GIS的空间地理坐标系统.ppt

中山大学 遥感与地理信息工程系 第三讲第三讲 GISGIS的空间地理坐标系统的空间地理坐标系统 空间参考系统(p39-48) GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据。地理数 据与其位置的识别联系在一起，它是通过公共的地理基础 统一的空间参考系统来实现。 33% 67% 主要是顾及投影变形、作为历史沿续、 为了使用方便和便于资料保密等； 地方系统 国家坐标系统 地球椭球的基本元素常用符号地球椭球的基本元素常用符号a a，b b， ，e e和和e e 表示表示 。符号的名称和公式为。符号的名称和公式为( (衡量形状和大小参数）：衡量形状和大小参数）： 长半轴长半轴= =a a；短半轴短半轴= =b b；扁率扁率=(a-b)/a=(a-b)/a； 第一偏心率第一偏心率 = = 第二偏心率第二偏心率 = = 已知其中两个元素已知其中两个元素 （包含（包含a a或或b b）, , 就可以推算其他三就可以推算其他三 个元素。个元素。 我国的大地坐标系 v1949年以后，我国采用了两种不同的大地坐 标系，即1954年北京坐标系和80国家大地 坐标系，它们均属参心大地坐标系(p40)。 v不同的参考椭球确定不同的参心坐标系。 v相同的地球椭球元素，但定位和定向不同， 也将构成不同的参心坐标系。 v把地面大地网归算到地球椭球面上，确定它 同大地的相关关系位置，这就是所谓椭球 的定位和定向问题 。 54年北京坐标系 我国1954年完成了北京天文原点的测定工作，建立了1954年北京 坐标系。1954年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我 国的延伸，但略有不同，其要点是： v属参心大地坐标系； v采用克拉索夫斯基椭球参数（a=6878245m，扁率 = 1：298.3） ； v多点定位； vx = y = z； v大地原点是原苏联的普尔科沃； v大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基 准；高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准 起算值，按我国天文水准路线推算出来的； v1954年北京坐标系建立后，30多年来用它提供的大地点成果是 局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。 1980年国家大地坐标系 由于1954年北京坐标系（简称54坐 标系）存在许多缺点和问题，1980年我 国建立了新的大地坐标系（简称80坐标 系），其要点是： v属参心大地坐标系； 采用既含几何参数又含物理参数的 四个椭球基本参数。数值采用1975年国 际大地测量学联合会（IUG）第16届大 会上的推荐值，其结果是： v地球长半轴= 6378140m 1980年国家大地坐标系 v地心引力常数x质量 GM = 3.9860051014m3/s2 v地球重力场二阶带谐数1.08263103 v地球自转角速度7.292115105rad/s。 v多点定位。在我国按1010间隔，均匀选取922个点 组成弧度测量方程，按最小解算大地原点起始数据 （p41)； v定向明确。地球椭球的短轴平行于地球质心指向 1968.0地极原点(JYD)的方向，起始大地子午面平 行于我国起始天文子午面，x y z 0； 1980年国家大地坐标系 v大地原点定在我国中部地区的陕西省泾 阳县永乐镇，简称西安原点； v大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄 海平均海水面为基准。 大地坐标确定后，空间一点的大地 坐标用大地经度L、大地纬度B和大地 高度H表示。如右图所示，地面上的 点P地的大地子午面NPS与起始大地子 午面所构成的二面角L，叫点P地的大 地经度，由起始子午面起算，向东为 正，向西为负。点P地对于椭球的法线 P地Kp与赤道面的夹角B，叫做点P地的 大地纬度，由赤道面起算，向北为正 ，向南为负。点P地沿法线到椭球面的 距离H叫做大地高，从椭球面起算， 向外为正，向内为负。 地图投影 将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则，变 换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称为地图投 影。 x=F1(L,B) 、y=F2(L,B) 式中（L，B）是椭球面上某一点的大地坐标，而（ x,y）是该点投影平面上的直角坐标。 各种不同的投影就是按照一定的条件来确定式中的函 数形式F1，F2的。地球椭球面是不可展的曲面，无论 用什么函数式F1，F2 将其投影至平面，都会产生变形 。 高斯克吕格投影 n它是一种横轴等角切圆柱投影。 n高斯投影的条件： v 中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对 称轴； v 等角投影； v 中央经线上没有投影变形； 高斯投影变形具有以下的特点：高斯投影变形具有以下的特点： 中央经线上没有变形中央经线上没有变形 同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大 同一条经线上，纬度越低，变形越大同一条经线上，纬度越低，变形越大 等变形线为平行于中央经线的直线等变形线为平行于中央经线的直线 高斯高斯- -克吕格投影的最大变形处为各投影带克吕格投影的最大变形处为各投影带 在赤道边缘处，为了控制变形，我国地形图采在赤道边缘处，为了控制变形，我国地形图采 用分带的方法，每隔用分带的方法，每隔33或或6 6 的经差划分为互的经差划分为互 不重叠的投影带。