★地理坐标与地图投影要点

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★地理坐标与地图投影要点

地理坐标与地图投影

第一节地球体

一、地球体的基本特征

地球是一个极半径略短、赤道半径略长,北极略突出、南极略扁平,近于梨形的椭球体体。

地球重力场的原理说明,地球空间任一质点,都受到地球引力和由于自转产生离心力的影响,这两种力的作用形成合力,称为地球重力。铅垂线的方向就是重力方向,但是由于地球的质量不均衡,铅垂线的方向既不平行也不指向地球质心。和重力方向线相垂直的,形成了无数个曲面,每个曲面上重力位相等,我们把重力面相等的面称为重力等位面,即水准面。

二、我国主要采用的地理坐标

1.1954年北京坐标系(Beijing Geodetic Coordinate System,l954)

该坐标系是通过与原苏联1942年坐标系联测而建立的,其原点不在北京,而是在苏联普尔科沃。该坐标系采用克拉索夫斯基椭球体(Krasovsky-1940)作为参考椭球体,高程系统采用正常高,以1956年黄海平均海水面为基准。

2.1980年西安坐标系

其大地原点设在西安西北的永乐镇,简称西安原点。椭球体体参数选用1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值。简称IUGG-75地球椭球体参数或IAG-75地球椭球体。2000年后的空间数据常采用该坐标系。

3.WGS84坐标系(WGS一84 Coordinate System)

在GPS定位中,定位结果属于WGS-84(世界大地坐标系统,G873)坐标系。该坐标系是使用了更高精度的VLBL、SLR等成果而建立的。坐标系原点位于地球质心,Z轴指向BIH1984.0协议地极(CTP)。用于GPS定位系统的空间数据采用该坐标系。

第二节地图投影

一、地图投影的基本概念

地图投影是实现球面向平面转换的方法。地图投影的实质,是通过一定的数学法则使球面坐标与平面坐标(或极坐标)建立起一对一的函数关系。

地图投影必然产生变形。长度变形是最主要的变形,它制约着角度变形和面积变形。不同的投影方法构建的经纬格网形状不同,其变形性质和分布规律各异。制图区域的地理位置、范围和形状,影响地图投影的选择。

地图主比例尺指投影时地球缩小的倍率,只适用于图上没有变形的点和线。

1.地图投影变形的类型

地图投影的变形具体表现为:长度(距离)变形、角度(形状)变形和面积变形。

2.地图投影的类型

2.1 按地图投影的构成方法分类

2.1.1 几何投影

几何投影源于透视几何原理,并以几何特征为依据,将地球面的经纬网投影到平面上或可展开成平面的圆柱面和圆锥面等上,从而构成方位投影、圆柱投影和圆锥投影。

1)方位投影以平面作为辅助投影面,使球体与平面相切或相割,将球面上的经纬网投影到平面上而构成的一种投影。

2)圆柱投影以圆柱面作为辅助投影面,使球体与圆柱面相切或相割,将球面上的经纬网投影到圆柱面上,然后再将圆柱面展成平面而构成的一种投影。

3)圆锥投影以圆锥面作为辅助投影面,使球体与圆锥面相切或相割,将球面上的经纬网投影到圆锥面上,然后再将圆锥面展成平面而构成的一种投影。

上述投影又可根据球面与投影面的几何位置不同,分为正轴投影、横轴投影和斜轴投影。

正轴方位投影:投影面与地轴相垂直;横轴方位投影:投影面与地轴相平行;斜轴方位投影:投影面与地轴斜交。

正轴圆柱投影:圆柱轴与地轴重合;横轴圆柱投影:圆柱轴与地轴相垂直;斜轴圆柱投影:圆柱轴与地轴斜交。

正轴圆锥投影:圆锥轴与地轴重合;横轴圆锥投影:圆锥轴与地轴相垂直;斜轴圆锥投影:圆锥轴与地轴斜交。

在圆柱投影中以正轴和横轴最为常见,在圆锥投影中以正轴为常见。

2.1.2 非几何投影

通过一系列数学解析方法,并且不借助辅助投影面,而是根据制图的某些特定要求,选用合适的投影条件,求出投影公式,以确定平面与球面之间点与点的的函数关系。

按经纬线的形状,可将非几何投影分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影和多圆锥投影。

2.2按投影变形性质的分类

由地球椭球面投影到地图平面,必然引起变形和误差。根据投影前后的变形性质,将投影分为:

