一文让你了解坐标系的各种分类及关系

一文让你了解坐标系的各种分类及关系

坐标系是我们日常生活中经常接触到的概念，无论是地理信息系统、测绘工程还是航空航天领域，都需要用到各种不同类型的坐标系。本文将系统地介绍坐标系的各种分类方式及其相互关系，帮助读者全面理解坐标系的科学内涵和实际应用。

按照研究对象不同进行分类：天球坐标系和地球坐标系

天球坐标系

• 定义与用途：天球坐标系与地球运动无关，主要研究对象是天体，其主要用途是用来研究人造卫星、行星运动、恒星运动等。原点一般为地球的质心。
• 代表类型：地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系。
• 总结：如果研究各种天体运动或者离开地球的人造卫星运动，那就选择天球坐标系。

地球坐标系

• 定义与用途：又称“地固坐标系”，与地球固定在一起，相对位置保持不变，如果忽略地球潮汐和板块运动，地面点的坐标值在地固坐标系中是固定不变的，主要研究对象是地球。原点可以是地球质心，也可以是参考椭球的中心（参心）。
• 代表类型：地心坐标系、参心坐标系、大地坐标系、空间直角坐标系等。
• 总结：研究地球表面及离地面一定高度的测绘工作，都是在地球坐标系中进行的。参考椭球是实际地球的理论抽象体，是数学建模后的成果，是为了便于研究而设计的，并非真实存在。

地球坐标系根据坐标原点的不同位置进行分类：地心坐标系、参心坐标系、站心坐标系

地心坐标系

• 定义与特点：坐标原点与地球质心重合，其椭球中心与地球质心重合，‌椭球面与全球大地水准面最为密合，椭球的短轴与地球自转轴重合。
• 代表类型：1984年世界大地坐标系（WGS-84）、2000国家大地坐标系（CGCS2000）；属于右手坐标系。
• 总结：目前国际通用使用最广的一种坐标系，适合作为国家大地坐标系，更加科学，更加实用。我国采用的2000国家大地坐标系就是地心坐标系。

参心坐标系

• 定义与特点：坐标原点与参考椭球中心重合，其椭球中心不与地球质心重合。
• 代表类型：1954北京坐标系（BJ54）、1980西安大地坐标系（又称1980国家大地坐标系）、新1954年北京坐标系（BJ54新）；属于右手坐标系。
• 总结：这是以前测绘和天文手段不发达时采用的坐标系，随着科学技术和航天事业的发展，这种坐标系慢慢退出历史舞台。

站心坐标系

• 定义与特点：坐标原点与测站点重合，以测站的法线（或垂线）为Z轴方向的坐标系统，常用来描述参照于测站点的相对空间位置关系，或者作为坐标转换的过渡坐标系。
• 代表类型：垂线站心直角坐标系、法线站心直角坐标系。
• 总结：该坐标系主要用途就是为了进行坐标转换而设计的过渡坐标系，与独立坐标系有所区别，站心坐标系的原点是测站点，而独立坐标系的原点一般不在测站点，测站点只是一个在坐标系中一个特别的正整数，为了方便计算而定的。

按照坐标表示方式的不同进行分类：大地坐标系和空间直角坐标系

大地坐标系

• 定义与特点：以地球表面为基准，使用角度作为单位（大地经纬度），用于描述地球表面或空间点的位置，主要用于地理信息系统的定位和测量。坐标原点O与地球质心重合。
• 表示方式：两种表示方式是（B，L）或（B，L，H），其中B代表大地经度，L代表大地纬度，H代表大地高。
• 总结：大地坐标系一般用于建立国家坐标系使用，与地球表面契合度最高，而且国际上通用，便于进行学术交流和空间探索合作等。

空间直角坐标系

• 定义与特点：以地球质心为基准，使用长度作为单位，用于定义空间中任意点的位置，广泛用于工程测量、地图制图、城市规划等领域。通常是三维的。
• 表示方式：以参考椭球中心为坐标原点，以椭球的旋转轴为Z轴，向北极方向为正，以起始子午面与赤道面的交线为X轴，以原点指向交点方向为正，Y轴垂直于XOZ平面，符合右手直角坐标系，表示方式是（x，y，z）。
• 总结：空间直角坐标系对应的参考面可以认为是水平面，这样方便进行数学计算，相对位置关系也方便呈现和描述，更加有利于实际生产生活使用。

按照坐标系建立的方式不同进行分类：大地坐标系、空间直角坐标系、子午面直角坐标系、大地极坐标系

大地坐标系

• 定义与特点：坐标值由大地经度和大地纬度组成，如果待测点不在参考椭球面上，离参考面有一定的距离H，用大地高H表示。
• 表示方式：两种表示方式是（B，L）或（B，L，H）。

空间直角坐标系

• 定义与特点：坐标值由x、y、z组成，以参考椭球中心为坐标原点，以椭球的旋转轴为Z轴，向北极方向为正，以起始子午面与赤道面的交线为X轴，以原点指向交点方向为正，Y轴垂直于XOZ平面，符合右手直角坐标系。
• 表示方式：表示方式是（x，y，z）。

子午面直角坐标系

• 定义与特点：坐标值由L、x、y组成，该坐标系是以地面点所在子午面为基础建立的，假设地面点的大地经度为L，在过该点的子午面内，以子午圈椭圆中心为坐标原点，以原点指向子午圈与赤道交点方向为X轴，向右为正，以原点指向北极点方向为Y轴，向北为正，建立平面直角坐标系。
• 表示方式：表示方式是（L、x、y）。
• 总结：现实生活中使用较少，只做了解即可。

大地极坐标系

• 定义与特点：坐标值由S、A组成，该坐标系是以过地面点的子午线和大地线为基础而建立的，S为极半径，椭球上任意两点的长度，A为极角，代表子午线方向顺时针至大地线方向的夹角，也称为大地方位角。
• 表示方式：表示方式是（S，A）。
• 总结：现实生活中使用较少，只做了解即可。

按照研究范围的大小和目的不同进行分类：国家坐标系、地方坐标系、独立坐标系

国家坐标系

• 定义与特点：按照高斯-克吕格投影统一分带（6°带、3°带）为基础，是各国为进行测绘和处理其成果，规定在全国范围内使用的统一坐标框架的坐标系统，又称国家大地坐标系。它是测制国家基本比例尺地图的基础。
• 总结：国家坐标系是测绘和制图的基础，确保了全国范围内的坐标数据统一和准确。

地方坐标系

• 定义与特点：局部地区建立平面控制网时，根据需要投影到任意选定面上和（或）采用地方子午线为中央子午线的一种直角坐标系。它是因建设、城市规划和科学研究需要而在局部地区建立的相对独立的平面坐标系统。为便于必要时与国家坐标系进行相互转换，通常应与国家坐标系进行联测。
• 总结：地方坐标系与城市坐标系类似，当遇到重大工程项目或者精密工程测量时，可在国家坐标系统下进行加密或者联测，减少投影变形带来的影响（投影长度变形大于25mm/km），选择本地所在的中央子午线建立直角坐标系进行计算。

独立坐标系

• 定义与特点：任意选定原点和坐标轴的直角坐标系。进行工程测量建立平面控制网时，如局部地区没有一致控制点可利用，则选择网中某一点假定其坐标，选定某一边假定其坐标方位角，以此为起算数据推算网中各点的坐标。
• 总结：独立坐标系一般用于变形监测或较小的工程项目，对于坐标值的具体值不做要求，重点关注于点与点之间的相对位置关系或者监测点随时间或荷载变化的变化情况，可以选择使用独立坐标系。