城市建设SRS、GIS、GPS技术空间信息技术基础

1、城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 1 1、本章学习目的、本章学习目的 通过本章学习，了解、掌握地球形态、空间与时间参考通过本章学习，了解、掌握地球形态、空间与时间参考 系统、空间直角人材系统转换和地图投影等基本理论系统、空间直角人材系统转换和地图投影等基本理论 2 2、本章学习内容、本章学习内容 地球形态地球形态 空间与时间参考系统空间与时间参考系统 空间直角坐标系转换空间直角坐标系转换 地图投影与地形图的分幅与编号地图投影与地形图的分幅与编号 大气构造大气构造 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 第一

2、节第一节 地球形态地球形态 铅垂线：地理空间中任意一铅垂线：地理空间中任意一 点的重力作用线。点的重力作用线。 水准面：自由静止的水面。水准面：自由静止的水面。 大地水准面大地水准面 ：与平均海水面与平均海水面 重合，并向大陆、岛屿延伸重合，并向大陆、岛屿延伸 所形成的封闭曲面所形成的封闭曲面 由于大地体表面仍然是具有微小起伏的不规则曲面，无法用由于大地体表面仍然是具有微小起伏的不规则曲面，无法用 数学公式来描述，地理空间中的各种要素，也无法通过数学方法数学公式来描述，地理空间中的各种要素，也无法通过数学方法 在大地体表面进行表达与处理。由此，在地球科学领域，用一个在大地体表面进行表达与处理。

3、由此，在地球科学领域，用一个 与大地的形状、大小最为接近、拟合最好、且能用数学函数表示与大地的形状、大小最为接近、拟合最好、且能用数学函数表示 的椭球体来代表大地体。由图的椭球体来代表大地体。由图21可以看出，地理空间任意一点可以看出，地理空间任意一点 的铅垂线与通过该点的地球椭球面法线，一般不重合，它们之间的铅垂线与通过该点的地球椭球面法线，一般不重合，它们之间 的差值称为垂线偏差。的差值称为垂线偏差。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 地球椭球体是可以用数学公式表示的椭圆绕其短轴旋转而成。地球椭球体是可以用数学公式表示的椭圆绕其短轴旋转而成。 地球椭球体面（地球椭球体表

4、面）虽然整体上与大地水准面地球椭球体面（地球椭球体表面）虽然整体上与大地水准面 （大地体表面）拟合最佳，但不同地区的大地水准面到地球（大地体表面）拟合最佳，但不同地区的大地水准面到地球 椭球面的距离不同，该距离的大小，直接影响地理空间要椭球面的距离不同，该距离的大小，直接影响地理空间要 素，素， 归算到地球椭球面上的精确度，因此，不同的国家和地区，归算到地球椭球面上的精确度，因此，不同的国家和地区， 根据不同时期的观测资料，建立了与本区域大地水准面拟合根据不同时期的观测资料，建立了与本区域大地水准面拟合 最佳的地球椭球体。最佳的地球椭球体。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础

5、 是建立空间参考系统的基础。是建立空间参考系统的基础。我国常用坐我国常用坐 标系及其参考椭球体如下表：标系及其参考椭球体如下表： 在在GPS中，美国使用中，美国使用1984年年IUGG第十七届大会推荐椭球参数建立第十七届大会推荐椭球参数建立 了了GPS专用的专用的WGS-84坐标系统。坐标系统。 时间时间椭球体椭球体坐标系坐标系 1952年以前年以前 采用海福特采用海福特 (Hayford)椭球椭球 体体 1953年起年起 前苏联建立的克前苏联建立的克 拉索夫斯基椭球拉索夫斯基椭球 1954年北京坐标年北京坐标 系系 20世纪世纪70年代末年代末 1975年年IUGG第第 十六届大会推荐十六届

6、大会推荐 椭球参数椭球参数 1980年国家大地年国家大地 坐标系坐标系 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 参考椭球的点线面参考椭球的点线面 参考椭球短轴为椭球旋转轴， 一般与地球旋转轴重合(或 者平行)。旋转轴与椭球面 有两个交点，位于北端的交 点称为北极点，用N表示； 位于南端的交点称为南极点， 用S表示。通过椭球中心O且 垂直于椭球旋转轴NS的平面 为赤道面赤道面与椭球表 面的交线为赤道。包含椭球 旋转轴的平面称为子午面， 子午面与椭球表面的交线称 为子午线。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 GPS、RS、GIS研究与处理的对象，位于地理空间， 包

