Part第五章地理参考解析

Part第五章地理参考解析主要内容第三章 地理表达第四章 地理数据的特征第五章第五章 地理参考地理参考第六章 不确定性第五章 地理参考GeoreferencingGeographic location is the element that distinguishes geographic information form all other typesKey issuesMethods for specifying location on Earths surface are essential to the creation of useful geographic informationThe effective system must satisfyCommonly used systemsMore accurate scientific methods that form the basis of geodesy and surveyConversion between georeferencing systemsLearning ObjectiveKnow how the requirements for an effective system of georeferencing;Be familiar with the problems associated with placenames,street addresses,and other systems used everyday by humans;Know how the Earth is measured and modeled for the purposes of positions;Know the basic principles of map projections,and the details of some commonly used projections;Understand the principles behind GPS,and some of its applications主要内容第一节 概述第二节 线性参考系统第三节 量测地球：经度和纬度第四节 投影和坐标第五节 经纬度和高程的测量第六节 地理参考的转换第一节 概述空间（Spatial）非空间（Aspatial）时间是地理信息的可选要素，但空间则是必需的Time is an optional element in geographic information,but location is essential1.Georeference赋予地理信息位置信息的过程：GeoreferenceGeolocateGeocode具有位置信息的地理信息：Georeferencedgeocoded赋予地理参考的基本要求唯一有意义可以共享不产生歧义唯一性许多地理参考只在地表特定范围内或领域内是唯一的，如地名Springfield,Madison小营，城关镇只在某一领地内(municipal domain)随时间变化1045,South Park Street,Madison,Wisconsin,USA中关村大街59号海淀区世纪城时雨园12号楼308号不应经常变化，应该是一个常数Persistent through timeTo be most useful,georeferences should stay constant through time2.米制地理参考系统米制地理参考系统十分有用，因为可以用于制图和测量距离其它系统只是简单地将位置顺序化邮箱地址按街道顺序排列300 State St.与100 State St.的距离比200 State St.与100 State St.的距离远Metric georeferences are much more useful,because they allow maps to be made and distances to be calculated.3.一些常用的参考系统地名邮寄地址邮政编码电话区号地籍系统经纬度PLSSUTMSPC4.地名为一个地方命名是最简单的地理参考Mt.Everest(many people)Chomolungma(Tibetan)语言延伸了地名的能力Between,nearWhere A St.crossed B St.200 meter north of the old tree地名的意义及变化Many commonly used placenames have meanings that vary between people,and with the context in which they are used.The meaning of certain placenames can become lost through time.地名的局限地名较少用于地理参考定位较粗的空间分辨率少数是公开的，多数只在当地有意义（不同的等级）特定地名的意义随时间丢失了5.