[原创] 30分钟带你看懂大地坐标系（入门+认识+应用）

高斯投影和经纬度投影的区别

一般情况下，我们遇到的坐标形式一般就为高斯坐标投影和经纬度投影，首先第一步你要能区别出这两个的区别，否则后面的工作就全部白搭了。

1. 投影方式
高斯坐标投影：采用横轴墨卡托投影，把地球的局部区域投影到一个平面上，主要用于小范围区域的精确测量。
经纬度投影：直接使用地球的球面坐标（经线和纬线）来表示点的位置，适用于全球范围。

2. 单位
高斯坐标投影：使用米作为单位，表示平面上的距离。
经纬度投影：使用角度（度、分、秒），表示地球表面上的角度位置。

3. 适用范围
高斯坐标投影：适用于局部区域的测量，精度高，常用于国家大地测量系统。
经纬度投影：适用于全球范围的定位和导航，如GPS系统。

4. 形变
高斯坐标投影：在局部区域形变小，精度高，但范围扩大时形变会增加。
经纬度投影：直接表示地球球面上的位置，没有投影形变，但不适合直接用于平面计算。

上图为平面坐标和曲面坐标的简单示意图区别。

总结：高斯投影适合小范围精确测量，经纬度投影适合全球范围位置表示。所以我们我们经常看到的坐标，正如上面所讲，经纬度坐标是曲面坐标系，更能真实反映大地的形状，相对而言，个人觉得比较科学，但是由于数字的表现形式不同，导致了经纬度坐标系不利于计算，所以细节工程还需要转换成高斯投影（也就是我们所说的平面投影），同时因为无论是高斯投影还是经纬度投影，均需要一个基准来作为标准，因为每个国家或者每个地方采用的基准不同，故产生了很多坐标系如：北京54、西安80、国家2000，WGS84坐标系、相对而言，以地心为中心点对应的地区中心点而建立的地方坐标系实际上更为科学，但是由于标准太狭隘，会让工程师们用起来非常的不方便。
如果单位是X=112.4732038,Y=33.4030560,这就代表经度是112.4732038，纬度33.4030560，当然也有可能表示形式为多少度多少分多少秒的形式如：

88°59′15.871",38°50′17.277

，这就是经纬度坐标系；有很多勘探的项目，不涉及工程建设等精度要求很高的作业，都用经纬度坐标系表示，这样有利于在软件中使用，方便找矿、找大致位置、定位方便。
如果单位是

X=29557332.36 Y=4237207.31

，当然有些坐标头可能有很大区别，暂时我们先不讨论。因为是平面坐标系，所以可以直接用简单公式进行计算。而参与计算的时候建议把坐标头去掉，这样计算起来会方便一点。至于坐标头的识别一会下面再说。

PS学习建议：可能有刚毕业工作的小白听的没那么明白，没有关系你可以去百度一下，去了解几个关键词，如坐标系、平面（直角+斜角）坐标系、曲面坐标系等概念，当你明白了以上的概念，再回头去看上面的内容，基本上就没问题了。搞明白了，我们继续再继续向下看。

各种坐标系的区别

1、北京54坐标系

1953年，我国利用日本关东军测量队在侵占东北时所布设的大地控制网点，通过黑龙江边境的呼玛、东宁与内蒙古边境的吉拉林（现呼伦贝尔额尔古纳市室韦镇）三个基准网与苏联天文大地网开展国际联测，后又通过1954年东北地区一等三角锁共同平差计算，将苏联1942年坐标系延伸到了中国，随后扩展、加密遍及全国，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数，长半轴a=6378245m，扁率f=1/298.3。因大地原点在离北京6000公里外的普尔科沃，克氏椭球体面未能完全贴合中国大地水准面显得“水土不服”，造成1954年坐标系的累计误差比较大，最大点位误差达到7米。但在当时，1954年坐标系解决了我国没有统一的大地坐标系统的难题，建设了大量的天文点、三角点、水准点等大地控制点，形成了覆盖全国的坐标框架，为我国的国防和经济建设发挥了重要的历史作用。通过1954年北京坐标系的建设，也为国家培养了大量的大地测量技术人才，为我国测绘事业的发展奠定了基础。

