GPS坐标转换

由于经常涉及到GPS程序的编写，现在貌似这个GPS是越来越火，越来越多的朋友在编写GPS程序，估计是个人都会遇到这个GPS坐标转换的问题，很惭愧的是，作为一个测量专业出身的学生，我还得时不时的要把这些概念翻过来覆过去的看好几遍，每次看书都能有新的收获，我希望这次用这篇博客能够详细具体的把GPS坐标转换讲清楚。 

   这里我就不赘述有关什么GPS测量原理已经GPS通信等问题了，GPS测量原理有空大家自己翻书去看，核心原理就是由已知卫星的位置通过距离来反算GPS位置坐标，测量上叫后方交会吧！GPS通信问题其实也就是个串口通讯原理，在WINDOWS MOBILE 5.0版本上更是已经被封装好了，方便使用 

    由于懒的打字，本人这里的文字都是从网上转载，我只选经典，解释正确的放这里！ 

地球椭球体 大地基准面 投影坐标系统 定义

转自：http://www.topmap.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=128

地球椭球体(Ellipsoid)
大地基准面（Geodetic datum）
投影坐标系统（Projected Coordinate Systems ）
GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。

地球椭球体(Ellipsoid)
   众所周知我们的地球表面是一个凸凹不平的表面，而对于地球测量而言，地表是一个无法用数学公式表达的曲面，这样的曲面不能作为测量和制图的基准面。假想一个扁率极小的椭圆，绕大地球体短轴旋转所形成的规则椭球体称之为地球椭球体。地球椭球体表面是一个规则的数学表面，可以用数学公式表达，所以在测量和制图中就用它替代地球的自然表面。因此就有了地球椭球体的概念。
地球椭球体有长半径和短半径之分，长半径(a)即赤道半径，短半径(b)即极半径。f=（a-b）/a为椭球体的扁率，表示椭球体的扁平程度。由此可见，地球椭球体的形状和大小取决于a、b、f 。因此，a、b、f被称为地球椭球体的三要素。
    对地球椭球体而言，其围绕旋转的轴叫地轴。地轴的北端称为地球的北极，南端称为南极；过地心与地轴垂直的平面与椭球面的交线是一个圆，这就是地球的赤道；过英国格林威治天文台旧址和地轴的平面与椭球面的交线称为本初子午线。以地球的北极、南极、赤道和本初子午线等作为基本要素，即可构成地球椭球面的地理坐标系统。可以看出地理坐标系统是球面坐标系统，以经度/维度（通常以十进制度或度分秒(DMS)的形式）来表示地面点位的位置。地理坐标系统以本初子午线为基准（向东，向西各分了180度）之东为东经其值为正，之西为西经其值为负；以赤道为基准（向南、向北各分了90度）之北为北纬其值为正，之南为南纬其值为负。

大地基准面（Geodetic datum）注：这个地方我以前一直没搞懂，这次开发的软件中我终于明白这个含义了，我也终于搞清楚了，为什么说北京54坐标系的椭球是卡拉索夫斯基椭球但还说北京54的转换参数没有公布，原来这里说的北京54的转换参数说的是大地基准面的参数！！

大地基准面（Geodetic datum），设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。此关系能以 6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。
    让我们先抛开测绘学上这个晦涩难懂的概念，看看GIS系统中的基准面是如何定义的，GIS中的基准面通过当地基准面向WGS1984的转换7参数来定义（貌似叫布尔萨7模型，还有一个莫诺进什么模型的吧，不过数学原理其实是一样的），转换通过相似变换方法实现，具体算法可参考科学出版社1999年出版的《城市地理信息系统标准化指南》第76至86页，。假设Xg、Yg、Zg表示WGS84地心坐标系的三坐标轴，Xt、Yt、Zt表示当地坐标系的三坐标轴，那么自定义基准面的7参数分别为：三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值；三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时，分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角；最后是比例校正因子，用于调整椭球大小。
    那么现在让我们把地球椭球体和基准面结合起来看，在此我们把地球比做是“马铃薯”，表面凸凹不平，而地球椭球体就好比一个“鸭蛋”，那么按照我们前面的定义，基准面就定义了怎样拿这个“鸭蛋”去逼近“马铃薯”某一个区域的表面，X、Y、Z轴进行一定的偏移，并各自旋转一定的角度，大小不适当的时候就缩放一下“鸭蛋”，那么通过如上的处理必定可以达到很好的逼近地球某一区域的表面。

因此，从这一点上也可以很好的理解，每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG75）建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。克拉索夫斯基(Krassovsky)、1975地球椭球体（IAG75）、WGS1984椭球体的参数可以参考常见的地球椭球体数据表。椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面。地球椭球体和基准面之间的关系以及基准面是如何结合地球椭球体从而实现来逼近地球表面的 

