GIS地理参照系4学时ppt课件

地理信息系统 第三章地理参照系统 主讲 郑贵洲 3 1大地测量学基础 地球表面 大地水准面 重力铅垂线 地球椭球体 1 大地水准面 海水处于静止状态 把海水面延伸到大陆之下形成包围整个地球的连续表面 2 高程系统 地面上任何一点到大地水准面的距离 由于各处重力不同 水准面位置不同 得出的高程也不同 所以以黄海平均海水面位置为基准 水准原点1985国家高程基准 72 2604米 黄海海面1952 1979年平均海水面为0米 3 地球椭球体 1 椭球体元素扁率 第一偏心率 第二偏心率 2 不同资料 a b不同52年以前用海福特 53年起用克拉索夫斯基 1 地心坐标系 三维球心空间坐标系 原点位于球心 常用直角坐标 x y z 或角度与高程表示 B L H 其中B L分别为纬度和经度 z轴与地球旋转轴共轴 在北极方向上是正的 x轴穿过零度格林威治子午线 y轴与正向x和z轴形成直角 地心坐标也称笛卡尔坐标 地心坐标覆盖全球 被用作GPS参照 3 2地理坐标系统 2 地理坐标系 地理坐标系是以地理极 北极 南极 为极点 纬度 latitude 通过P点作椭球面的垂线 称之为过P点的法线 法线与赤道面的交角 叫做P点的纬度 经度 longitude 过P点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角 叫做P点的经度 3 地图投影坐标系 将地球球面投影到平面后所设定的坐标系 相对于平面中两个相互垂直的轴来给出点的位置 为直角坐标系 如高斯投影坐标系 4 大地坐标系 1 54年北京坐标系在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测 通过大地坐标计算 推算出北京点的坐标 北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸 其原点在苏联普尔科沃 2 80年西安坐标系78年4月召开 全国天文大地网平差会议 建立80年西安坐标系 其原点在西安西北的永乐镇 简称西安原点 椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值 3 新54年北京坐标系将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上 形成一个新的坐标系 称为新54年北京坐标系 它与80年国家大地坐标系的轴定向基准相同 网的点位精度相同 4 WGS84坐标系在GPS定位中 定位结果属于WGS84坐标系 卫星控制测量椭球体取代大地测量椭球体 WGS84 全球大地测量系统1984 是由卫星轨道数据来确定的椭球体 它的长半径是6378137 0m 短半径是6356752 3m 3 3地图投影 1 地图投影的实质建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础 也就是建立地球表面上的点 和平面上的点 x y 之间的函数关系 用数字式表达这种关系就是 x y为平面坐标 为地理坐标 2 投影变形将不可展的地球椭球面展开成平面 并且不能有断裂 则图形必将在某些地方被拉伸 某些地方被压缩 故投影变形是不可避免的 长度变形面积变形角度变形 3 地图投影分类 1 按变形性质分类 等角投影微分图形投影后保持相似 投影前后角度不变 等面积投影某一微分面积投影前后保持相等 等距离投影沿某一方向上投影长度比等于1沿经线上等距离投影沿纬线上等距离投影 任意投影角度 面积 长度均变形 2 按投影面与地球表面相关位置分类 高斯 克吕格投影的原理是 假设用一空心椭圆柱横套在地球椭球体上 使椭圆柱轴通过地心 椭圆柱面与椭球体面某一经线相切 然后 用解析法使地球椭球体面上经纬网投影到椭圆柱面上 并保持角度相等的关系 最后将椭圆柱面切开展平 就得到投影后的图形 这个投影是德国数学家 天文学家高斯于1825年拟定 后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充 故称高斯 克吕格投影 gausskriging 该投影后的经纬网图形可看出以下三条规律 1 