北京54坐标系使用 Krasovsky 1940椭球 作为参考基准
该椭球体的参数：长半轴为 6,378,245米，扁率为 1/298.3

2、西安80坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位、建立我国新的坐标系，这就是1980西安坐标系。1980西安坐标系是在对包含4万8千多个控制点的全国天文大地网联合平差的基础上建立的，采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，即IAG75椭球参数：长半轴a=6378140m，扁率f=1/298.257。大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇，因位于西安市西北方向60千米，因此得名。

参考基准：西安80坐标系使用的椭球基准是 IAG 1975椭球，其参数为：
长半轴（a）：6,378,140米
扁率（f）：1/298.257

3、国家2000坐标系（CGCS2000）

CGCS2000（China Geodetic Coordinate System 2000），即 2000年国家大地坐标系，是中国现行的国家大地坐标系统，广泛应用于测绘、国防、地理信息系统（GIS）、遥感等领域。它是基于全球定位系统（GPS）技术而建立的，精度更高，符合全球化测绘需求。

参考椭球：CGCS2000 使用的是 GRS80椭球体，其参数与 WGS84椭球体 基本一致。具体参数：
长半轴（a）：6,378,137米
扁率（f）：1/298.257222101
大地基准：CGCS2000采用国际地球参考框架（ITRF97）作为其基准框架，这与全球其他国家的现代地理坐标系兼容性非常高，例如 WGS84。因此，CGCS2000的基准和全球标准相吻合，可以无缝对接全球定位和导航系统。

4、WGS84坐标系

WGS84（World Geodetic System 1984）是全球范围内广泛使用的地理坐标系统，特别在全球定位系统（GPS）中，它作为标准大地坐标系被采用。WGS84定义了地球的形状、重力场和定位框架，广泛应用于导航、测绘、地理信息系统（GIS）等领域。

参考椭球体：WGS84的参考椭球是基于地球的整体形状进行数学建模，定义的椭球体参数如下：

长半轴（a）：6,378,137米
扁率（f）：1/298.257223563 这个椭球体参数非常接近实际的地球形状，适用于全球大部分区域。
大地基准：WGS84的基准是全球化的，确保全球范围内的测量和定位一致。这使得它可以作为全球定位系统（GPS）的主要基准，确保精确的定位信息。

从上面的历史背景介绍可以看出，北京54和西安80从本质上来说，还是属于区域性坐标系，因为他们采用的基准都是在国内，相对而言80坐标位于中国的中心地带，所以更加精准。对于当时中国的发展，当时也是完全够用的，也为中国的发展起到了很大作用，随着历史的发展，北斗全球定位卫星系统的的建立，中国已经具备了软件+硬件的全部实力，相信未来北斗系统也会像GPS系统一样在全球得到广泛的应用。而CGCS2000和WGS84都属于全球化坐标系，均是根据全球的形状、重力场而定，更加合理，在精度要求不高的情况下，基本可以通用，具体情况可以看看椭球的差异非常小。

中国建立2000坐标系距离WGS84坐标系建立整整相差了16年，普及应用方面整整相差了25年，中国在高速发展的同时，也应思考在发展上只重视应用而不重视科学研究，拥有全世界最多、最专业的工程师，但是却没有顶尖的科学家的尴尬境地。路漫漫其修远兮，在全球化经济的前提下，未来CGCS2000是否能够在某些方面取代GPS，是否有成熟的硬件配套去普及、是否有足够的生态体系去建立，等等，都还有一段很长的路要走。究其原因主要有以下几点（在此只谈客观原因，不谈体制问题）：

