第二章-测量坐标系和高程分解ppt课件

,李金平,2013年02月20日,云南师范大学旅地学院,数字测图原理与方法,李金平云南师范大学旅地学院数字测图原理与方法jinpingl,2.1 地球的形状与大小,2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系,2.4 高程,2.5用水平面代替水准面的限度,2 测量坐标系和高程,2.1 地球的形状与大小2 测量坐标系和高程,地球的自然表面,测量学的主要研究对象是地球的自然表面,高山、丘陵、平原、河流、湖泊、海洋,2.1,地球的形状与大小,2 测量坐标系和高程,地球的自然表面2.1 地球的形状与大小2 测量坐标系和高程,地球的自然表面,2.1,地球的形状与大小,珠穆朗玛峰高达8844.43m,马里亚纳海沟深达11022m,2 测量坐标系和高程,地球的自然表面2.1 地球的形状与大小珠穆朗玛峰高达8844,地球的自然表面,地球的自然表面是高低起伏、复杂的不规则表面,尽管高山、平原、丘陵、海洋等引起的起伏相对于地球本身十分微小，但不能用数学公式描述和表达，地球表面点间的几何关系不能描述与表达,2.1,地球的形状与大小,2 测量坐标系和高程,地球的自然表面2.1 地球的形状与大小2 测量坐标系和高程,地球的物理表面,地球表面上海洋面积约占71%，陆地面积约占29%,地球形状被看做被海水面向陆地延伸包围的形体,重力方向线,地球表面质点受到两个力：,离心力、引力,离心力与引力的合力称为重力,重力方向线称为铅垂线,铅垂线是测量工作的,基准线,2.1,地球的形状与大小,2 测量坐标系和高程,地球的物理表面2.1 地球的形状与大小2 测量坐标系和高程,地球的物理表面,水准面,设想在某一瞬间静止海水面向陆地延伸到内部所形成的一个封闭曲面,特性：多值性、水准面处处与铅垂线垂直、不规则曲面,2.1,地球的形状与大小,静止海水面,山地,水准面,2 测量坐标系和高程,地球的物理表面2.1 地球的形状与大小静止海水面山地水准面2,地球的物理表面,大地水准面,与平均海水面重合的水准面,特性：,唯一性、水准面处处与铅垂线垂直、不规则曲面,测量工作的,基准面,大地体,平均海水面所包围的地球球体,2.1,地球的形状与大小,2 测量坐标系和高程,地球的物理表面2.1 地球的形状与大小2 测量坐标系和高程,地球的数学表面,总地球椭球体,与大地体最接近的地球椭球,长半径为a，短半径为b,参考椭球体,各国自己测定、采用并顾及地球几何参数和物理参数的旋转椭球称为参考椭球体,参考椭球面,参考椭球体的椭球面称为参考椭球面,测量工作,基准面,2.1,地球的形状与大小,Z,Y,X,2 测量坐标系和高程,地球的数学表面2.1 地球的形状与大小ZYX2 测量坐标系和,地球的大小,总地球椭球体,地球椭球的大小通常用,长半轴a 和扁率f 表示,a=6378137m,f=1：298.257,地球平均半径,R=6378140m,2.1,地球的形状与大小,Z,Y,X,2 测量坐标系和高程,地球的大小2.1 地球的形状与大小ZYX2 测量坐标系和高程,地球的大小,地球椭球几何参数,2.1,地球的形状与大小,椭球名称,年代,长半轴a/m,扁率,白塞尔,1841,6377397.155,1:299.1528128,克拉克,1880,6378249,1:293.459,海福特,1909,6378388,1:297.0,克拉索夫斯基,1940,6378245,1:298.3,1975大地测量参考系统,1975,6378140,1:298.257,WGS-84系统,1984,6378137,1:298.257223563,2 测量坐标系和高程,地球的大小2.1 地球的形状与大小椭球名称年代长半轴a/m扁,2.1,地球的形状与大小,大地体,旋转椭球体,大地水准面,旋转椭球面,抽 象,地球表面,2 测量坐标系和高程,2.1 地球的形状与大小大地体旋转椭球体大地水准面旋转椭球面,大地坐标系,地面点P在参考椭球面上的位置，可用（B，L，H）表示,大地坐标是以参考椭球面作为基准面，以起始子午面和赤道面作为在椭球面上确定某一点投影位置的两个参考面,基准面：参考椭球面,基准线：法线,地面点位用大地经度和大地纬度来表示,（B，L）,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,2 测量坐标系和高程,大地坐标系2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位2 测量坐标系,大地坐标系,法线与赤道面的交角称为P点的纬度,在赤道上纬度为0，赤道以北称为北纬、以南称为南纬。