国家海洋局第二海洋研究所

硕士学位论文

海岸带遥感调查数据处理若干技术研究

姓名：陈晓东

申请学位级别：硕士

专业：物理海洋

指导教师：潘德炉;陈建裕

20070604

摘 要

在国家海洋局第二海洋研究所攻读硕士学位期间，正值“我国近海海洋综合调查与

评价”专项（简称908专项）的全面开展，本人有幸参加了908专项中“海岛海岸带遥

感调查与研究”部分中的两个项目“东沙群岛遥感调查与研究（试点）”和“908-01-wy03

区块遥感调查与研究”的工作，针对海岛、海岸带遥感的数据预处理中遇到的一些问题，

本人提出了一些自己的看法，进行了有一些有意义的探讨。全文共分五个章节，其主要

内容如下：

第一章，在强调开展海岸带遥感调查与研究的目的和意义的同时，回顾了国内外

海岸带遥感的发展和现状，并简要介绍了开展海岸带遥感调查实施的一般工作流程。

第二章，根据海岸带空间数据的特点，阐述了通过地理坐标系统、投影坐标系统和

水深与高程的统一来实现数据的空间标准的统一的方法。在此基础上，进行了一些应用

研究，将一些海图资料（海军航保部提供）投影转换为通用投影方式的海图数据；利用

海图和地形图的水深和高程信息尝试进行了零米线的提取试验；开展了利用历史海岛岸

线资料对海岛区多光谱遥感影像进行无控制点配准的初步工作。

第三章，针对海岸带地区光学遥感影像常常受到云的污染的情况，提出利用影像上

云和阴影边缘相似的特征，改进了云和阴影处理方法，对云和阴影进行图像匹配识别，

实现对遥感影像的云和阴影自动掩模处理。

第四章，着重介绍了在ArcMap软件平台上为如何能够实现满足遥感影像地图制图

的中国国家标准而对遥感影像地图进行图幅整饰的详细步骤，然后利用ENVI/IDL开发

了SPOT5的自然色融合程序，将其应用到实际项目工作中的影像地图制图中。

第五章，本人总结了全文的初步研究成果以及存在的一些问题，并提出了今后需

要改进的地方。

关键词：海岸带遥感 坐标变换 云检测 遥感影像地图

Abstract

The Chinese Offshore Investigation and Assessment project supported by

Chinese government is launched during exactly a period at which I prepared my

dissertation for Master degree. I am honored to be a member of this important

and challenging project. My research has involved the Investigation of Coastal

Zone with Satellite Remote Sensing, and this dissertation is dedicated to solve

the problems we encountered in the data processing. The detailed content is

described in the following five chapters:

Chapter 1 simply present the purpose and significance of satellite remote

sensing in the coastal zone investigation and research; secondly review the

current development of coastal zonal remote sensing; finally, introduce the

general remote sensing investigation procedures.

Chapter 2 analyse the different reference frames and map projections which

are involved in coastal data-integration and then proposes some effective

methods to unify the different reference frames , different map projections and

elevation in topographic maps and water depth in charts. Based on these

methods, some experiments were carried out, such as the 0m isobaths

extraction synthetically using contour lines on topographic maps, isobaths on

charts, and automatically image registration imposing historical coastline

datum of islands.

Chapter 3 a new cloud mask method is proposed aiming at solving the

problem that is remotely sensed images are always contaminated by clouds.

Based on the assumption that cloud and shallow has partially similar edges, this

method used an effective image match algorithm to find match to determine it

is cloud or not.

Chapter 4 introduce how to do the Map Decoration in ArcMap to satisfy the

China National Standards(CNS) on Digital Image Mapping,SPOT5 true color

fusional images were added to help the field investigation and remote sensing

interpretation.

Chapter 5 present general conclusions covering the achievements, limitations

of this study and suggestions recommended for future improvement.

