• Главная
• Документация
• ГИС-курс

Введение в геоинформационные системы

Системы координат и проекции

<<< предыдущая глава | оглавление | следующая глава >>>

Теоретическая часть

Один из важных первых шагов в создании ГИС - выбор системы координат, которые вместе с масштабом, эллипсоидом и проекцией являются частью математической основы карты и ГИС в целом. Понимать такие термины как «система координат», «проекция» также чрезвычайно важно для обмена информацией с другими ГИС.

Объекты на карте связаны с реальными объектами на местности с помощью пространственных координат. Местоположение объектов на поверхности земли определяется при помощи географических координат. Хотя географические координаты хорошо подходят для определения местоположения объекта, они не годятся для определения его пространственных характеристик, таких как длина, площадь и т.д., так как географические широта и долгота не являются однозначными единицами измерения. Градус широты равен градусу долготы только на экваторе. Для преодоления этих трудностей, данные переводят из сферических географических координат, в прямоугольные спроектированные координаты.

Системы координат в которых осуществляется ввод данных и работа в ГИС могут отличаться от систем координат вывода. Например оцифровка материалов может проводиться в одной проекции, а составление макета карты и вывод данных на печать - в другой.

Географическая и спроектированная системы координат

Таким образом, существует 2 типа систем координат: географические системы координат и спроектированные системы координат.

Географическая система координат использует сферические (то есть трехмерные) угловые географические координаты (широту и долготу) базирующиеся одном из эллипсоидов (например, WGS 1984 или эллипсоиде Красовского). Эллипсоид (или сфероид) - фигура упрощенно описывающая форму Земли, характеризуется размерами большой и малой полуосей. Для представления географической системы координат визуально на плоскости (например на экране компьютера) иногда представляют широту как Y, долготу как X. В этом случае сеть меридианов и параллелей представляет собой на плоскости сетку с одинаковых размеров ячеей и выглядит таким образом:

Такое представление иногда называют географической проекцией.

Спроектированная система координат - прямоугольная система, с началом координат в определенной точке, чаще всего имеющей координаты 0,0. Спроектированная система координат связана с географической набором специальных формул - проекцией.

Локальная система координат

Не привязанные данные находятся в так называемой локальной системе координат, которая также является прямоугольной (у нее также есть начало координат и оси), но не имеет прямой связи с географической системой, то есть прямой пересчет из нее в географическую с помощью проекции невозможен (пример таких данных - отсканированная карта). То есть, получив данные в спроектированной системе координат, но не зная в какой именно системе эти данные находятся, можно также говорить, что данные находятся в локальной системе координат.

Распространенные географические системы координат.

Самыми распространенными системами координат для территории России являются: универсальная общеземная система WGS-84 (World Geodetic System - 1984) базирующаяся на эллипсоиде WGS-84 с центром в центре масс земли и референцная (используемая в России и некоторых окружающих странах) - Pulkovo-1942 (СК-42) базирующаяся на эллипсоиде Красовского, начало координат смещено относительно центра масс расстояние около 100 м (поэтому эта система и носит название референцной или относительной). Система WGS-84 широко применяется зарубежом, ее используют практически для всех данных производимых в мире. СК-42 широко используется в российской картографии, на ней основаются все топографические материалы ВТУ ГШ РФ (Военно-топографического управления Генерального штаба Российской Федерации).

Проекция

Проекция - набор математических формул, использующаяся для преобразования сферической поверхности в плоскость.

Виды проекций

По типу поверхности на которую осуществляется проектирование проекции разделяются на:

Конические (проектирование сфероида на коническую поверхность)

Цилиндрические (проектирование сфероида на цилиндрическую поверхность)

Азимутальные (проектирование сфероида на плоскость касательную сфероида)

По характеру искажений вносимых в содержание карты после проектирования карты проекции делятся на равноплощадные (отсутствуют искажения площадей), равноугольные (отсутствуют искажения углов и, следовательно формы объектов), равнопромежуточные (отсутствуют искажения длин - расстояния остаются неизменными в определенных направлениях). Существуют также проекции в которых искажения минимизированы сразу по двум или трем показателям (углы, длины, площади). Проекций в которых сохранялся бы масштаб длин во всех направлениях не существует.