7、括地表面、地表层，也包括大气层与太空。空间信息 技术涉及空间对象在地理空间的位置、各种要素在地理 空间的分布。确定位置与分布，需要建立相应的空间参 考系统。 GPS、RS涉及到人造卫星，而卫星的运动轨迹与 地球的自转无关，通常建立与地球自转无关的天球坐标天球坐标 系系来描述；位于地表层、地面、大气层的物体与对象， 随地球的连续自转而同步运动，一般建立随地球自转而 同步运动的地球坐标系地球坐标系来描述； 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 ，二维平面空间比二维球面空 间更为方便，一般用平面坐标系描述； 3、利用、利用GPS确定目标的空间位置确定目标的空间位置，其基本观测 量是时

8、间的函数，需要建立时间参考系统。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 地球绕地轴(地球旋转轴)自转，同时绕太阳 公转，地球绕太阳公转的平面 如果假定地球 在空间的位置是静止不变的，相对于地球质心而言， 也可认为太阳在黄道面内绕地球质心运动，太阳绕 地球的运动，称为视运动，亦与地球的自转无关。 1、天球直角坐标系、天球直角坐标系 2、天球球面坐标系、天球球面坐标系 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 为描述卫星空间位置简单起见，设地为描述卫星空间位置简单起见，设地 球质心位于地轴上，且假定地球质心球质心位于地轴上，且假定地球质心 与地轴在宇宙空间的位置静止不动

9、，与地轴在宇宙空间的位置静止不动， 则称以则称以O为球心，半径无穷大的球为天为球心，半径无穷大的球为天 球。地轴无限延伸与天球交于天北极球。地轴无限延伸与天球交于天北极 点点PN、天南极点、天南极点Ps。PN与与Ps的连线的连线 称为天轴，它与地轴重合。过天球球称为天轴，它与地轴重合。过天球球 心心O且垂直于天轴的平面称为天球赤道且垂直于天轴的平面称为天球赤道 面，它与天球相交的大圆称为天球赤面，它与天球相交的大圆称为天球赤 道。黄道面与天球相交的大圆称为黄道。黄道面与天球相交的大圆称为黄 道，黄道与赤道交于春分点道，黄道与赤道交于春分点()与秋分与秋分 点。点。 注：无论是地球的自转，还是太

10、阳绕地球的视运动注：无论是地球的自转，还是太阳绕地球的视运动(地地 球绕太阳公转球绕太阳公转)，其天轴、天球赤道、春分点之间的相，其天轴、天球赤道、春分点之间的相 对关系固定不变。对关系固定不变。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 以地球质心O为原点，O点至 天北极PN的方向为Z轴，O 点至春分点y的方向为X轴， 由X轴、y轴、Z轴按右手坐 标系法则，在天球赤道面内 定义出y轴。O-XYZ空间直 角坐标系称为 。天体S的空间位置，由 天球直角坐标(X、y、Z)来描 述。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 天体S的空间位置，又可由天 球球面坐标(，)来描述

11、。 其中，为S所在天球子午面与 天球基准子午面之间的夹角， 称为赤径； 为O点至S的向 径与赤道面的夹角，称为赤纬； r为地球质心至S的径向长度。 天球直角坐标系与天球球面坐标系，合称为天球天球直角坐标系与天球球面坐标系，合称为天球 坐标系。坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 由于地球不是均质标准椭球体，以及日、月等对地由于地球不是均质标准椭球体，以及日、月等对地 球的引力作用，使得地球的旋转轴球的引力作用，使得地球的旋转轴(地轴地轴)产生抖动产生抖动 与进动，即地轴与进动，即地轴(天球直角坐标系天球直角坐标系Z轴轴)的方向不是固的方向不是固 定不变的。再者，日、月

12、和恒星引力对地球绕日运定不变的。再者，日、月和恒星引力对地球绕日运 动的摄动，使得黄道平面产生变化；再加上地轴方动的摄动，使得黄道平面产生变化；再加上地轴方 向变化使得与地轴垂直的赤道面产生倾斜，导致黄向变化使得与地轴垂直的赤道面产生倾斜，导致黄 道与赤道相交的春分点也发生变化。地轴方向与春道与赤道相交的春分点也发生变化。地轴方向与春 分点的变化是十分复杂的，一般分为长期变化分点的变化是十分复杂的，一般分为长期变化(称为称为 岁差岁差)和短周期变化和短周期变化(称为章动称为章动)。岁差与章动使得。岁差与章动使得天天 轴坐标系不是固定的，实际计算中，需要考虑岁差轴坐标系不是固定的，实际计算中，需