邮政地址邮政地址是在19th邮递系统出现后产生的，它依赖于几个假定：每个住宅和办公室都是潜在的邮寄目的地，不是潜在邮寄地址的没有邮政地址，如Mt.Everest,Lake Mendota住宅和办公室沿道路排列并相应地编号Path,road,street,lane 在当地有唯一的名称地方在更大的区域内有唯一的名称地区在国家内部有唯一的名称邮政地址邮政地址不适用于自然要素许多GIS应用依赖于邮政地址，并将其转换为更通用的参考系统，如经纬度，以便于进行制图和分析2928 Phillips Ave.V5A 2W5 Canada适用情况Postal addresses work well to get georeference dewllings and offices,but not natural features.6.邮政编码20th后期引入以简化邮件分拣Canada,6位字母前三位：进一步分拣区(FSAs-forward sortation Areas)后三位：二次分拣V5A 2W5US ZIP Code 按区域制图第二节 线性参考系统用于识别网络中的位置从定义的参考点沿定义的路径测量距离街道地址Linear referencing systems are widely used in managing transportation infrastructure and in dealing with emergencies.网络高速交通网：109国道1200公里处铁路网：距离北京站50公里处，京包线输电线：管线：运河：路网和交通系统路网系统用于定义桥梁、标识、涵洞、交通事故、记录铺设条件等用于交通系统中的交通基础设施管理和处理紧急情况GIS-TITS（Intelligent Transportation System）线性参考系统的其它应用对于其它应用，有必要将线性参考系统与其它系统进行转换，如转换成经纬度坐标用无线电自动定位汽车航空包裹追踪，GPS定位，中心分发应急响应，用街道地址和线性参考系统定义事故位置将从汽车接收到的经纬度坐标转换为街道地址或网络地址线性参考系统的精度取决于路网条件城市交叉路口多，定位精确，应用广泛农村地区，距交叉路口较远，精度降低两条路交叉两次以上精确定义距离较难实现第三节 量测地球：经度和纬度1.地球的形状2.地球模型3.地理空间4.地理空间的数学表达1.地球的自然面-近似梨形的椭球体The Earth is slightly flattened,such that the distance between the poles is about one part in 300 less than the diameter at the Equator.地球形状的近似第一次近似 球形第二次近似 地球椭球体以椭圆的短轴为旋转轴的椭球面来代替地球的形状称之为地球椭球面，其形体称之为地球椭球体旋转椭球体的中心有些不在地球的质心地球形状的近似Sphere/SpheroidEllipsoid/Ellipsoid of rotationGeoid定位系统-地理坐标与经纬网纬线与纬度经线与经度经纬线的特征Lines of latitude and longitude are equally far apart only at the Equator,towards the poles line of longitude converge经差一度的纬线弧长？=0;111.321 1/3600=45;78.848;=80;19.394;=90;0 纬差一度的经线弧长？=0 ;110.576,=45;111.124 =60;111.406,赤道上纬线弧长：1度=1/360 =111 km1分=1.86 km=1 nautical mile（海里）1秒=30 m衰减定律：cos cos 300cos 450cos 600 0.500,=600;55km球面上两点间的距离球面上两点间的距离是过A、B两点的大圆上的弧长赤道上点A（1=0,1=90）极地上点B（2=90,2=90）AB 10000 km 法国人由此在18世纪末定义1米为赤道到极地距离的千万分之一1m=1/10,000,000 2.地球模型椭球体模型：以大地水准面为基准建立起来的数学模型：为解决大地测量问题而建立abc三轴椭球体模型地球模型及其表达实际地球实际地球球体球体(1:500万或更小万或更小)椭球体椭球体（1:100万及更大）万及更大）参考椭球体参考椭球体坐标系统坐标系统地理坐标地理坐标（地球曲面为基准）（地球曲面为基准）投影坐标投影坐标（具有相同格网）（具有相同格网）地景素描：透视素描，视点位置改变引起图形变化，部分艺术夸张使大小与实际地物不成比例航空、航天像片：中心、多中心投影，大的事物清楚，小的事物模糊，小于空间分辨率的不能识别，离中心点距离不同，形状和大小也会发生变异地图：形状、大小和位置与实际有差异，但具有规律性，因此具有可测量性严密的数学法则-比例尺，投影经过制图综合-概括、取舍符号系统-