地理空间参照系统与地图投影.ppt

第2讲地理空间参照系统与地图投影 本讲导读地理空间地球模型空间坐标系统地图投影关于空间参考若干概念的辨析高程系统坐标系统的转换地图的分幅和编号 2 1地理空间 Geo space 图2 1固体地球表面 地球景观 地球表面的形态 地理空间实质上就是地球上大气圈 水圈 生物圈 岩石圈 土壤圈交互作用的区域 地球表层 在GIS中 地理空间采用绝对空间和相对空间来定义 绝对空间 具有属性描述的空间位置的集合 由一系列不同位置的空间坐标值组成 相对空间 具有空间属性特征的实体的集合 由不同实体之间的空间关系构成 2 2地球模型 地球表面 大地水准面 地球模型 地球模型 三级近似 地球自然表面 极不规则 无法用数学表面进行描述 水准面所包围的球体 大地水准面所包围的球体 旋转椭球体 不规则性 动态性 不唯一性 不规则性 相对唯一性 标准数学曲面1906 海福特椭球1940 克拉索夫斯基椭球1978 1975年国际椭球 椭圆的第二偏心率 椭圆的长半轴 a椭圆的短半轴 b椭圆的扁率 椭圆的第一偏心率 参考椭球举例 一个国家或地区在建立大地坐标系时 为使地球椭球面更切合本国或本地区的自然地球表面 往往需要选择合适的椭球参数 确定一个大地原点的起始数据 并进行椭球的定位 大地原点 和定向 由此得到基准面 局部地理坐标基准 地心地理坐标基准 2 3空间坐标系统地球上的任何一点都有其相应的空间位置 对该位置进行度量 则需要建立坐标系统 坐标系统是以地球参考椭球面为依据建立的 一般采用以下方式 大地坐标 地理坐标 系统空间直角坐标系统投影坐标系统线性参照系统 地理坐标系是以地理极 北极 南极 为极点 通过A点作椭球面的垂线 称之为过A点的法线 法线与赤道面的交角 叫做A点的纬度B 过A点的子午面与通过原英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角 叫做A点的经度L 大地 地理坐标系统 N S E 赤 道 纬 线 本 初 子 午 线 W A B L 空间直角坐标系统 1954北京空间直角坐标系参考椭球 Krassovsky椭球大地原点 前苏联普尔科沃天文台Z轴 平行于地球质心指向地极原点JYD1968的方向X轴 在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向Y轴 与Z X轴构成右手直角坐标系 空间直角坐标系统 1980西安空间直角坐标系参考椭球 1975国际椭球大地原点 陕西泾阳县永乐镇Z轴 平行于地球质心指向地极原点JYD1968的方向X轴 在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向Y轴 与Z X轴构成右手直角坐标系 Z X Y 地球质心 赤道 JYD1968 空间直角坐标系统 WGS84空间直角坐标系参考椭球 WGS 84椭球原点 地球质心Z轴 BIH1984定义的协议地球极 CTP X轴 BIH1984的零子午面与CTP赤道的交点Y轴 与Z X轴构成右手直角坐标系 Z X Y 地球质心 赤道 CTP 投影坐标系统使用地图投影方法 建立地球表面和平面上点的函数关系 使地球表面上任一点由大地 地理坐标 L B 确定的点 在平面上必有一个与它对应的点 平面任一点的位置可以采用平面坐标或极坐标表示 线性参照系统 LinearReferencing 对 事件 沿线性实体定位 在道路网络上的交通管理调度事故记录和分析道路与周围环境的关系点源的资源在道路系统的分配道路工程管理 二维直角坐标描述 从线性对象某一点开始按长度 measure 进行相对定位 线性参考的实质是以已知的线性对象为依据 将其他 事件 或 热点 以一维的量测值将其定位到该线性对象上 如沪宁高速232KM 200m 2 4地图投影 地球椭球体是数学曲面 是不可展曲面 而地图通常采用平面表示地理空间 如何把不可展曲面上的地理对象展绘在平面图纸上 使其能表示连续的地理对象 