中央经线和赤道为垂直相交的直线 也是经纬网图形的对称轴 2 经线为对称并凹向于中央经线的曲线 纬线为对称并凸向于赤道的曲线 经纬线投影后正交 没有角度变形 3 中央经线上没有长度变形 其余经线的长度略大于球面实际长度 离中央经线东西两侧愈远 其变形愈大 在赤道上 经差为 3 长度变为1 38 二 分带为了控制变形 采用分带投影的办法 规定1 2 5万 1 50万地形图采用经差6 分带 1 1万及更大的比例尺地形图采用3 分带 6 分带法 从格林威治0 经线 本初子午线 自西向东按经差每6 为一投影带 全球共分60个投影带 依次编号为1 60 我国位于东经72 136 之间 共包括11个投影带 即13 23带 3 分带法 从东经1 30 算起 自西向东按经差3 为一个投影带 全球共分为120个带 我国位于24 45带 每带带号与其中央经线的经度的换算关系 6 带中央经度 中 6 xn 3 3 带中央经度 中 3 xn地形图上的坐标网为了在地图上迅速而准确的指示目标位置和确定方向 距离 面积等 高斯 克吕格投影的地图上绘有两种坐标网 地理坐标网 经纬网 和直角坐标网 方里网 一 地理坐标网规定1 1万 1 10万比例尺的地形图上 每幅图的内图廓为经纬线 而图内不加绘经纬线 经纬度数值注记在内图廓的四角 在内外图廓间 还绘有黑白相间或仅用针线表示经差 纬差1 的分度带 需要时将对应点相连接 就可构成很密的经纬网 在1 25万 1 100万地形图上 直接绘出经纬网有时还绘有加密经纬网的加密分割线 纬度注记在东西内外图廓间 经度注记在南北内外图廓间 二 直角坐标网 方里网 1 坐标系的建立和起算直角坐标网是以每一投影带的中央经线为纵轴 X轴 赤道作为横轴 Y轴 纵坐标以赤道为0起算 赤道以北为正 以南为负 我国位于北半球 纵坐标都是正值 横坐标本来应以中央经线为0起算 以东为正 以西为负 但因坐标数值有正有负 不便于使用 所以 又规定凡横坐标值均加500千米即等于将纵坐标轴向西移500千米 横坐标从此起算则均为正值 2 直角坐标网又叫方里网的构成 3 坐标的注记纵坐标注记在东西内外图廓间 由南向北增加 四位数 横坐标注记在南北内外图廓间 由西向东增加 地图四角注有全部坐标数 横坐标前两位为带号 其余只注最后两位公里数 规定1 10万和更大的比例尺地形图绘制方里网 其间隔规定如下表 比例尺图上方里网间隔相应实地长度1 1万10cm1km1 2 5万4cm1km1 5万2cm1km1 10万2cm2km 三 相邻投影带图幅的拼接由于高斯 克吕格投影的经线是向投影带的中央经线收敛的 它和坐标纵线有一定的夹角 叫子午线收敛角 所以当相邻两带的图幅拼接时 方里网就形成了折角 这就给拼接使用地图带来很大的困难 于是规定在一定的范围内把邻带的坐标延伸到本带的图幅上 这就使某些图幅上有两个方里网系统 一个是本带的 一个是邻带的 为了区别 图廓内绘有本带方里网 图廓外绘邻带方里网的小段 需要使用时才连绘出来 这样相邻图幅就具有统一的直角坐标系统 绘有邻带方里网的区域范围是沿经线呈带状分布的 所以叫重叠带 重叠带的实质就是将投影带的范围扩大 即西带向东带延伸30 1 10万 东带向西带延伸15 1 5万 四 地形图的分幅与编号为了保管和使用方便 每一种基本比例尺地形图都规定有一定的图廓大小 每一幅图都具有相应的号码标志 这项工作叫地形图的分幅和编号 我国1 10万7000幅 地形图的分幅方法 一是矩形分幅 一是经纬线分幅 也叫梯形分幅 我们国家基本比例尺地形图采用经纬线分幅 一 1 100万地形图的分幅和编号分幅 经差6 纬差4 由经度180 开始按经差6 自西向东将全球分成60纵行 用1 2 60表示 由赤道开始 按纬差4 将南北半球各分成22横列 依次用字母A B V表示 60 76 经差12 76 88 经差24 编号 每幅1 100万地形图的编号是由列号和行号所组成 列号在前 行号在后 中间连一短线 如北京所在图幅 J 50 北京116 05 15 E39 50 10 N 二 1 50 1 25万 1 10万地形图分幅和编号1 1 50万 按经差3 纬差2 分幅 每幅1 100万图含4幅1 50万图 2 1 25万 按经差1 