13、要考虑岁差 与章动的影响。与章动的影响。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 由天球坐标系定义可知，地球上的任一固定点在天由天球坐标系定义可知，地球上的任一固定点在天 球坐标系中的坐标，将随地球的自转而连续改变。球坐标系中的坐标，将随地球的自转而连续改变。 为了使用上方便，必须建立与地球固定，随地球同为了使用上方便，必须建立与地球固定，随地球同 频转动的坐标系，即地球坐标系。频转动的坐标系，即地球坐标系。 地球坐标系也分地球坐标系也分 为地球直角坐标系和地球球面坐标系。在卫星大地为地球直角坐标系和地球球面坐标系。在卫星大地 测量中，通常把地球球面坐标系称为大地坐标系。测量中，

14、通常把地球球面坐标系称为大地坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 原点原点O与地球质心重合，与地球质心重合， Z轴指向地球北极轴指向地球北极(地球旋地球旋 转轴与地球表面或地球椭转轴与地球表面或地球椭 球面的交点球面的交点)，X轴为轴为O点点 指向过英国格林尼治的起指向过英国格林尼治的起 始子午面与地球椭球赤道始子午面与地球椭球赤道 的交点的交点E，y轴垂直于轴垂直于 XOZ平面且平面且X、y、Z轴构轴构 成右手坐标系。成右手坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 大地坐标系的球面是长半径大地坐标系的球面是长半径 为为a、短半径为、短半径为b的

15、椭圆绕短的椭圆绕短 轴旋转后所形成的椭球面。轴旋转后所形成的椭球面。 椭球球心与地球直角坐标系椭球球心与地球直角坐标系 原点原点O(地球质心地球质心)重合，短轴重合，短轴 与地球直角坐标系与地球直角坐标系Z轴轴(地球地球 旋转轴旋转轴)重合。包含椭球中心重合。包含椭球中心 且垂直于短轴的平面称为地且垂直于短轴的平面称为地 球赤道面，包含椭球短轴的球赤道面，包含椭球短轴的 平面称为椭球子午面，通过平面称为椭球子午面，通过 格林尼治天文台的椭球子午格林尼治天文台的椭球子午 面定义为起始子午面。面定义为起始子午面。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 地理空间地理空间P点的位置，用

16、大点的位置，用大 地坐标地坐标(L，B，H)表示。表示。L 为过为过P点的椭球子午面与起点的椭球子午面与起 始子午面之间的夹角，称为始子午面之间的夹角，称为 ；B为过为过P点的地点的地 球椭球面法线与地球赤道面球椭球面法线与地球赤道面 的夹角，称为的夹角，称为；H 为为P点沿点沿P点椭球面法线方点椭球面法线方 向至椭球面的距离，称为向至椭球面的距离，称为 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 (大地水准面所包围的形体)是不规则的、近似 于梨形的形体，相对于能用数学公式表达的地球椭球 体而言，不同地理位置的大地体，其凸凹程度存在较 大差异。为了满足不同用途和保证各区域定位精度和

17、使用上的方便，地球坐标系有公用的坐标系，也有各 个国家或地区建立地球坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 WGS-84(World Geodetic System)坐标系是美国 国防部测量局从20世纪60年代开始建设，分别建 有WGS-60、WGS-66、WGS-72。经过不断地改 进，于1984年启用WGS-84，GPS使用WGS-84。 由于GPS在世界各个国家、各个领域广泛应用， WGS-84顺理成章地成为了全球公用的地球坐标 系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 我国目前使用的国家大地坐标系有两个：1954年北京 坐标系(简称BJ54)和

18、1980年国家大地坐标系(简称 GDZ80). 我国1949年建国后，由于历史 条件限制，没有建立椭球的足够资料，暂时采用了克 拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年大地坐标系 进行联测、计算，建立了我国的大地坐标系，命名为 1954年北京坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 由于BJ54的椭球参数和大地原点实际上是前苏联 的1942年坐标系，随着测绘理论与技术的不断发 展、完善和我国区域内测绘成果的实际验证，发 现BJ54系统存在诸多缺陷（如在我国东部地区最 大相差达68米；椭球短轴指向不明确；几何大地 测量与物理大地测量的参考面不统一等问题）。 城市建设SRS、

19、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 定义定义：直角坐标系原点为参考椭球中心(不在地球质 心)，Z轴(椭球短轴方向)平行于地球自转轴(地球质 心指向地极原点JYDl968.0 的方向)，起始子午面平 行于格林尼治平均天文台子午面。X轴位于起始子 午面内，且与Z轴垂直，指向大地零经度方向，X轴、 y轴与Z轴构成右手坐标系，椭球参数采用1975年 IUGG第十六届年会的推荐值。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 在GPS定位中，通常采用以地面观测站为坐标原点 的站心坐标，来描述卫星与测站之间的方位角、高 度角和距离，以便确定观测方案时了解卫星在天空 中的分布状况。 站心坐标系站

