《授课内容》PPT课件

复习范围与题型,复习范围：第1、714章全部第26章，见课件打印内容题型：填空题判断题、选择题问答题计算、作图题（计算简单、但需概念清楚）3S技术(其中之一)在城市规划设计中的应用举例,实验报告中的思考题,GPS1与钢尺量距过程和成果进行比较，GPSRTK定位测量有何特点？精度如何？2GPSRTK测量与静态定位测量比较，各有何优、缺点？各自的精度如何？举例说明各适合什么情况的定位测量？RS1利用什么确定立体影像拍摄时间（上午中午下午）？2在立体影像中，为什么有的汽车能观察到立体？有的汽车则不能观察到立体？3按像元数计算的宽度与按坐标计算的宽度相差多少，是何原因？4为什么同一波段中不同像元灰度值不同？5为什么相同像元在不同波段中的灰度值不同？6镶嵌后的文件中为什么会出现整块的0灰度值？7在监督分类中，如果混淆矩阵非主对角线上的元素均为0，说明样本之间没有混淆。此时，分类效果一定很好吗？为什么？8在监督分类中，可将长江、汉江、东湖、沙湖等水分成多类，在非监督分类中，它们被分成了一类，为什么？GIS1简述GIS空间数据建库的主要步骤及其作用？2建立空间数据集过程中，图形数据与属性是通过哪一属性字段连的？3最佳路径与旅行商分析的结果有时为何不一样？,2空间信息技术基础,2.1地球形态2.1.1地球几何形体,铅垂线：重力的方向线（悬挂重物时自由下垂的直线）水准面：水在静止时的表面水准面随高度不同有无数个任意一点的铅垂线与该点的水准面相互垂直封闭、曲面水平面：水准面的切平面,静止的海水面是理想的、特殊的水准面风浪、潮汐=不可能有静止的海水面,性质：特殊水准面处处与铅垂线垂直铅垂线方向不规则（地球是非标准、非匀质球体）,=大地水准面有微小起伏,大地水准面：与平均海水面重合，并向岛屿、大陆内部延伸所构成的封闭曲面。它是绝对高程起算面。,2.1.2参考椭球面,大地水准面有起伏、不规则面地面点沿铅垂线投影到大地水准面上不便计算,地面点沿参考椭球法线投影到参考椭球面上易于计算,参考椭球面椭圆绕短轴旋转而成用数学公式表达计算与大地水准面拟合最好,2.2空间与时间参考系统,2.2.1天球坐标系略用于描述与研究卫星的运动轨迹2.2.2地球坐标系详细介绍用于用户确定点的空间位置2.2.3站心坐标系自学用于研究卫星在测站上空的分布，供选择最佳观测时间2.2.4平面直角坐标系与高程详细介绍用于确定点的平面位置与高程2.2.5时间系统简单介绍了解GPS的时钟,地球直角坐标与大地坐标的关系,WGS-84坐标系和我国国家大地坐标系,2.2.4平面坐标系与高程,平面直角坐标系空间定位的平面直角坐标系由相互垂直的纵、横坐标轴构成。基本形式如图与数学平面直角坐标系的纵横轴位置、象限顺序不同。,坐标系名称纵轴横轴正方向国家平面直角坐标系统一分带中央子午线赤道北、东地方平面直角坐标系地方自定中央子午线赤道北、东假定平面直角坐标系任意指定直线纵轴垂直线假北、假东,空间定位平面直角坐标系的纵、横轴规定,高程,绝对高程：地面点沿铅垂线到大地水准面的距离，海拔、正常高A、B点绝对高程：HA、HB。假定高程：地面点沿铅垂线到假定水准面的距离，相对高程A、B点假定高程：HA、HB。,当假定水准面确定之后HA-HA=HB-HB=H,绝对高程和假定高程是实际工程中使用的高程，采用几何水准测量方法获取。,2.2.5时间系统,基本时间系统1）恒星时（SiderealTimeST）2）平太阳时（MeanSolarTimeMT）3）世界时（UniversalTimeUT）4）国际原子时（InternationalAtomicTime_IAT）5）协调世界时（CoordinateUniversalTimeUTC）GPS时间系统（GPST）GPST使用原子时系统，秒长等于原子时秒长，原点与1980年1月6日零时时刻的协调世界时（UTC）相同。GPST启动后不跳秒，保持时间的连续性。