1. 技术自主创新与国际接轨的紧迫性
WGS84的背景：WGS84由美国国防部在1984年发布，基于全球定位系统（GPS），快速成为全球标准。它的发布代表了测绘技术的全球领先，特别是美国在全球定位技术中的优势。
CGCS2000的发布背景：中国在20世纪末才逐步推行自己的全球化坐标系统（CGCS2000），这个16年的差距反映了技术自主创新的重要性。如果一个国家在全球科技潮流中无法快速跟进，就会在标准和技术上落后，并面临国际化应用的局限。因此，加强自主创新能力并加快与国际标准的对接是极为关键的。
2. 现代测绘技术的发展与积累不足：
WGS84的成功得益于美国的早期技术积累，特别是军事技术、卫星导航技术的快速发展。而中国在此期间，测绘技术积累相对不足。西安80等坐标系虽然在国内范围内有效，但无法满足全球定位的需求。
教训在于，技术积累需要长期的投入和研发，特别是在基础设施和科技战略上。国家需要更早地意识到测绘、卫星导航等领域的重要性，以便在关键技术上占据有利位置。
3. 全球化标准的重要性：WGS84在全球范围内被广泛接受，是因为其高度全球化和通用性，这使得它成为跨国界测绘、导航的共同标准。CGCS2000虽然与WGS84在技术上几乎无差别，但因为其推出较晚，使得其在全球范围的影响力和使用场景较少。
启示是，参与全球化标准的制定和应用非常重要。技术标准不仅仅是技术问题，它还与国际规则、经济利益和战略安全息息相关。
4. 地缘政治因素的影响：中国在发布CGCS2000之前使用的北京54和西安80坐标系，具有一定的局限性，特别是在国际化合作和军事防御方面。随着卫星定位技术的全球化发展，WGS84成为国际通用标准，中国被迫依赖外国技术，尤其是在GPS等关键领域。
教训是，核心技术不能依赖他国，必须具备自主可控的能力，特别是在关乎国家安全的关键领域。CGCS2000的推出也是为了摆脱对WGS84的依赖，强化中国在自主导航、测绘方面的独立性。
5. 国际竞争中的战略规划与落地：
中国在16年后发布CGCS2000，很大程度上是因为国家意识到测绘技术和卫星导航技术的战略重要性，并在21世纪初大力推进自己的卫星导航系统（如北斗系统）。这一进程虽然补上了空白，但也提醒我们，要更早地认识到国际科技竞争的趋势，并制定长远战略，以避免过大的技术差距。

大概画个示意图，仅做理解，附上代码，方便小伙伴搞学术时候使用，记得提前安装一下库哈，代码是python写的

import pandas as pd
import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')
import matplotlib.pyplot as plt
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'SimHei'
# 定义基准点的经纬度（仅用于示意，不代表真实位置）


# 北京54, 西安80, CGCS2000, WGS84的基准点
coordinates = {
    '北京54': (116.4, 39.9),
    '西安80': (108.9, 34.3),
    'CGCS2000': (104.1, 30.6),
}

# 提取坐标和名称
names = list(coordinates.keys())
lon = [coord[0] for coord in coordinates.values()]
lat = [coord[1] for coord in coordinates.values()]


# 创建散点图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.scatter(lon, lat, color='blue')

# 添加基准点标签
for name, (x, y) in coordinates.items():
    plt.text(x, y, name, fontsize=12, ha='right')
# 添加基准点标签
plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False
# 设置图表标题和轴标签
plt.title('四种坐标系基准点位置比较')
plt.xlabel('经度')
plt.ylabel('纬度')
plt.grid()

plt.xlim(100, 120)  # 限制经度范围
plt.ylim(30, 42)    # 限制纬度范围
plt.show()

3°带和6°带的区别

首先我们看一下图1，为了计算方便和确认，我们需要将球面切割成平面，6度带就是将球面切割成60个区域（大概数，因为地球不是完全规则的，这个后面说），3°带就是将球面切割成120个区域，每个区域就是所谓的带数。所以一眼就可看出，分的约细当然数据的精度就越高，

import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')  # 设置后端为 TkAgg
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'SimHei'

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 设置图形和坐标轴
fig = plt.figure(figsize=(8, 8))
ax = fig.add_subplot(111, polar=True)

# 绘制6度带（0-360度，每带6度）
for i in range(0, 360, 6):
    theta = np.radians([i, i + 6])  # 将角度转换为弧度
    r = [0, 1]  # 从中心到外圈
    ax.fill_between(theta, 0, 1, color='orange', alpha=0.5)  # 填充每个6度带
    if i % 30 == 0:  # 每30度标注一次
        ax.text(np.radians(i + 3), 1.1, f'{i}°-{i+6}°', fontsize=10, ha='center')