20、心坐标系分为站心地平直角坐站心地平直角坐 标系标系和站心地平极坐标系站心地平极坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 O点是地球椭球点是地球椭球(以下简称椭球以下简称椭球) 中心，中心，O-XYZ为地球坐标系。为地球坐标系。 在在GPS中，中，O-XYZ一般指一般指 WGS-84坐标系。坐标系。P为地面观测为地面观测 站，站，S为空间卫星。为空间卫星。 定义为：定义为： 过过P点的椭球面法线为点的椭球面法线为z轴，指轴，指 向向P点天顶方向为正；垂直于点天顶方向为正；垂直于Z 轴且由轴且由P点指向椭球旋转轴的点指向椭球旋转轴的 方向为方向为x轴，指向北方为正；轴，指向北

21、方为正；X 轴、轴、Y轴与轴与z轴构成左手坐标系。轴构成左手坐标系。 xPy平面为过测站平面为过测站P点且垂直于点且垂直于P点天顶方向的地平面，故以测站点天顶方向的地平面，故以测站 中心为原点的直角坐标系中心为原点的直角坐标系P-xyz，称为站心地平直角坐标系。其，称为站心地平直角坐标系。其x 轴指向地平北方向，轴指向地平北方向，Y轴指向地平东方向，轴指向地平东方向，z轴指向测站天顶方向。轴指向测站天顶方向。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 站心地平极坐标系定义：设站心地平极坐标系定义：设 xPy平面为基准面，平面为基准面，P点为极点为极 点，点，Px轴为极轴，轴为极轴，

22、zPx平面平面 顺时针量至顺时针量至zPS平面的夹角平面的夹角 称为方位角，用称为方位角，用A表示，取表示，取 值值O；PS直线与直线与xPy平面之平面之 间的夹角，称为高度角，用间的夹角，称为高度角，用h 表示，由表示，由xPy平面起算，取平面起算，取 值值 O；P点至点至S点的距离，点的距离， 用用r表示。由于基准面表示。由于基准面xPy为为 地平面，则称地平面，则称P-Ahr为站心为站心 地平极坐标系地平极坐标系. 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 地面点的空间位置，可以用空间直角坐标或 用大地坐标与大地高表示。在实 际应用中， 地面点、地表要素，更多的是用平面直角坐

23、 标与正高(高程)表示。 国家平面直角坐标系 地方平面直角坐标系 假定平面直角坐标系。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 2、高程、高程 绝对高程：地面点沿铅垂线至大地水准面的距离，绝对高程：地面点沿铅垂线至大地水准面的距离， 亦称为海拔。亦称为海拔。 假定高程：以某假定水准面作为起算假定高程：以某假定水准面作为起算 面，则地面点沿铅垂线至假定水准面的距离，亦称面，则地面点沿铅垂线至假定水准面的距离，亦称 为相对高程。为相对高程。 HA、HB分别是分别是A、B两点的绝对高两点的绝对高 程，程，HA,HB是是A、B两点的相对高两点的相对高 程。通过联测一点程。通过联测一点A(

24、或其他点或其他点)， 求出求出A点绝对高程点绝对高程HA和假定高程和假定高程 HA，即可获得假定水准面与大地，即可获得假定水准面与大地 水准面之间的高差水准面之间的高差H，其他各点，其他各点 通过通过H，便可进行绝对高程与假，便可进行绝对高程与假 定高程的换算。定高程的换算。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 表示地面点的高程，在大表示地面点的高程，在大 地坐标系中，使用大地高，地坐标系中，使用大地高， 大地高是地面点沿参考椭大地高是地面点沿参考椭 球面法线至参考椭球面的球面法线至参考椭球面的 距离。如图距离。如图2-10，设，设A点点 绝对高程为绝对高程为HA，A点在大点

25、在大 地坐标系里的大地高为地坐标系里的大地高为H 大地高，由于大地水准面大地高，由于大地水准面 与参考椭球面不重合，它与参考椭球面不重合，它 们之间的距离称为高程异们之间的距离称为高程异 常，用常，用表示，则有：表示，则有： = H大地高 大地高-HA 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 利用GPS定位与导航，需要获得若干颗卫星的空间 位置以及该位置上卫星至目标的距离。实际上，卫 星的位置并不是静止不动的，它以约3.9kms的速 度在轨 道上高速运动。 不同的时刻，卫星的位置不同，卫星位置是时间的 函数。 再者，卫星至目标的距离，是依据卫星在某一位置 上发射信号的时刻与目标点