Keywords: remote sensing ,coastal zone,coordinate transform, cloud

detection, RSIM

第一章 绪论

1.1研究的目的和意义

海岸带是海洋、陆地和大气共同作用的地带，地球的岩石圈、大气圈、生物圈、水圈在

此交汇，它以海岸为基线向海陆两方面辐射、扩散并构成海洋与陆地的共同地界。狭义的海

岸带定义通常由海岸、潮间带、潮下带组成[1-3] 。其中海岸是高潮线以上狭窄的陆上地带，

通常处于海水面以上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，故又称为潮上带。潮间带指高潮

时被淹没，低潮时露出的地带。潮下带又称水下岸坡，指低潮线以下直到波浪作用所能到达

的海底部分。我国海岸带调查研究范围陆上边界统一定为平均高潮位以上10km，海上边界

为15米等深线（见图1-1）。

图1-1 海岸带定义及组成[1]

我国海岸带跨越温带、亚热带和热带三个气候带，其中亚热带海岸长度约占大陆海岸总

长的60％，全国海岸带面积约28.5×104km2，面积500m2以上界定的岛屿6500余个，大

陆海岸线约18000km，岛屿岸线约14000km，自然条件优越。我国海岸带具体表现在大陆

东海岸多数处于波能环境，曲折的岩石海岸形成了众多的港湾，以长江、黄河、珠江与辽河

等为主的大小河流携带巨量的泥沙入海，塑造出诸如长江、黄河、珠江与滦河等大型的三角

洲平原，并有大量的泥沙输移，形成低平的海滨平原。海岸带高度发达的经济，丰富的自然

资源和便利的交通条件，吸引了大批人口向海岸带迁移。统计资料显示，我国沿海地区的土

地面积仅占国土面积的13.6%，但却承载了43%的人口，而且这一趋势还在加剧，预计在未

来30年内这一比例将高达75%。

经济发展和大量人口的生活需求给海岸带生态环境带来了巨大的压力，对海岸带的大规

模开发，如工农业废水排放使海水污染严重；大范围的围海造田，海区航道淤积情况的加剧；

无序采砂造成海岸侵蚀海堤崩塌；过量抽取地下水造成地面沉降和海水入侵；砍伐红树林建

造海岸工程破坏生态等等。上述这些行为降低了海岸带的承载能力，强化了海岸带的社会经

济系统的易损性。另外由于温室气体的排放，全球温度升高，冰川融化使海平面升高，对海

岸侵蚀加剧，大片海滨湿地丧失及三角洲平原洪涝灾害增加。目前世界上70%的砂质海岸

产生侵蚀，侵蚀速率为10cm/a，中国的平原海岸亦有70%左右处在侵蚀后退[2] 。鉴于海岸

带与海岛生物资源的多样性，生态环境复杂性与脆弱性，因此，惟有统筹规划，因地制宜与

综合利用，才能保障海岸带可持续发展，为此迫切需要进行海岸带的资源与环境调查作为决

策制定的重要依据。

图1-2 海岸带调查结构图示[4]

