地图学第二章1

通过天文大地测量、地球重力测量、卫星大地测量等精密测量，发现：

地球并不是一个正球体，而是一个极半径略短、赤道半径略长，北极略突出、南极略扁平，近于梨形的椭球体。§2.1地球的形状和大小一、地球的自然表面

浩瀚宇宙之中地球是一个表面光滑、蓝色美丽的正球体。机舱窗口俯视大地:地表是一个有些微起伏、极其复杂的表面。

由于地球的自然表面凸凹不平，形态极为复杂，显然不能作为测量与制图的基准面。应该寻求一种与地球自然表面非常接近的规则曲面，来代替这种不规则的曲面。地球的自然表面并非光滑，珠穆朗玛与马里亚纳海沟之间的高差达近20km。二、地球的物理表面（一）大地水准面（一级逼近）

假想将静止的平均海水面延伸到大陆内部，形成一个连续不断的，与地球比较接近的形体，其表面称为大地水准面。它实际是一个起伏不平的重力等位面——地球物理表面大地水准面的意义1.地球形体的一级逼近： 对地球形状的很好近似，其面上高出与面下缺少的相当。2.起伏波动在制图学中可忽略：

对大地测量和地球物理学有研究价值，但在制图中，均把地球当作正球体。3.重力等位面： 可使用仪器测得海拔高程（某点到大地水准面的高度）。三、地球体的数学表面（椭球体表面）大地水准面仍然不是一个规则的曲面。因为重力线方向并非恒指向地心，导致处处与重力线方向正交的大地水准面也不是一个规则的曲面。大地水准面实际上是一个起伏不平的重力等位面。

为了测量成果的计算和制图工作的需要，选用一个同大地体相近的，可以用数学方法来表达的旋转椭球体来代替地球。这个旋转椭球是一个椭球绕其短轴旋转而成，其表面成为旋转椭球面。

旋转椭球体（地球椭球体）——地球的数学表面——对地球形体的二级逼近，用于测量计算的基准面

地球椭球体三要素：

长轴a（赤道半径）

短轴b（极半径）

椭球扁率：f＝（a－b）/a

EquatorialAxisPolarAxisNorthPoleSouthPoleEquatorab

对地球形状a，b，f

测定后，还必须确定大地水准面与椭球体面的相对关系。即确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体——参考椭球体，这项工作就是参考椭球体定位。

通过数学方法将地球椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上，并求出两者各点垂直的偏差，从数学上给出对地球形状的三级逼近。地球椭球体定位——对地球形体的三级逼近。

地球椭球体定位：在天文大地测量中首先选取一个对一个国家比较适中的大地测量原点，并从此点出发通过事先布设的三角网点进行几何测量和大地经纬度测量，逐一求出各网点的垂线偏差，再以上述的测量结果将事先设置的地球椭球面位置调整到最理想的位置上。这种定位，相对于全球而言，只能是局部定位。局部定位的地球椭球体，称为参考椭球体，国际上有多种大地测量原点和参考椭球。

测量与制图工作将以参考椭球体表面作为几何参考面，将大地体上进行的大地测量结果归算到这一参考面上。

中国1952年前采用海福特（Hayford）椭球体；

1953—1980年采用克拉索夫斯基椭球体（坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台）；自1980年开始采用GRS1975（国际大地测量与地球物理学联合会IUGG1975推荐）新参考椭球体系，并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点。陕西省泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点——大地原点。§2.2地球坐标系与大地定位

地球表面上的定位问题，是与人类的生产活动、科学研究及军事国防等密切相关的重大问题。具体而言，就是球面坐标系统的建立。一、地理坐标

——用经纬度表示地面点位的球面坐标。①天文经纬度②大地经纬度③地心经纬度①

天文经纬度：表示地面点在大地水准面上的位置，用天文经度和天文纬度表示。天文经度：观测点天顶子午面与格林尼治天顶子午面间的两面角。在地球上定义为本初子午面与观测点之间的两面角。天文纬度：在地球上定义为铅垂线与赤道平面间的夹角。②

