《地图投影和配准》课件

地图投影和配准地图投影是将三维的地球表面投影到二维平面上的过程。地图配准则是将不同来源的地图数据统一到同一坐标系统中。这两个步骤都是制作高质量地图的关键。课程内容介绍地图投影探讨将三维球面地球转换为二维平面地图的不同投影方法。地图数据采集介绍通过遥感、GPS等方式收集地理空间数据的技术和流程。地图配准讲解如何将不同来源的地理数据进行几何校正和配准的方法。地图投影概述地图投影是将三维的地球表面投影到二维平面的过程。这种转换过程不可能完全保持原有地理特征,因此会产生各种形状、面积、距离等方面的失真。了解地图投影的基本原理和常见投影方式,有助于正确选择适合应用场景的地图投影方法。地球不是平面的地球的球形结构地球是一个近似球形的天体,其表面并非平面,而是由陆地和水域构成的立体三维空间。地球的曲率和不规则形状对地理信息和地图绘制产生重要影响。从太空观察地球从太空观察地球,可以清楚地看到它的球形特征。地球仅在宇宙中微小的一点,但却是人类赖以生存的唯一家园。地球内部结构地球内部由不同密度和成分的层状结构组成,包括地壳、地幔和地核。这些内部结构与地表地形的形成密切相关。地图投影的基本原理球面到平面的映射地球表面是一个曲面,而我们的地图通常是平面的。如何把曲面准确地映射到平面上是地图投影的基本原理。几何失真的调节由于曲面投影到平面会产生形状、大小和距离的变形,因此投影方法的选择需要平衡这些几何失真。坐标系的建立地图投影的过程中会建立一个平面坐标系,使得地理位置可以精确地表达和标注。投影的目的和要求投影目的地图投影的主要目的是将三维的地球表面转换成二维平面地图。这样可以更方便查看、分析和使用地理信息。投影要求地图投影需要满足保持形状、面积或距离的精确度。不同投影方式在这些指标上有不同侧重,需根据实际应用选择合适的投影方式。投影方法分类1几何投影根据投影中心和投影面的几何关系分为正投影、斜投影和透视投影。2等角投影保持局部角度关系的投影方式,如墨卡托投影。3等积投影保持面积比例的投影方式,如阿尔伯斯投影。4等距投影保持距离比例的投影方式,如罗宾逊投影。常见投影方式介绍地图投影有多种不同的方法,每种方法都有其独特的特点和适用场景。常见的投影方式包括等角投影、等积投影、等距投影和透视投影等。这些投影方式在保持方向、面积、距离或其他特性方面各有侧重,适用于不同的制图需求。选择合适的投影方式是地图制作的关键环节,需要根据地图的用途和特点进行综合考虑。下面将分别介绍这些常见的投影方式及其主要特征。等角投影等角投影是最著名的一种地图投影方式。它能够保持地图上任意两点之间的角度关系与实际地球上相同，因此可以用于航海导航和空中导航等场合。但它无法保持面积比例，会造成远离投影中心的地区显著扭曲。这种投影广泛应用于海图和天气图的制作。它能够准确反映风向、空中交通路线等,是制作针对性很强的专题地图的首选。等积投影等积投影是一种保持面积比例的地图投影方法。它能够最大程度地保留地物面积在地图上的相对关系,但无法保持方向和形状的准确性。常用于制作全球范围的地图,如政治地图和人口分布图。等积投影的特点是投影后的地图各部分的面积与实际地球表面积保持一致,但形状会有一定程度的变形。它广泛应用于气象、人口统计等需要分析整体面积比例的领域。等距投影等距柱面投影等距柱面投影保持了东西方向的等距关系,但牺牲了南北方向的距离精度。这种投影常用于世界地图的制作,适合于面积较大的区域。等距圆锥投影等距圆锥投影在赤道附近保持了距离的等比关系,适合于表现中低纬度地区。这种投影常用于区域性地图的绘制,如某个国家或者洲际地图。等距方位投影等距方位投影保持了从某一点出发的各个方向的相对距离关系,适合于表现以某一点为中心的区域。这种投影常用于航海导航地图。透视投影透视投影是一种依赖于观察角度和观察点位置的地图投影方式。它能够将三维地球表面准确地映射到二维平面上,但会出现图形变形和面积失真。这种投影方式通常用于制作航海图和航空地图,为导航提供精确的方位信息。透视投影能够保持地理位置和方向的相对准确性,但无法保持面积、长度和角度的真实关系。因此,在使用这类地图时需要结合实际的比例尺和网格信息来获取准确的测量数据。投影坐标系统坐标系统定义地图坐标系统用于定位和测量地理位置,包括经纬度和投影坐标系。地理坐标系统基于地球的纬度和经度,用于表示地理位置。投影坐标系统将地球曲面映射到平面上的数学模型,提供平面上的位置参考。空间数据管理坐标系统是地理信息系统处理和分析空间数据的基础。