本人认为，实施中国海岸带与临近海域综合调查的目的有5个方面[5] ：

（1） 认识海洋国土的基本特征，为开发保护蓝色国土服务；

（2） 探索新的可开发资源，使海洋成为自然资源开发的潜在战略基地；

（3） 提高海洋灾害形成机理与作用过程的认识，为防灾减灾服务；

（4） 推动海洋经济带（区）的开发建设；

（5） 海防意识增强与建设。

20世纪80年代，我国开展了历时7年之久的海岸带与海涂资源综合调查，同期编写了

适合于现场调查的《全国海岸带和海涂资源综合调查简明规程》与《全国海岛资源综合调查

简明规程》等，但是限于当时条件，调查手段未涉及遥感。由于经济发展势头迅猛，海岸带

地区的开发规模越来越大，海岸带的变化日新月异，在这种情况下对海岸带进行有效的管理

必须依赖于时效性强的信息资料。常规方法往往耗费大量的人力、物力，并且调查时间周期

长，难以满足当前迫切的信息要求，而遥感技术作为获取海岸带与海岛资源、环境与灾害等

信息的高技术手段，因其大尺度、快速、同步、高频度动态观测和节省资本等突出优势，已

成为大面积国土资源与环境调查的主要手段。

1.2 国内外海岸带遥感发展及现状

海岸带遥感调查始于二次大战，在第二次世界大战期间，在河口海岸的调查中首先使用

了航空摄影的方法。五十年代，美国在大规模的湾流考察中，第一次使用了飞机和调查船协

同调查。此后，航空海洋调查的理论和方法逐步完善起来。到六十年代，随着气象卫星发射

成功，美国首先提出了遥感的概念。经过几十年的不懈努力，海岸带卫星遥感综合应用系统

技术在国内、外都取得了长足的发展，TM、MODIS、MERIS、SeaWiFs、MAIS、SAR、SPOT、

QuikBird、IKONOS以及诸种航空遥感器的研制和发射，已经可以成功对海岸带与海岛资源

环境进行实时的监测，卫星遥感海岸带与海岛观测已经覆盖了70％的海洋环境要素，加上

灵活应用的航空遥感技术，遥感应用以逐步从定性转向定量。加强多源、多模态、多时相数

据的融合与同化应用技术研究，注重高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率及全天时、

全天候和全频段的监测和研究，注重遥感数据真实性校验与地面定标技术研究，充分开发遥

感数据资源，并于常规资料及历史资料结合分析应用，为遥感技术应用的趋势。我国由于工

业基础落后等历史原因，在空间平台技术及传感器硬件方面与国外发达国家均有明显差距，

但是在遥感数据处理应用方面也屡有创新。目前我国海岸带与海岛卫星综合应用总体上还处

于科学研究和技术开发阶段，基本上没有形成产业化和市场化规模[5]。

1.2.1 国外海岸带遥感现状研究

近几十年来，越来越多的国家对海岸带的资源与环境问题日益重视，而遥感技术已成为

国家层面上获取沿海滩涂数据、评估国家沿海社会经济和生态环境可持续发展能力的有效工

具。如美国利用陆地卫星资料对23个洲的海滨湿地进行了分类制图，并根据植物种类区分淡

水沼泽、半咸水沼泽和盐水沼泽三个不同地带；Donoghue等人曾利用遥感技术对英国东海

岸潮间带进行制图和检测[6]；Alberotanza L.等人利用高光谱航空影像对意大利的Orbertello

泻湖潮滩的植被进行研究[7]；Kevin W.和Hesham M.利用TM数据来检测尼罗河三角洲海岸线

的变化[6, 7] ；菲律宾和马来西亚利用TM影像及SPOT影像对南中国海进行分类制图，并以此

来指导航运和渔业生产[8] ；Joong-SunWon等人利用TM资料在韩国Gomso湾潮间带进行水边

Lahet用SPOT5的红光波段绘制圭亚拉湾悬浮线提取的研究[9] ；法国的J. M. Froidefond，F.