# 设置标题
ax.set_title('球面切割成6°带的示意图', fontsize=16, pad=20)

# 隐藏极坐标的半径刻度
ax.set_yticklabels([])

# 显示图形
plt.show()

以上代码仅供参考，搞学术研究还是要自己多动手哈。代码都是有python写的

上述图片的代码生成代码，给小伙伴做学术研究时候使用：

import matplotlib
matplotlib.use('TkAgg')  # 设置后端为 TkAgg
matplotlib.rcParams['font.family'] = 'SimHei'

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 设置图形和坐标轴
fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 6))

# 绘制三度带（每个带宽3度，轴线以上）
for i in range(-180, 180, 3):
    triangle = np.array([[i, 0], [i + 1.5, 1], [i, 2], [i - 1.5, 1]])
    ax.fill(triangle[:, 0], triangle[:, 1], color='blue', alpha=0.5)  # 三度带三角形
    if i % 15 == 0:  # 每15度标注一次
        ax.text(i, 2.1, str(i), fontsize=8, ha='center', color='black')

# 绘制六度带（每个带宽6度，轴线以下）
for i in range(-180, 180, 6):
    triangle = np.array([[i, 0], [i + 3, -1], [i, -2], [i - 3, -1]])
    ax.fill(triangle[:, 0], triangle[:, 1], color='orange', alpha=0.5)  # 六度带三角形
    if i % 30 == 0:  # 每30度标注一次
        ax.text(i, -2.1, str(i), fontsize=8, ha='center', color='red')

# 设置图形标题和标签
ax.set_title('三度带和六度带的区别示意图', fontsize=16)
ax.set_xlim(-180, 180)
ax.set_ylim(-2.5, 2.5)
ax.set_xticks([])
ax.set_yticks([])
ax.axhline(0, color='black', lw=0.8)  # 添加横轴线

# 添加图例
blue_patch = plt.Line2D([0], [0], color='blue', lw=2, label='三度带 (每带3度)')
orange_patch = plt.Line2D([0], [0], color='orange', lw=2, label='六度带 (每带6度)')
ax.legend(handles=[blue_patch, orange_patch])

plt.grid(False)
plt.show()

三度带和六度带是两种不同的地理坐标分带方式，主要用于地图投影中将地球表面划分为多个投影带，以减少地图投影的变形。它们的主要区别体现在带宽的大小和应用场景上。

1. 定义
- 三度带：指将地球表面按照经度划分为每带宽为3度的投影带。每一个投影带的经度范围是3度。
- 六度带：指将地球表面按照经度划分为每带宽为6度的投影带。每一个投影带的经度范围是6度。

2. 具体区别
- 带宽：
   - 三度带的带宽是3个经度，每个带覆盖的经度范围较小。
   - 六度带的带宽是6个经度，每个带覆盖的经度范围较大。
  
- 编号方式：
   - 三度带的编号通常是以1-120来标识，适用于全球共划分120个三度带，每带从0度经线开始，往东西各1.5度为边界。
   - 六度带的编号方式则是1-60，全球共划分60个六度带，从0度经线起，每6度为一个带。

- 变形控制：
   - 三度带相对来说带宽较窄，投影变形更小，适合精确度要求较高的工程和测绘。
   - 六度带带宽较大，虽然在边界处变形较大，但通常应用于大范围的制图和工程项目中，满足一般精度要求。

3. 应用场景
- 三度带：
   - 三度带主要用于中国的西安80坐标系和早期的北京54坐标系，适用于高精度的工程测量、国土测绘和军事用途。因为三度带带宽较小，能更好地减少变形，适用于要求高精度的小范围区域内的工程项目。
  
- 六度带：
   - 六度带在国际上应用较为广泛，尤其在UTM（Universal Transverse Mercator，通用横轴墨卡托投影）坐标系中，全球被划分为60个六度带。六度带主要应用于大范围的制图、导航、全球测绘和工程项目，适合中等精度要求的场景。

4. 常见应用坐标系
- 三度带：应用于中国的西安80坐标系、北京54坐标系，主要用于国内的测绘工程。
- 六度带：应用于全球的WGS84坐标系、CGCS2000坐标系等，特别是UTM投影系统。

5. 投影方式
- 两者均使用高斯-克吕格投影（Gauss-Krüger Projection），其区别仅在于带宽的不同。三度带由于带宽较窄，投影变形较小，而六度带由于带宽较大，适合大面积区域的绘图和测量。