,过P点的子午面与通过格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，称为P点经度,过英国格林尼治天文台的子午线为起始子午线，该线的经度为0，向东0180称为东经，向西0180称为西经。,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,大地坐标系2 测量坐标系和高程2.2 测量常用坐标系和参考椭,空间直角坐标系,以地球椭球体中心,O,作为坐标原点，起始子午面与赤道面的交线为轴,赤道面上与,X,轴正交的方向为,Y,轴,椭球体的旋转轴为,Z,轴，指向符合右手规则。在该坐标系中，,P,点的点位用,OP,在这三个坐标轴的投影,x，y，z,表示,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,空间直角坐标系2 测量坐标系和高程2.2 测量常用坐标系和参,大地坐标与空间直角坐标间的转换,大地坐标转换为空间直角坐标,空间直角坐标转换为大地坐标,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,大地坐标与空间直角坐标间的转换2 测量坐标系和高程2.2 测,平面直角坐标系,高斯平面直角坐标系,以中央子午线和赤道投影后的交点,O,作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴,X,，规定,X,轴向北为正；以赤道的投影为横坐标轴,Y,，规定,Y,轴向东为正，从而构成高斯平面直角坐标系,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,平面直角坐标系2 测量坐标系和高程2.2 测量常用坐标系和参,平面直角坐标系,城市平面直角坐标系,高斯投影采用分带投影方法，不便于城市建设需要，通过坐标轴的平移、旋转，一些城市建立自己的坐标原点，构成城市平面直角坐标系,独立平面直角坐标系,一些地区不便于与国家坐标系联测，采用假定坐标原点或在地形图上量取某固定点坐标，建立的平面直角坐标系,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,平面直角坐标系2 测量坐标系和高程2.2 测量常用坐标系和参,参考椭球定位,根据一定的条件，确定参考椭球面与大地水准面的相对位置所进行的测量工作，称为参考椭球体定位,在地面上选P，将P点沿铅垂线投影到大地水准面P点，使参考椭球在P点与大地体相切，这样过点的法线与铅垂线重合，并使椭球的短轴与地球的自转轴平行，且椭球面与大地水准面差距尽量小，从而确定了参考椭球面与大地水准面的相对位置关系。这里，P点称为大地原点,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,参考椭球定位 在地面上选P，将P点沿铅垂线投影,参考椭球定位,大地原点亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地坐标的起标点,建国初期，我国使用的大地测量坐标系统是从前苏联测过来的，其坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台，国家有关方面决定建立我国独立的大地坐标系统。通过对地形、地质、大地构造、天文、重力和大地测量等因素实地考察、综合分析，最后将我国的大地原点，确定陕西省咸阳市泾阳县永乐镇石际寺村,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,参考椭球定位 建国初期，我国使用的大地测量坐标系统是从前,中国国家统一直角坐标坐标系,我国在北半球，X坐标皆为正值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里并在横坐标值前冠以带号,P点的高斯平面直角坐标为:,XP=3 266 351.016m,YP=-421 