泥沙浓度专题图并解译的mud banks的形成和移动[10] ；Yvette Marchand等人利用SPOT资料

对Mont Saint-Michel湾的潮间带区域进行基于细胞自动机的非监督分类[11] ；印度的

D.R.Stapathy用结合多年遥感影像短波红外对红树林区域解译，研究其变化特征。随着民用

高分辨率卫星资料如QuickBird，IKONOS等的普及，遥感在海岸带的应用也越来越广泛。

1.2.2 国内海岸带遥感研究现状

我国的海岸带遥感调查起步较晚，但发展迅速。早期的探测性应用如潘德炉、施纪青于

1984年在浙江省舟山群岛朱家尖进行航空遥感实验，进行了海岸带遥感图像计算机分类的

原理和方法的探索[12] ；1984年国家海洋局第二海洋研究所、国家测绘局测绘研究所、浙江

省测绘局等单位联合在杭州湾进行了航空遥感实验，利用航空遥感数据进行岸线、滩涂的解

译并进行了岸线长度和滩涂面积的量算；同年许殿元、黄宝艇利用光学遥感图像增强方法和

数字图像处理技术对渤海湾涛河口海域遥感图像进行K-L变换并用其对海水污染进行解译

[13] ；史枫砚，杨秀萍（1985）研究利用陆地遥感卫星影像解译海岸线类型并进行长度的量

算[14] ；恽才兴，益建芳等利用遥感图像对长江口沿岸潮滩进行分类研究[15] ；1987年周松

根据地物光谱特征及其在航空遥感影像假彩色合成像片上的信息，对深圳市地面沉积物进行

李铁芳、李成治（1988）分类，分为8种成因类型物质，并绘制了1：1万的沉积物类型图[16] ；

在渤海海峡利用陆地卫星MSS数据，通过计算机图象处理提取了渤海海峡南部海域长岛附

近海区的礁石、浅滩、底质、海流等的信息以及它们在图象上的目视判读标志[17] ；丁应祥，

胡永清（1991）利用TM影像对江苏省东台市海岸带进行了土壤分类制图，为沿海防护林地

区林地评价提供了基本资料[18] ；陆慧文，杨裕利（1995）对山东烟台海岸带潮上带和潮滩

现状及历史资料进行了遥感分析，为该区的海岸带综合利用提供了依据[19] ；王桂明、董裕

国（1997）利用遥感技术对珠江三角洲的海岸线变迁和河道演变进行了研究[20] ；2001年，

何执兼、关履基等人应用遥感技术监测广东省海岸带湿地资源与环境现状及其发展动态，对

海岸湿地的利用方式进行调查分类成图[21] ；孙美仙等人对利用遥感技术进行海岸线信息提

提供了完整的遥感调查技术路线，确定了海岸线的遥感解译标志和解译原则，取的实现方法，

完成了福建省海岸线信息的解译工作[22] ；张华国等人（2005）利用1986年以来8个时相

的TM/ETM+遥感数据，进行杭州湾围垦、淤涨情况调查，分析岸线动态变化、围垦、淤涨

状况及其趋势，得出杭州湾岸线变化的主要原因是人工围垦和滩涂养殖的结果[23] ；李长江

等人在“浙江省国土资源遥感综合调查”项目中阐述利用ETM、SPOT等卫星资料对浙江

省海岛、海岸带进行了遥感调查的技术路线，并著有《浙江省国土资源遥感调查与综合研究》

一书[24] 。随着这些项目的推进，我国海岸带遥感也必将进行一个 高速发展的全新阶段。

1.3 海岸带遥感调查的具体实施流程

海岸带与海岛遥感调查涉及诸多内容，包括①海岸线的位置、长度、类型和岸线变迁；

②海岸带的滩涂、植被、滨海湿地、海洋保护区、旅游区、港口与航道、海岸带围填海等类

型、面积和分布；③海岸带围填海对海岸线的长度、海岛数量的影响；④海岛及其滩礁的潮

间带、植被、湿地、土地利用、地貌等位置、类型、面积和分布；由此所涉及的信息处理和

与提取、影像图制作等，各不尽相同，其具体实施流程可用图1-3概括：

图1-3 海岸带与海岛遥感调查流程

1.4本文的研究内容

由于我国的海岸带卫星遥感综合调查还处在科学研究和方法探索阶段，对于遥感调查的各项流程并没有一个统一的标准，虽有多部文献较系统的指出了海岸带遥感调查方法的流程，对于海岸带遥感调查具有很好的指导作用，但是由于海岸带体系的复杂性，不可能面面俱到，具体的细节做法无法获知。本人参加了国家“908专项”海岛海岸带遥感调查与研究的“东沙群岛遥感调查与研究（试点）”和“908-01-WY03区块遥感调查与研究”项目的部分工作，选取几个在数据预处理中会遇到的问题进行研究，恳请老师、专家批评指正。

1.4.1海岸带调查中基于多源数据集成及应用

为在海岸带遥感调查实施中辅助遥感图像解译，需要建立遥感影像上像素点和地面实际点的对应关系；为了弥补遥感瞬间成像刻画变化事物能力的欠缺，需要收集、利用辅助资料和历史资料；为了验证遥感解译结果，需要现场实测资料。但是，由于这些资料制作的目的各不相同，技术手段差异也很大，往往选择的空间参考基准也不相同，它们主要的矛盾表现在坐标系差异，投影的差异和高度描述的差异。

本文分别从地理坐标系、投影坐标系、水深和高程三个方面研究空间基准的统一，然后

在此基础上进行一系列的应用实践：首先研究了适合浙江省海岸带的西安1980坐标系与WGS84坐标系之间的坐标转换方法；然后通过海图水深与地形图高程的关系，将地形图高程转化为水深，尝试联合海图、地形图进行零米线的提取，讨论哪种方式获取零米线最为准确；最后利用历史海岛岸线信息对海岛区遥感影像进行无控制点选取的遥感影像配准试验。