26、的接收机收到同一信号 的时刻之间的时间差，再乘以信号的传播速度而间 接得到的。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 根据卫星的运动速度和信号的传播速度，可以证 明，如果要使卫星的位置误差小于1 cm，其测定 时间的精度应达到2.610-6s；如果要求测定距离 的精度也小于1 cm，信号传播的时间误差应小于 3.010-11s。由此可见，时间系统对于GPS的定 位与导航，具有特别重要的作用。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 1)恒星时 2)平太阳时 3)世界时 4)国际原子时 5)协调世界时 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 以春分点为

27、参考点，根据春分点的周日视运动所确以春分点为参考点，根据春分点的周日视运动所确 定的时间，称为恒星时。地球自转时，春分点连续定的时间，称为恒星时。地球自转时，春分点连续 两次经过本地子午圈的时间间隔定为一个恒星日，两次经过本地子午圈的时间间隔定为一个恒星日， 等分为等分为24个恒星时。恒星时具有地方性，亦称为地个恒星时。恒星时具有地方性，亦称为地 方恒星时。方恒星时。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 由于地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，根据天体运由于地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，根据天体运 动的开普勒定律可知，真太阳的视运动速度是变化的。动的开普勒定律可知，真太阳的视运

28、动速度是变化的。 为了弥补真太阳的这一变化缺陷，设想存在一个假太为了弥补真太阳的这一变化缺陷，设想存在一个假太 阳存在，它以真太阳周年运动的平均速度，在天球赤阳存在，它以真太阳周年运动的平均速度，在天球赤 道上作周年视运动，且周期与真太阳相同，称这个假道上作周年视运动，且周期与真太阳相同，称这个假 太阳为平太阳，以平太阳为参考点，根据平太阳的周太阳为平太阳，以平太阳为参考点，根据平太阳的周 日视运动所确定的时间，称为平太阳时。日视运动所确定的时间，称为平太阳时。 与恒星时类似，平太阳连续两次经过本地子午圈的时与恒星时类似，平太阳连续两次经过本地子午圈的时 间间隔为一个平太阳日，等分为间间隔为一

29、个平太阳日，等分为24个平太阳时，某地个平太阳时，某地 某一时刻的平太阳时，在数值上等于本地子午圈相对某一时刻的平太阳时，在数值上等于本地子午圈相对 于平太阳的时角。同一时刻不同点的平太阳时不同，于平太阳的时角。同一时刻不同点的平太阳时不同， 平太阳时也具有地方性，亦称为地方平太阳时或地方平太阳时也具有地方性，亦称为地方平太阳时或地方 平时。平时。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时，称为世界时，以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时，称为世界时， 世界时以地球自转轴为基础。世界时与平太阳时尺度相世界时以地球自转轴为基础。世界时与平太阳时尺

30、度相 同，但起算点与格林尼治平太阳时起算点相差同，但起算点与格林尼治平太阳时起算点相差12h。若。若 以以GMST表示格林尼治的平太阳时，则世界时表示格林尼治的平太阳时，则世界时UT为：为： UT=GMST+12 h 原子时是利用原子钟所建立的时间系统。原子时采用国原子时是利用原子钟所建立的时间系统。原子时采用国 际制秒际制秒(SI)。国际时间局从。国际时间局从1977年开始，根据全球精选年开始，根据全球精选 出的不同地点约一百台原子钟，经高精度时间对比和数出的不同地点约一百台原子钟，经高精度时间对比和数 据处理后推算出的一个时间系统，称为国际原子时据处理后推算出的一个时间系统，称为国际原子时

31、 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 为了利用原子时的优点，同时又满足对世界时的实为了利用原子时的优点，同时又满足对世界时的实 际应用需要，国际无线电科技协会和国际天文学会际应用需要，国际无线电科技协会和国际天文学会 建立了一个两者兼而有之的时间系统。即，以原子建立了一个两者兼而有之的时间系统。即，以原子 时的国际制秒时的国际制秒(SI)为基础，用正负闰秒的方法保持为基础，用正负闰秒的方法保持 与世界时相差在一秒以内的一种时间，这种时间称与世界时相差在一秒以内的一种时间，这种时间称 为协调世界时。协调世界时的秒长严格等于原子时为协调世界时。协调世界时的秒长严格等于原子时 的秒

32、长，即使用国际制秒。目前几乎所有国家发布的秒长，即使用国际制秒。目前几乎所有国家发布 的时号，均以的时号，均以UTC为标准。为标准。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 利用利用GPS定位与导航，其卫星在太空的瞬时位置，定位与导航，其卫星在太空的瞬时位置， 卫星信号的发射、传播和接收，都依赖于时间，为卫星信号的发射、传播和接收，都依赖于时间，为 此，此，GPS建立了自己的专用时间系统。这个时间系建立了自己的专用时间系统。这个时间系 统简称为统简称为GPST(GPS时：时：GPS Time)，它由，它由GPS主主 控站的高精度原子钟守时与授时。控站的高精度原子钟守时与授时。 城