地图语言，表达地物的数量、质量时的直观性各种参考椭球体模型椭球体名称椭球体名称年份年份长半轴长半轴(km)短半轴短半轴(km)扁率扁率白塞尔(Bessel)18416377.3976356.0791:299.5克拉克(Clarke)18806378.2496356.5151:293.5克拉克(Clarke)18666378.2066356.5841:295.0海福特(Hayford)1952年以前19106378.3886356.9121:297克拉索夫斯基(Klasovsky)1953-1980年19406378.2456356.8631:298.3埃维尔斯特(Everest)18306377.2766356.0751:300.8I.U.G.G19676378.1606356.7751:298.25GRS（1975）1980开始19756378.1406356.7551:298.257GRS（1980）19806378.1376356.7521:298.257标准椭球体模型旋转椭球体的中心有些不在地球的质心1950s 洲际弹道导弹的出现要求准确的定位各国的椭球体模型不同，使得地图不易使用新标准的产生:NAD83(North American Datum of 1983)WGS84(The World Geodetic System of 1984)3.地理空间空间的定义：不同学科有不同解释物理学：指宇宙在三个互相垂直的方向上所具有的广延性天文学：指时空连续体的一部分地理学：指物质、能量、信息的存在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续地理空间的特征上至大气电离层、下至地幔莫霍面地球表层的基准是陆地表面和大洋表面，是人类活动频繁的区域地理空间是大气圈、水圈、岩石圈、生物圈、土壤圈相互作用的区域地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程都发生在地理空间是宇宙过程对地球影响最大的区域绝对空间和相对空间绝对空间：具有属性描述的空间位置的集合由一系列空间坐标值组成相对空间：具有空间属性特征的实体集合由不同实体之间的空间关系构成4.地理空间的数学表达地球表面的几何模型：自然面：十分复杂，不易表达和测量抽象的面：大地水准面，地表72%被流体状态的海水覆盖，假定当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，且地球的重力处处正交，形成一个连续、闭合的水准面。用水准仪可测量任意一点的高程地理空间的数字化表达地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的基础地理空间的表达方法可以概括为矢量栅格三角形不规则网Voronoi等以此为基础，可以构造地理空间各种不同的数据模型和数据结构地理空间的拓扑拓扑（Topology)，源于希腊文，原意“形状的研究”，几何学的分支研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性-拓扑属性以橡皮为例，可以被拉伸、压缩，但不能被扭转和折叠，一些属性保留，一些属性消失。如面积变化，点在多边形内不变拓扑变换-拉伸、压缩拓扑属性-点的内置欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性拓扑属性拓扑属性：一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单的弧段一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单的面（面上没有“岛”）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性非拓扑属性：两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积地理研究中三个重要的拓扑概念连接性(Connectivity)：弧段在结点处的相互联结关系多边形区域的定义(Area Definition)：多个弧段首尾相连构成了多边形的内部域邻接性(Contiguity)：通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性空间关系实体对象之间的空间相互作用关系拓扑空间关系：描述实体间的相邻、包含和相交等空间关系顺序空间关系：描述实体间在空间上的排列次序，如前后、东西、南北等度量空间关系：描述实体间的距离等关系 N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4（a）(b)(c)空间拓扑关系示意图第四节 投影和坐标1.投影2.坐标系 1.