坐标转换与图件转换.ppt

测绘基准与坐标转换,姚宜斌 武汉大学测绘学院空间信息工程研究所 2012年4月19日,一、测绘基准与坐标转换,1 测绘基准,所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数，如参考椭球的长短半轴，以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。,坐标系和基准两方面要素构成了完整的坐标系统!,测绘基准的分类,测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准等。,参考椭球参数,地球坐标系,坐标系:描述空间位置的表达形式,按坐标原点的不同分类 地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地直角坐标系 ） 参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地直角坐标系 ） 站心坐标系统（站心直角坐标系 、站心极坐标系 ） 按坐标的表达形式分类 地心坐标系统 参心坐标系统 站心坐标系统,常用的坐标表示形式,空间直角坐标系：坐标系原点位于参考椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。,常用的坐标表示形式,空间大地坐标系：采用大地经度（L）、大地纬度（B）和大地高（H）来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。,平面直角坐标系：平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambert投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。,常用的坐标表示形式,简化测量计算 控制地形测图,地图数学投影的意义,将椭球面上元素按一定的数学法则归算到平面上。 投影方程一般形式： L，B：椭球面上某点的大地坐标； x , y：该点投影后的平面直角坐标。 投影的内容： 1、对于一点大地坐标L、B求平面坐标x、y（高斯投影正、反算） 2、将大地线构成的角度化为平面上由二条直线构成的角度（方向改化） 3、将大地线长度化为平面上直线长度（距离改化）,地图数学投影的定义,定义：椭球面上的观测元素投影到平面上所产生的差异，称之为投影变形； 产生原因：椭球面是一个不可展平的曲面 变形的种类：长度变形、角度变形和面积变形。,地图投影的变形,按变形性质分类 （1）等距离投影：投影前后长度不变；适用于交通图等。 （2）等面积投影：投影前后面积不变 ；多用于行政区划图等。 （3）等角投影：投影前后角度不变，又称为正形投影；多用于国家基本地形图等。,地图投影的分类,按投影面分类 （1）平面投影； （2）圆锥面投影； （3）圆柱(或椭圆柱)投影；,按投影面与椭球的关系分类 (1)正轴投影（与椭球短轴一致）； (2)横轴投影（与椭球长轴一致）； (3)斜轴投影（与椭球长，短轴不一致）。,何谓高斯投影? 高斯投影从几何意义上讲是一种横轴椭圆柱正形投影，如图所示： 想象有一个椭圆柱面横套在地球椭球体外面，并与某一条子午线(此子午线称为中央子午线或轴子午线)相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定投影方法，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面 。,高斯-克吕格投影,高斯平面直角坐标系： 原点：中央子午线和赤道的交点； X轴：中央子午线的投影； Y轴：赤道的投影。 高斯投影必须满足以下以下条件： (1)中央子午线投影后为直线,且为投影点的对称轴； (2)中央子午线投影后长度不变； (3)投影具有正形性质(长度比与方位角无关) ; (4)投影后角度不变。,理论上中央子午线的投影是 x 轴，赤道的投影是 y 轴，其交点是坐标原点。 x 坐标是点至赤道的距离； y 坐标是点至中央子午线的距离，有正有负。 为了避免 y 坐标出现负值，其名义坐标加上 500 公里。 为了区分不同投影带中的点，在点的Y坐标值上加带号N 所以点的横坐标通用表示的值为 y = N1000000+500000+y,投影带：以中央子午线为轴，两边对称划出一定区域作为投影范围； 1）分带原则 （1）限制长度变形使其不大于测图误差； （2）带数不应过多以减少换带计算工作。,投影带的划分,2）分带方法 （1） 六度带：自0子午线起每隔经差6自西向东分带，依次编号1，2，3，60带；中央子午线经度依次为3， 9 ， 357 。 带号及中央子午线经度的计算方法：,例：当,（2）三度带 自东经1.5子午线起，每隔3设立一个投影带， 依次编号为1，2，3， ， 120带；中央子午线经度依次为3, 6, 9, , 360。 带号及中央子午线经度的计算方法：,例：P点 按3带： 按6带：,例：北京 ，广州 ，试分别按3带和6带计算其所属的带号及中央子午线经度。 解：北京 按3带 按6带 广州 按3带 按6带,（3）六度带与三度带的区别与联系区别 6带：从 0子午线起划分，带宽6，用于中小比例尺（1：25000以下）测图； 3带：从 1.5子午线起划分，带宽3，用于大比例尺（如1：10000）测图。 联系 3带是在6带的基础上划分的，6带的中央子午线及分带子午线均作为3带的中央子午线，其奇数带的中央子午线与6带中央子午线重合，偶数带与分带子午线重合。,高斯投影的优点: 1、投影带每一带坐标系统具有一致性,对称性; 2、计算公式可适用于任一带的计算. 高斯投影的缺点: 靠近赤道变形越大,两极变形越小.,GPS测量中常用的坐标系统,北京54坐标系 西安80大地坐标系 WGS-84 城市独立坐标系 ITRF坐标框架,北京54坐标系,北京54坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，遗憾的是，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。 椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。 该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,北京54坐标系存在着很多缺点，主要表现在：,北京54坐标系,西安80大地坐标系,1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值，椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。,WGS-84,WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。,地方独立坐标系,最初在建立坐标系时,由于技术条件的限制,定向、定位精度有限，导致最终所定义的坐标系与国家坐标系在坐标原点和坐标轴的指向上有所差异； 出于成果保密等原因，在按国家坐标系进行数据处理后，对所得的成果进行了一定的平移和旋转，得出独立坐标系； 为了减少投影变形，进行投影的中央子午线的变换； 为了满足工程的要求或工程施工方便而建立独立坐标系。