目录什么是大地基准面集合我们为什么需要大地基准面集合呢大地基准面集合是从哪里来的大地基准面集合是如何构建的大地基准面集合示例使用须知基准集使用要点Web Mercator 投影坐标系与 WGS 84 坐标系基准集当多套大地基准整合至同一个坐标参考系统CRS中时会发生什么它们将组成一套大地基准面集合实现基准之间的协同适配。怎么全都是 1984 世界大地坐标系WGS 84表面上看的确如此但实际并非完全一样。大地基准面集合虽然能够简化多源数据融合工作但也存在相应弊端在处理高精度数据时会降低点位精度还可能引发数据错位问题。本文将讲解大地基准面集合的定义、推出背景、应用方式以及它对日常 GIS 工作流产生的影响。本文以 1984 世界大地坐标系WGS 84基准集为例解读多数 GIS 用户尚不了解的基准集本质与实际应用要点。什么是大地基准面集合大地基准面集合指同一陆地参考系统TRS或高程参考系统VRS下一组关联紧密的基准实现版本。下面我们逐一拆解相关专业术语帮助大家理解。大地测量参考系TRS是一种以地球质心为原点的三维坐标系。该坐标系随地球一起旋转且采用标准米制单位来测量距离。尽管地球的构造板块会不断移动但该坐标系的三个笛卡尔坐标轴X、Y、Z始终保持固定不变。简而言之大地测量参考系是一种以地球为中心、固定于地球表面的坐标系被广泛用于测绘、导航和定位等用途。所谓的“地球参考系”其实只是一个抽象概念而已——它并不能为我们提供地球上可以实际测量或使用的具体点。为了使其能够被实际使用我们需要将这个参考系与真实的地球联系起来。具体来说就是要在地球表面确定一组符合该参考系规则的物理参考点。如今人们通过各种大地测量方法来实现这一点其中一种方法就是利用全球范围内的永久性 GNSS 监测站。当我们创建出这个现实世界中的 TRS 版本时它就变成了一个地面参考框架也被称为大地测量基准。这个地面参考框架将抽象的地理信息系统与地球实际地形联系起来从而使包括 GIS 用户在内的地理空间专业人员能够准确测量各种位置。WGS 84 是目前应用最广泛的陆地参考系统 / 陆地参考框架。该系统依托全球 17 个全球定位系统GPS跟踪站的实测坐标完成落地这套落地后的版本就是 WGS 84 陆地参考框架TRF也称作 WGS 84 基准实现版本。美国 GPS 卫星导航系统的地面跟踪网络随着技术的进步诸如更先进的仪器、更有效的处理方法以及更多的监测站等条件的改善我们能够构建出更精确的参考坐标系版本。对于 WGS 84 来说迄今为止已经有了八个不同的版本。每个版本都有一个“G 编号”该编号代表了用于确定该版本数据的 GPS 周数。例如当前版本的 WGS 84 被称为 WGS 84 (G2296)。尽管 WGS 84 陆地参考系统抽象定义始终保持不变但每一次迭代都会对 WGS 84 陆地参考框架进行小幅更新各版本间坐标存在细微差异。究其根源WGS 84 属于动态基准点位坐标会随时间发生微小偏移该内容将在后续文章中详细介绍。由于这 8 个略有差异的 WGS 84 版本同源、关联紧密共同构成了WGS 84 大地基准面集合。未来随着观测数据增多、技术持续进步WGS 84 还会推出更多更新版本。我们为什么需要大地基准面集合呢WGS 84 Web Mercator底图的普及让用户可以轻松将自有 GIS 数据叠加在在线地图图层之上。但这种便捷性带来了一个硬性要求所有非 WGS 84 坐标系的数据集必须转换为 WGS 84 坐标系才能与底图精准匹配。随着越来越多的数据集被整合到这些基于 WGS 84 坐标系的 Web Mercator 底图上各种细微的位置偏差开始显现出来。这些偏差虽然很微小但在叠加多层数据时却能被明显察觉。造成这一问题的主要有三个原因绝大多数数据集未标注所使用的具体 WGS 84 实现版本针对特定 WGS 84 版本的坐标转换参数普遍缺失不同 WGS 84 版本之间的互转参数同样无法获取。