GIS的空间地理坐标系统.ppt

中山大学遥感与地理信息工程系 第三讲GIS的空间地理坐标系统 空间参考系统 p39 48 GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据 地理数据与其位置的识别联系在一起 它是通过公共的地理基础 统一的空间参考系统来实现 33 67 主要是顾及投影变形 作为历史沿续 为了使用方便和便于资料保密等 地方系统 国家坐标系统 地球椭球的基本元素常用符号a b e和e 表示 符号的名称和公式为 衡量形状和大小参数 长半轴 a 短半轴 b 扁率 a b a 第一偏心率 第二偏心率 已知其中两个元素 包含a或b 就可以推算其他三个元素 我国的大地坐标系 1949年以后 我国采用了两种不同的大地坐标系 即1954年北京坐标系和80国家大地坐标系 它们均属参心大地坐标系 p40 不同的参考椭球确定不同的参心坐标系 相同的地球椭球元素 但定位和定向不同 也将构成不同的参心坐标系 把地面大地网归算到地球椭球面上 确定它同大地的相关关系位置 这就是所谓椭球的定位和定向问题 54年北京坐标系 我国1954年完成了北京天文原点的测定工作 建立了1954年北京坐标系 1954年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我国的延伸 但略有不同 其要点是 属参心大地坐标系 采用克拉索夫斯基椭球参数 a 6878245m 扁率 1 298 3 多点定位 x y z 大地原点是原苏联的普尔科沃 大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准 高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准起算值 按我国天文水准路线推算出来的 1954年北京坐标系建立后 30多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果 制作了国家系列比例尺地形图 1980年国家大地坐标系 由于1954年北京坐标系 简称54坐标系 存在许多缺点和问题 1980年我国建立了新的大地坐标系 简称80坐标系 其要点是 属参心大地坐标系 采用既含几何参数又含物理参数的四个椭球基本参数 数值采用1975年国际大地测量学联合会 IUG 第16届大会上的推荐值 其结果是 地球长半轴 6378140m 1980年国家大地坐标系 地心引力常数x质量GM 3 986005 1014m3 s2地球重力场二阶带谐数 1 08263 10 3地球自转角速度 7 292115 10 5rad s 多点定位 在我国按10 10间隔 均匀选取922个点组成弧度测量方程 按最小解算大地原点起始数据 p41 定向明确 地球椭球的短轴平行于地球质心指向1968 0地极原点 JYD 的方向 起始大地子午面平行于我国起始天文子午面 x y z 0 1980年国家大地坐标系 大地原点定在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇 简称西安原点 大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准 大地坐标确定后 空间一点的大地坐标用大地经度L 大地纬度B和大地高度H表示 如右图所示 地面上的点P地的大地子午面NPS与起始大地子午面所构成的二面角L 叫点P地的大地经度 由起始子午面起算 向东为正 向西为负 点P地对于椭球的法线P地Kp与赤道面的夹角B 叫做点P地的大地纬度 由赤道面起算 向北为正 向南为负 点P地沿法线到椭球面的距离H叫做大地高 从椭球面起算 向外为正 向内为负 地图投影 将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则 变换为平面上相应点的平面直角坐标 通常称为地图投影 x F1 L B y F2 L B 式中 L B 是椭球面上某一点的大地坐标 而 x y 是该点投影平面上的直角坐标 各种不同的投影就是按照一定的条件来确定式中的函数形式F1 F2的 地球椭球面是不可展的曲面 无论用什么函数式F1 F2将其投影至平面 都会产生变形 高斯 克吕格投影 它是一种横轴等角切圆柱投影 高斯投影的条件 中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴 等角投影 中央经线上没有投影变形 高斯投影变形具有以下的特点 中央经线上没有变形同一条纬线上 离中央经线越远 变形越大同一条经线上 纬度越低 变形越大等变形线为平行于中央经线的直线 高斯 