地图投影就是这种把曲面上地理对象影射到平面的有效方法 地图投影 mapprojection 的实质就是按照一定的数学法则 将地球椭球面上的经纬网转换到平面上 建立地面点位的地理坐标 B L 与地图上相对应的平面直角坐标 X Y 之间一一对应的函数关系 投影变形地球椭球表面是一种不可能展开的曲面 要把这样一个曲面表现到平面上 就会发生裂隙或褶皱 在投影面上 可运用经纬线的 拉伸 或 压缩 通过数学手段 来加以避免 以便形成一幅完整的地图 不可避免会产生变形 投影变形 地图投影的变形 通常有 长度变形面积变形角度变形在实际应用中 根据使用地图的目的 限定某种变形 地图投影分类按地图投影的构成方法分类几何投影按辅助投影面的类型划分方位投影 以平面作为投影面圆柱投影 以圆柱面作为投影面圆锥投影 以圆锥面作为投影面按投影面与地球自转轴间的方位关系划分正轴投影 投影面的中心轴与地轴重合横轴投影 投影面中心轴与地轴相互垂直斜轴投影 投影面的中心轴与地轴斜交按投影面与地球的位置关系划分切投影 投影面与椭球面相切割投影 投影面与椭球面相割分离投影 投影面与椭球面相离 切投影 割投影 地图投影分类按地图投影的构成方法分类几何投影非几何投影伪方位投影 纬线为同心圆 中央经线为直线 其余的经线均为对称于中央经线的曲线 且相交于纬线的共同圆心 伪圆柱投影 纬线为平行直线 中央经线为直线 其余的经线均为对称于中央经线的曲线 伪圆锥投影 纬线为同心圆弧 中央经线为直线 其余经线均为对称于中央经线的曲线 多圆锥投影 纬线为同周圆弧 其圆心均位于中央经线上 中央经线为直线 其余的经线均为对称于中央经线的曲线 地图投影分类按地图投影的构成方法分类按投影变形性质分类等角投影 正形投影 等面积投影等距投影任意投影 常用投影之一 高斯 克吕格投影实质上是横轴切圆柱正形投影 高斯投影6 和3 带分带 中央子午线 Y X 500Km X 赤道 高斯投影特点中央子午线长度变形比为1 在同一条经线上 长度变形随纬度的降低而增大 在赤道处为最大 在同一条纬线上 长度变形随经差的增加而增大 且增大速度较快 在6 带范围内 长度最大变形不超过0 14 常用投影之二 UTM投影实质上是横轴割圆柱正形投影 84 84 UTM投影特点中央子午线长度变形比为0 9996 在6 带内最大长度变形不超过0 04 投影带编号 第1带在177 W 自东径180 自西向东排列 其它同高斯投影 常用投影之三 兰勃特Lambert投影实质上是正轴等角割圆锥投影 兰勃特等角投影后纬线为同心圆弧 经线为直线 且垂直于纬线 地图投影的选择选择制图投影时 主要考虑因素制图区域的范围 形状和地理位置 地图的用途 出版方式及其他特殊要求等 其中制图区域的范围 形状和地理位置是主要因素 投影选择实例世界地图 主要采用正圆柱 伪圆柱和多圆锥投影 在编绘世界航线图 世界交通图与世界时区图时也采用墨卡托投影 中国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影 对于半球地图 东 西半球图常选用横轴方位投影 南 北半球图常选用正轴方位投影 水 陆半球图一般选用斜轴方位投影 在东西延伸的中纬度地区 一般采用正轴圆锥投影 如中国与美国 在南北方向延伸的地区 一般采用横轴圆柱投影或多圆锥投影 如智利与阿根廷 2 5关于空间参考若干概念辨析空间参考 spatialreference 坐标系统 coordinatesystem 投影 projection 基准面 datum 椭球 ellipsoid 例如 我的数据采用WGS84坐标系统 意味着什么 坐标系统坐标系统是描述相对于中心点空间位置的一种表达方式 有 地心坐标系统 相对于地心的X Y Z GPS使用 球面 地理坐标系统 经度 纬度及相对于基准面的高度笛卡尔平面坐标系统 包括投影平面坐标系统和局部平面坐标系统 将地球表面当做平坦面的坐标系统 椭球体和基准面椭球体 对大地体进行逼近的旋转椭球 由长 短半径 扁率等参数来定义 基准面 完成定位和定向的椭球体 