33、市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 GPST使用原子时系统，它的秒长等于原子时秒长，使用原子时系统，它的秒长等于原子时秒长， 原点与原点与1980年年1月月6日零时时刻的协调世界时日零时时刻的协调世界时(UTC) 相同，而与该同一时刻的原子时相差相同，而与该同一时刻的原子时相差19s，此时，此时， 协调世界时已累计闰协调世界时已累计闰19s。 GPST启动后不跳秒，保持时间的连续性。启动后不跳秒，保持时间的连续性。GPST 与与UTC的整秒差以及秒以下的差异，通过时间服务的整秒差以及秒以下的差异，通过时间服务 部门定期公布。在利用部门定期公布。在利用GPST进行时间校对时，需进

34、行时间校对时，需 注意其与注意其与UTC的整秒差的整秒差n. 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 1 天球直角坐标系与地球直角坐标系之间的转换天球直角坐标系与地球直角坐标系之间的转换 由天球直角坐标系O-XYZ与地球直角 坐标系o-xyz的定义可知，两坐标系的 原点均位于地球质心O，O-XYZ的Z轴 和o-xyz的z轴均为地球旋转轴，O- XYZ的X、Y轴所在平面XOY(天球赤道 面)与O-xyz的x、y轴所在平面xoy(地球 赤道面)重合，均为过地球质心且垂直 于地球旋转轴的平面。 设O-XYZ中的X轴与o-xyz的x轴之间 的夹角为GAST，由恒星时的定义可知， GASI

35、等于格林尼治的恒星时角，是时 间的函数.坐标转换时，只需将O-XYZ 坐标系绕o-xyz坐标系的z轴旋转GAST 角即可 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 2 不同地球直角坐标系之间的转换不同地球直角坐标系之间的转换 目前世界上各国所使用的地球直角坐标系，与全球的统一地目前世界上各国所使用的地球直角坐标系，与全球的统一地 球直角坐标系，在原点位置、三个轴的方向上，立的直角坐球直角坐标系，在原点位置、三个轴的方向上，立的直角坐 标系为标系为1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54)和和1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 (GDZ80)，它们属于三个不同的地球坐标系，且

36、，它们属于三个不同的地球坐标系，且BJ54与与 GDZ80属于两个不同参心属于两个不同参心(参考椭球中心参考椭球中心)的地球坐标系的地球坐标系. 地地 球直角坐标系之间的转换，包括地心直角坐标与参心直角坐球直角坐标系之间的转换，包括地心直角坐标与参心直角坐 标，不同的两参心直角坐标之间的转换。对于我国，主要标，不同的两参心直角坐标之间的转换。对于我国，主要 WGS-84与与BJ54或或GDZ80之间的转换和之间的转换和BJ54与与GDZ80之间之间 相互转换等相互转换等. 进行不同的地球直角坐标系之间转换，关键是进行不同的地球直角坐标系之间转换，关键是 建立两个坐标系之间转换的数学模型。建立两

37、个坐标系之间转换的数学模型。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表 示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标 到平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。到平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。 地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例 尺变换，而且还存在着投影转换的问题。将椭尺变换，而且还存在着投影转换的问题。将椭 球面上各点的大地坐标，按着一定的数学法则，球面上各点的大地坐标，按着一定的数学法则， 变换为平面上相应点的

38、平面直角坐标，称之为变换为平面上相应点的平面直角坐标，称之为 地图投影。地图投影的方法很多，我国主要采地图投影。地图投影的方法很多，我国主要采 用高斯用高斯克吕格投影。克吕格投影。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 地图投影的实质是建立球面和平面之间的函数关系，使地图投影的实质是建立球面和平面之间的函数关系，使 球面上的点对应到平面上或可展示的平面上，其转换的球面上的点对应到平面上或可展示的平面上，其转换的 数学函数是：数学函数是： X = f1 (X = f1 ( ， ）；）；Y = f2 (Y = f2 ( ， ） 其中（其中（X X，Y Y）是平面直角坐标；）是平面直

39、角坐标； ( ( ， ）是地球表面的地理坐标。）是地球表面的地理坐标。 转换解算方法主要可归为正解变换和反解变换转换解算方法主要可归为正解变换和反解变换 正解变换：一般地把由地理坐标求出地图平面直角坐标正解变换：一般地把由地理坐标求出地图平面直角坐标 的形式称为正算式，称正解变换，也称直接变换法的形式称为正算式，称正解变换，也称直接变换法 。 反解变换：把由地图直角坐标求出地理坐标的形式称为反解变换：把由地图直角坐标求出地理坐标的形式称为 反算式，称反解变换，也称间接变换法反算式，称反解变换，也称间接变换法 。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 一、地图投影的种类一、地图投