克吕格投影的最大变形处为各投影带在赤道边缘处 为了控制变形 我国地形图采用分带的方法 每隔3 或6 的经差划分为互不重叠的投影带 1 2 5万至1 50万的地形图采用6 分带方案 从格林威治0 经线开始 全球共分为60个投影带 我国位于东经72 到136 之间 共11个投影带 13 23带 1 1万以及更大比例尺地图采用3 分带方案 自1952年起 我国将其作为国家大地测量和地形图的基本投影 亦称为主投影 国家坐标系和独立坐标系的变换 由于地球半径很大 在较小区域内进行测量工作可将地球椭球面作为平面看待 而不失其严密性 既然把投影基准面作为平面 就可采用平面直角坐标系表示地面点的投影面上的位置 a 测量平面直角坐标系 b 数学平面直角坐标系 为不使坐标系出现负值 它通常将某测区的坐标原点设在测区西南角某点 以真北方向或主要建筑物主轴线为纵轴方向 而以垂直于纵坐标轴的直线定为横坐标轴 构成平面直角坐标系 也可假设测区中某点的坐标值 以该点到另一点方位角作为推算其它各点的起算数据 实际上也构成了一个平面直角坐标系 上述平面直角坐标系的原点和纵轴方向选定了的值常用于小型测区的测量 它不与国家统一坐标系相连 因此称为任意坐标系或独立坐标系 我国大部分城市均采用独立坐标系 如广州市采用珠江高程和平面坐标系等 国家坐标系和独立坐标系的变换 按高斯投影统一分带 60带 30带 建立的直角坐标系 称为国家平面直角坐标系 在建立数字城市时 往往需要将独立坐标系转换成国家平面直角坐标系 在进行转换时 先将独立坐标系的原点或独立坐标系的某一固定点与国家大地点连测 并按计算出的方位角进行改正 求出该点的国家统一坐标 然后对所有数据进行平移和旋转 以便把按独立坐标系所采集的数据转换到国家平面直角坐标系中 在城市和工程测量中 也可采用1 50带或任意带的高斯平面坐标系 以提高投影的精度 地理格网 P43 按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地理格网 可以用于表示呈面状分布 以格网作为统计单元的地理信息 通过对地理格网划分及编码规则的深入分析研究 规定我国地理信息系统采用三种地理格网系统 40 60格网系统 直角坐标格网系统 自行设计 40 60格网系统以纬度40和经度60进行划分而构成的多级地理格网系统 主要适用于表示陆地与近海地区全国或省 区 范围内各种地理信息等 它的分级如下 将地球表面按数学法则投影到平面上 再按一定的纵横坐标间距和统一的坐标原点对其进行划分而构成的多级地理格网系统 主要适用于表示陆地和近海地区为工作规划 设计 施工等应用需要的地理信息 它的分级如下 直角坐标格网系统 直角坐标格网的比例尺与格网等级不是唯一对应的 一种比例尺对应两种格网等级 用户可根据需要选择一种 在地理信息系统中 还需要用到1 2000 1 1000和1 500的地形图 在国家标准中未规定它们的格网等级和格网单元边长 可根据实际需要自行设计 一般为2 5m 2m 1m或0 5m的格网 自行设计的格网系统 上述三种地理格网均按地球象限 经纬度或直角坐标进行划分 具有严格的数学基础 因此它们之间可以相互转换 三种格网的分级各呈一定的层次关系 构成完整的系列 便于组成地区的 国家的或全球的格网体系 在建立数字城市时 通常采用直角坐标格网系统 它具有实地格网大小相等 便于将大比例尺解析测图仪生产作业的数据作为信息系统的数据源和便于同卫星图像 DTM数据重叠匹配等优点 但采用高斯投影时 在分带边缘会产生许多不完整的网格 难以将分带计算产生的网格拚接在一个坐标系中 因此 若一个城市区域跨带时需先进行换带计算 使整个城市纳入一个投影带 然后再建立地理格网 数字城市中地图投影配置的一般原则 所配置的投影系统与相应比例尺的国家基本图 基本比例尺地图 基本省区图 国家大地图集 投影系统一致 系统一般只考虑至多采用两种投影系统 一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出 另一种服务于中小比例尺 所用投影以等角投影为宜 所用投影应能与网格坐标系统相适应 即所采用的网格系统 特别是一级网格 在投影带中应保持完整 空间点的高程是以大地水准面为基准来建立的 我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面 作为我国统一的高程基准 凡由该基准面起算的高程在工程和地形测量中均属于1956年黄海高程系 从1985年起 我国开始改用 1985年国家高程基准 凡由该基准起算的高程在工程和地形测量中均属于1985年黄海高程系统 1985年国家高程基准与1956年国家高程基准之水准点间的转换关系为 H85 H56 0 