基准面为描述地球表面位置提供了参考框架 基准面定义了一个椭球 并通过采用地面上一系列点将其与椭球上的点关联起来 由此得到地球的中心 但是由于大陆漂移导致这些点位随时间变化而变化 这就产生了不同的基准面 因此 这就是基准面具有时间标记的原因 例如WorldGeodeticDatum1984 WGS84 NorthAmericanDatum1983 NAD83 因此 我的数据采用WGS84坐标系统 的提法是不完整的 只能知道数据采用的是WGS84基准面 是何种坐标系统仍不确定 北京54坐标系 BJZ54 西安80坐标系 投影将地球表面的对象的位置及形态投影到平面 便于制图或计算机屏幕显示 投影会产生几何变形 面积 形状 角度 距离不同投影的共同特征是将球面上的要素变换到笛卡尔平面坐标系统中 PlateCarree 投影 将经度为y方向 纬度为x方向 等间距布设 空间参考空间参考是以上几者的组合 它定义了一个椭球 使用该椭球的基准面 地心 地理 投影坐标系统 在EuropeanPetroleumSurveyGroup EPSG 中预定义了一系列空间参考 定义参数 使用唯一的ID来引用 例如 EPSG 4326 http spatialreference org 该站还包括4362个EPSG空间参考 447个ESRI空间参考 2380IAU2000空间参考 1005个spatialreference org的空间参考 EPSG 21420 北京54 6 带高斯 克吕格投影 EPSG 21420 西安1980 Gauss Krugerzone20 2 6高程系统高程是表示地球上一点至参考基准面的距离 它和水平量值一起 统一表达点在三维空间的位置 高程基准 包括高程起算基准面和相对于这个基准面的水准原点 基点 高程 h H N 我国常用高程基准1956年黄海高程基准依据1950 1956验潮平均海面 原点在青岛市象山 H 72 289m1985国家高程基准以1952 1979验潮资料 以青岛验潮站的平均海面重新计算 高程为H 72 260m上海吴淞高程基准 长江流域使用 以一个比实测水位略低的高程为 0 高程 吴淞零点 民国10年在基准标石约300m处设立永久点 高程为5 1054m 我国其它高程基准大连高程基准大沽高程基准废黄河高程基准坎门高程基准罗星塔高程基准珠江高程基准 深度基准深度基准是指海图图载水深及其相关要素的起算面 通常取当地平均海面向下一定深度为起算面 即深度基准面 平均海平面 深度基准面 海底 L Z 253 3m 2 34m 我国深度基准1956年以前 采用略最低低潮面 印度大潮低潮面 大潮平均低潮面和实测最低潮面等为深度基准面 1957年后 采用理论深度基准面 该基准面是按照前苏联弗拉基米尔方法计算的当地理论最低低潮面 平均大潮高潮面 山高 灯塔高 明礁高 拙礁高 海图水深 暗礁深 高程基准面 深度基准面 2 7坐标系统变换大地坐标间的变换由于大地坐标定义在椭球基准面上 所以这种转换涉及椭球基准的转换 坐标系统变换大地坐标间的变换 严密变换式 涉及8个参数 3个平移参数 3个旋转参数 2个椭球元素变化参数需要3个以上公共点的两套大地坐标值 列出9个方程 按最小二乘法解算8个参数 坐标系统变换大地坐标间的变换 近似变换式 仅适合于小范围地区 如一个省 涉及12个拟合参数 需要6个以上公共点的两套大地坐标值 列出12个以上方程 按最小二乘法解算 坐标系统变换地理坐标与三维直角坐标间的变换 坐标系统变换地心三参数变换法 坐标系统变换地心七参数变换法 坐标系统变换Molodensky变换法TheMolodensky变换法需要两个椭球间的三个平移参数 X Y Z 长半轴差值 a 扁率之差 f h椭球高 纬度 经度a椭球长半轴b椭球短半轴f椭球扁率e偏心率 坐标系统变换投影坐标至大地坐标的转换 正变换 逆变换 例如高斯 克吕格投影 坐标系统变换投影坐标A至投影坐标B的转换 同一椭球基准 将投影坐标按A投影的逆变换式变换为大地坐标 将大地坐标按B投影的正变换式变换为投影坐标 