,代码在本文中找啊。

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