大地经纬度：表示地面点在参考椭球面上的位置，用大地经度λ、大地纬度

和大地高H

表示。大地经度l

：指参考椭球面上某点的大地子午面与本初子午面间的两面角。东经为正，西经为负。大地纬度

：指参考椭球面上某点的垂直线（法线）与赤道平面的夹角。北纬为正，南纬为负。③

地心经纬度：即以地球椭球体质量中心为基点，地心经度同大地经度λ

，地心纬度是指参考椭球面上某点和椭球中心连线与赤道面之间的夹角y。在大地测量学中，常以天文经纬度定义地理坐标。在地图学中，以大地经纬度定义地理坐标。在地理学研究及地图学的小比例尺制图中，通常将椭球体当成正球体看，采用地心经纬度。二、中国的大地坐标系统1.中国的大地坐标系

1980年选用1975年国际大地测量协会推荐的参考椭球：ICA-75椭球参数

a=6378140m

b=6356755m

f=1/298.2572.中国的大地控制网由平面控制网和高程控制网组成，控制点遍布全国各地。平面控制网:

按统一规范，由精确测定地理坐标的地面点组成，由三角测量或导线测量完成，依精度不同，分为四等。高程控制网:

按统一规范，由精确测定高程的地面点组成，以水准测量或三角高程测量完成。依精度不同，分为四等。中国高程起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛观象山设立了水准原点，其他各控制点的绝对高程均是据此推

算，称为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布：启用《1985国家高程基准》取代《黄海平均海水面》其比《黄海平均海水面》上升29毫米。

青岛观象山水准原点§2.3地图投影的基本概念一、问题的提出：

地图的数学基础

是指使地图上各种地理要素与相应的地面景物之间保持一定对应关系的数学基础。包括：经纬网、坐标网、大地控制点、比例尺等。两个矛盾：

球面与平面之间的矛盾

大与小的矛盾

将椭球面上的客观世界表现在有限的平面上,首先要实现由球面到平面的转换.如何转换?沿经线直接展开?沿纬线直接展开?沿经线直接展开?沿经线直接展开?

可见,地球椭球面是不可展开的面.无论如何展开都会产生褶皱,拉伸或断裂等无规律变形,无法绘制科学,准确的地图.因此解决球面与平面之间的矛盾——

将地球椭球面上的点转换成平面上的点。

大与小的矛盾——地图投影比例尺二、投影方式：1.平行投影2.透视投影3.广义投影三、地图投影实质：

建立平面上的点（用平面直角坐标或极坐标表示）和地球表面上的点（用纬度和经度表示）之间的函数关系，用数学式表达这种关系，就是：

§2.4变形椭圆一、投影变形的概念1.投影变形产生原因——地球的形状2.投影变形的概念

地图投影不能保持平面与球面之间在长度（距离）、角度（形状）、面积等方面完全不变。地球仪上经纬线网格和地图上比较:球面经纬网经过投影之后，其几何特征受到扭曲——地图投影变形：长度（距离）、角度（形状）、面积。二、变形椭圆

取地面上一个微分圆（小到可忽略地球曲面的影响，把它当作平面看待），它投影到平面上通常会变为椭圆，通过对这个椭圆的研究，分析地图投影的变形状况。这种图解方法就叫变形椭圆。为经线长度比为纬线长度比代入：X2+Y2=1，得微小圆→变形椭圆

该方程证明:地球面上的微小圆，投影后通常会变为椭圆，即

以O'为原点，以相交成q角的两共轭直径为坐标轴的椭圆方程式。主方向（底索定律）：无论采用何种转换方法，球面上每一点至少有一对正交方向线，在投影平面上仍然保持其正交关系”。在投影后仍保持正交的一对线的方向成为主方向。取主方向为作为微分椭圆的坐标长轴方向（极大值）a

短轴方向（极小值）b经线方向m

；纬线方向n据阿波隆尼定理，有m2+n2=a2+b2m·n·sinq=a·b主方向特殊方向通过变形椭圆形状显示变形特征结论：微分圆长、短半轴的大小，等于该点主方向的长度比。也就是说，如果一点上主方向的长度比（极值长度比）已经确定，则微分圆的大小和形状即可确定。三、投影变形的性质和大小长度比和长度变形：

