大地测量中常用的坐标系

1、大地测量中常用的坐标系一 定向井工程中大地测量的应用二 大地测量的基本概念三 大地水准面 1 参考椭球面 2 空间直角坐标系 3 空间大地坐标系 5 高斯平面直角坐标系 6 高程系统 7 GPS全球定位系统一 定向井工程中大地测量的应用二 大地测量的基本概念2.1 大地测量学的定义主要任务是测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息。是一门地球信息学科。是一切测绘科学技术的基础。2.2 大地测量学的基本分支a) 几何大地测量学：基本任务是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。B) 物理大地测量学：基本任务是用物理方法（重力测量）确定地球形状及其外部重力场。C) 空间大地

2、测量学：以人造地球卫星及格其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。二 大地测量的基本概念2.3 大地测量学的基本体系a) 应用大地测量学：以研究建立国家大地测量控制网为中心内容。B) 椭球大地测量学：研究坐标系建立及地球椭球性质以及投影数学变换为主要内容。C) 大地天文测量学：以研究测量天文经度、纬度及天文方位角为中心内容。D) 大地重力测量学：以研究重力场及重力测量方法为中心内容。E) 测量平差：以研究大地测量控制网平差计算为主要内容。二 大地测量学的基本概念三 大地水准面3.1 大地水准面的概念大地测量学所研究的是在整体上非常接近于地球自然表面的水准面。设想与平均海水面相重合

3、，不受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂直的水准面的连续封闭曲面。由它包围的形体称为大地体。3.2 似大地水准面由于地球质量特别是外层质量分布的不君性，使得大地水准面形状非常复杂。引入不需要任何关于地壳结构方面的假设而确定的似大地水准面，它与大地水准面很接近。三 大地水准面地球上物体地球引力离心力太阳等引力三 大地水准面重力地球引力离心力三 大地水准面铅垂线一条细绳系一铅球，细绳在重力作用下形成的下垂线。它是测量工作的基准线三 大地水准面水准面在地面上，处处与重力方向垂直的连续曲面水准面重力等位面水准面因高度不同有三 大地水准面大地水准面是水准面中的一个特殊水准面。即

4、在海洋中与静止海水面重合，最接近地球的真实形态和大小。大地水准面是不规则曲面，不便于进行测量数据处理三 大地水准面三 大地水准面为便于准确计算测量成果，用一个接近大地体的旋转椭圆球体作为地球的参考大小和形状称为参考椭球体，称其外表为参考椭球面。三 大地水准面a，b为参考椭球体的几何参数 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。 建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为： 1954年

5、北京坐标系a6378245米，=1:298.3 1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值，它们是： 椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准1980年西安大地坐标系a6378140米，=1:298.257中华人民共

6、和国大地原点中国的地理坐标为了在国家领土上进行大地测量，必须采用一个参考椭球体。其数学的参考椭球面必须与物理的大地水准面相近，并且把两者关系确定下来，这就是参考椭球定位。大地原点则是定位中的基准点，也是地理坐标经度、纬度的起算点。中国的大地原点坐落在距西安市36千米的咸阳市泾阳县境内。原点在地下室，标志用红色玛瑙石制成，直径10厘米，中部突起的半球上，刻有精密十字。如果谁有幸用手触摸那指甲盖大的十字，就等于按在中国大地经纬坐标的起算点和基准点中华大地的“原点”上。 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 WGS-84坐标系统的全称是Worl

7、d Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。 WGS-84系所采用椭球参数为： WGS-84坐标系a6378137米，=1:298.257223563新华网北京2001年月日电（记者张继民）覆盖我国全部国土，其分辨率东部为公里见方格网、

8、西部为公里见方格网，精度为厘米至厘米的中国似大地水准面，近日通过国家验收。这表明，新一代分米级精度大地水准面已在我国建立。曾确定了被称为中国大地水准面。这一水准面的精度为米至米，分辨率为公里见方网格。随着科学技术特别是卫星空间技术的飞速发展，测绘生产技术发生了重大变革，中国大地水准面已远远不能满足现代大地测量发展以及地学研究、国民经济建设的需要。为此，国家测绘局在“九五”期间设立了重点科技攻关项目建立我国分米级精度大地水准面研究。 使用大量我国大陆及其周边海洋地区的重力、高精度水准、多代卫星测高数据和数字高程模型及海深模型等国内外资料，并结合国情，最终建立了我国新一代分米级精度大地水准面。通过