GPS主控站的高精度原子钟守时与授时,2.3空间直角坐标系转换,231天球直角坐标系与地球直角坐标系之间的转换研究卫星轨迹，GPS系统研究人员使用，略,232不同地球直角坐标系之间的转换1954年北京坐标系（BJ54）=1980年国家大地坐标系（GDZ80）WGS84（GPS）=BJ54或GDZ80,2.4地图投影,地球为椭球体，地表要素描绘到数学椭球面上，能准确表达要素的分布及其相互关系。问题:不便携带、不便使用,球面要素=地球椭球面=平面,我国常用投影：1高斯克吕格投影大比例尺详细介绍2兰勃特投影中小比例尺略,高斯平面直角坐标国家平面直角坐标系,中央子午线:x轴，北向为正赤道：y轴，东向为正我国领土全部位于赤道以北，其x均为正，而各投影带中y有正有负。yB=-125688.728,保证坐标值为正，解决办法：x轴西移500kmyB=+374311.272,为表明属于哪一带，y加带号yB=+38374311.272,25大气构造,对GPS影响：电离层折射对流层折射对RS影响：大气反射大气散射大气吸收大气折射,3.1.1空间卫星,设计星座21(工作)+3(备用)6个轨道面每轨道面上46颗平均高度20200km轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）能同时观测到48颗当前实际卫星：29颗,星座编号非卫星编号,星座编号：轨道编号+位置编号A4:A-轨道编号；4-位置编号a：工作卫星星座s：备用卫星星座,卫星形状与主要设备,两块太阳能板供电，15A.h的镉镍电池充电（在地球阴面）12个单元多波束天线面向地球发射导航定位信号遥测、遥控天线用于与地面监控系统的通讯,主要设备太阳能电池板原子钟2台铯（se）钟、2台铷（ru）钟信号生成器发射装置,卫星作用,接收、存储导航电文生成导航定位的信号（测距码、载波）发送导航定位的信号接受地面指令进行相应操作（轨道、姿态调整）其他特殊用途，如通讯、监测核暴等,3.2测距码,3.2.1码的概念由二进制数0和1的组合所构成的离散数字序列，称为码一位二进制数，称为一个码元或一bit（比特）下例：1313=169bit,码与信号波形对应关系,数字0或1称为码元码元为1，取低电位；码元为0，取高电位。每个数据码对应一种信号波形图中信号波形对应数据码:110100110100每个码元的传播需要时间t0，两点间传播的码元个数与码元的时间宽度之积等于两点间的距离,3.2.2随机码略3.2.3伪随机码略,3.2.4测距码,(1).C/A码民用码是公开的(2).P码美国军方或美国特许国家码是保密的,(1).C/A码,码长：N=210-1=1023bit数码率：f1=1.023MHz码元宽度：t0=1/f10.97752ms，一个码元对应距离为293.1m周期：T=Nt0=1ms，每个周期约对应300km,当以50bit/s的速度搜索时，只需约20.46秒。比对卫星发射的C/A码和GPS接收机复制的C/A码，确定卫星信号从卫星到达目标的时间，从而确定卫星至目标的距离当两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/1001/10时引起GPS卫星至接收机的测距误差为2.9329.3m精度较低，故C/A码又称为粗码,(2).P码（Y码）,码长：N=10.231066060247=6.1871041012bit；数码率：f2=10.23MHz/s。码元宽度：t0=1/f20.097752ms，对应距离：29.31m；周期：T=Nt0=7d测距精度：0.2932.93m精度较高，故P码亦被称为精码。,3.3导航电文,数据码频率频率=10.23MHz204600=50Hz导航电文内容卫星星历（卫星轨道参数、摄动改正参数、数据龄期等）工作状态时间系统钟差参数电离层延时参数模型大气折射改正由C/A码捕获P码等信息每颗卫星既包含本身的上述导航电文，也包含其它卫星的卫星星历等主要信息。详细内容参见教材。