Распространенные проекции

Достаточно широко распространены в России и мире группы проекций UTM (Universal Transverse Mercator) и ГК (Гаусса-Крюгера, больше распространена в России и странах Восточной Европы). Обе этих группы базируются на одной поперечной проекции Меркатора (Transverse Mercator), однако имеют различную номенклатуру (нумерацию зон) и параметры проекций для каждой зоны.

Переход между системами координат

Последнее время, с развитием спутниковой навигации, проблема перехода из универсальной общеземной системы координат используемой приборами GPS - WGS84 в другие системы координат , например СК-42 (Pulkovo 1942) встает особенно явно. Для перехода из одной системы координат в другую используется набор параметров определяющих отличие эллипсоида на котором базируется одна СК от другого. Это т.н. линейные элементы трансформирования определяющие сдвиг центра масс эллипсоида относительно общеземного и угловые элементы трансформирования определяющие соответственно поворот эллипсоида относительно общеземного. Обычная разница между одними и теми же координатами в разных системах составляет порядка 150 метров. Если вы видите, что одни ваши данные равномерно смещены относительно других слоев на эту величину, то скорее всего вы используете данные находящиеся в разных системах координат, например одновременно используются данные в WGS84 и Pulkovo 1942.

Файл описания проекции

Проекция данных записывается в специальный файл (имеющий расширение prj), в котором указывается система координат, проекция, единицы измерения и другие данные, важные для пространственной привязки данных. Без этого файла, определение проекции данных может быть затруднительно. Этот файл помогает ГИС определить пространственную привязку данных и перевести их в другую проекцию, если такая команда будет дана ГИС.

Подробнее о проекциях и системах координат:

Часто задаваемые вопросы по координатам, проекциям, системам координат >>>

Практическая часть

Скачать учебные материалы для этой главы (2.7 Мб).

В практической части этой главы Вы научитесь:

• Назначать и менять систему координат фрейму данных;
• Узнавать систему координат слоев для которых она указана;
• Правильно отображать данные в разных системах координат;
• Менять систему координат данных с созданием нового слоя.

Упражнение 1. Назначение спроектированной системы координат фрейму данных

1. Создайте новый проект ex3.mxd
2. Выберите свойства набора данных (на данный момент единственного)
   Выбор свойств набора данных может осуществляться двумя способами:
   
   - нажатием правой кнопкой мыши на названии набора данных в таблице содержания вида
   
   
   
   - или выбором в главном меню в закладке View\Data Frame Properties...
   
   
   
   В свойствах фрейма данных необходимо выбрать закладку Coordinate System и указать систему координат из папки Predefined (спроектированную - из папки Projected Coordinate Systems или географическую - из папки Geographic Coordinate Systems). С помощью кнопки Modify... параметры любой системы координат или проекции могут быть изменены. Используя кнопку New вы можете создавать новые проекции c необходимыми Вам параметрами.
   
   
   
3. Установите проекцию Albers со следующими параметрами. Для этого нажмите кнопку New\Projected Coordinate System и установите следующие параметры проекции:
   Name: Albers-Europe
   Projection Name: Albers
   False_Easting: 8500000.000
   False_Northing: 0.000
   Central_Meridian: 45.000
   Standard_Parallel_1: 52.000
   Standard_Parallel_2: 64.000
   Latitude_Of_Origin: 0.000
   
   
   
   Кроме задания парметров проекции необходимо указать используемую географическую систему координат. Для этого нажмите кнопку Select и из папки Europe выберите систему координат Pulkovo 1942.prj
   
   
   
   Как Вы увидите, вновь созданная проекция добавилась в папку <custom>
   
   
   
   Часто бывает так, что заданные вручную параметры проекции необходимо будет использовать многократно. Для того, чтобы не прописывать эти параметры каждый раз заново, Вы можете сохранить свою проекцию в папку Favorites. Для этого необходимо нажать кнопку Add To Favorites
   
   
   
   Теперь для того, чтобы задать эту проекцию фрейму данных его нужно будет просто выбрать из списка в папке Favorites и нажать Apply.
   Подробнее о добавлении проекций в ArcGIS >>>
   

Упражнение 2. Смена географической системы координат

1. В созданный на предыдущем шаге проект с заданной проекцией загрузите растровую карту Висимского заповедника File\Add Data\...\chapt08\o40-24.tif (путь к папке определяется тем, куда вы распаковали архив с упражнением)
2. Ответьте "нет" на вопрос о создании пирамидных слоев. Данные слои помогают ускорить отображение больших растров, в данном случае они нам не понадобятся.
   