WGS84的基准面是公布的！还有美国测绘局已经公布了很多国家地方的基准面的参数，包括中国的香港和台湾的，在一些GIS软件如ARCGIS MAPINFO中你可以找到很多的投影文件但很难找到北京54和西安80的，都必须由人工根据实地情况自己生成投影文件！

投影坐标系统（Projected Coordinate Systems ）
    地球椭球体表面也是个曲面，而我们日常生活中的地图及量测空间通常是二维平面，因此在地图制图和线性量测时首先要考虑把曲面转化成平面。由于球面上任何一点的位置是用地理坐标（λ，φ）表示的，而平面上的点的位置是用直角坐标（χ，у）或极坐标（r，）表示的，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，就是地图投影方法。

 

小结：我们国家的北京54坐标也叫国家坐标系，采用的是克拉索夫斯椭球，椭球参数确定，但基准面的六个参数没有公布，所以一般是通过实测WGS84和已有的北京54的坐标通过反算求得一个转换参数。各个城市又有自己的独立坐标系，将北京54坐标通过平面转换转成独立坐标系。不过我好像听说其实是有的城市的独立坐标系是有自己的基准面参数的，不过和国家基准面都相差不了多少，一般都是采用的直接平面转换的啦！除独立坐标系外，还有根据这些独立坐标再进行转换变为自己的独立坐标系的，一般用在小型工程上面吧。不晓得我理解的是否正确！还有待看书！

 

下面来介绍下地图投影

用GPS收到的坐标都是经纬度的，数字大小顶多就是0~360度，这样直接展现在手机或者GIS软件中的平面上时就会发现变形很大，且坐标都很小，这个时候必须将经纬度转换成平面坐标，这就需要进行投影！ 

投影类型太多，我这里就以我们国家的高斯投影进行说明

 

高斯投影(转自http://hi.baidu.com/221144/blog/item/04716f1ed1a226fc1ad57610.html)

（1）高斯-克吕格投影性质
    高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影简称“高斯投影”，又名"等角横切椭圆柱投影”，地球椭球面和平面间正形投影的一种。德国数学家、物理学家、天文学家高斯（Carl FriedrichGauss，1777一 1855）于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格（Johannes Kruger，1857～1928）于 1912年对投影公式加以补充，故名。该投影按照投影带中央子午线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯一克吕格投影公式。投影后，除中央子午线和赤道为直线外，其他子午线均为对称于中央子午线的曲线。设想用一个椭圆柱横切于椭球面上投影带的中央子午线，按上述投影条件，将中央子午线两侧一定经差范围内的椭球面正形投影于椭圆柱面。将椭圆柱面沿过南北极的母线剪开展平，即为高斯投影平面。取中央子午线与赤道交点的投影为原点，中央子午线的投影为纵坐标x轴，赤道的投影为横坐标y轴，构成高斯克吕格平面直角坐标系。
    高斯-克吕格投影在长度和面积上变形很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大之处在投影带内赤道的两端。由于其投影精度高，变形小，而且计算简便（各投影带坐标一致，只要算出一个带的数据，其他各带都能应用），因此在大比例尺地形图中应用，可以满足军事上各种需要，能在图上进行精确的量测计算。

（2）高斯-克吕格投影分带
    按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带,这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带,以便分带投影。通常按经差6度或3度分为六度带或三度带。六度带自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，带号依次编为第 1、2…60带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合，即自 1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，带号依次编为三度带第 1、2…120带。我国的经度范围西起 73°东至135°，可分成六度带十一个，各带中央经线依次为75°、81°、87°、……、117°、123°、129°、135°，或三度带二十二个。六度带可用于中小比例尺（如 1：250000）测图，三度带可用于大比例尺（如 1：10000）测图，城建坐标多采用三度带的高斯投影。

（3）高斯-克吕格投影坐标
    高斯-克吕格投影是按分带方法各自进行投影，故各带坐标成独立系统。以中央经线投影为纵轴(x), 赤道投影为横轴(y),两轴交点即为各带的坐标原点。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球，纵坐标均为正值。横坐标如以中央经线为零起算，中央经线以东为正，以西为负，横坐标出现负值，使用不便，故规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴，凡是带内的横坐标值均加 500公里。由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带坐标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，为了区别某一坐标系统属于哪一带，在横轴坐标前加上带号，如(4231898m,21655933m)，其中21即为带号。