坐标系统变换投影坐标A至投影坐标B的转换 不同椭球基准 采用多项式拟合方法 求取12个拟合参数 需要6个以上公共点的两套大地坐标值 列出12个以上方程 按最小二乘法解算 至少使用1个以上点来检验转换精度 2 8国家基本比例尺地形图的分幅和编号国家基本比例尺地形图系列大比例尺 1 1万 1 2 5万 1 5万 1 10万中比例尺 1 20万 1 50万小比例尺 1 100万国家基本比例尺1 100万地形图分幅方式全球统一分幅和编号 每幅经差6 纬差4 从赤道起向北或向南至纬度88 止 按纬差每4 划作22个横列 依次用A B V表示 从经度180 起向东按经差每6 划作一纵行 全球共划分为60纵行 依次用1 2 60表示 每幅图的编号由该图幅所在的 列号 行号 组成 例如 北京某地的经度为116 26 08 纬度为39 55 20 所在1 100万地形图的编号为J 50 1 100万地形图分幅与编号 1 50万 1 25万 1 10万比例尺地形图的分幅和编号这三种例尺地形图都是在1 100万地形图的基础上进行分幅编号 一幅1 100万地形图再划分为4幅1 50万地形图 分别以代码A B C D表示 将1 100万图幅的编号加上代码 即为该代码图幅的编号 如左上角1 50万图幅的编号为J 50 A 一幅1 100万的图可再划分为16幅1 25万地形图 分别用 1 2 16 代码表示 将1 100万图幅的编号加上代码 即为该代码图幅的编号 如左上角1 25万图幅的编号为J 50 1 一幅1 100万的图 可再划分为144幅1 10万的图 分别用1 2 144代码表示 将1 100万图幅的编号加上代码 即为该代码图幅的编号 如左上角1 10万图幅的编号为J 50 1 40 12345678910111213 1 2 3 4 24253639 AB374849 5 6 7 8 60617238 738485 9 10 11 12 969710837 CD109120121 13 14 15 16 13213313413513613713813914014114214314436 114 115 116 117 118 119 120 1 50万 1 25万 1 10万比例尺地形图的分幅和编号 1 5万 1 2 5万 1 1万比例尺地形图的分幅和编号这三种比例尺图的分幅 编号都是以1 10万比例尺地形图为基础 将一幅1 10万的图划分成4幅1 5万地形图 分别以A B C D数码表示 将其加在1 10万图幅编号后面 便组成1 5万的图幅编号 例如 J 50 144 A 再将每幅1 5万的图幅划分成4幅1 2 5万地形图 并以1 2 3 4数码表示 将其加在1 5万图幅编号后面便组成1 2 5万图幅的编号 例如 J 50 144 A 2 将1 10万图幅进一步划分成64幅1 1万地形图 并用 1 2 64 带括号的数码表示 将其加在1 10万图幅编号后面 便组成1 1万图幅的编号 例如 J 50 144 62 1 5000 1 2000比例尺地形图的分幅和编号这两种比例尺图是在1 1万比例尺地形图图幅的基础上进行分幅和编号的 将一幅1 1万的图幅划分成4幅1 5000图幅 分别在1 1万的编号后面写上代码a b c d 例如 J 50 144 62 b 每幅1 5000的图再划分成9幅1 2000的图 其编号是在1 5000图的编号后面再写上数字1 2 9 例如 J 50 144 62 b 8 梯形分幅的图幅规格与编号 国家基本地形图的分幅与编号国家标准1992年12月 我国颁布了 国家基本比例尺地形图分幅和编号GB T13989 92 国家标准 1993年3月开始实施 新的分幅与编号方法为 分幅1 100万地形图的分幅标准仍按国际分幅法进行 其余比例尺的分幅均以1 100万地形图为基础 按照横行数纵列数的多少划分图幅 编号1 100万图幅的编号 由图幅所在的 行号列号 组成 与国际编号基本相同 但行与列间直接连接 如北京所在1 100万图幅编号为J5