,特点： 平面坐标系，投影面根据工程需要定义； 坐标轴指向根据工程需要定义； 坐标轴原点根据工程需要定义。,城市独立坐标系,依据城市测量规范 原则边长投影长度变形不大于2.5cm/km(1/4万) 高程归化改正将地面上观测的长度元素归算到 参考椭球面上而产生的改正 高斯投影改正将参考椭球面上的长度经高斯投影 归算到高斯平面上而产生的改正 类型 国家统一坐标系 抵偿坐标系（中央子午线与国家系相同，边长投影面与国家系不同） 任意带坐标系（中央子午线与国家系不同，边长投影面与国家系可同可异）,测绘基准的现状和未来发展,现状: 1）近5万个全国天文大地网点，历经几十年沧桑，已损毁了近13，在经济发展快的地区，这一现象更为严重。 2）卫星定位技术得到了广泛应用，其点位平面位置的相对定位精度可达10-7量级以上，要比现行的全国大地坐标框架高出1-2个量级。 3）卫星定位的测量成果是三维的、立体的，而现行的大地坐标框架是二维的、平面的。因此，高精度的卫星定位技术所确定的三维测量成果与较低精度的国家二维大地坐标框架不能适配。,未来发展:在国家GPS2000网（三网）的基础上，通过加密GPS2000网和增加GPS永久性追踪站及其相应配套的数据网络系统，建成以270个左右永久性追踪站为枢纽、5000多个高精度的GPS2000加密网点所形成的国现代三维、地心、高精度、动态和实用的大地坐标框架。,高标 参心 局域 二维 低精度 静止 现势性差,CORS站 地心 三维 连续运行 高精度 动态 在线服务,测绘基准的现状和未来发展,2 坐标转换与基准变换,在GPS测量中，经常要进行坐标系变换与基准变换。所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换，基准变换是指在不同的参考基准间进行变换。,空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换,BLHXYZ,空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换,XYZ BLH,参心坐标与站心坐标的转换,高斯投影的正反算,BLxy,高斯投影的正反算,xy BL,不同参考椭球坐标的相互转换,不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，不同基准间的转换方法有很多，其中，最为常用的有布尔沙模型，又称为七参数转换法(3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数 )。,由空间直角坐标系A到空间直角坐标系B的转换关系为：,为某点在空间直角坐标系A的坐标；,为该点在空间直角坐标系B的坐标；,为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的平移参数；,为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的旋转参数；,为空间直角坐标系A转换到空间直角坐标系B的尺度参数。,平面坐标的相互转换,平面坐标系统之间的相互转换实际上是一种二维转换。一般而言，两平面坐标系统之间包含四个原始转换因子，即两个平移因子、一个旋转因子和一个尺度因子。,1).先旋转、再平移、最后统一尺度,2).先平移、再旋转、最后统一尺度,为了适应城市的发展需要和城市基础地理信息数据库的要求，研制了满足城市基础空间数据基准统一和更新的软件 Powercoor坐标转换软件，主要对扩展点数据进行处理 Maptrans软件，主要对图形数据进行处理,3 ITRF参考框架及其相互转换,自1988年起，IERS已经发布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97 和ITRF2000等全球坐标参考框架。 一个地球参考框架的定义，是通过对框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。,二、GPS高程问题,1 高程系统,在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。,大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。,正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离，正高用符号Hg表示。,正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离，正常高用Hr表示。,高程系统之间的转换关系,2 GPS高程的实现方法,等值线图法:从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距，然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。,正常高：,正高：,注意等值线图所适用的坐标系统，在求解正常高或正高时，要采用相应坐标系统的大地高数据。 采用等值线图法确定正常高或正高，其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。,地球模型法:地球模型法本质上是一种数字化的等值线图，目前国际上较常采用的地球模型有OSU91EGM96等。,高程拟合法：利用在范围不大的区域中，高程异常具有一定的几何相关性这一原理，采用数学方法，求解正高、正常高或高程异常。,似大地水准面精化法:在建立区域高精度、三维（GPS）空间定位网、高程控制网的同时，结合重力测量、重力场数据，确定高精度区域似大地水准面。我国有CQG2000，各个省有省级的厘米级似大地水准面模型。,3 提高GPS水准精度的方法,提高GPS大地高(高差)测定的精度 提高似大地水准面模型计算的精度,三、DXF图件转换,1 DXF文件及其对象定义,1 DXF文件及其对象定义,1 DXF文件及其对象定义,1 DXF文件及其对象定义,2 图件转换的实现方法,2 图件转换的实现方法,2 图件转换的实现方法,3 图件转换示例,四、DWG文件转换,目前,国内很多测绘单位常用的测绘软件都是CASS软件系列,所生成的测绘成果多是DWG格式 DWG文件是AutoCAD的图形文件，以二进制形式存储。AutoDesk为了保障其自身的知识产权，DWG文件的文件格式是严格保密的 不过与此同时，为了科学研究和二次开发的需要，AutoDesk公司针对AutoCAD平台上的二次开发而推出的一个开发软件包ObjectArx，它提供了相应接口，能真正快速的访问AutoCAD图形数据库,DWG文件转换,DWG文件转换,软件的编写 基于ObjectArx的DWG图件转换软件的开发对CAD以及程序的开发环境有一定的要求和限制，这主要是ObjectArx语言开发本身的要求。以ObjectArx2010为例，要求的配置和开发环境如下： vs2008+sp1(可在微软官方网站下载) Objectarx2010 AutoCAD2010 软件的使用 Objectarx生成的是CAD可识别的arx加载项 运行AutoCAD2010，加载arx(方法：输入命令“arx“,“L“)