①等角投影——即等角投影,或称正形投影,地球上任意两线段所组成的角度,在投影后仍等持不变。

②等积投影——即等面积投影,地球面上的图形在投影后等持面积不变。

③等距离投影——沿某一主方向的长度(距离)等持不变。

根据投影时投影平面的类型,可将投影分为:

①圆锥投影——纬线投影为同心圆圆弧,经线为圆半径,经线间的夹角与经差成正比。该投影按变形性质可分为等角、等面积或等距离圆锥投影;按投影锥面与椭球体的相对位置关系可以分为正轴、横轴或斜轴圆锥投影;按投影锥面与椭球体相切或相割分为单标准纬线和双标准纬线圆锥投影。通常,等角圆锥投影称为兰勃特(Lambert)正形圆锥投影,双标准纬线;而正轴等面积割圆锥投影也曾叫亚尔勃斯(Albers)投影。

正轴圆锥投影中,“中央经线”为投影纵轴所在的经线;“极点”是指中央经

线上,投影坐标原点对应的纬度数值;当采用双标准纬线时,“割线1”、“割线2”分别为北、南两条标准纬线;当采用单标准纬线时,“切线”为椭球体上与锥面相切的纬线。

②圆柱投影——纬线投影为一组平行直线,经线为垂直于纬线的另一组平行直线,且两相邻线之间的距离相等。圆柱投影需指定“中央经线”作为投影纵轴所在的经线,而赤道通常则作为投影的横轴。等角圆柱投影亦叫墨卡托投影;而等角横切椭圆柱投影即是著名的高斯一克吕格(Gauss-Kruger)投影;等角横割椭圆柱投影也称通用横轴墨卡托(UTM)投影。

③方位投影——纬线投影为同心圆,经纬为圆的半径,且经线间的夹角等于地球面上相应的经差。通常,等面积方位投影称为兰勃特等面积方位投影;等距离方位投影称为波斯托投影。

通常,投影类型是由投影面类型和变形性质等参量共同限定;投影参数则因投影类型不同而不同。

⑴高斯投影,即高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影,在美国又称为横向墨卡托 (Transverse Mercator, TM)投影,属于等角横轴切椭圆柱投影。该投影以中央经线和赤道投影后为坐标轴,中央经线和赤道交点为坐标原点,纵坐标由坐标原点向北为正,向南为负,规定为X轴,横坐标从中央经线起算,向东为正,向西为负,规定为Y轴。

为了控制变形,高斯投影采用分带技术。通常采用6度分带:从180oW经线起,向东每6度经差为一个投影带,将全球划分为60个投影带,编号为1至60,各投影带的中央经线由L0=6n-3-180计算(n为投影带带号)。一般从80oS向北至84oN的范围内使用该投影,对于两极地区则采用通用球面极(Universal Polar Stereographic, UPS)投影。该投影常用来制作大比例尺的地图,已被许多国家作为地形图的数学基础。我国1:2.5—1:50万地形图均采用6度分带高斯投影;1:1万及更大比例尺地形图则采用3度分带,以等证必要的精度。

由于高斯投影每一个投影带的坐标都是相对本带坐标原点的相对值,即带内坐标,因此,在跨投影带使用时需指明带号。在高斯投影坐标系中,为了避免横坐标Y出现负值,将其起算原点向西移动500公里,即对横坐标Y值加上500000米。此外,在计算出来值前面加上带号,以便标识该点位于何带。例如位于50

带之某点,其带内横坐标值Y=-126568.24米,根据上面的规定,完整的横坐标值Y=50373431.76米。

用户需注意:本程序中高斯投影为任意分带类型,用户需要指明“中央经线”参数。高斯坐标系的X、Y轴正好对应本程序中坐标系的纵轴Y和横轴X。高斯坐标系的横向带内坐标整数部分最多为6位,纵向最多为7位,故在本程序中,高斯投影横坐标含有带号,即横向可达8位整数,其中前面2位为带号,之后的6位整数及小数为带内坐标。

