跟牟老师学ArcGIS｜第７章 空间参考与变换
| 第7章 空间参考与变换 |
地图图层中的所有元素都具有特定的地理位置和范围，这使得它们能够定位到地球表面上相应的位置。精确定位地理要素对于制图和GIS来说至关重要，而要正确地描述要素的位置和形状，需要引入一个用于定义位置的框架——空间参考。
空间参考包括一个X、Y、Z值坐标系以及X、Y、Z和M值的容差值和分辨率值，利用这些属性，可以描述一个地物的真实位置。此外，在实际应用中，由于获得的原始数据并非经过预处理的，因此，在坐标系统、投影方式等方面会与用户的需求不一致，这时就需要进行投影转换。
本章将主要介绍空间参考的相关定义，投影变换预处理以及投影变换的方法等内容。
7.1：空间参考与空间投影
空间参考、大地坐标系、投影坐标系。
7.2：投影变换预处理
定义投影、创建自定义地理（坐标）变换、转换坐标记法。
7.3：投影变换
矢量数据的投影变换、栅格数据的投影变换。
7.1：空间参考与空间投影
空间参考：空间参考是用于存储各要素类和栅格数据集坐标属性的坐标系。
大地坐标系：椭球体与地球表面定位后（即大地基准确定后），就可以划分经线和纬线，形成以经纬度为单位的大地坐标系。
投影坐标系：投影坐标系始终基于地理坐标系，大地坐标系是一个不可展的曲面，在实际工作中，需要将坐标系统由曲面转换为平面，并将坐标值单位由度转换为米等长度单位，投影后平面的、以米为单位的坐标系统称为投影坐标系统。我国现行的大于1：50万比例尺的各种地形图都采用高斯-克吕格投影。
7.2：投影变换预处理
当数据的空间参考系统（坐标系统、投影方式等）与用户的需求不一致时，就需要对数据进行投影变换。
(１) 定义投影
定义投影的操作步骤如下：
启动ArcToolbox，在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影与变换】→【定义投影】，打开【定义投影】对话框如下图。在【定义投影】对话框中，输入【输入数据集或要素集】数据。单击【坐标系】文本框右边的按钮，打开【空间参考属性】对话框。【XY坐标系】的【名称】文本框显示为“Unknown”,表示原始数据没有定义坐标系统。
【定义投影】对话框
定义投影的方法有以下三种：
单击【空间参考属性】对话框中的【选择】按钮，打开【浏览坐标系】对话框。
当已知原始数据与某一数据的投影相同时，可单击【空间参考属性】对话框中的【导入】按钮，浏览具有该坐标系统的数据，用该数据的投影信息来定义原始数据。
单击【空间参考属性】对话框中的【新建】按钮，可以新建地理坐标系统如下图或新建投影坐标系统如下图。
【新建地理坐标系】对话框
【新建投影坐标系】对话框
定义投影坐标系统后，单击【完成】按钮，返回上一级对话框，在【详细信息】文本框中可以浏览投影坐标系统的详细信息。单击【修改】按钮，可修改已定义的投影坐标系统；单击【清除】按钮，可清除原有投影坐标系统，以便定义新的投影坐标系统。单击【确定】按钮，完成定义投影坐标系统的操作。
(2) 创建自定义地理（坐标）变换
以自定义的GCS-Beijing-1954转GCS-WGS-1984为例说明，其操作步骤如下：
（GCS，是Geographic Coordinate System的缩写，中文意思是地理坐标系；WGS，是World Geodetic System，中文意思是世界大地测量系统。）
在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影变换】→【创建自定义地理（坐标）变换】打开【创建自定义地理（坐标）变换】对话框，加载相关数据如下图，点击【确定】按钮，完成操作。
【创建自定义地理（坐标）变换】对话框
(3) 转换坐标记法
转换坐标记法将包含点坐标字段的表转换为点要素类。例如GARS（全球区域参考系统）、UTM（通用横轴墨卡托投影）和MGRS（军事格网参考系），输出的点要素类中包含该坐标字段，其操作步骤如下：
在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【转换坐标记法】，打开【转换坐标记法】对话框，各区域参数如下图所示，最后单击【确定】按钮，即完成操作。
【转换坐标记法】对话框
7.3.投影变换
投影变换是指将一种地图投影变换转换为另一种地图投影，主要包括投影类型、投影参数和椭球体参数等的改变。在ArcToolbox的【数据管理工具】下的【投影和变换】工具集中有栅格和要素两种类型的数据变换。
(1) 矢量数据投影变换的操作步骤
在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【要素】→【投影】，打开【投影】对话框各区域参数如图所示。单击【确定】按钮，即可完成操作。
除此还可以进行批量投影，支持多个输入数据的批量转换。
【投影】对话框
(2) 栅格数据的投影转换
指将栅格数据集从一种地图投影变换到另一种地图投影。
栅格数据的投影转换其操作步骤如下：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【投影栅格】，打开【投影栅格】对话框，完成如图加载相关数据，点击【确定】按钮，即可完成操作。
【投影栅格】对话框
栅格数据变换