,信号-载波,基本频率：由信号发生器产生f0=10.23MHz载波：L1，f1=1575.42MHz；载波波长：l1=19.03cmL2，f2=1227.60MHz；载波波长：l2=24.42cm作用：搭载测距码、数据码测距（精度远高于C/A码：293.1m；P码：29.31m）载波测距，是高精度定位测量的主要方法将在后面详细介绍测距码：C/A码、P码已经介绍数据码：导航电文已经介绍,3.5GPS接收机,3.5.1GPS接收机分类按用途分类1）导航型接收机用于运动目标导航，如飞机、船舶、车2）测量型接收机用于固定目标精密定位，如道路勘测3）授时型接收机用于精密时间测定按载波频率分类1）单频接收机不能消除电离层折射影响2）双频接收机可以消除电离层折射影响其他略,三维定位-三维空间坐标系,4定位原理,4.2卫星运动,4.2.1卫星无摄运动不考虑摄动力影响的卫星无摄运动遵循开普勒三个定律(1)开普勒第一定律卫星运动轨道是一椭圆，该椭圆的一个焦点与地球质心重合。(2)开普勒第二定律卫星的地心向量在相等的时间内所扫过的面积相等。开普勒第三定律卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为常量,(1)卫星轨道参数升交点赤经，即，升交点N（卫星由北向南运行时，卫星轨道与地球赤道面的交点）与春分点g之间的地心夹角；i卫星轨道面倾角，即，卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角；a卫星轨道椭圆长半径；e卫星轨道椭圆偏心率；近地点角距，即，卫星轨道平面内轨道近地点P与升交点N之间的地心夹角；f真近点角，即，卫星轨道平面内，卫星S与近地点P之间的地心夹角。、i、a、e、：常数；f：需要计算(2)真近点角计算参见教材，略,4.2.2卫星轨道参数,4.2.3卫星受摄运动及其受摄影响理想的卫星运动，是卫星在地球质心引力作用下，绕地球在标准椭圆轨道上作无摄运动。实际是受摄运动。主要影响因素如下：(1)非球形引力的影响地球是一个内部物质分布不均匀，地表层高低起伏，长短轴半径相差约21km的近似椭球体。最主要的摄动影响。(2)日月引力影响3h的轨道弧长产生约50150m的影响太阳光压的影响太阳光直射光压力和地球反射太阳光的反射光压力的合力在3h的轨道弧段上，卫星位置产生510m偏差大气阻力的影响高空，大气密度很低，可忽略其影响地球潮汐的影响影响小，可忽略,4.3卫星空间位置计算,由卫星定位原理可知：利用GPS确定三维空间目标的位置，需要知道观测时刻卫星的空间位置（4.3）和卫星至目标的距离（4.4、4.5）卫星空间位置-根据卫星星历计算求出卫星星历概念？卫星星历获取途径？根据卫星星历计算卫星空间位置的过程与公式？,预报星历广播星历、外推星历由于预报、外推，与卫星的实际位置存在较大误差可以满足道路勘测等一般工程建设不能用于位移与变形监测后处理星历地面监测站实时跟踪观测得到不能通过GPS的导航电文获取，而是通过网络、磁盘、通讯等方式从有关机构或单位获取。用于精密工程定位,根据GPS卫星的导航电文星历参数，解算t时刻在WGS-84坐标系统下卫星坐标的计算公式、方法和步骤。基本常数与计算计算偏近点角E和真近点角f计算升交点角距u、卫星地心矢径r和轨道面倾角i计算观测时刻升交点经度l计算卫星在轨道平面空间坐标系中的坐标计算卫星地心坐标系的坐标,4.3.2卫星空间瞬时位置计算,4.4测码伪距观测,测码伪距观测目的：利用测距码（C/A码、P码或Y码）测定星站距离（卫星至安置于运动物体或固定测站上的接收机天线的距离，简称为星站距离）。实际测量测距码信号在星站间传播的时间（根据测距码传播的个数），再根据信号的传播速度（光速）解算星站距离。,4.5测相伪距观测,测相伪距观测目的：利用载波（L1或L2）测定星站距离。,4.4.1测相伪距观测原理,测相伪距观测原理:与测码伪距观测原理基本相同.将卫星发射到接收机的载波与接收机的参考载波比较,求出卫星载波在星站间传播的整周数与不足一周的小数部分,再根据载波波长求出星站距离.,4.6GPS定位误差,4.6.1卫星相关误差4.6.2信号传播误差4.6.3接收机相关误差,4.6.1卫星相关误差,卫星星历误差广播星历的轨道、摄动等参数计算的卫星位置与实际位置之差。