30 纬差1 分幅 1 100万一幅地形图含16幅1 25万地形图 3 1 10万 按经差30 纬差20 分幅 每幅1 100万图含144幅1 10万图代码为1 2 144 三 1 5万 1 2 5万 1 1万 分幅编号1 1 5万 分幅按经差15 纬差10 分幅 每幅1 10万图含4幅1 5万地形图 2 1 2 5万 按经差7 30 纬差5 分幅 每幅1 5万图含4幅1 2 5万地形图 3 1 1万 按经差3 45 纬差2 30 分幅 每幅1 10万图含64幅1 1万地形图 1991年实施的国家地形图分幅和编号 新情况 I49D006002 38 39 3 5地图投影的变换 两曲面和两平面之间存在各种各样的对应关系 其中点对应即是其中的一种 X Y为曲面上一点的曲线坐标 x y为另曲面上对应点的曲线坐标 对于平面来说 此曲线坐标为笛卡儿直角坐标 设x y是原 地图资料 投影点的直角坐标 X Y是变换后 新编地图 投影点的直角坐标 则实现一种地图投影点的坐标变换为另一种地图投影的主要方法有以下几种 投影A x y 投影B X Y 正解变换 解析函数关系X f x y Y g x y 反解变换 经纬度B f x y L g x y X F B L Y G B L 数值变换 数学方法 1 正解变换法 确定地图资料和新编地图上相应的直角坐标系的直接联系 这种方法不要求反解出原投影点的地理坐标 而直接引出两种投影点的直角坐标关系式 它的表达式即为 2 反解变换法 通过中间过渡的方法 反解出原投影点的地理坐标 代入新投影中求得新投影之坐标 3 数值变换法 如果原投影点的直角坐标的解析式是不知道的 或不易求出的两种投影点平面直角坐标之间直接联系 这时可用近拟方法分解关系式 1 为多项式 如下 Arc Info中地图投影的实现 数字化一幅已知投影名称的地图 因为数字化过程只是对原图以数字的形式 复制 因而自然保留了原有的坐标系 只是坐标系与原图相比发生了旋转 平移和缩放 通过编辑Tic点坐标 将这些点的坐标按照原图进行投影 再利用Transform即可将其原有的投影坐标系完全恢复 Arc Info中一般采用反解变换法 首先使用Project将一种投影坐标投影为地理坐标 然后再对地理坐标进行新的投影 例1从Albers投影转换到Transvers投影 3 6地理信息系统中地图投影设计与配置 1 GIS与地图投影关系 地图投影 地理基础 数据获取数据源地图投影 数据存储统一的坐标基础 数据处理投影转换 数据应用空间分析依据数据库投影 数据输出有相应投影的地图 2 GIS中地图投影设计与配置 1 各国家GIS所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致 2 各比例尺的GIS中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致 3 各地区的GIS中投影系统与其所在区域适用的投影系统一致 4 各种GIS一般以一种或两种 至多三种 投影系统为其投影坐标系统 以保证地理定位框架的统一 3 GIS中地图投影配置一般原则 1 所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图投影系统一致 2 系统一般最多只采用两种投影系统 一种服务于大比例尺 一种服务于小比例尺 3 所用投影以等角投影为宜 4 所用投影应能与网格坐标系统相适应 3 7我国GIS中地图投影的应用 1 我国基本比例尺地形图中 1 50万的图均采用高斯 克长格投影 2 我国1 100万地形图采用正轴等角割圆锥投影3 我国大部分省区图多采用正轴等角割圆锥投影和属于同一投影系统的正轴等面积割圆锥投影 4 正轴等角圆锥投影中 地球表面上两点间的最短距离 即大圆航线 表现为近于直线 这有利于GIS中空间分析和信息量度的正确实施 课堂练习 1 地图投影的分类方法有哪几种 如何进行分类 2 高斯 克吕格投影为什么采用分带投影的方法 3 我国基本比例尺地形图中 1 50万的图采用哪种投影 1 100万采用哪种投影 4 说明以下图幅号代码的比例尺 I49B001001I49E011004I49G042015