⑵双标准纬线等角正轴圆锥投影,也称兰伯特正形圆锥 (Lambert Conformal Conic, LCC) 投影。该投影的微分圆投影后仍为圆形。经线为辐射直线,纬线为同心圆圆弧。沿指定的两条标准纬度线B1和B2无长度变形。此种投影也叫等角割圆锥投影,常用来编制中、小比例尺地图。1962年以后,国际上,百万分之一地图采用等角圆锥投影(80oS—84oN范围),而在两极附近地区则采用等角方位投影(球面极投影)。等角圆锥投影有广泛的应用,特别适宜于作为中纬度处沿纬度线伸展的制图区域之投影。如我国的分省图为两条标准纬度线B1=25o,B2=45o的兰伯特等角圆锥投影。地图分幅为:

纬度60o以下,纬度差4度经差 6度分幅

纬度60—76o,纬度差4度经差12度分幅

纬度76—84o,纬度差4度经差24度分幅

纬度84—88o,纬度差4度经差36度分幅

纬度88—90o,仍为一幅图

每幅图内两条标准纬线的纬度:B1=BS+40分(南纬线),B2=BN-40分(北纬线) 投影后经线是辐射直线,东西图幅可完全拼接,南北图幅有裂隙。

我国采用等角割圆锥,其中B1=PHIS+35分,B2=PHIN-35分

⑶双标准纬线等面积正轴圆锥投影,即正轴等面积割圆锥投影,也称亚尔伯斯投影(Albers Conic Equal-Area, ACEA)。该投影经纬网的经线为辐射直线,纬线为同心圆圆弧。亚尔伯斯等积圆锥投影的应用在编制一些行政区划图,人口地图,地势图等方面应用较广。如中国地势图,即是以B1=25度,B2=45度的亚尔伯斯等积圆锥投影。

⑷单标准纬线等角正轴圆锥投影,即正轴等角切圆锥投影。该投影的投影

性质与LCC相同,只是在指定的标准纬度线上没有长度变形。

⑸单纬线等面积正轴圆锥投影,即正轴等面积切圆锥投影。该投影的投影性质与ACEA相同。

⑹单纬线等距离正轴圆锥投影(Equidistant Conic, EC)。

⑺双纬线等距离正轴圆锥投影(Equidistant Conic, EC)。这两种投影沿经线方向的距离均等持不变,其它变形在标准纬线处最小,均为零。

⑻通用横轴墨卡托 (Universal Transverse Mercator, UTM) 投影,即等角横轴割椭圆柱投影,椭圆柱割地球于两条等高圈。该投影将地球从180oW起向东至180oE,每6o经差为一带(斯堪的那维亚及以北地区的带宽例外),将全球划分为60个投影带,带号从1至60。每个带的中心经线为该带的中央子午线,所有中央子午线上的比例因子统一定为0.9996。纬度方向,从80oS起向北至72oN,每8o用一个字母表示(区号)。中央子午线上的东向距为500km(坐标原点西移500公里)。赤道为北向距起算点(假北距对北半球为0米,对南半球为10,000,000m)。该投影的坐标表示方法类似于我国高斯投影的图幅编号及表示,已被许多国家作为地形图的数学基础,一般用于80oS至84oN的范围内在每个带中,两极地区则采用通用球面极(UPS)投影。

对椭球体地球的计算讲,UTM与高斯投影仅仅只差一个比例因子k=0.9996。

⑼等角正轴切圆柱投影,即墨卡托投影(Mercator, MER),经纬线投影为互相正交的平行直线。该投影在航海,航空应用很广。航海图上的等角航线常使用该投影。使用该投影,等角航线在地图上是一条直线。值得注意的是,等角航线是球面上两点间对所有经线等持等方位角的特殊曲线,不是两点间的最近路线,是一条以极点为渐近点的螺旋曲线。

⑽等面积正轴切圆柱投影,经线和纬线投影后均为相互垂直的平行线。投影中所有纬线长度相同,并随纬度增大,纬线的间距越来越小。投影角度变形显著,实际编图中应用较少。

⑾等距离正轴切圆柱投影,等矩形圆柱投影,也称方格投影(Equirectanglar, ER)。投影后,经纬线互相垂直,且组成相等的方格。该投影适用于沿赤道或沿中央经线伸展的地区,也可用于编制世界交通图和世界范围的量算格网。

⑿等角横轴切圆柱(横轴Mercator投影)。该投影是把地球看作半径=R的球,如果把地球看作椭球即为通用横轴墨卡托投影或高斯一克吕格投影。该投影等高圈和垂直圈互相正交,经纬线为曲线。墨卡托投影因其经线为平行直线,便于显示时区划分,如时区图、航空图、航海图等。