029m式中H85 H56分别表示新旧高程基准水准原点的正常高 高程系统 P44 在建立数字城市时 若需采用不同高程基准的地形图或工程图作为基准数据时 应将高程系统全部统一到1985年国家高程基准上 在缺少基本高程控制网的地区 不仅可建立独立平面直角坐标系 也可建立局部高程系统 凡不按1956年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高程起算数据的高程系统均称为局部高程系统 设局部高程系统的高程原点起算数据为H局 与国家高程控制网联测的高程原点高程为H联 高程原点的高程改正值为 H 则 H H局 H联 原点在地球质心 Z轴指向BIH1984 0定义的协议地球极 CTP 方向 X轴指向BIH1984 0的零子午面和CTP赤道交点 Y轴与Z轴 X轴构成右手坐标系 WGS 84地心坐标系统及其与国家坐标系的转换 WGS 84是美国国防部研制确定的 其几何定义为 GPS定位所得的结果都属于WGS 84地心坐标系统 工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系 目前我国已在建立全国高精度的GPS控制网 进行地区性GPS测量时 已知 至少 一点高精度GPS成果 以此作为全网的起算数据 以相对定位法可得到网点的高精度WGS 84坐标系与国家坐标系之间的转换参数 进而得到国家坐标系成果 另一种方法是进行GPS基线向量网的约束平差 将地面网中的坐标 边长和方位角作为GPS基线向量网的基准而直接得到平差后国家坐标系的成果 WGS 84 国家坐标系 转换 独立坐标系的转换 p45 联合平差转换法最小二乘变换法简易相似变换法坐标函数拟合法 空间参考系统 空间参照系统是指确定空间目标平面位置和高程的平面坐标和高程系 这两个系统均与地球椭球面有关 理论和实践证明 大地水准面与具有微小扁率的旋转椭球面非常接近 可用来代表地球形状 故又名地球椭球面 地球自然表面 大地水准面和地球椭球面之间的关系 根据投影变形性质的分类 等角投影 保证投影后的由任意两条微分线段构成的角度不产生变形 使得投影前后的形状保持不变 等面积投影 保证投影前后的面积保持不变 任意投影 它既不保持角度不变 又不保持面积不变 同时存在长度 角度 面积的变形 我国地理信息系统中常用的地图投影的配置 我国基本比例尺地形图 1 100万 1 50万 1 25万 1 10万 1 5万 1 2 5万 1 1万 1 5000 除1 100万以外均采用高斯 克吕格投影为地理基础 1 100万地形图采用Lambert投影 其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致 我国大部份省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影 正轴等面积割圆锥投影 Lambert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中的空间分析和信息量度的正确实施 地图投影的分类 根据投影面与球面相关位置的分类 正轴 圆柱 方位 圆锥 斜轴 横轴 根据投影探求方法的分类 透视几何投影 完全依据透视的原理 根据视点 物点 像点之间的几何关系来建立投影方程 3D 几何解析投影 根据经纬线形状确定投影方程的基本形式 如圆锥投影 圆柱投影等 解析投影 它事先并不人为确定经纬线的形状 其投影后的经纬线形状与投影方程的形式完全依据人们给出的条件逐步推求得到 如高斯 克吕格投影 另外 还有根据投影方程特征的分类 投影变形 经过投影的地图 不能与地球表面上相应的距离或面积同时保持图形的完全相似 也就是说 经过投影后 会产生长度 面积 形状的变化 这就叫投影变形 它包括长度变形 面积变形 角度变形 地图投影与GIS的关系 数据获取 数据源地图的投影 数据标准化预处理 按照某一参照系数字化 数据存储 统一的坐标存储 数据处理 投影转换 数据应用 检索查询 覆盖分析等 数据输出 具有相应投影的地图 地理基础 地图投影 GIS中地图投影设计与配置 各国家的GIS所采用的投影系统与该国的基本地形图系列所采用的投影系统一致 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 各地区的GIS中的投影系统与其所在区域使用的投影系统一致 各种GIS一般以一种或两种 至多三种 投影系统为其投影系统 以保证地理定位框架的统一 各种GIS中投影坐标系统的配置具有以下的一般特征 等角与等面积是互相抵触的 等角是以牺牲等面积为代价的 同样 等面积也是以牺牲等角为前提的 任意投影虽然存在各种变形 但各种变形比较均匀