- 三度带：每个带宽3度，精度更高，适用于中国本土的测绘坐标系（西安80、北京54），投影变形较小。
- 六度带：每个带宽6度，应用于全球范围，常见于WGS84和CGCS2000等坐标系中，投影变形较大，适用于较大范围的工程和测绘项目。

选择三度带还是六度带，取决于具体的精度要求和应用范围。

常见坐标的构成与与识别

WGS84和CGCS200坐标系区别

如果你的坐标文件里面有元数据格式，那么你可以简单的区别坐标系，但是单从图纸上，无说明的话，WGS84和CGCS2000是无法直接通过经纬度坐标区别的，因为相差太小了，所以当你看着这种坐标形式的，一定要和提供图纸的人问清楚。

比如上图的坐标，基本上没有任何区别。

注意：一般WGS84不会采用高斯投影的方式（但是这不是绝对的），而CGCS2000主要为中国服务，所以是有高精度的高斯投影，转换的时候要注意一下：

WGS84：可能包含与地心相关的变换参数。

CGCS2000：会涉及到特定于中国的坐标转换参数，如参数设置、基准点等。

常见坐标格式去区别

经纬度与高斯投影的区别？

经纬度：-179.999725342,-86.777027302
高斯投影：-17377442.441,-9334469.546

总结：高斯坐标系很明显位数很多，具体前面多出来的位数，我们稍后讲解，正如上面所说，在他人未告诉你的情况下，只通过经纬度去区分坐标系，是不能实现的。

带数的区别？

左下角坐标（单位：米）：39412795.622,331946.282

坐标投影：CGCS2000坐标系_3度带 _39坐标头.prj

左下角坐标（单位：米）：2022557.559,-9873982.958

坐标投影：CGCS2000坐标系_6度带 _20坐标头.prj

总结：因为我国的经度范围西起 73°东至135°，用6度分带可分成11个带(13号带-23号带)，各带中央经线依次为(75°、75+6°……….135°)。而用3度分带可分成22 个带(24号带~45号带)。各带中央经线依次为(72°、72+3°……….135°)，从带号就可判别是6度分带（Y值头两位<=23），还是3度分带（经度坐标头两位>=24）。只要说明是2000国家大地坐标系（CGCS2000）无需说明是6度分带，还是3度分带，从带号就可判别，但是如果你使用的是地方坐标，并且没有加带号，那么你必须注明中央经线XXX度X度分带，否则也很难用肉眼分别。上面红色标注出来的红色就是坐标头带数，我们用软件可以计算出你的代数。

这纬度值直接的米数，7位数。经度是8位数，后面6位才是米数，前面两位是分带号，全球统一编号的，而且这个分带号跟分带宽度有关，如果是6度分带，则全球分为60个分带，如果是3度分带，则全球分为120个分带，下面这些地方的带号是3位数（100~120），那么经度值就有9位数了。当Y值是40123456.123，你还必须明确是6度分带，还是3度分带，因为40XXXXXX.XXX在3度分带坐标里是中央经线120度，而40XXXXXX.XXX在6度分带坐标里是中央经线237度的区域，已经跑到外国去了，所以以下区域的纬度高斯坐标应该为9位数字（不含小数点）。

比如带数为29号带，架设3°带，中央子午线=29*3=87°，还在中国境内，说明坐标无问题。如果如6°带，那么中央子午线=29*6=174°早就飞出中国了，证明此带号应该为3°带；

举例说明:

1、例如这个坐标X=29558756.53 Y=4237207.34

分析，首先X坐标位数为8位，Y是7位，那么确定第一个信息，X代表经度，Y表示纬度，这个是标准的高斯投影坐标系。目前先写纬度坐标，还是先写经度坐标，国家还没有统一的标准，就连自然资源部的公式坐标，一般用经纬度表示的，X=经度 Y=纬度，而采用高斯投影的则反过来X=纬度 Y=经度，不禁让人唏嘘。如果有图纸的话，一定要看清楚UCS。
确定了X表示经度，且带号为29，则说明采用的是3度带（上面有计算说明），通过软件计算可以得到中央子午线为87°，经度差不多也在87°-89°之间，大概地区在新疆、青海等等哈，这个时候我们就用地图软件直接导入，发现了位置如下，位置正确：