⒀等面积横轴切圆柱投影,同“等面积正轴切圆柱投影”,只是纵横轴换位。

⒁等距离横轴切圆柱投影,同“等距离正轴切圆柱投影”,只是纵横轴换位。

⒂等角方位投影,也称球面投影。等角方位投影的等角性质是圆投影后仍为圆,常用来作为大比例地图的数学基础,其投影格网在工程和科研方面有应用。

正轴投影时,纬线投影后成为同心圆,经线投影后成为交于一点的直线束,两经线间的夹角与实地经度差相等。对于横轴或斜轴的方位投影,则为等高圈和垂直圈相当于经纬线的线圈。球面投影时,地面上无论大圆或小圆,在投影中的表象仍为一个圆。

⒃等面积方位投影,即兰伯特等面积方位 (Lambert Azimuth Equal-Area, LAEA) 投影。在小比例尺制图中,特别是东西半球图应用很多。如东半球取φ0=0o,λ0=70oE,西半球取φ0=0o,λ0=110oW的横轴等面积方位投影。对于水陆半球图常取:φ0=(±)45o,λ0=0o或180o的斜轴等面积方位投影。各大洲图常采用斜轴等面积方位投影,中心为:

亚洲图:φ0=+40o,λ0=90oE 欧洲图:φ0=+52o30’,λ0=20oE 非洲图:φ0=+ 0o,λ0=20oE 北美洲图:φ0=+45o,λ0=100oW 南美洲图:φ0=-20o,λ0=60oW

⒄等距离方位(Azimuth Equidistant, AE)投影,即波斯托投影,从定点或原点(φ0,λ0)向任何地方的方位角与距离都相等。正轴投影用于南北极半球图;横轴投影用于东西半球图;斜轴在实践中也有应用。航空中心站,观测站等常需要这种投影。

⒅通用球面极投影(Universal Polar Stereographic Projection),简称UPS;即正轴等角方位投影,相当于极点切球面投影。通用球面极投影一般用于地球两极附近的投影。纬度范围在84oN—90oN、80oS—90oS的投影常用该投影。该投影的纬线投影后成为同心圆,经线投影后成为交于一点的直线束,两经线间的夹角与实地经度差相等。

2.3 地图投影选择的依据

2.3.1 制图区域的地理位置、形状和范围

制图区域的地理位置决定了所选择投影的种类。例如,在两极区域制图,应选择正轴方位投影;在中纬度地区制图,应考虑选择正轴圆锥投影或斜轴方位投影;在赤道附近制图,应选择横轴方位投影或正轴圆柱投影。

制图区域的形状制约了地图投影的选择。例如,同是中纬度地区,如果制图区域是沿纬线方向延伸的长形地带,则应选择单标准纬线正轴圆锥投影;如果制图区域是沿经线方向南北延伸的长形地区,则应选择多圆锥投影;如果制图区域是沿经线方向略窄、沿纬线方向略宽的地区,则应选择双标准纬线正轴圆锥投影。

制图区域的范围大小也影响地图投影的选择。当制图区域范围不太大时,无论选择什么投影,制图区域范围内四周变形都不会太大;而对于制图范围广阔的大国、大洲、半球和世界地图,则应慎重的选择投影。

2.3.2 比例尺

各种比例尺地图对精度的要求不同,导致在投影选择上亦各异。例如,我国的大比例尺地形图,由于要在图上进行各种量算及精度定位,因此应选择各项变形都很小的地图投影,如高斯—克吕格投影;而对于中小比例尺的省、自治区图,由于概括的程度高,定位精度相对降低,选用各种正轴投影即可满足用图要求。

2.3.3 地图的内容

即使同一个制图区域,但因地图所表现的主题和内容不同,投影选择也有所不同。例如,交通图、航海图、航空图、地形图等要求方向正确的地图,应选择等角投影;自然地图和社会经济地图中的分布图、类型图、区划图等则要求保持面积对比关系的正确,应选用等积投影;作为中小学的教学用图,最好选择各种变形都不太大的任意投影(如等距投影),能给学生一种实际感觉的地理概念。

2.3.4 出版方式

地图在出版方式上,有单幅图、系列图和地图集之分。单幅图的投影选择只考虑上述几个原则便可以了;系列图虽然表现内容较多,但由于性质相近,应选择同一变形性质的投影,便于相互比较与参证;地图集虽然是统一的整体,但由