投影（1）地图投影的基本概念（2）地图投影的变形（3）地图投影的分类（4）地图投影的选择（5）常用地图投影（6）高斯-克吕格投影将地球变为平面的原因纸是平面的，GIS的输入输出都是以纸位媒介的栅格数据结构也是平面的，用网格难以覆盖曲面，而网格大小不变摄影胶片也是平面的，RS影像也是平面的从空中看地球，只有中心点最详细，向两侧细节越来越粗，直到背面不可见，为了用同样的细节观测地球，只能将其变为平面（1）地图投影的概念从球面到平面的投影变换导致了几何畸变表现在地图上的变形有方向、长度、面积和形状等地面特征间应保持的相互关系：保持等角关系等面积关系沿某个方向上的距离关系保持不变地球形状地球形状的几何模型可用来实现对于投影的数学描述最简单的几何模型：平面：小面积区域球面：大区域传统制图椭球面：需要复杂的计算，用于精确的制图，模型参数主要有长半轴a，短半轴b，偏心率f，离心率eMaling(1992)曾列出了31种地球形状的定义，有12种主要的椭球面经常被用于制图可展表面与不可展表面可展表面的形状有：平面、圆锥和圆柱表面和球体的关系包括切和割两种球面在数学上属于不可展开的曲面，即不能把球面上的要素无重叠、无裂隙、无变形地表现在平面上建立地球面与投影平面上点的一一对应关系地图投影的实质地图投影的图解地图投影（2）地图投影的变形地图上的变形有长度、面积、方向和形状长度变形是最基本的变形，且在所有的投影上都存在，因此必然引起面积和角度的变形地图投影的变形规律与制图区域的大小有关与标准点或标准线的距离有关系变形椭圆理论1881年法国数学家底索（Tissot)首先提出，证明了球面上的小圆投影后一般变成小椭圆，只要研究小椭圆与小圆的关系就可以了解地图上变形的大小和分布，这种变形椭圆也称底索曲线（Tissots indictrix)定义：定义：地球面上一无穷小的圆在平面上一般被描写为一无穷小椭圆。这个椭圆是由于投影变形而产生，故称此椭圆为变形椭圆。变形椭圆ABCDdsABCDds长度比与长度变形ABCDABCDdFdF面积比与面积变形uu角度变形(D)(A)(C)(B)OABCDABCDO(D)(B)(C)(A)主方向：主方向：地球面上过一点的一组互相正交的方向，投影在平面上，由于投影变形，一般不能保持正交，但总有一组互相正交的方向投影后仍然正交，称这两个方向为主方向。主方向的性质：主方向的性质：地球面上的正交线投影后仍然正交投影后具有最大长度比和最小长度比主方向及其性质（3）地图投影的分类 按变形性质分等角投影(conformal)等面积投影(equal area)任意投影按构成方法分类几何投影方位投影(planar)圆柱投影(cylindrical)圆锥投影(conic)非几何投影伪方位投影伪圆柱投影伪圆锥投影多圆锥投影按投影面与地球关系割投影(secant)切投影(tangent)等角投影v变形椭圆为大小不同的圆v任意点上各个方向的长度比相同=a=b,=0v在小范围内能保持地理要素与实地轮廓相似，没有方向变形，又称正形投影v为了满足a=b条件，面积变形较大v应用于风向、洋流、航海、航空等地图大中比例尺地形图等面积投影v变形椭圆与小圆面积相等，v在一个主方向上长度比夸大，另一个主方向上长度比缩小，以满足ab=1=Pv可用于量测面积，但有角度变形，即图型轮廓变形较大v应用于政区、人口密度、土地利用及各种经济图任意投影v变形椭圆有各种形状，是一个庞杂的类别v即有面积变形，又有角度变形v沿一个主方向上（如短轴方向）长度比为1，没有长度变形，称等距投影v等距投影的地图上，面积变形比等角投影小，角度变形比等积投影小，变形比较适中v应用于教学地图、科普地图及要求在一定方向上等距的地图以平面作为投影面能保持从投影中心到任意点的方位角没有变形用于编制极地和半球的地图方位投影及其应用经纬线形状：适合制作：两极地区图正轴方位投影适合制作：赤道附近圆形区域地图经纬线形状：横轴方位投影适合制作：中纬度地区圆形区域地图经纬线形状：斜轴方位投影以圆柱面作为投影面，与球面相切于赤道，或与两条纬线相割纬线投影成一组与赤道平行的直线，经线投影成一组与纬线垂直的平行直线适用于编制世界地图与赤道附近的区域地图圆柱投影及其应用正轴圆柱投影 横轴圆柱投影斜轴圆柱投影圆柱投影等角正圆柱投影（墨卡托投影）以圆锥面作为投影面，与某条纬线相切，或某两条纬线相割，并沿着某一条母线展开成平面纬线成一组同心圆弧，经线成垂直于纬线的一束放射状直线经线间的夹角小于经度差，两经线间的夹角与其经度差成正比适于绘制中纬度地区国家和区域地图圆锥投影及其应用斜轴圆锥投影正轴圆锥投影横轴圆锥投影正圆锥投影中，等变形线为同心圆弧。