受以上问题限制即便不同 WGS 84 版本之间仅存在数厘米的坐标偏差GIS 软件也无法对其进行精准配准。解决这一问题的长期办法就是引入“大地基准面集合”概念。对于绝大多数 GIS 应用场景基准集可将 WGS 84 等同源、关联紧密的多个基准版本视作一个整体统一管理。实际应用中陆地 / 高程参考系统的不同实现版本坐标偏差通常仅为厘米级。对于绝大多数 GIS 业务尤其是低精度数据应用场景这类偏差完全可以忽略不计。“大地基准面集合”功能允许用户将那些几乎相同的数值结果归为一组从而简化了工作流程。这样一来基于这些数值结果所构建的数据集就可以直接组合在一起而无需事先进行坐标转换——因为从本质上讲这些数值结果被视为完全相同的。总而言之当不需要高精度时大地基准面集合是一种有效的手段有助于确保不同数据集之间的一致性。不过对于那些需要高精度的应用领域比如测绘、大地测量或工程领域用户仍应使用数据采集时所依据的特定参考框架并在必要时进行精确的转换处理。大地基准面集合是从哪里来的大地基准面集合这一概念正式定义于 ISO 19111:2019 标准并被开放地理空间联盟OGC采纳。该标准对大地基准面集合的描述如下“……由两个或更多参考框架构成的集合这些参考框架实际上都属于同一个地球参考系统或垂直参考系统。在除了那些对精度要求极高的情况之外这些参考框架之间的差异可以忽略不计。”因此那些使用略有不同的同一参考系的 GIS 数据都可以被归入同一个共同的、具有代表性的基准体系中。这样一来就大大简化了数据的整合与管理过程无需再对那些极为相似的坐标系进行转换。简单来讲在非超高精度场景下大地基准面集合允许用户将多款近似的大地基准当作同一个基准使用。2020 年 2 月 13 日EPSG 大地测量参数数据集10.0 版正式采用了 ISO 19111:2019 和 ISO 19162:2019WKT2标准中提出的“基准面集合”这一概念。与此同时EPSG 将 WGS 84 重新定义为一种基准面集合而非单一的基准面。该基准面集合被命名为 EPSG::6326。这使得 WGS 84 成为 EPSG 大地测量数据库中第一个被正式采用的坐标系。从那时起Web Mercator 坐标系也以 WGS 84 坐标系作为基准而不是以某个具体的 WGS 84 实现版本来作为基准。大地基准面集合是如何构建的在建立坐标参考系统时——用 Esri 的术语来说也就是地理坐标系统——通常会为该系统指定一个唯一的测地基准。不过现代标准允许使用多个基准来替代单一基准。大地基准面集合可以被视作坐标参考系统中的单个数据点。不过它所代表的并非某个具体的数值而是一组彼此紧密相关的数值。该集合中的所有数据都共享同一个椭球体及本初子午线这意味着从几何结构上来看这些数据几乎是完全相同的。ISO 19111:2019 和 OGC Topic 2 等标准从概念上阐述了“大地基准面集合”这一概念。而 ISO 19162:2019WKT2则展示了如何具体定义各种实际的基准集比如 WGS 84 基准集。需要指出的是某个大地基准面集合中的各个成员并不一定需要共享相同的适用范围。此外各个成员的覆盖范围也可能与整个大地基准面集合的覆盖范围有所不同。例如在 WGS 84 基准面集合中EPSG::6326每个成员的适用范围都是全球性的因此它们各自的适用范围与整个基准面集合的适用范围是相同的。而下一节中介绍的不列颠群岛高程基准面集合则有所不同该基准面集合中的各个成员具有各自独立的适用范围但这些范围都包含在整体基准面集合的地理范围内。大地基准面集合示例ISO 19162:2019 和 OGC WKT2 2.1.11 等标准中都给出了将各种基准集以“众所周知的文本”格式WKT表示的实际示例。