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ENVI中自定义坐标系说明
——以北京54和西安80为例

1  地理投影的基本原理

    常用到的地图坐标系有2种，即地理坐标系和投影坐标系。
    地理坐标系是以经纬度为单位的地球坐标系统，地理坐标系中有2个重要部分，即地球椭球体（spheroid）和大地基准面（datum）。由于地球表面的不规则性，它不能用数学公式来表达，也就无法实施运算，所以必须找一个形状和大小都很接近地球的椭球体来代替地球，这个椭球体被称为地球椭球体，我国常用的椭球体如下：
椭球体名称
年代
长半轴（米）
短半轴（米）
扁率
WGS84
1984
6378137.0
6356752.3
1：298.257
克拉索夫斯基（Krasovsky）
1940
6378245.0
6356863.0
1：298.3
IAG-75
1975
6378140.0
6356755.3
1：298.257
表1 我国常用椭球体
    大地基准面指目前参考椭球与WGS84参考椭球间的相对位置关系（3个平移，3个旋转，1个缩放），可以用其中3个、4个或者7个参数来描述它们之间的关系，每个椭球体都对应一个或多个大地基准面。
    投影坐标系是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上，属于平面坐标系。数学法则指的是投影类型，目前我国普遍采用的是高斯——克吕格投影，在英美国家称为横轴墨卡托投影（Transverse Mercator）。高斯克吕格投影的中央经线和赤道为互相垂直，分带标准分为3度带和6度带。美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星像片所采用的全球横轴墨卡托投影（UTM）是横轴墨卡托投影的一种变型。高斯克吕格投影的中央经线长度比等于1，UTM投影规定中央经线长度比为0.9996。
    我国规定1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万比例尺地形图，均采用高斯克吕格投影。1：2.5至1：50万比例尺地形图采用经差6度分带，1：1和1：2.5万比例尺地形图采用经差3度分带。

2 北京54与西安80坐标系

    先了解大地坐标的概念。
    大地坐标，在地面上建立一系列相连接的三角形，量取一段精确的距离作为起算边，在这个边的两端点，采用天文观测的方法确定其点位（经度、纬度和方位角），用精密测角仪器测定各三角形的角值，根据起算边的边长和点位，就可以推算出其他各点的坐标。这样推算出的坐标，称为大地坐标。
    我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北京坐标系。为了适应大地测量的发展，我国于1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG-75地球椭球体建立了我国新的大地坐标系，并在1986年宣布在陕西省泾阳县设立了新的大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。
    我们经常给影像投影时用到的北京54或者西安80坐标系是投影直角坐标系，如下表所示为北京54和西安80坐标系采用的主要参数，

坐标名称
投影类型
椭球体
基准面
北京54
Gauss Kruger（Transverse Mercator）
Krasovsky
北京54
西安80
Gauss Kruger（Transverse Mercator）
IAG75
西安80

表2 我国常用坐标系参数列表
    从中可以看到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。

3 参数的获取

    对于地理坐标，只需要确定两个参数，即椭球体和大地基准面。对于投影坐标，投影类型为Gauss Kruger（Transverse Mercator），除了确定椭球体和大地基准面外，还需要确定中央经线。
    大地基准面的确定关键是确定7个参数（或者其中几个参数），北京54基准面可以用三个平移参数来确定，即“-12,-113,-41,0,0,0,0”，很多软件近似为Krasovsky(0,0,0,0,0,0,0)基准面；西安80的7参数比较特殊，各个区域不一样。一般有两个途径：一是直接从测绘部门获取；二是根据三个以上具有西安80坐标系与其他坐标系的同名点坐标值，利用软件来推算，有一些绿色软件具有这个功能，如Coord MG。
    中央经线获取可有以下两种方法，第一种根据已知带号计算，6度带用6*N-3，3度带用3*N；第二种方法是根据经度从图1中查找。

图1高斯——克吕格投影的分带

4 ENVI中定义坐标

     ENVI中的坐标定义文件存放在HOME\ITT\IDL70\products\envi45\map_proj 文件夹下，三个文件记录了坐标信息：
ellipse.txt    椭球体参数文件
datum.txt    基准面参数文件
map_proj.txt  坐标系参数文件
    在ENVI中自定义坐标系分三步：定义椭球体、基准面和定义坐标参数

第一步、添加椭球体

    语法为 <椭球体名称>,<长半轴>,<短半轴>。
这里将“Krasovsky，6378245.0，6356863.0”和“IAG-75，6378140.0，6356755.3”加入ellipse.txt末端。
注：ellipse.txt文件中已经有了克拉索夫斯基椭球，由于翻译原因，这里的英文名称是Krassovsky，为了让其他软件平台识别，这里新建一个Krasovsky椭球体。