由两个以上测站同步观测求站间距离或由精密星历解算卫星位置可减少卫星星历误差影响。卫星钟误差卫星钟与GPS标准时间之间的差值。通过导航电文的星钟误差参数或采用差分观测定位方法进行改正。相对论效应由于卫星钟与接收机钟所处的运动速度和重力位不同而引起的两钟之间产生的相对钟差。一般通过模型进行改正。,4.6.2信号传播误差,电离层折射误差受电离层折射影响，GPS信号穿越电离层时，其路径弯曲与速度变化导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型进行改正或双频观测进行抵消。对流层折射误差受对流层折射影响，GPS信号穿越电离层时，其路径弯曲导致信号的传播距离与几何距离之差。通过模型进行改正或同步观测量求差进行削弱。多路径效应来自于直接到达的GPS信号与经周边建筑物等反射的GPS信号的叠加导致接收机天线相位中心迁移所产生的误差。目前不能通过模型进行改正，一般要求测站点远离大面积平静水面、与建筑屋保持必要距离，避免在山坡、山谷设站，观测时汽车不要离测站太近。,4.6.3接收机相关误差,观测误差一种是接收机对信号的分辨率，一般为信号波长的1%，此种误差不能消除；另一种是天线安置误差，包括天线对中误差、天线整平误差和量取天线相位中心高度的误差，应尽量精确安置天线，减小影响。接收机钟差接收机钟与GPS标准时间之间的差值。在单点定位中作为未知数解求或在载波相位相对定位中采用对观测值求差消除。天线相位中心位置偏差天线相位中心与几何中心之差。按天线盘上标志方向安置天线来减小影响，使用同类天线在同步观测同一组卫星后求差来削弱影响。整周未知数其定义前已介绍。选择可靠的方法正确解求。,5定位方法,按天线状态静态定位：接收机天线固定不动的定位动态定位：接收机天线安置在运动载体上，待测点处于运动状态的定位按定位模式单点定位：使用一台接收机在WGS-84坐标系下进行的定位相对定位：同时使用两台或多台接收机同步观测，确定同步观测的接收机（测站）之间相对位置的定位。差分定位：在已知精确位置的基准点上观测求出观测值与已知值之差，利用此差值对流动站观测值进行改正的定位按处理时效实时定位、事后定位按照基本观测量测码伪距定位、测相伪距定位实际上使用组合观测方法：如：静态载波相位测量相对定位常用：静态相对定位、实时载波相位差分（RTK）定位,单点定位综述,静态测码伪距单点定位5.1.1列出观测方程列出误差方程（有多余观测时）解算未知数静态测相伪距单点定位5.1.2解算过程同5.1.1动态测码伪距单点定位5.1.3(1)解算过程同5.1.1实际单点定位多采用此方法，主要用于各种导航，包括海（船舶等）、陆（车辆等）、空（飞机等）；特别是军事（导弹攻击导航）动态测相伪距单点定位5.1.3(2)解算过程同5.1.1,5.2静态相对定位,静态相对定位基本原理：在基线的两个端点安置接收机测定基线向量，通过建立单差、双差和三差观测模型消除相同误差或抵消相近误差。一般采用载波相位观测值作为基本观测量载波相位观测方程中含整周模糊度（5.4节介绍），卫星钟差、接收机钟差、电离层折射误差、对流层折射误差等卫星钟差、电离层折射误差、对流层折射误差虽可通过导航电文提供的模型进行改正，但卫星钟差随时间的变化，大气复杂的变化使得电离层折射误差、对流层折射误差不能完全通过模型彻底改正与消除，这些误差用导航电文参数改正后的残余误差，对精密定位有较大影响。接收机钟差虽可作为未知数在误差方程组中解算出来，但接收机钟差是随时间变化的，若将不同观测历元的接收机钟差都作为不同未知数参与误差方程组的解算，将增加大量未知数。计算难度大，可能降低解算位置未知数的精度。本节主要以站际单差模型为例，说明静态相对定位消除或削弱误差的基本思想，公式推导基本方法，参见5.1.1。,5.3差分定位,差分定位：在已知坐标（与或高程）的基准站上安置GPS接收机，根据测定出的观测数据与已知数据之差，作为定位改正数分发到一定范围内的流动站待测点用户，用户将同步测定的数据中加入基准站传送的改