在 WKT2 标准中如果某个坐标参考系统使用的是 WGS 84 基准集那么该坐标参考系统会包含一个“ENSEMBLE”元素而不是单个的“DATUM”元素。该“ENSEMBLE”元素用于标识基准集名称例如1984 世界大地坐标系基准集基准集成员即各个 WGS 84 实现版本例如 WGS 84 (G2296)基准集整体精度。这类坐标参考系统不再指向某一个具体的 WGS 84 版本而是指向整个基准集原因是对于绝大多数 GIS 应用来说各版本之间的差异可以忽略不计。当 WGS 84 坐标系以 WKT2 格式被用于某个坐标参考系统中时其数据如下所示多数 GIS 用户口中的 “WGS 84”并不是单一固定基准而是由 8 个不同实现版本组成的 WGS 84 陆地参考系统基准集。首个原始版本诞生于 1984 年依托早期卫星技术搭建。后续 WGS 84 历经多次迭代精度不断提升。1994 年之后所有新版 WGS 84 均与不同版本的国际地球参考框架ITRF对齐整体偏差不超过 10 厘米相邻 WGS 84 版本之间的坐标差异通常仅为厘米级别。即便存在小幅偏差WGS 84 基准集仍是目前全球使用最广泛的参考框架。它接入便捷深度适配绝大多数 GPS 设备、GIS 软件与地理空间工作流程因此得到大范围普及。为了完整性起见这里以不列颠群岛的高程数据为例来说明垂直参考系统的数据构成下表列出了 ArcGIS Pro 3.7 软件中目前可用的各种地理和垂直基准数据。毫无疑问未来还会有更多这样的组合出现。请继续关注吧使用须知基准集使用要点使用大地基准集时请务必遵守以下重要规则绑定基准集坐标参考系统的数据集精度上限为该基准集的标称精度。例如 WGS 84 基准集的标称精度为2 米。若数据集采用绑定基准集的坐标参考系统则无法追溯其对应的原始具体基准版本。高精度数据一旦标注为基准集坐标系其精度会被默认降级。将基于单一高精度基准的数据与基于基准集的数据混合使用大概率会出现位置偏移。在常规低精度 GIS 场景中使用基准集便捷且适用。测绘、工程测量等所有高精度作业禁止使用大地基准集。必须将 GIS 数据绑定至数据采集时对应的具体陆地参考框架并按需完成精准坐标转换。Web Mercator 投影坐标系与 WGS 84 坐标系基准集WGS 84 Web Mercator 是一种非常常见的投影坐标系被许多商业和开源数据集以及大多数网络地图应用所采用。需要了解的是Web Mercator 是以 WGS 84 基准面为基础的。因此在使用 Web Mercator 地图时数据通常会被实时转换成 WGS 84 基准面以确保所有元素视觉上的一致性。该基准面的精度约为 2 米这意味着基于不同 WGS 84 基准面的数据集其数值可能会相差 2 米左右。除此之外Web 墨卡托投影本身存在固有缺陷距离赤道越远面积与距离的投影畸变就越大。受此影响Web 墨卡托投影数据与 WGS 84 基准集数据之间的位置偏差有可能超出基准集标称的 2 米精度范围进而引发两类明显的偏移问题不同 GIS 数据集之间相互错位自有数据集与 Web 墨卡托底图错位。在远离赤道的区域叠加高精度数据与低精度数据时该问题会变得更加突出。所有数据都会被统一转换至 WGS 84 基准集再叠加 Web 墨卡托的大幅投影畸变在这种情况下高精度数据的精确度实际上就丧失了。因此一般原则是只有当你不关心该基准面集合中各个数据点之间的微小位置差异时才使用这种基准面集合。对于那些需要高精度定位的工作来说应始终使用特定的基准面数据比如某个版本的 WGS 84 或 ITRF 基准面而不要使用多个基准面的组合。多个基准面的组合适用于那些对精度要求不高的情况因为在那些情况下几厘米甚至几米的误差并不重要。转载请注明出处【ArcGIS Pro 3.7新增功能5】大地基准面集合大地基准的协同组合作者ArcGIS中国培训中心 www.higisedu.cn