投影面上一微小线段（变形椭圆半径）和球面上相应微小线段（球面上微小圆半径，已按规定的比例缩小）之比。

m表示长度比，Vm表示长度变形

长度比是变量，随位置和方向的变化而变化。=0不变>0变大<0变小面积比和面积变形：

投影平面上微小面积（变形椭圆面积）dF′与球面上相应的微小面积（微小圆面积）dF之比。

P

表示面积比

Vp

表示面积变形

P=a·b=m

·

n(=90)（主方向和经向纬向一致）

P=m

·

n

·sin(

≠90)（阿波隆尼定理）

面积比是变量，随位置的不同而变化。=0不变>0变大<0变小角度变形：

投影面上任意两方向线所夹之角与球面上相应的两方向线夹角之差，称为角度变形。以ω表示角度最大变形。

最大角度变形可用极值长度比a,b表示实用上常以下公式求得：长度变形是各种变形的基础！§2.5地图投影的分类1.按地图投影的构成方法分类（1）几何投影:

源于透视几何学原理，以几何特征为依据，将椭球面上的经纬线网投影到几何面上，然后将几何面展为平面。

方位投影:圆柱投影:圆锥投影:

方位投影:

以平面作投影面，使平面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到平面上而成。

根据球面与投影面的相对部位不同，分为正轴投影，横轴投影，斜轴投影:

正轴方位投影，投影面与地轴相垂直；横轴方位投影，投影面与地轴相平行；斜轴方位投影，投影面与地轴斜交。

圆柱投影:

以圆柱面作投影面，使圆柱面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆柱面上，然后将圆柱面展为平面而成。正轴：圆柱轴与地轴重合；横轴：圆柱轴与地轴垂直；斜轴：圆柱轴与地轴斜交；

圆锥投影:

以圆锥面作投影面，使圆锥面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆锥面上，然后将圆锥面展为平面而成。

正轴：圆锥轴与地轴重合；横轴：圆锥轴与地轴垂直；斜轴：圆锥轴与地轴斜交；

正轴投影的经纬线形状

a.正轴方位：经线为放射状直线，纬线为同心圆；

b.正轴圆柱：经纬线均为一组平行且间隔相等的直线，纬线与经线垂直；

c.正轴圆锥：经线为放射状直线束，纬线为同心圆。

正轴投影的变形特点（1）方位投影变形特点：①等变形线与纬圈一致；②在切方位投影中，切点上无变形，随着远离切点，变形增大；③在割方位投影中，在所割小圆上，角度变形与“切”的情况一样，其他变形（长度变形与面积变形）则自所割小圆向内与向外增大。（2）圆柱投影变形特点：①变形随纬度变化，与经差无关；②在切圆柱投影中，赤道无变形，变形自赤道向两侧随纬度的增加而增大；③在割圆柱投影中，在两条标准纬线上无变形，变形自标准纬线向内和向外增大。

适宜于低纬度沿纬线伸展的地区。

（3）圆锥投影变形特点:①变形只与纬度有关，与经差无关，同一纬线上的变形是相同的；

②切圆锥投影中，标准纬线上长度比等于n。=1，其余纬线上长度比均大于1，并向南、北方向增大；③在割圆锥投影中，标准纬线n1=n2=1,变形自标准纬线向内、向外增大，在之间n<1,在之外n>1.

适合中纬度处沿纬线伸展的制图区域之投影

（2）非几何投影：

根据某些条件，用数学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。

伪方位投影：在正轴方位投影的基础上，纬线仍投影为同心圆，根据某些条件改变经线形状而成，除中央经线为直线外，其余均投影为对称中央经线的曲线。且交于纬线的共同圆心。

特点：可设计等变形线与制图区域轮廓近似一致。如：椭圆形、卵形、三角形、三叶玫瑰形和方形等规则几何图形。全国疆域全图的经纬网略图及角度等变形线伪圆柱投影：在正轴圆柱投影基础上，规定纬线仍为平行线，根据某些条件改变经线形状而成，除中央经线为直线外，其余均投影为对称中央经线的曲线。

以等面积投影较多桑逊投影：（Sanson-Flamsteed)等面积中央经线和纬线无长度变形纬线越高之处变形越大适合沿赤道和沿中央经线伸展方向的地区伪圆锥投影：在圆锥投影基础上