于它是由若干主题内容的图组所构成,因而在投影选择上必须结合具体内容予以考虑。但地图集是一个统一协调的有机整体,故投影选择应尽量采用同一系统的投影,再根据个别内容的需要,在变形性质上适当变化。

正轴圆锥投影和正轴圆柱投影最适宜于沿纬线伸展的地区,特别是正轴圆锥投影适宜于中纬度地区,正轴圆柱投影最适宜于低纬度和赤道地区;对于沿经线伸展的地区,宜采用横轴圆柱投影。

(1)世界地图的投影:正轴等角割圆柱投影

(2)半球地图的投影:

东半球图:横轴等积方位投影φ0=0,λ0=±70

横轴等角方位投影φ0=0,λ0=±70

西半球图:横轴等积方位投影φ0=0,λ0=-110

横轴等角方位投影φ0=0,λ0=-110

南北半球地图:正轴等距离方位投影、正轴等角方位投影、正轴等面积方位投影

(3)亚洲地图的投影:

斜轴等面积方位投影φ0=+40,λ0=+90;φ0=+40,λ0=+85

彭纳投影φ0=+40,λ0=+80;φ0=+30,λ0=+80

(4)中国全图(南海诸岛作插图)正轴等面积割圆锥投影:

两条标准纬线曾采用φ1=24.00,φ2=48.00

或φ1=25.00,φ2=45.00

或φ1=23.30,φ2=48.30.

目前常采用φ1=25.00,φ2=47.00

2.4中国分省(区)地图投影

2.4.1中国分省(区)地图投影的选择

从制图区域的形状和位置来看:我国绝大多数省(区)处于中纬度地区,因此最适宜采用正轴圆锥投影;对于个别省区,如广东省包括南海诸岛及南中国海域,位于赤道附近地区,可采用正轴圆柱投影;对于经差较小的地区,亦可采用

高斯—克吕格投影,即正轴等角圆锥投影、正轴等角割圆柱投影、宽带高斯—克吕格投影。

我国目前各省(区)按制图区域单幅地图选择投影时,所采用的两条标准纬线如下:

注:北京市、天津市标准纬线同河北省;上海市标准纬线同江苏省;南海诸岛采用正轴圆柱投影。

另一种情况,是采用分带投影的方法,即把相近的同纬度省(区)合用一个投影,把全国各省(区)分别采用若干个正轴等角圆锥投影,下表是将全国各省

(区)分为10个投影带,计算得采用正轴等角圆锥投影时长度变形小于0.5%。

全国地图投影:双标准纬线正轴等角割圆锥投影,两条标准纬线25度和47度,中央经线选择东经105度。

2.4.1高斯投影的分带说明及其中央经线度数求法

(1)6度投影分带带号及投影分带中央经线经度

6度投影分带,自0度子午线起,每隔经差6度自西向东分带,带号依次编为第1、2、…、60带,6度投影分带带号用n表示。

6度投影分带中央经线经度用L0表示,计算公式有如下形式:

L0=6n–3(度)(6度投影分带号n=1、2、 (60)

我国的经度范围西起73度东至135度,可分成6度带十一带,见下表:

6度投影分带带号

6度投影分带左侧、中央、右侧经线经度

左侧经线经度

(单位:度)

中央经线经度

(单位:度)

右侧经线经度

(单位:度)

13 72 75 78

14 78 81 84

15 84 87 90

16 90 93 96

17 96 99 102

18 102 105 108

19 108 111 114

20 114 117 120

21 120 123 126

22 126 129 132

23 132 135 138

(2)3度投影分带带号及投影分带中央经线经度

3度投影分带,自1.5度子午线起,每隔经差3度自西向东分带,带号依次编为第1、2、…、120带,3度投影分带带号用n’表示。

3度投影分带中央经线经度用L0’表示,计算公式有如下两种形式: L0’=3n’(度)(3度投影分带号n’=1、2、 (120)

我国的经度范围西起73度东至135度,可分成3度带二十二带,见下表:

3度投影分带带号

3度投影分带左侧、中央、右侧经线经度

左侧经线经度

(单位:度)

中央经线经度

(单位:度)

右侧经线经度

(单位:度)