40、影的种类 地球表面经投影变换后其角度、面积、形状、距离会产生某地球表面经投影变换后其角度、面积、形状、距离会产生某 种变形，变形虽不可避免，但可以控制，也就是可以使某一种变形，变形虽不可避免，但可以控制，也就是可以使某一 种变形为零，也可以使各种变形减少到最小程度，产生了各种变形为零，也可以使各种变形减少到最小程度，产生了各 种不同的投影变换。种不同的投影变换。 1 1、按变形的性质分等角投影，等积投影，等距投影；、按变形的性质分等角投影，等积投影，等距投影； 2 2、按展开方式分方位投影、圆柱投影、圆锥投影；、按展开方式分方位投影、圆柱投影、圆锥投影； 3 3、按投影面与地球相割或相切分割投

41、影和切投影。、按投影面与地球相割或相切分割投影和切投影。 总之，地图的投影变换是空间数据处理的重要内容之一总之，地图的投影变换是空间数据处理的重要内容之一 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 投影面和球面的关系投影面和球面的关系 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 几种投影方式展开图 方位投影展开图圆锥投影展开图圆柱投影展开图 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 二、二、 GISGIS中地图投影的选择中地图投影的选择 随区域经纬度不同、地图比例尺不同、及地图用途随区域经纬度不同、地图比例

42、尺不同、及地图用途 不同，地图投影方法也不同，现有地图投影方法共不同，地图投影方法也不同，现有地图投影方法共 有有200200多种。但常用的也就多种。但常用的也就2020多种。多种。 1 1、选择的投影系统应与国家基本图（基本比例、选择的投影系统应与国家基本图（基本比例 尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统 一致；一致； 2 2、系统一般采用两种投影系统；、系统一般采用两种投影系统； 一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出；一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出； 一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；一种服务于中小比例尺的数据处理与输入

43、输出； 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 3 3、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、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 在投影带中应保持完整。在投影带中应保持完整。 GISGIS投影为例：投影为例： 加拿大：加拿大：= 1:50= 1:50万万采用采用UTMUTM（墨卡托投影）（墨卡托投影） 1:50= 1:50= 1:50万万采用采用UTM; UTM; 1:50 = 1:50= 1:50万万采用高斯投影；采用高斯投影； 1:50100(100万万) )，采用高斯，采用高斯克吕克吕 格投影（横轴等角切圆柱投影）；格投影（横轴等角切圆柱投

44、影）； 2 2、我国、我国1 1：100100万地形图采用了万地形图采用了Lambert(Lambert(兰勃特兰勃特) )投影投影 （正轴等角割圆锥投影）；（正轴等角割圆锥投影）； 3 3、我国大部分省区地图以及大多数这一比例尺的地图、我国大部分省区地图以及大多数这一比例尺的地图 也多采用也多采用LambertLambert投影和属于同一投影系统的投影和属于同一投影系统的Alberts(Alberts(阿尔阿尔 伯斯伯斯) )投影（正轴等面积割圆锥投影）；投影（正轴等面积割圆锥投影）； 总之，在我国大比例尺时，采用高斯总之，在我国大比例尺时，采用高斯克吕格投影，中克吕格投影，中 小比例尺采用

45、兰勃特投影。小比例尺采用兰勃特投影。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 （二）高斯（二）高斯克吕格投影克吕格投影( (简称高斯投影简称高斯投影) ) 高斯高斯克吕格投影是横轴等角切椭圆柱投影。克吕格投影是横轴等角切椭圆柱投影。 从几何上看，它用一个椭圆柱套在地球椭球体外面，并从几何上看，它用一个椭圆柱套在地球椭球体外面，并 与某一子午线相切（此子午线称做中央经线），使椭圆柱的与某一子午线相切（此子午线称做中央经线），使椭圆柱的 中心轴位于椭球体的赤道面上中心轴位于椭球体的赤道面上. . 经纬线的投影是首先将中央经线向东和向西按一定经差范围，经纬线的投影是首先将中央经线向东和