第二步、添加基准面

    语法为<基准面名称>,<椭球体名称>,<平移三参数>。
这里将“D_Beijing_1954, Krasovsky, -12, -113, -41”和“D_Xian_1980,IAG-75,0,0,0”加入datum.txt 末端。
    注：为了更好的与ArcGIS系列产品兼容，从ENVI 4.7开始，所有产品包括 ENVI、ENVI+IDL、ENVI Zoom 和ENVI Ex，全部采用ArcGIS投影转换引擎（ENVI4.7之前的版本用的是GCTP——常规制图转换包），对用户来说，ENVI菜单中所有的投影操作不变，同时还直接支持ArcGIS中的投影类型。但是自定义北京54及西安80坐标系有一些改变，即定义两个坐标系的基准面（datum）时候使用统一的名称：D_Beijing_1954 和D_Xian_1980。投影坐标系名称也与ArcGIS统一。
第三步、定义坐标
   在ENVI任何用到投影坐标的功能模块中都可以新建坐标系(在任何地图投影选择对话框中，点击“New”按钮。)，这里我们选择Map->Customize Map Projection，添加一个20度带（6度）的坐标，添加的参数如图2所示。
    注：投影类型选择Transverse Mercator，Scale factor填写1，与Gauss-Kruger等同。False easting中如果把带号，即39500000，得到的坐标就带有带号。

 图2 自定义北京54坐标系
     选择Projection->Add New Projection, 将投影添加到 ENVI 所用的投影列表中。选择 File > Save Projections，存储新的或更改过的投影信息。这样一个新的投影坐标就新建完成。
    相同方法，添加一个20度带（6度）的西安80坐标系（如图3所示）。
    打开map_proj.txt，可以看到新建的坐标信息已经自动加入。

图3自定义西安80坐标系
5 使用自定义坐标系
     下面将利用自定义坐标系将一副北京54坐标系转化为西安80坐标系。
试验的栅格数据情况为：一幅北京坐标系的栅格数据，投影参数如下：
        投影类型：Transverse Mercator
        椭球：Krassovsky
        基准面：Krassovsky（自定义）
        中央经线：117
        东向偏移：500000m
    由于数据的投影信息不是国际标准或者说其参数名称不是标准的，所以在ENVI中有可能不能读取数据的投影信息（如图4），这个时候就需要重新设定投影信息。

图4 查看坐标信息
     打开数据文件，在Available Bands List中选择文件，点击右键打开Header Info，在Edit Attributes中选择Map Info。选择Change Projection，将前面定义好的北京54坐标选上。

图5 添加坐标系
    这样在影像的map info里面就可以看到投影信息了。

图6 更改坐标信息后的结果
    选择Map->Convert Map Projecton,进行西安80的坐标转换。

图7 转换参数
    打开转换后的结果，如图9所示，可以看到Map Info中投影信息已经更新，起始点的坐标也不一样，有几米的差别，这也符合北京54和西安80存在百米范围内的系统误差。

图8 西安80坐标系 
6 总结
    由于国内坐标系的非国际标准，很多软件平台，特别是国外软需要自定义坐标系。从上可以看到，ENVI的坐标定义还是比较简单，也非常灵活。

ENVI中使用ArcGIS国内坐标系

为了更好的与ArcGIS系列产品兼容，从ENVI 4.7开始，所有ENVI产品全部采用ArcGIS投影转换引擎，对用户来说，ENVI菜单中所有的投影操作不变，同时还直接支持ArcGIS中的投影类型。在自定义国内坐标系时候，需要注意以下两点：
(1)     在ENVI4.7及之后版本中自定义北京54、西安80坐标系、CGCS2000坐标系有一些改变，即定义坐标系的基准面（datum）时候使用统一的名称：D_BEIJING_1954、D_Xian_1980和D_China_2000。否则在ENVI中会报错或者基准面显示D_Unknown，在ArcMAP中加载后基准面也会显示D_Unknown。
(2)       在自定义北京54、西安80坐标系时，命名坐标系名称Projection name需要与ArcGIS中的命名保持一直（如“..\ArcGIS\Desktop10.0\Coordinate Systems\Projected Coordinate Systems\Gauss Kruger\Beijing 1954”里面的.prj中的名字），如北京54坐标3度带117度中央经线命名为：Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_117E。否则会出现如图1所示Proj一项显示为Transverse_Mercator，在ArcMAP中显示通用名称。

图1：不规范命名时ENVI和ArcMAP中的显示（左-ENVI，右-ArcMAP）
本地化ENVI坐标文件
为了方便在ENVI中使用这三种坐标系，我们提供了本地化ENVI坐标文件。
下载地址：
使用方法：
(1)解压缩后三个文件直接替换ENVI安装目录下Map_proj文件夹内的三个文件，如ENVI5.0中的：“..\Exelis\ENVI50\classic\map_proj”。 Map_proj文件夹中包括球体定义文件（ellipse.txt）、基准面定义文件（datum.txt）和地图投影文件（map_proj.txt）。
(2)重启动ENVI，在使用坐标的地方就可以看到完整的国内坐标系了，命名完全与ArcGIS一致。
这样，在ENVI下做投影转换等涉及坐标参数的处理结果，可以无缝地传入ArcGIS中，真正实现ENVI与ArcGIS的坐标统一。

图2：本地化的坐标系
    使用坐标系名称、基准面名称与ArcGIS保持一致坐标系之后，在ENVI和ArcMAP中打开图像文件就能很好的识别了。

图3：ENVI和ArcMAP中显示本地化的坐标系（上-ENVI，下-ArcMAP）