圆锥投影（4）地图投影的选择影响地图的精度和使用价值中、小比例尺的选择制图区域的范围、形状和地理位置地图的用途、出版方式特殊要求（5）常用地图投影世界地图的投影等差分纬线多圆锥投影正切差分纬线多圆锥投影任意伪圆柱投影正轴等角割圆柱投影半球地图的投影东西半球横轴等积方位投影横轴等角方位投影南北半球正轴等积方位投影正轴等角方位投影正轴等距方位投影常用地图投影各大洲地图的投影斜轴等积方位投影正轴等角圆锥投影彭纳投影中国各种地图投影全国：正轴等积割圆锥投影(Albers)分省:正轴等角割圆锥投影正轴等积割圆锥投影大比例尺：高斯-克吕格投影（6）高斯-克吕格投影德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定，大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充在英美国家称横轴墨卡托投影我国规定国家基本比例尺地形图均采用高斯克吕格投影中央经线长度比等于1，在6度带内最大长度变形不超过0.04%UTM美国编制各国军用地图、Landsat卫星像片采用通用横轴墨卡托投影(UTM)Secant and conformalSome distance out on both side of the central meridianEdges:1.0004 at mostCoordinate:meterFalse easting:500,000m/500kmUTM 在高纬度地区，各带之间不易接合，因此被(UPS-Universal Polar Stereographic system)取代，UPS用于80度以上的纬度带处在分带边界的城市也会出现问题将带的边界延伸至包含整个区域的范围，但变形增加设计自己的投影带，以市中心为中央经线UTMUTM coordinates are in meters,making it easy to make accurate calculations of short distances between points.All US states have adopted their own specialized coordinate systems for applications such as surveying that require very high accuracy.几何名称：等角横轴切椭圆柱投影中央经线为标准线，距中央经线越远，长度和面积变形越大为满足地形图的经度要求，采用分带投影的方法高斯-克吕格投影示意投影条件及变形规律投影条件：中央经线和赤道投影为平面直角坐标系的坐标轴投影后无角度变形中央经线投影后保持长度不变变形规律：在同一纬线上，长度比随经差增大而增大在同一经线上，长度比随纬度减小而增大6度度带带3度度带带分带规定6度带：1：25000 1：500000系列比例尺地形图3度带：1：10000 及大于1：10000比例尺地形图以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴交点为坐标原点X轴赤道以北为正，以南为负，Y轴中央经线以东为正，以西为负我国为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标轴西移500公里Y=y+500000m采用分带后各带的投影完全相同，某坐标值（X，Y）在各带中均有一个，不能确切表示各点的位置，因此在Y值前加上投影带号，称通用坐标Y通=n*1000000+Y坐标规定地形图的分幅编号的意义我国国家基本比例尺地形图共7种1:1万万;1:5万;1:10万;1:20万;1:50万;1:100万普通地图按比例尺分大、中、小三种大比例尺地图：1:10万及更大中比例尺地图：1:10万-1:100万小比例尺地图：1:100万及更小测定成套的各种比例尺地形图时，分幅编号十分重要地形图的分幅我国按1:100万地形图为基准，按相同的经差和纬差定义更大比例尺地形图的分幅0-60间的图幅，按经差6，纬差4分幅60-76间的图幅，按经差12，纬差4分幅76-80间的图幅，按经差24，纬差4分幅1:50万，1:20万，1:10万三种直接划分大于1:10万的以1:10万为基础逐级划分地形图编号根据各种比例尺地形图的分幅，对每一幅图给予一个固定的号码不能重复出现并保持一定的系统性采用行列法1:100万地形图的编号全球统一的分幅编号列数：由赤道向两极按纬差4为一列，直到88（88至极地地区，采用极地方位投影单独成图），以拉丁字母A,B,C,表示，南北各22列行数：从180经线开始由西向东按经差6为一行，以阿拉伯数字1,2,360表示表示：列在前，行在后，之间连线,南半球图幅编号加S，北半球加N，如（NJ-50）,（SJ-50）我国领土全部位于北半球，因此省略N1:100万地形图的编号计算东图廓经度=6*纵行号-180北图廓纬度=4*横列号纵行号=（/6）+30+1横列号=（/4）+1计算北京(3956,11624）的编号GIS 中的投影Although projections are not absolutely required,there are several good reasons for using them in GIS to flatten the Earth.Two datasets can differ in both the projection and the datum,so it is important to know both for every dataset.Unprojected projectionWhen longitude is assigned to X and latitude to Y,a very odd-looking Earth results.It is very wise to be careful when using a GIS to analyze data in latitude and longitude rather than in projected coordinates,because serious distortions of distance,area,and other properties may result.