9、用中国地壳运动观测网络的个水准点进行独立检核，表明其精度在我国东部即东经度以东地区，优于米。西部即东经度以西、北纬度以北优于米，东经度以西、北纬度以南优于米。首次以整体分米级精度覆盖了我国全部国土。世界各地坐标系坐标系统生活中的坐标系统: 相对位置家庭地址: 122 Hamilton Road Chapel Hill, NC 27517交通方向: Go down the second traffic light, turn right我们不会用以下家庭地址: 35o54.781 N, 79o01.391W一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，

10、而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。 空间直角坐标系的坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。1 空间直角坐标系空间大地坐标系是采用大地经度（L）、纬度（B）和大地高（H）来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参

11、考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。2 空间大地坐标系平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。3 平面直角坐标系5 高斯平面直角坐标系5.1 基本概念地图数学投影：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。高斯投影对地图投影的要求：a) 采用等角投影（又称正形投影）。在有限的范围内使地图上图形同椭球上原形保持相似

12、，免除了大量投影计算工作。B) 在所采用的正形投影中，要求长度和面积变形不大。C) 投影后应该保证具有一个单一起算点的统一的坐标系。高斯平面直角坐标系高斯投影将一个横椭圆柱套在地球上。椭球体中心o在椭圆柱中心轴上，椭球体南北极与椭圆柱相切，并使某一子午线与圆柱相切。此子午线称为中央子午线。然后将椭球体面上的点，线按正形投影条件投影投影到椭圆柱上，再沿椭圆柱n，s点母线割开，并展成平面，称为高斯投影平面。高斯平面直角坐标系高斯投影平面特点1,中央子午线是直线，其长度不变，离开中央子午线的其它子午线是弧形，凹向中央子午线。离开中央子午线越远，变形越大；2,投影后赤道是一条直线，赤道与中央子午线保持

13、正交；3 离开赤道的纬线是弧线，凸向赤道。高斯平面直角坐标系高斯投影可以将椭球面变成平面，但是离开中央子午线越远变形越大。实际中采用分带投影的方法。投影带宽度是以两相邻子午线的径差l来划分。有6带和3 带等不同投影方法。高斯平面直角坐标系 6带投影是从英国格林威治子午线开始，自西向东，每隔6投影一次，编号160带（n）。各带中央子午线经度高斯平面直角坐标系已知某点大地经度L，可按下式计算该点所属的带号： nL/6(的整数商）1(有余数时）中国11个6带，1323带（中央子午线75 135 )北京位于6带的第20带，中央子午线的经度117度。高斯平面直角坐标系的建立Y（东）根据高斯投影的特点，以

14、赤道和中央子午线的交点为坐标原点o，中央子午线方向为x轴，北方向为正。赤道投影线为y轴，东方向为正。高斯平面直角坐标系的建立5.2 国家统一坐标在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值（在赤道上）约为330为了避免出现负的横坐标，可在横坐标上加上500,000m。此外还应在坐标前面冠以带号。例如，有一点Y=19 123456.789m，该点位在19带内，其相对于中央子午线而言的横坐标是：首先去掉带号，再减去500000m，最后得Y=-376543.211m。高斯平面直角坐标系的建立Y（东） 在测量中，经常要进行坐标系变换与基准变换。所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换，基准变换是指在不

15、同的参考基准间进行变换。 1 空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换 在相同的基准下，空间大地坐标系向空间直角坐标系的转换方法为： 坐标间的变换N为卯酉圈的半径； a 为地球椭球b 为地球椭球的短半轴。 2 空间直角坐标系向空间大地坐标系的转换方法为： 在采用上式进行转换时，需要采用迭代的方法，先将B求出，最后在确定H。 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换采用的是投影变换的方法。在我国一般采用的是高斯投影。3 空间坐标系与平面直角坐标系间的转换 在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。 一、 大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点

16、的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号 Hr 表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。 二、 正高系统 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号 表示。 三、 正常高 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用 表示。 四、 高程系统之间的转换关系 高程系统高程系统高程系统Transverse Mercator Projection applied to

17、 each 6o zone to minimize distortionUTM Zone ProjectionThe Universal Transverse Mercator Coordinate System60 zones, each 6 longitude widezones run from 80 S to 84 Npoles covered by Universal Polar System (UPS)横轴墨卡托投影坐标系统UTM Coordinate ParametersUnit: metersZones: 6o longititueN and S zones: separate

18、 coordX-origin: 500,000 m east of central meridianY-origin: equator Transverse Mercator Projection 横轴墨卡托投影网格Advantage of UTM SettingsZone central meridian Eastings = 50,000metersNorth pole Northings = 10,000,000 meters allows overlap between zones form mapping purposes give all eastings positive numbers tell if we are to the east or west of the central meridian provide relationship between true north and grid northe.g. UTM East