空间信息的数字表达课件

,中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,空间信息的数字表达,授 课 人,:,陈 宜 金,中国矿业大学,(,北京,),Y.J.CHEN263.NET,空间信息的数字表达授 课 人:陈 宜 金,空间信息参考,空间投影的概念,空间变换,空间尺度,空间数据投影及变换的实现,空间信息的数字表达,空间信息参考空间信息的数字表达,空间信息参考,-地球形状与地球椭球,图,3.1,固体地球表面,空间信息参考-地球形状与地球椭球图3.1 固体地球表面,空间信息参考,-地球形状与地球椭球,图,3.2,地球椭球体,W,E,N,S,O,a,b,A,P,空间信息参考-地球形状与地球椭球图3.2地球椭球体WE,空间信息参考,-地球形状与地球椭球,椭球名称,创立年代,长半径,a,（,m）,短半径,b,（,m）,扁率,WGS-84,1984,6378137,6356752,1:298.26,1975年国际椭球,（中国,1980西安坐标系采用）,1975,6378140,6356755,1:298.257,海福特（,Hayford）,（中国,1953年以前采用）,1910,6378388,6356912,1：297,克拉索夫斯基（,）,（中国,1954年北京坐标系采用）,1940,6378245,6356863,1：298.3,表,3.1,世界地图以及我国不同时期所采用的地球椭球及其几何参数,空间信息参考-地球形状与地球椭球椭球名称创立年代长半径a（m,空间信息参考,-,坐标系统,球面坐标系统,大地地理坐标,地理空间坐标,平面坐标系,空间直角坐标系,天文地理坐标,高斯平面直角坐标系,地方独立平面直角坐标系,地心地固空间直角坐标系,参心空间直角坐标系,图,3.3,地理空间坐标分类表,1,、坐标系统的分类及基本参数,空间信息参考-坐标系统球面坐标系统大地地理坐标地理空间坐,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,在经典的大地测量中，常用地理坐标和空间直角坐标的概念描述地面点的位置。根据建立坐标系统采用椭球的不同，地理坐标又分为天文地理坐标和大地地理坐标。前者是以大地体为依据，后者是以地球椭球为依据。空间直角坐标分为参心空间直角坐标系和地心空间直角坐标系，前者以参考椭球中心为坐标原点，后者以地球质心为坐标原点。,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立在经典的大地测量中,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,天文地理坐标,图,3.4,天文地理坐标系,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-天文地理坐标,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,天文地理坐标,天文地理坐标（图,3.4,）以地心（地球质量中心）为坐标原点，,Z,轴与地球平自转轴重合，,ZOX,是天文首子午面，以格林尼治平均天文台定义。,OY,轴与,OX,、,OZ,轴组成右手坐标系，,XOY,为地球平均赤道面。地面垂线方向是不规则的，它们不一定指向地心，也不一定同地轴相交。包括测站垂线并与地球平自转轴平行的平面叫天文子午面。,天文纬度为测站垂线方向与地球平均赤道面的交角，常以,表示，赤道面以北为正，以南为负。天文经度为首天文子午面与测站天文子午面的夹角，常以,表示，首子午面以东为正，以西为负。需要说明，由于地表面并不是大地水准面，所以在大地测量学中也将高程列入天文坐标中。,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-天文地理坐标天文,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,大地地理坐标,图,3.5,大地地理坐标系,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-大地地理坐标图,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,大地地理坐标,大地地理坐标系是依托地球椭球用定义原点和轴系以及相应基本参考面标示较大地域地理空间位置的参照系。