不重叠的投影带。1 1：2.52.5万至万至1 1：5050万的地形万的地形 图采用图采用6 6 分带方案。从格林威治分带方案。从格林威治0 0 经线开始经线开始 ，全球共分为，全球共分为6060个投影带。个投影带。我国位于东经我国位于东经72 72 到到136 136 之间，共之间，共1111个投影带（个投影带（13-213-23 3带）。带）。 1 1：1 1万以及更大比例尺地图采用万以及更大比例尺地图采用3 3 分带方案分带方案 。 自1952年起，我国将其作为国家大地测 量和地形图的基本投影，亦称为主投影。 漫游窗口 漫游方向 主带中央经 线 邻带中央经 线 带边经 线 国家坐标系和独立坐标系的变换 由于地球半径很大，在较小区域内进行 测量工作可将地球椭球面作为平面看待，而不 失其严密性。既然把投影基准面作为平面，就 可采用平面直角坐标系表示地面点的投影面上 的位置。 （a）测量平面直角坐标系 （b）数学平面直角坐标系 为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐 标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要 建筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴 的直线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系；也 可假设测区中某点的坐标值，以该点到另一点方 位角作为推算其它各点的起算数据，实际上也构 成了一个平面直角坐标系。 上述平面直角坐标系的原点和纵轴方向选定 了的值常用于小型测区的测量，它不与国家统一 坐标系相连，因此称为任意坐标系或独立坐标系 。我国大部分城市均采用独立坐标系，如广州市 采用珠江高程和平面坐标系等。 国家坐标系和独立坐标系的变换 按高斯投影统一分带（6 0带，3 0带）建立的 直角坐标系，称为国家平面直角坐标系。 在建立数字城市时，往往需要将独立坐标系 转换成国家平面直角坐标系。在进行转换时，先 将独立坐标系的原点或独立坐标系的某一固定点 与国家大地点连测，并按计算出的方位角进行改 正，求出该点的国家统一坐标，然后对所有数据 进行平移和旋转，以便把按独立坐标系所采集的 数据转换到国家平面直角坐标系中。在城市和工 程测量中，也可采用1.5 0带或任意带的高斯平面 坐标系，以提高投影的精度。 地理格网(P43) 按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地理 格网，可以用于表示呈面状分布、以格网作为统计 单元的地理信息。通过对地理格网划分及编码规则 的深入分析研究，规定我国地理信息系统采用三种 地理格网系统： 4 0 6 0格网系统 直角坐标格网系统 自行设计 4 0 6 0格网系统 以纬度4 0和经度6 0进行划分而构成的多级地理 格网系统，主要适用于表示陆地与近海地区全国或 省（区）范围内各种地理信息等。它的分级如下： 格网等 级 1234567899 格网单 元边长 30157.5 31. 5 0.75 0.3 0.15 5 比例尺1:100 万 1:50 万 1:25 万 1:10 万 1:5 万 1:2. 5万 1:1 万 1:5 千 1:20 万 将地球表面按数学法则投影到平面上，再 按一定的纵横坐标间距和统一的坐标原点对其 进行划分而构成的多级地理格网系统。主要适 用于表示陆地和近海地区为工作规划、设计、 施工等应用需要的地理信息。它的分级如下： 直角坐标格网系统 *直角坐标格网的比例尺与格网等级不是唯一对应的，一种比例尺对应两种格网 等级，用户可根据需要选择一种。 格网等 级 12345678999 格网边 长(m) 100050025010050 2 5 1052.5200100 比例尺 1:100万 1:5 0万 1:2 5万 1:1 0万 1:5 万 1:2. 5万 1:1 万 1:5 千 1:20万 在地理信息系统中，还需要用到1:2000、 1:1000和1:500的地形图，在国家标准中未规定它 们的格网等级和格网单元边长，可根据实际需要自 行设计（一般为2.5m、2m、1m或0.5m的格网）。 自行设计的格网系统 上述三种地理格网均按地球象限、经纬度或直角坐标 进行划分，具有严格的数学基础，因此它们之间可以相互 转换。三种格网的分级各呈一定的层次关系，构成完整的 系列，便于组成地区的、国家的或全球的格网体系。 在建立数字城市时，通常采用直角坐标格网系统。它 具有实地格网大小相等，便于将大比例尺解析测图仪生产 作业的数据作为信息系统的数据源和便于同卫星图像、 DTM数据重叠匹配等优点。但采用高斯投影时，在分带边 缘会产生许多不完整的网格，难以将分带计算产生的网格 拚接在一个坐标系中。因此，若一个城市区域跨带时需先 进行换带计算，使整个城市纳入一个投影带，然后再建立 地理格网。 数字城市中地图投影配置的一般原则数字城市中地图投影配置的一般原则 所配置的投影系统与相应比例尺的国家基本图（基本比例所配置的投影系统与相应比例尺的国家基本图（基本比例 尺地图、基本省区图、国家大地图集）投影系统一致。尺地图、基本省区图、国家大地图集）投影系统一致。 系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比 例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺。例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺。 所用投影以等角投影为宜。所用投影以等角投影为宜。 所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系 统（特别是一级网格）在投影带中应保持完整。