772.611m,若该点位于第19带内，则点的国家统一坐标值为:,xP=3 266 351.016m,yP=19 078 227.389m,通用值,自然值,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,中国国家统一直角坐标坐标系通用值自然值2 测量坐标系和高程2,中国国家统一平面直角坐标系,中国目前使用的坐标系统,1954年北京坐标系,1980国家大地坐标系,WGS84坐标系,PC2000坐标系,2 测量坐标系和高程,2.2,测量常用坐标系和参考椭球定位,中国国家统一平面直角坐标系2 测量坐标系和高程2.2 测量常,地图投影,为何进行地图投影,椭球面是测量计算的基准面，计算复杂和繁琐,椭球面上表示点、线位置的经度、纬度、大地线长度、大地方位角在实际应用中不方便,将椭球面上的点位置转换到平面上需要地图投影,地图投影的概念,将椭球面个元素按一定的数学法则投影到平面上,投影变形形式,角度变形,长度变形,面积变形,2.3,地图投影和高斯平面直角坐标系,2 测量坐标系和高程,地图投影2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系2 测量坐标系和,地图投影,地图投影分类,按正轴投影时经纬网的形状分类,圆锥投影、圆柱投影、方位投影,按内在的变形特征分类,等角投影、等面积投影、任意投影,地形图测绘时对地图投影的要求,保角性：投影后角度大小不变,伸长的固定性：投影前后长度之比为一常数,2.3,地图投影和高斯平面直角坐标系,2 测量坐标系和高程,地图投影2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系2 测量坐标系和,高斯平面直角坐标系,高斯投影,设想一个椭圆柱面横套在地球椭球面外面，并与地球椭球面上某一子午线相切，椭圆柱的中心轴通过地球椭球球心，然后按等角投影方法，将中央子午线两侧一定经差范围内的点、线投影到椭圆柱面上，再沿着过极点的母线展开即成为高斯投影面,2.3,地图投影和高斯平面直角坐标系,2 测量坐标系和高程,高斯平面直角坐标系2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系2 测,高斯平面直角坐标系,高斯投影特点,等角投影（正形投影）,中央子午线和赤道投影后成相互垂直的直线，离中央经线越远变形越大,椭球面上除中央,子午线外，其他子午线均向中央子午线弯曲，并向两极收敛，对称于中央子午线和赤道,椭球面上对称于赤道的纬圈，投影后成为对称的曲线，并于子午线的投影相互垂直且凹向两极,2 测量坐标系和高程,2.3,地图投影和高斯平面直角坐标系,高斯平面直角坐标系2 测量坐标系和高程2.3 地图投影和高斯,高斯平面直角坐标系,投影带,为控制长度变形，经椭球面按一定的经度差分成若干范围不大的带。,2 测量坐标系和高程,2.3,地图投影和高斯平面直角坐标系,高斯平面直角坐标系2 测量坐标系和高程2.3 地图投影和高斯,地面点的高程,地面点沿铅垂线方向到,高程基准面,的距离,绝对高程H（海拔）：,地面点沿铅垂线方向到,大地水准面,的距离,相对高程H,：,地面点沿铅垂线方向到,任意水准面,的距离,高差h：,地面两点高程之差,2 测量坐标系和高程,2.4 高程,地面点的高程2 测量坐标系和高程2.4 高程,验潮站,确定平均海面和建立高程基准，在验潮站行长期观测潮位求出验潮站海面的平均位置,1956年黄海高程系：,采用青岛验潮站1950-1956年期间的验潮结果推算黄海的平均海水面,1985国家高程基准：,1952-1979年间,水准原点,验潮站附近永久性和可靠性最佳的水准点，青岛观象山,1956年黄海高程系起算高程:72.289m,1985年国家高程基准起算高程:72.260m,2.4 高程,2 测量坐标系和高程,验潮站2.4 高程2 测量坐标系和高程,高程测量使用的仪器,水准仪 全站仪 GPS接收机,2 测量坐标系和高程,2.4 高程,高程测量使用的仪器 水准仪,2.5 用水平面代替水准面的限度,水准面曲率对水平距离的影响,大地水准面上距离,水平面上距离,距离差,将tan,按级数展开,角很小，略去,5,次以上项，且,2 测量坐标系和高程,2.5 用水平面代替水准面的限度水准面曲率对水平距离的影响2,2.5