（4）高斯-克吕格投影与UTM投影
    某些国外的软件如ARC/INFO或国外仪器的配套软件如多波束的数据处理软件等，往往不支持高斯-克吕格投影，但支持UTM投影，因此常有把UTM投影坐标当作高斯-克吕格投影坐标提交的现象。
    UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”，是等角横轴割圆柱投影（高斯-克吕格为等角横轴切圆柱投影），圆柱割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，该投影将地球划分为60个投影带，每带经差为6度，已被许多国家作为地形图的数学基础。UTM投影与高斯投影的主要区别在南北格网线的比例系数上，高斯-克吕格投影的中央经线投影后保持长度不变，即比例系数为1，而UTM投影的比例系数为0.9996。UTM投影沿每一条南北格网线比例系数为常数，在东西方向则为变数，中心格网线的比例系数为0.9996，在南北纵行最宽部分的边缘上距离中心点大约 363公里，比例系数为 1.00158。
    高斯-克吕格投影与UTM投影可近似采用 Xutm=0.9996 * X高斯，Yutm=0.9996 * Y高斯进行坐标转换。以下举例说明(基准面为WGS84)：

输入坐标（度） 高斯投影（米） UTM投影（米） Xutm=0.9996 * X高斯, Yutm=0.9996 * Y高斯

纬度值（X） 32 3543600.9 3542183.5 3543600.9*0.9996 ≈ 3542183.5
经度值（Y） 121 21310996.8 311072.4 (310996.8-500000)*0.9996+500000 ≈ 311072.4

注：坐标点（32,121）位于高斯投影的21带，高斯投影Y值21310996.8中前两位“21”为带号；坐标点（32,121）位于UTM投影的51带，上表中UTM投影的Y值没加带号。因坐标纵轴西移了500000米，转换时必须将Y值减去500000乘上比例因子后再加500000。

理解：高斯投影的方法就是保持赤道和中央经线不变形，把球面摊平。方法：用一个椭圆柱套住椭球，把它投影到椭圆柱上，然后打开椭圆柱即可。

 UTM带号计算方法：经度/6取整+31

在编程的话，我推荐各位两个很不错的投影库 C/C++系列为Proj.4 C#系列有Proj.Net（http://projnet.codeplex.com/）

基于GDAL（包含proj.4）实现WGS84和UTM之间的相互转换（经纬度与XY坐标的相互转换）

#include <stdio.h>
#include <ogr_spatialref.h>
#pragma comment(lib,"C:\\warmerda\\bld\\lib\\gdal_i.lib")

void CoordinateTransformation()            //WGS84转为UTM投影
{
    OGRSpatialReference oWGS84, oUTM;
    oWGS84.SetFromUserInput("ESRI::D:\\1\\WGS 1984.prj");                              //WGS84投影
    oUTM.SetFromUserInput("ESRI::D:\\1\\WGS 1984 UTM Zone 51N.prj");            //UTM 51度带投影

    OGRCoordinateTransformation *poTransform;
    poTransform = OGRCreateCoordinateTransformation( &oWGS84,&oUTM );   //WGS84转UTM（经纬度转XY坐标）
//    poTransform = OGRCreateCoordinateTransformation( &oUTM,&oWGS84 );   //UTM转WGS84（XY坐标转经纬度）
    if( poTransform == NULL )
    {
        printf("创建坐标转换关系失败!\n");
        return;
    }
    double dX[2] = { 121,121 };   //经度   X
    double dY[2] = { 32 ,32};        //纬度  Y
//     double dX[2] = { 311072.4,  311072.4 };  //   X
//     double dY[2] = { 3542183.5, 3542183.5 };     //    Y

    printf("转换前：\t1：(%f,%f)\n\t\t2：(%f,%f)\n", dX[0], dY[0], dX[1], dY[1]);
    if( !poTransform->Transform( 2, dX, dY, NULL ) )
    {
        printf("坐标转换失败!\n");
        return;
    }
    printf("转换后：\t1：(%f,%f)\n\t\t2：(%f,%f)\n", dX[0], dY[0], dX[1], dY[1]);
}

int main()
{
    CoordinateTransformation();
    return 0;
}

说明：

1、关于GDAL（包含proj.4）的安装见：http://www.cnblogs.com/lwngreat/p/4608308.html

2、高斯投影和UTM投影的近似转换： 高斯-克吕格投影与UTM投影可近似采用 Xutm=0.9996 * X高斯，Yutm=0.9996 * Y高斯进行坐标转换。

3、代码中oWGS84.SetFromUserInput("ESRI::D:\\1\\WGS 1984.prj")，投影文件的获取方法来源于ARCGIS;

4、UTM分带的计算方法 经度/6 取整 +31（如int(121/6)+31 = 51,即得到51度带）

 

重要参考资料：

http://www.cnblogs.com/wb-DarkHorse/archive/2013/06/26/3156212.html

 http://my.oschina.net/lidayong/blog/59869  一位博客里的，用c#写的

http://home.hiwaay.net/~taylorc/toolbox/geography/geoutm.html      网页版demo