1.4.2 基于特征匹配的云和阴影识别探讨

海岸带处于海陆交界地带，海陆温差大，区域上空具有较强的空气对流，而且空气中含水量较大，形成较好的成云条件，因此海岸带遥感影像常常会受到云的影响，要获取一景完全无云的遥感影像是比较困难的。云的存在对遥感信息的提取造成了干扰，在处理遥感影像前需要对云进行掩模处理或信息替补，常规的云检测与掩模方法是人工勾绘，但是对于多云影像的处理无疑加重了海岸带调查工作的劳动强度，因而本文提出一种基于云和阴影形状匹配提取云和阴影的方法，即在云和阴影初步提取后通过它们是否外形相似来排除错误提取的云或阴影，在实验图象上取得不错的效果，在判别云和阴影区域的基础上对云和阴影区域信

息进行了信息替补。

1.4.3 遥感影像地图的制作方法

遥感影像地图（RSIM）是以遥感影像为基础内容的一种地图形式，直观展现了真实的

地表，以补充常规地图的过于抽象，对于专题制图、现场勘察也是一个重要图件。本文研究

了如何在ArcMap软件平台下制作符合国家标准的遥感影像地图的方法，给出了图幅整饰的

详细步骤，对上节云识别与替补的影像利用ENVI/IDL开发SPOT5的自然色融合，将融合

结果应用到影像地图制图。

第二章 海岸带数据空间标准统一及应用 大范围、动态、综合、快速、多尺度、多时相、低成本是现代遥感技术在海岸带调查中的优势，在充分发挥遥感优势之前我们必须解决一些问题，如遥感影像的精确定位问题，即找出图像上点和现实地物点平面位置的对应关系；遥感影像虽然提供了丰富的光谱信息和纹理信息，但是对应于异常复杂的地物种类和分布还显得力不从心，在遥感解译时还存在诸多困难；某些区域的地表变化是迅速的，遥感图像提供的是瞬间地物的信息或者某个时刻的地表信息，还必须同其他资料比较才能得知真实的事物，如海岸线等；某些区域的地表变化又是缓慢的，鉴于调查的历史性，又可以利用历史上的实地调查或遥感调查资料提高工作效率，也减少资源浪费。所以，在海岸带遥感调查实施中我们需要收集、利用大量的辅助资料和历史资料。

由于海陆长期分割管理、科技能力和使用习惯差异等原因，使得海图、陆图的数学基础存在较大的差异，不同时期的地图资料的数学基础也不尽相同；遥感、全球定位系统等也具有相对独立的数学基础，这就给现代海岸带综合管理中的信息集成带来了一个难题——不同源的信息在空间分布的连续性上产生了歧义[25] ，主要原因是不同源的信息可能基于不同的空间参考系和不同的术语与属性定义系统。这些因素造成资料不能简单的拿来叠加应用，其成果数据不能简单的拿来比较分析，资料数据之间存在互相冲突的问题。本章研究的目的就是在海岸带遥感调查过程中，如何统一各种资料的空间参考，并在此基础上综合应用各种资料获所需的信息，给出了一些应用实例。

2.1海岸带资料现状分析

从自然地理的角度来看，海岸带是具有海陆过渡特点的独立环境体系；从人类活动看，海岸带是经济发展较快的区域，独特的地域特点决定了这个地区的资料这样一些性质：

（1）多源性

除了各种分辨率的陆地卫星和海洋卫星数据外，涉及与海岸带生态资源环境相关的陆上和海域的各种专题数据有：①地形图、海图、海洋功能区划图、海岸带有关图集；②海岸线变迁调查资料；③各类海洋海岸工程建设项目有关资料；④大地测量成果资料(水准点、三角点等)；⑤地方志、水利志、交通志等志书；⑥地方政府公布的与海岸线有关的文件资料；⑦各级政府和职能部门编制的涉海行业发展规划等。上述各种形态的数据有文字图表描