统（特别是一级网格）在投影带中应保持完整。 空间点的高程是以大地水准面为基准来建立的 。我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均 海水面，作为我国统一的高程基准。凡由该基准面起 算的高程在工程和地形测量中均属于1956年黄海高程 系。从1985年起，我国开始改用“1985年国家高程基 准”，凡由该基准起算的高程在工程和地形测量中均 属于1985年黄海高程系统。1985年国家高程基准与 1956年国家高程基准之水准点间的转换关系为： H85 = H56 0.029m 式中H85，H56分别表示新旧高程基准水准原点的正 常高。 高程系统(P44) 在建立数字城市时，若需采用不同高程基准的地 形图或工程图作为基准数据时，应将高程系统全部统 一到1985年国家高程基准上。 在缺少基本高程控制网的地区，不仅可建立独立 平面直角坐标系，也可建立局部高程系统。凡不按 1956年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高 程起算数据的高程系统均称为局部高程系统。 设局部高程系统的高程原点起算数据为H局，与 国家高程控制网联测的高程原点高程为H联，高程原 点的高程改正值为H，则： H = H局 H联 原点在地球质心； Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极 （CTP）方向； X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP 赤道交点； Y轴与Z轴，X轴构成右手坐标系。 WGS- 84地心坐标系统及其与国家坐标系的转换 WGS-84是美国国防部研制确定的，其几何定义为： GPS定位所得的结果都属于WGS-84地心坐标系统。 工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。 目前我国已在建立全国高精度的GPS控制网。 进行地区性GPS测量时： 已知(至少)一点高精度GPS成果，以此作为全网的起算 数据，以相对定位法可得到网点的高精度WGS-84坐标系与国 家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。 另一种方法是进行GPS基线向量网的约束平差，将地面网 中的坐标、边长和方位角作为GPS基线向量网的基准而直接得 到平差后国家坐标系的成果。 WGS-84 国家坐标系 转换转换 独立坐标系的转换（p45) 联合平差转换法 最小二乘变换法 简易相似变换法 坐标函数拟合法 空间参考系统 n空间参照系统是指确定空间目标平面位 置和高程的平面坐标和高程系，这两个 系统均与地球椭球面有关。 n理论和实践证明，大地水准面与具有微 小扁率的旋转椭球面非常接近，可用来 代表地球形状，故又名地球椭球面。 地球自然表面、大地水准面和地球椭球面之间的关系 根据投影变形性质的分类根据投影变形性质的分类 等角投影等角投影: : 保证投影后的由任意两条微分线段构成的角度保证投影后的由任意两条微分线段构成的角度 不产生变形，使得投影前后的形状保持不变。不产生变形，使得投影前后的形状保持不变。 等面积投影等面积投影：保证投影前后的面积保持不变。：保证投影前后的面积保持不变。 任意投影任意投影：它既不保持角度不变，又不保持面积不变：它既不保持角度不变，又不保持面积不变 ，同时存在长度、角度、面积的变形。，同时存在长度、角度、面积的变形。 我国地理信息系统中常用的地图投影的配置 我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万 、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除 1：100万以外均采用高斯-克吕格投影为地理基础； 1：100万地形图采用Lambert投影，其分幅原则与国际 地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投 影保持一致。 我国大部份省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采 用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴 等面积割圆锥投影）； Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大 圆航线）表现为近于直线，这有利于GIS中的空间分析 和信息量度的正确实施。 地图投影的分类 n根据投影面与球面相关位置的分类 正轴正轴 圆圆 柱柱 方方 位位 圆圆 锥锥 斜轴斜轴横轴横轴 根据投影探求方法的分类根据投影探求方法的分类 透视几何投影透视几何投影: : 完全依据透视的原理，根据视点、物点、完全依据透视的原理，根据视点、物点、 像点之间的几何关系来建立投影方程（像点之间的几何关系来建立投影方程（3 3D D）。）。 几何解析投影几何解析投影：根据经纬线形状确定投影方程的基本形：根据经纬线形状确定投影方程的基本形 式，如圆锥投影、圆柱投影等。式，如圆锥投影、圆柱投影等。 解析投影解析投影：它事先并不人为确定经纬线的形状，其投：它事先并不人为确定经纬线的形状，其投 影后的经纬线形状与投影方程的形式完全依据人们给影后的经纬线形状与投影方程的形式完全依据人们给 出的条件逐步推求得到，如高斯出的条件逐步推求得到，如高斯- -克吕格投影。克吕格投影。 另外，还有根据投影方程特征的分类。另外，还有根据投影方程特征的分类。 投影变形 经过投影的地图，不能与地球表面上相应经过投影的地图，不能与地球表面上相应 的距离或面