大地地理坐标也简称大地坐标。一点在大地坐标系中的位置以大地纬度与大地经度表示，如图,3.5,所示。,WAE,为椭球赤道面，,NAS,为大地首子午面，,P,D,为地面任一点，,P,为,P,D,在椭球上的投影，则地面点,P,D,对椭球的法线,P,D,PK,与赤道面的交角为大地纬度，常以,B,表示。从赤道面起算，向北为正，向南为负。大地首子午面与,P,点的大地子午面间的二面角为大地经度，常以,L,表示。以大地首子午面起算，向东为正，向西为负。,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-大地地理坐标大地,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,参心空间直角坐标系,图,2.6,参心空间直角坐标系,Z,Y,X,3,N,S,O,赤道面,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-参心空间直角坐标,空间信息参考,-,坐标系统,2,、球面坐标系统建立,-,参心空间直角坐标系,参心空间直角坐标系是在参考椭球上建立的三维直角坐标系,O-XYZ,（图,3.6,）。坐标系的原点位于椭球的中心，,Z,轴与椭球的短轴重合，,X,轴位于起始大地子午面与赤道面的交线上，,Y,轴与,XZ,平面正交，,O-XYZ,构成右手坐标系。在建立参心坐标时，由于观测范围的限制，不同的国家或地区要求所确定的参考椭球面与局部大地水准面最密合。由于参考椭球不是唯一的，所以，参心空间直角坐标系也不是唯一的。,地心地固空间直角坐标系的定义是：原点,O,与地球质心重合，,Z,铀指向地球北极，,X,轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道的交点，,Y,轴垂直于,XOZ,平面构成右手坐标系。地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，地极点在地球表面上的位置是随时间而变化的。因此，在具体建立时，根据选取的实际地极的的不同，地心地固空间直角坐标系的实际定义也不相同。,空间信息参考-坐标系统2、球面坐标系统建立-参心空间直角坐标,空间信息参考,-,坐标系统,3,、平面坐标系,-,高斯平面直角坐标系,图,3.7,高斯,-,克吕格坐标,空间信息参考-坐标系统3、平面坐标系-高斯平面直角坐标系图3,空间信息参考,-,坐标系统,3,、平面坐标系,-,高斯平面直角坐标系,具体构成是：规定以中央经线为,X,轴，赤道为,Y,轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。同时规定，,x,值在北半球为正，南半球为负；,y,值在中央经线以东为正，中央经线以西为负。由于我国疆域均在北半球，,x,值皆为正值。为了在计算中方便，避免,y,值出现负值，还规定各投影带的坐标纵轴均西移,500km,，中央经线上原横坐标值由,0,变为,500km,在整个投影带内,y,值就不会出现负值了。,由于用高斯克吕格投影每个投影带都有一个独立的高斯平面直角坐标系，则位于两个不同投影带的地图点会出现具有相同的高斯平面直角坐标，而实际上描述的却不是一个地理空间。为了避免这一情况和区别不同点的地理位置，高斯平面直角坐标系规定在横坐标,Y,值前标以投影带的编号。,空间信息参考-坐标系统3、平面坐标系-高斯平面直角坐标系具体,空间信息参考,-,坐标系统,3,、平面坐标系,-,地方独立平面直角坐标系,由于国家坐标中每个高斯投影带都是按一定间隔划分，其中央子午线不可能刚好落在城市和工程建设地区的中央，从而使高斯投影长度产生变形。因此，为了减小变形，将其控制在一个微小的范围内，使得计算出来的长度与实际长度认为相等，常常需要建立适合本地区的地方独立坐标系。,空间信息参考-坐标系统3、平面坐标系-地方独立平面直角坐标系,空间信息参考,-,坐标系统,3,、平面坐标系,-,地方独立平面直角坐标系,建立地方独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其椭球半径,增大为,式中，为当地平均海拔高程；,为该地区的平均高程异常。