地图数据采集1遥感影像采集使用卫星和航拍等遥感技术获取地理空间数据2地面调查测绘通过实地考察和测量获取精确的地理信息3在线地图数据利用开放的在线地图数据进行二次开发地图数据采集是地理信息系统的基础工作。通过多种手段获取高质量的地理空间数据,为后续的地图制作和分析提供基础。采集的数据类型包括遥感影像、地面测绘数据以及在线地图数据等,每种方法都有其特点和适用场景。遥感影像获取遥感技术可以通过航天器或者无人飞机上安装的传感器获取地球表面各种类型的影像数据。这些数据包括可见光影像、红外热成像、多光谱影像等,能够对地球的不同特征进行全面、高分辨率的观测和记录。遥感影像获取是地理信息系统数据采集的重要来源之一,为后续的空间分析和可视化提供了基础。数据采集的误差测量误差由于仪器限制和操作不当等因素导致的测量数据偏差。需要校准设备并采取防错措施。定位误差定位系统精度有限,如GPS信号遮挡、卫星分布不佳等导致的空间位置偏差。采样误差在采样过程中遗漏或未能充分代表全部目标的情况下产生的采样偏差。需要加密采样频率。空间数据格式转换1数据采集通过遥感、调查等方式获取的地理空间数据往往以不同的格式保存和存储。2格式转换为了在GIS软件中进行分析和处理,需要将数据转换为统一的数字地理空间数据格式。3保持数据质量在转换过程中要注意保持数据的完整性和精度,避免因格式转换而导致的信息损失。地图配准概念及重要性配准概念地图配准是将不同来源的地理数据整合到同一参考坐标系统的过程。重要性精准的地图配准可以提高数据分析和决策的准确性,为空间规划和管理提供可靠依据。应用场景地图配准广泛应用于GIS、遥感、数字地图、智慧城市等领域。地图配准的基本步骤特征点识别在源数据和目标数据中手动或自动识别出对应的地物特征点。特征点匹配建立源数据和目标数据中特征点之间的对应关系。几何变换根据特征点对应关系确定最优的几何变换模型，对源数据进行变换。重采样与插值根据变换模型对源数据进行重采样和插值，生成配准后的影像。误差评估计算配准结果的精度指标，确保满足实际应用需求。特征点识别和对应特征点识别从影像或地图数据中识别出具有独特特征的关键点,如道路交叉口、建筑物角落等,这些特征点在后续配准过程中至关重要。特征点对应根据两幅数据之间的相关关系,将识别出的特征点进行匹配和配对。准确对应这些关键点可为几何变换提供可靠依据。几何变换模型平移变换通过对坐标系平移来实现对图形的平移。旋转变换绕某一点进行旋转操作实现对图形的旋转。缩放变换按照某个比例因子对图形进行放大或缩小。仿射变换包括平移、旋转和缩放的组合变换，保持直线和平行性。重采样算法选择双线性插值通过计算周围四个像素的加权平均值来确定新像素的值，可以保留较好的空间细节。立方卷积插值使用16个周围像素的加权平均值计算新像素，可以更好地保留边缘细节。最邻近插值简单地将新像素的值设置为最近的原始像素值，速度快但可能产生马赛克效果。配准误差评估总体精度评估通过计算图像整体的平均定位误差和最大定位误差,可以评估配准的总体精度水平。这是判断配准质量的重要指标。特征点精度分析评估特征点配准的精度,可以发现配准过程中的局部误差问题,为进一步优化提供依据。影像重叠度对比对比配准前后影像的重叠程度,可以直观地观察配准效果,为误差分析提供依据。GIS软件中的配准1整合数据源GIS软件可以整合来自不同数据源的地理数据,并进行配准,以确保数据之间的空间对齐。2自动化配准流程GIS软件提供了配准工具,可以半自动或全自动完成配准过程,大大提高了效率。3多种算法选择软件集成了不同的几何变换模型和重采样算法,用户可根据数据特点选择合适的方法。4配准精度评估软件还能计算配准后的误差,以评估结果的可靠性,为进一步的数据整合提供依据。基于影像的配准图像坐标系统基于影像的配准需要建立像素坐标系统,将空间位置与图像像素对应起来。通过控制点识别和几何变换,将不同图像坐标系统统一到同一平面上。几何变换模型采用仿射变换、单应性变换等几何变换模型,将源图像坐标系统映射到目标图像坐标系统,实现两图像的配准对齐。重采样算法如双线性插值、立方卷积等重采样算法用于计算变换后的像素值,确保几何变换后图像质量不受影响。误差评估通过计算控制点的残差,评估配准精度,并优化几何变换模型和重采样方法,确保最终配准结果满足要求。基于矢量的配准识别控制点在矢量数据中寻找可靠的配准控制点,为后续几何变换奠定基础。建立关系确定两组矢量数据之间的对应关系,为几何变换提供依据。选择算法选择合适的几何变换算法,如平移、旋转、缩放等,将数据进行配准。精度评估检查配准结果的精度,确保满足最终应用的要求。应用案例分享我们将分享两个地图投影和配准的典型应用案例:城市规划中的地图配准应用自然资源管理中的地图投影案例