46、向西按一定经差范围， 将经纬线交点投影到椭圆柱面上，再将此椭圆柱面展为平面。将经纬线交点投影到椭圆柱面上，再将此椭圆柱面展为平面。 高斯克吕格投影不仅在我国而且在东欧一些国家也采高斯克吕格投影不仅在我国而且在东欧一些国家也采 用其作为地形图数学基础，美国、加拿大、法国等国家也有用其作为地形图数学基础，美国、加拿大、法国等国家也有 局部地区采用该投影作为大比例尺地图的数学基础。局部地区采用该投影作为大比例尺地图的数学基础。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 1 1、高斯投影特征：、高斯投影特征： （1 1）中央经线和赤道投影后为互相垂直的直线，且为投影的）中央经线和赤道投影后

47、为互相垂直的直线，且为投影的 对称轴；对称轴； （2 2）投影具有等角的性质）投影具有等角的性质( (投影后经纬线相垂直投影后经纬线相垂直) )； （3 3）中央经线投影后保持长度不变。）中央经线投影后保持长度不变。 由于高斯克吕格投影的变形大小与经差有关，经差愈由于高斯克吕格投影的变形大小与经差有关，经差愈 大则变形愈大，因此这种投影在用于大比例尺地图中时都采大则变形愈大，因此这种投影在用于大比例尺地图中时都采 用分带的方法，即将地球按一定的经差（用分带的方法，即将地球按一定的经差（6 6度，度，3 3度）分成若度）分成若 干互不重叠的带，各带分别投影，从而将变形控制在一定的干互不重叠的带，

48、各带分别投影，从而将变形控制在一定的 精度范围内。精度范围内。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 2 2、我国高斯投影的分带方法、我国高斯投影的分带方法 1:2.51:2.5万至万至1:501:50万的地形图，采用万的地形图，采用6 6 带，全球共分为带，全球共分为6060 个投影带；我国位于东经个投影带；我国位于东经72 72 到到136 136 间，共含间，共含1111个投影个投影 带；带；1:11:1万及更大比例尺图采用万及更大比例尺图采用3 3 带，全球共带，全球共120120个带。个带。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 3 3、高斯、高斯-克

49、吕格投影的优点：克吕格投影的优点： （1 1）等角性适合系列比例尺地图的使用与编制；）等角性适合系列比例尺地图的使用与编制； （2 2）经纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用；）经纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用； （3 3）计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一）计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一 个带。个带。 由于高斯由于高斯- -克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全 相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅 是中央经线或投影带号不同。为了确切表示某点的位置，需是

50、中央经线或投影带号不同。为了确切表示某点的位置，需 要在要在Y Y坐标值前面冠以带号。如表示某点的横坐标为米，前坐标值前面冠以带号。如表示某点的横坐标为米，前 面两位数字面两位数字“20”20”即表示该点所处的投影带号。即表示该点所处的投影带号。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 经过高斯分带投影后，每个投影带均可建立一经过高斯分带投影后，每个投影带均可建立一 个以个以 所在带中央子午线为纵轴所在带中央子午线为纵轴x，赤道为横轴，赤道为横轴y的高斯平的高斯平 面直角坐标系。我国位于北半球，面直角坐标系。我国位于北半球，x坐标均为正，坐标均为正， 而每带中的而每带中的Y坐标有

51、正有负。坐标有正有负。 为了避免为了避免Y坐标出现负值，需将每带投影后的坐标出现负值，需将每带投影后的x轴向轴向 西平移西平移500km。为了表明某点位于哪一投影带，还。为了表明某点位于哪一投影带，还 需在需在Y坐标前再加入所在带带号。坐标前再加入所在带带号。 例如，设位于高斯例如，设位于高斯3投影带第投影带第38带的带的A、B两点在两点在 没有平移没有平移x轴且没有加入代号的横坐标分别为：轴且没有加入代号的横坐标分别为： yA=+116865.569 m yB=-157239.678 m 当考虑当考虑x轴向西平移轴向西平移500km，并加入带号后，其，并加入带号后，其A、 B两点的实际横坐标

52、为：两点的实际横坐标为： YA=38616865.569 m YB=38342760.322 m 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 （二）（二）兰勃特投影兰勃特投影 我国1：比例尺地形图使用兰勃特投影，该投影实 质上是正轴等角割圆锥投影。 兰勃特投影采用分带 投影方法。即，从纬度(赤道)0o开始，至纬度60o处， 按纬差4o为一投影带，从南向北，共分为15个投影 带。 我国1：比例尺地形图，在分带投影基础上， 从经度0o开始，自西向东，每隔经差6o进行分幅。 这样，每幅图的范围为经差6o的两条经线和纬差4o 的两条纬线为边界的椭球面区域。 有关兰勃特投影 的投影变形分析以及投影的坐标计算公式与方法可 参考有关地图制图的文献。 城市建设SRS、GIS、GPS技术空 间信息技术基础 四、地形图的分幅与编号四、地形图的分幅与编号 我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:1001:100万地形万地形