,在地方投影面的确定过程中，应当选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线；以某个特定使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平均高程面,为投影面。,空间信息参考-坐标系统3、平面坐标系-地方独立平面直角坐标系,空间信息参考,-高程基准,1,、高程的几何和物理意义,h,A,B,空间信息参考-高程基准1、高程的几何和物理意义hAB,空间信息参考,-高程基准,1,、高程的几何和物理意义,空间信息参考-高程基准1、高程的几何和物理意义,空间信息参考,-高程基准,2,、我国主要高程基准统,1956,年黄海高程系,1985,国家高程基准,空间信息参考-高程基准2、我国主要高程基准统1956年黄海高,空间投影的概念,-,地图投影,地面点虽然可以沿法线表示到参考椭球面上，但是用缩小的球面（如地球仪）不便于使用和保管，一般均使用平面图。参考椭球面是不可展曲面，不可能用物理的方法将它展成平面。因为那样必然会使曲面产生裂口、皱褶和重叠。因此，要把参考椭球面上的点、线、面换算到平面上，就要解决曲面到平面的矛盾。为了解决这一问题，地图投影就应运而生。,在数学中，投影（,Project,）的含义是指建立两个点集之间一一对应的映射关系。同样，在地图学中，地图投影的实质就是按照一定的数学法则，将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，建立地面点位的地理坐标（,B,L,）与地图上相对应的平面直角坐标（,X,Y,）之间一一对应的函数关系。,地球表面是一个不规则的曲面,即使把它当作一个椭球体或正球体表面,在数学上讲,它也是一种不可能展开的曲面，要把这样一个曲面表现到平面上,就会发生裂隙或褶皱。在投影面上，可运用经纬线的“拉伸”或“压缩”,(,通过数学手段,),来加以避免,以便形成一幅完整的地图。这样一来,也就因此而产生了变形。地图投影的变形，通常可分为长度、面积和角度三种变形，并通过它们的变形比来衡量投影变形,。,空间投影的概念-地图投影地面点虽然可以沿法线表示到参考椭球面,空间投影的概念,-,地图投影,长度变形与长度比,面积变形与面积比,角度变形与角度比,几何透视法,-,数学解析法,空间投影的概念-地图投影长度变形与长度比,空间投影的概念,-,地图投影的分类,1,、按地图投影的构成方法分类,-,几何投影,空间投影的概念-地图投影的分类1、按地图投影的构成方法分类-,空间投影的概念,-,地图投影的分类,1,、按地图投影的构成方法分类,-,几何投影,空间投影的概念-地图投影的分类1、按地图投影的构成方法分类-,空间投影的概念,-,地图投影的分类,1,、按地图投影的构成方法分类,-,非几何投影,非几何投影是不借助几何面，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。在这类投影中，一般按经纬线形状分为下述几类：,伪方位投影：纬线为同心圆，中央经线为直线，其余的经线均为对称于中央经线的曲线，且相交于纬线的共同圆心。,伪圆柱投影：纬线为平行直线，中央经线为直线，其余的经线均为对称于中央经线的曲线。,伪圆锥投影：纬线为同心圆弧，中央经线为直线，其余经线均为对称于中央经线的曲线。,多圆锥投影：纬线为同周圆弧，其圆心均位于中央经线上，中央经线为直线，其余的经线均为对称于中央经线的曲线。,空间投影的概念-地图投影的分类1、按地图投影的构成方法分类-,空间投影的概念,-,地图投影的分类,2,、按投影变形性质分类,等角投影,任何点上二微分线段组成的角度投影前后保持不变，亦即投影前后对应的微分面积保持图形相似，因此也称为正形投影。,等面积投影,无论微分单元还是区域面积投影前后保持相等，亦即其面积比为,1,，即在投影平面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等，面积变形等于零。,任意投影和等距投影,任意投影，长度、面积和角度都有变形，它既不等角又不等面积，可能还存在长度变形。等距投影的面积变形小于等角投影，角度变形小于等面积投影。任意投影多用于要求面积变形不大、角度变形也不大的地图，如一般参考用图和教学地图。,空间投影的概念-地图投影的分类2、按投影变形性质分类等角投影,空间投影的概念,-,常用地图投影概述,1,、高斯,克吕格投