述的，有栅格图像的，还有矢量图形的，数据存储媒介有纸质的还有有计算机存储的。由于

这些数据可能来自不同的机构或者个人，在结构上可能是千差万别的。单就矢量数据而言，

都可能会存在多种数据格式，更不用说标准和规格都很灵活的海洋观测数据和统计数据。

（2）多尺度及多态性

海岸带数据的另外一个特点是数据多尺度及多态性。针对中国海岸带而言，仅遥感数

据，覆盖全国海岸带的影像数据从1km分辨率到米级分辨率不等，从不同的尺度监测海岸

带的环境与资源变化，由于不同的观测尺度具有不同的比例尺和不同的精度，因此在这种多

尺度的遥感数据系列中相同的地物在不同的情况下就会有形态差异。

海岸带数据具有很强的时空特性，海岸带区域是人口聚集、资源富集、产业发达、经

济活跃的区域，是海洋开发的前沿阵地和依托场所，近年来随着沿海改革开放政策的发展，

海岸带的开发和利用成为各个沿海省市主要的经济发展战略。海岸带的变化日新月异，势必

造成海岸带及近海的资源环境快速变化，在数据上表现为较强的动态性，数据源既有同一时

间不同空间的数据系列，也有同一空间不同时间序列的数据。

海岸带及近海数据的多源性、多尺度及动态特性使得在集成使用数据时除数据格式不

同外，最大的问题是数据的语义异质性、分类标准、海陆数据空间标准的不一致问题[26]。

本文主要关注在使用海岸带资料时要解决的海陆数据空间标准统一问题，空间标准的不统一

主要体现在大地坐标系统，投影方式和高程基准三方面，具体的差异如表2.1所列：

表2-1各种资料的空间参考一览

资料形式 投影方式 大地坐标系 WGS84 北京54或西安80

北京54或西安80

北京54或西安80

WGS84 高程描述 / 水准高 水准高 水准高 椭球高 遥感影像 UTM或无投影小比例尺地形图 等角圆锥投影中大比例尺地形图 高斯－克吕格海图 墨卡托/高斯 GPS测点 /