数据变换是指对数据进行平移、扭曲、旋转和翻转等位置、形状和方位的改变等操作。
平移：指根据X和Y平移值将栅格数据移动（滑动）到新的位置。其操作步骤如下：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【平移】，打开【平移】对话框，加载相关数据如下图，单击【确定】按钮，完场操作，平移结果如图所示。
【平移】对话框
平移结果图
扭曲：指将栅格数据通过输入的控制点进行多项式变换。其操作步骤为：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【扭曲】，打开【扭曲】对话框如下图所示，单击【确定】按钮，即完成操作。
【扭曲】对话框
旋转：指将栅格数据按指定的角度，围绕指定枢轴点转动。其操作步骤：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【旋转】，打开【输出栅格数据集】对话框，加载相关数据如图所示，单击【确定】按钮，完成操作，结果如图。
【旋转】对话框
旋转结果图
翻转：指将栅格数据沿穿过区域中心的水平轴从上向下翻转，在校正倒置的栅格数据集时非常有用，操作步骤为：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【翻转】，打开【翻转】对话框，如下图所示加载相关数据，单击【确定】按钮，完成操作。翻转前后对比如图所示
【翻转】对话框
翻转前后的图像对比
重设比例：指将栅格数据按照指定的X和Y比例因子来调整栅格的大小。操作步骤为：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影和变换】→【栅格】→【重设比例】，打开【重设比例】对话框，如下图加载相关数据，单击【确定】按钮，完成操作结果如图。
【重设比例】对话框
重设比例结果
镜像：指将栅格数据沿穿过栅格中心的垂直轴从左向右翻转。操作步骤为：在ArcToolbox中双击【数据管理工具】→【投影与变换】→【栅格】→【镜像】，打开【镜像】对话框，如下图加载各项数据，单击【确定】按钮，完成操作结果如图。
【镜像】对话框
镜像前后的图像对比
注：绿色文字由GeoTalks添加。
温馨提示：关注GeoTalks后,点击“精彩文章”菜单，即可查看《ArcGIS10 地理信息系统教程：从初学到精通》以前章节的课件。祝各位学习愉快！
牟乃夏老师简介
牟乃夏（1973-），男，博士、博士后，现为山东科技大学测绘学院副教授，硕士生导师。在扎实科研的同时，更乐于将所思所学传授给学生，曾经连续六年带领七组学生进入Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛的总决赛，成为学生培养的传奇和美谈。从教十年来已培养研究生40余名，都在自己的工作岗位上为GIS的发展应用做出了重要贡献。
为使全国的GIS学子更快更好的掌握GIS基本技能，他组织团队经过两年多的时间精心编写了《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》《ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET》两本教材，深受广大学子喜爱，已成为学习GIS的必备工具书。同时为了推广GIS、传授GIS，他还开设了博客、微博，QQ群等，进行GIS知识的传播和交流，由于他为GIS教学与推广做出的贡献，2015年被CPGIS（全球海外华人地理联合会）授予杰出教育奖。
图书简介
《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》一书2012年9月由测绘出版出版（截至2016年2月已经印刷9次），销量长期位于同类图书的榜首。目前已被全国60余所高校采纳为相关课程的教材或者参考书。该书内容翔实、深入浅出、通俗易懂，层次合理，初学者能够很快入门，对ArcGIS已经熟悉的读者来讲，也是一本必备的案头书。
该书是作者在总结多年GIS教学与科研工作的基础上，充分考虑本科生、研究生的知识结构、操作水平及生产单位的实际需求编写而成的。内容包括：ArcGIS10基础，ArcGIS10快速入门，空间数据库，空间数据的采集、编辑与拓扑处理，空间投影与变换，空间数据可视化，地图制图，矢量与栅格数据的空间分析，网络分析，三维分析，水文分析，地统计分析等。特别的，针对Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛而设计了ModelBuilder与空间建模一章，并提供了两个获奖实例，供读者参考。本书配有大量具有实际背景的应用实例及其详细的操作步骤，随书光盘中包含所有实例的数据，供读者练习。
本书强调新颖性、实用性、技巧性、全面性和实战性，注重理论与实践的结合。既可作为高等学校地理信息系统、测绘工程、遥感科学与技术、地理科学、城市规划、土地资源管理、市政工程、交通运输、环境保护、地质工程等相关专业的本科生、研究生的理论课教材和实验指导书，也可作为相关部门的研究人员、管理人员和技术人员的参考用书。
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