许多GIS的分析方法是基于平面直角坐标系而非经纬度坐标系设计的2.坐标系（1）地理坐标（2）平面上的坐标系（3）直角坐标系的平移和旋转空间位置：坐标系统地理空间坐标系的建立经纬度坐标系：用于确定空间位置，难以进行距离、方向、面积等参数的计算笛卡儿平面直角坐标系（二维Euclidean空间）：参数计算的理想环境GIS中的地理空间：通常指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间（1）地理坐标子午线：连接地球南北两极的线，又称经线大圆系统：所有通过地球中心的平面切割地球表面所产生的线组成，所有子午线属于大圆系统小圆系统：所有不通过地球中心的平面切割地球表面所产生的线组成，所有纬线属于小圆系统距离量算P点的地理坐标（，）北京(3956,11624)地球表面任意两点的大圆距离：（2）平面上的坐标系极坐标(r,)笛卡儿坐标(x,y)xyXYPOr（3）直角坐标系的平移和旋转OOXXYYPOXXYYPOOXXYYXYP经纬度坐标与平面直角坐标的变换经纬度坐标与平面直角坐标的变换关系：纬度，经度x=a cos cos y=a cos sin z=c sin F：(,)(x,y)F为变换关系，其实质为地图投影地理空间的距离度量沿真实的地球表面进行：由于地形起伏而十分困难沿地球旋转椭球体的距离量算：地球大圆的弧长欧几里德距离：两点间距离公式（较小空间）曼哈顿距离（出租车距离）：南北距离+东西距离时间距离：从空间一点到达另一点所需的时间第五节 经纬度和高程的测量经纬度的测定高程测定GPS 经纬度的测定纬度测量比较简单某地的天极高度即其地理纬度经度测量很复杂Columbus无法精确测量经度错误认为地球小于实际大小空间感亚洲距欧洲以西的距离与大西洋的宽度差不多平面控制网大地坐标：在地面上建立一系列相连的三角形，量取一段精确的距离作为起算边，采用天文观测法确定其两端点的点位（，a），精密测角仪测各三角形角值，据起算边的边长和点位可推算其它点的坐标1954年在北京设大地坐标原点，由此计算的各大地控制点坐标，称1954年北京坐标系1986年在陕西泾阳县设新的大地坐标原点，采用GRS(1975)参考椭球体，由此计算的各大地控制点坐标，称1980年大地坐标系高程控制网高程控制网黄海平均海水面，1956年在青岛设水准原点，据此推算其它控制点高程，称1956黄海高程系1987年启用“1985年国家高程基准”，比黄海平均海水面上升29mmGPSGPS24颗卫星每12小时间隔20200km高度在3D空间中定位（,E）需要至少四颗星在地平以上如果不需要测量高程，则只需要三颗星GPS用于记录地面控制点定位移动目标简单GPS,精度10mDGPS,精度=1m GPS测量高程的精度较低，有不同的水准点Other systemsGalileoGlonassWay findingHikingDriving第六节 地理参考的转换投影和坐标系间的转换其它转换地名和地理坐标的转换坐标转换的重要性1.Geocoding：转换列表，用户地址和用于制图分析的坐标2.将具有不同地理参考坐标的数据集进行集成3.转换为具有特殊性质的投影以便于分析（如等积投影）4.搜索指定地点在互联网或其它数据资源中的数据5.将GIS地图显示为以感兴趣的地方为中心的地图6.Locator services:定位服务，将感兴趣区显示在中心区GeocodingAddress MatchingConversion of street addresses to coordinateGazetteer最古老的转换方法地图集中地名，经度，纬度，页码进行定位服务，但只在一个方向上起作用（地名和经纬度）大型地名数据库及其相关坐标系LBSMerge GPS,GIS and wireless telephony,and you have LBS industry.LBS-Location-Based ServiceMajor issues in cartographyMap designAutomated map analysisCartographic generalizationStatistical graphicsGeographic demographyMass communicationHow to lie with mapsMark Monmonier谢谢观赏谢谢观赏