   
   
3. Нажмите правой кнопкой мыши на слое с картой, обратите внимание на проекцию карты. Топографическая карта имеет ту же проекцию и систему координат, что и набор данных (Data Frame)
4. Нажав правой кнопкой мыши в любом месте окна карты, также проверьте проекцию и систему координат фрейма данных (Properties\Coordinate System). Если система координат набора данных не установлена, то, после загрузки первого слоя, набор данных приобретает систему координат и проекцию первого загруженного слоя. Это является особенностью ArcGIS.
5. Загрузите векторный слой границ Висимского заповедника File\Add Data\...\chapt08\zp-bcc.lyr (именно zp-bcc.lyr, а не zp-bcc.shp)
   
   
   
6. Увеличьте правый верхний угол заповедника и измерьте расстояние от просеки (черная пунктирная линия на карте), по которой реально проходит граница заповедника, до векторной линии ее представляющей в данный момент. Хорошо видно, что граница заповедника смещена на расстояние порядка 150 метров.
   
   
   
7. Допустим, что мы знаем, что слой границы заповедника получен из точечного слоя измерений GPS на вынесенных в натуру границ и, также, что точность привязки топографических карт также гораздо лучше 150 метров. В этом случае, мы можем предположить, что сдвиг связан с тем, что перехода из одной системы координат (тема zp-bcc, система координат WGS84, см. предыдущее упражнение) в другую (тема o40-24.tif, система координат Pulkovo 1942, см. предыдущее упражнение) автоматически не произошло, несмотря на то, что проекцией фрейма данных является проекция Albers-Europe и система координат Pulkovo 1942. Это также является особенностью ArcGIS, которую необходимо учитывать, при использовании данных в разных системах координат. Подробнее про настройку системы координат и различия в измерениях >>>
8. Наша задача состоит в том, что бы такой переход все таки был осуществлен. Для этого откроем еще раз настройки системы координат в свойствах вида View\Data Frame Properties\Coordinate System и укажем явным образом трансформацию нажатием на кнопку Transformations...
9. В пункте "трансформировать из" (Convert from:) укажем систему координат GCS_WGS_1984, а в пункте "трансформировать в" (Into:) - GCS_Pulkovo_1942. После этого станет доступна опция "трансформировать используя" (Using:), где нужно выбрать Pulkovo_1942_To_WGS_1984. Нажмите Ок.
10. Как видно из нижеследующей иллюстрации, граница "встала" на место.
    
    Данный пример иллюстрирует особенности работы в ArcGIS с данными, находящимися в разных системах координат и особенности "поведения" ПО, необходимые при этом учитывать.
    
    

Упражнение 3. Экспорт данных в другой системе координат (перепроектировка)

1. В результате предыдущего упражнения, на экране мы фактически получили все слои в одной системе координат - Pulkovo 1942. Однако, это сохраняется только в проекте, загрузив эти же данные в другой проект, нам придется заново устанавливать необходимые настройки. Для хранения данных в определенной системе координат постоянно может возникнуть необходимость для этих слоев навсегда задать эту систему координат.
2. Используя результаты предыдущего проекта, щелкните правой кнопкой на теме, которую вы хотите сохранить в текущей проекции и системе координат фрейма данных.
3. Выберите Data\Export Data... (Данные\Экспорт данных).
4. В открывшемся окне, установите переключатель в положение Use the same Coordinate System as the data frame (для экспортируемого слоя использовать систему систему координат равную системе координат фрейма данных).
5. После экспорта будет предложено добавить экспортированный и сконвертированный слой добавить в проект - сделайте это.
6. Удалите предыдущую тему в системе координат WGS84.
7. Отмените проектирование фрейма данных, выбрав его свойства, систему координат и нажав кнопку Clear (Очистить). При этом, так как система координат фрейму данных не задается, все слои будут показываться в той системе координат, в которой они находятся изначально, без проектирования "на лету" ArcGIS.
8. Как мы видим, слой границ все так же хорошо соответствует топографической карте и в свойствах этих двух слоев значится одинаковая спроектированная система координат.

Данное упражнение иллюстрирует один из способов перевода данных из одной системы координат в другую, так чтобы новая система координат была закреплена за данными постоянно, независимо от того, в какую систему координат имеет набор данных.

<<< предыдущая глава | оглавление | следующая глава >>>

Последнее обновление: November 29 2008