当初各种资料是为了不同的应用目的服务的，要想把它们综合应用，必须转换到统一

的标准上来。

2.2坐标系统的统一

2.2.1 大地坐标系统的基本概念

（1）大地坐标系定义

它是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照

系。其中大地基准是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向，大地参

考框架是指大地坐标系的物理实现，大地控制网是其表现形式，大地控制网中控制点是进行

外业测量和内业计算的依据，控制点的坐标根据测量工作的要求可采用不同种类的坐标（空

间直角坐标，大地坐标，高斯平面坐标）。

地球形体用旋转椭球体表示，椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定

位和地心定位。局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的

中心位置无特殊要求，一个国家（或地区）选择一定元素的参考椭球，对参考椭球进行定位

和定向，即确定该参考椭球体的位置，获得大地原点起算数据和基准面，这就建立了一个国

家坐标系，不难理解，国家坐标系是一种参心坐标系。地心定位要求在全球范围内与大地水

准面有最佳的配合，同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近，WGS84在全球范围使

用，它是一种地心坐标系。不论是局部定向还是地心定向，都应满足两个平行条件：①椭球

短半轴平行于地球自传轴；②大地起始子午面平行与天文起始子午面。这两个平行条件是人

为规定的，其目的在于简化大地坐标、大地方位角同天文坐标，天文方位角之间的换算。下

面介绍一下我国常用的几种国家坐标系。

a)1954年北京坐标系，采用克拉索夫斯基椭球，该参考椭球没有依据我国的天文资料进

行重新定位定向，可以说是前苏联1942年坐标系的延伸。它存在椭球参数不准、定向不明

确、椭球面在我国东部符合不好的缺点，局部平差计算的大地点坐标的区域差异明显，该坐

标系以1956年青岛验潮战的黄海平均海面为高程起算基准。

b)1980年西安坐标系，它的椭球参数采用1975年IAG推荐值，椭球定向符合双平行条

件，多点定位使其与大地水准面符合较好，高程异常在东部广大地区有明显改善，该坐标系

以青岛验潮站1985黄海平均海平面作为高程起算基准。

c)WGS84世界大地坐标系，该系统最初由美国国防部根据TRANSIT导航卫星系统的多

普勒观测数据所建立，从1987年1月开始作为GPS卫星所发布的广播星历的坐标参考基准，

后又由分布于全球的一系列GPS跟踪站的数据加上部分IGS站的坐标数据联合计算不断提

高坐标系定位精度，WGS世界大地坐标系由于GPS业务的发展，在我国定位导航、授时校

频、精密测量等领域均有较多使用。

不同的坐标系统建立在不同的参考椭球上， 各自参考椭球体的定位参数(与地球体的关

系) 也不相同，因此彼此不能兼容，具体表现为同一空间点在不同坐标系下具有不同的坐标

值，而同一坐标值的空间点在不同坐标系的地图上表示的点位也不重合。为了实现不同坐标

系下的坐标联合使用，必须进行坐标转换，由于转换模型的问题十分重要，所以许多学者对

此做了大量的研究，本节仅对几种主要的转换模型和转换参数求解作以介绍：

（2）坐标转换

不同大地坐标系统坐标之间没有固定的数学关系，这是由建立坐标系统的基础决定的，

不同坐标系统之间的坐标统一必须进行坐标转换，常用的坐标转换方法为七参数转换的布尔

沙（Bursa）模型，其公式为：

XT 1 Y =M* ε T Z ZT εYεZ1 εX εY XS dX Y + dY εX * S 1 ZS dZ （2-1）

式中，(Xs,Ys,Zs) 为源坐标系下的坐标，(XT,YT,ZT)为目标坐标系下的坐标，未

知的参数有7个，dX,dY,dZ分别为三个轴向的平移参数，M为尺度参数，所谓相似转换

就是转换后形状不发生变化，所以三个维度的尺度参数是统一的，εX,εY,εZ分别为绕三个

轴向的旋转参数。

为了求得这7个转换参数，至少需要3个公共点，当多于三个公共点后，可按最小二乘

法求得7个参数的最或然值。由于公共点的坐标存在误差，求得的转换参数将受其影响，公

共点坐标误差对转换参数的影响与点位的几何分布及点数的多少有关，因而为了获得较好的

转换参数，应选择一定数量的精度较高且分布比较均匀并有较大覆盖面的公共点。

类似于该转换模型还有基于减小转换参数相关性的莫洛金斯基－巴德卡斯模型[28] ，有

扩大模型作用范围即任意大角度三维转换的模型[29-31] 等等，有基于增强解算稳定性的模型

[32, 33] 等。

2.2.2 投影坐标系统

所谓地图投影就是将椭球面上元素（包括坐标、方位和距离）按一定的数学法则投影

到平面上，而且投影后点与点之间的关系在某些方面与他们原来的关系保持的一致，如投影

后形状不变、投影面的面积不变等等。投影坐标系统是平面坐标系统，必须依存于大地坐标

系统，定义一种投影坐标系统必须先定义好大地坐标系统，有大地坐标系统不一定有投影坐

标系统，但是有投影坐标系统就一定有大地坐标系统。这是由于投影始于球面点的缘故，投

影坐标系中规定了投影的方式。

图2-1投影定义 图2-2左边为高斯投影，右上为UTM投影，右下为墨卡托投影

在我国海岸带遥感调查与研究工作中主要涉及到三种地图投影：

（1）墨卡托(Mercator)投影

它是一种"等角正切圆柱投影”，荷兰地图学家墨卡托（Gerhardus Mercator 1512－

1594）在1569年拟定，假设地球被围在一中空的圆柱里，其标准纬线与圆柱相切接触，然

后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一

幅选定标准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。墨卡托投影没有角度变形，由每一点向各

方向的长度比相等，它的经纬线都是平行直线，且相交成直角，经线间隔相等，纬线间隔从

标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显，但标准纬线无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大，但因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相

互位置关系的正确。在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点，墨卡托投影地图

常用作航海图和航空图，如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行，方向不变可以一直到

达目的地，因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件，给航海者带来很大方便。 《海底地形图编绘规范》（GB/T 17834-1999，海军航保部起草）中规定1：25万及更

小比例尺的海图采用墨卡托投影，其中基本比例尺海底地形图（1：5万，1：25万，1： 100

万）采用统一基准纬线30°，非基本比例尺图以制图区域中纬为基准纬线，基准纬线取至整

度或整分。

墨卡托投影坐标系取零子午线或自定义原点经线(L0)与赤道交点的投影为原点，零子午

线或自定义原点经线的投影为纵坐标X轴，赤道的投影为横坐标Y轴，构成墨卡托平面直

角坐标系。

墨卡托投影正解公式：（B,L）→(X,Y)，标准纬度B0，原点纬度 0，原点经度L0 XN=Kln[tg(π

4+B1 esinBe/2*(] （2-2）

21+esinB