24 70.5 72 73.5

25 73.5 75 76.5

26 76.5 78 79.5

27 79.5 81 82.5

28 82.5 84 85.5

29 85.5 87 88.5

30 88.5 90 91.5

31 91.5 93 94.5

32 94.5 96 97.5

33 97.5 99 100.5

34 100.5 102 103.5

35 103.5 105 106.5

36 106.5 108 109.5

37 109.5 111 112.5

38 112.5 114 115.5

39 115.5 117 118.5

40 118.5 120 121.5

41 121.5 123 124.5

42 124.5 126 127.5

43 127.5 129 130.5

44 130.5 132 133.5

45 133.5 135 136.5

在一般的RTK测量中是以3度带来投影,这样投影变形较小。

2.5国家基本系列地图所用投影

在GIS中,地理数据的显示往往可以根据用户的需要,指定各种投影。但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时,往往采用与国家基本系列地图所用的投影。我国常用的地图投影的情况为:

我国的基本比例尺地形图(1:5千,1:1万,1:2.5万,1:5万,1:10万,1:25万,1:50万,1:100万)中,大于等于1:50万的地形图均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger),又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator);小于50万的地形图采用正轴等角割圆锥投影,又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic),我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。

而我国1:100万地图的投影是按百万分之一地图的纬度划分原则分带投影的。即从0°开始,每隔纬差4°为一个投影带,每个投影带单独计算坐标,建立数学基础。同一投影带内再按经差6°分幅,各图幅的大小完全相同,故只需计算经差6°、纬差4°的一幅图的投影坐标即可。每幅图的直角坐标,是以图幅的中央经线作为X轴,中央经线与图幅南纬线交点为原点,过原点切线为Y轴,组成直角坐标系。每个投影带设置两条标准纬线,其位置是:

Φ1=ΦS+30´

Φ2=ΦN-30´

该投影的变形分布规律:没有角度变形;两条标准纬线上没有任何变形;由于采用了分带投影,每带纬差较小,因此我国范围内的变形几乎相等,最大长度变形不超过±0.03%(南北图廓和中间纬线),最大面积变形不大于±0.06%。

3.地图投影参数说明

3.1 地图投影的基本要素

3.1.1 假东、假北

地球椭球面或圆球面是不可展开的曲面,而地图又是一个平面,所以如何将地球表上的点或线表示在地图平面上,就是地图投影的基本问题。地图投影就是建立地球表面上点(地理坐标经度λ,纬度φ)和地图平面上的点(直角坐标x ,y)之间的函数关系式:

x = F1(φ,λ)

y = F2(φ,λ)

实际工作中,为了避免横坐标出现负值,将其起算原点向西移动False East 距离,单位为米(Meter);为了避免纵坐标出现负值,将其起算原点向南移动False North距离。所以投影关系函数可表示为:

x = F1(φ,λ) + False East

y = F2(φ,λ) + False North

其中False East为投影参数中的“假东”数值,单位为米(Meter);False North 为投影参数中的“假北”数值,单位为米(Meter)。

3.1.2 椭球体模型

大地测量中,大地水准面所包围的球体称为大地球体。可以用一个大小和形状同它极为接近的旋转椭球面来代替:以椭圆的短轴(地轴)为轴旋转而成的椭球面称为地球椭球面。椭球体的元素与公式如下:

扁率: f=(a-b)/a

第一偏心率: e2=(a2-b2)/a2

第二偏心率: e2=(a2-b2)/b2

其中:长半径a 为赤道半径,短半径b 为极轴半径。

表1 地球椭球体模型参数表

椭球体模型长半径a 短半径b 扁率倒数1/f Clarke 1866 6378206.4 6356583.8 294.9787

Clarke 1880 6378249.145 6356514.86955 293.465

Bessel 1841 6377397.155 6356078.96284 299.1528

New International 1967 6378157.5 6356772.2 298.2496

International 1909-24 6378388 6356911.94613 297.0

WGS 72 6378135 6356750.519915 298.26

Everest 1830 6377276.3452 6356075.4133 300.8017

WGS 66 6378145 6356759.769356 298.250

GRS 1980 6378137 6356752.314 298.2572

Airy 6377563.396 6356256.91 299.325

Everest 1948-1830 6377276.3452 6356075.4133 300.8017

Modified Airy 6377340.189 6356034.448 299.325

WGS 84 6378137 6356752.314 298.257

Modified Fischer 1960 6377304.063 6356103.039 300.8017

Australian National 6378160 6356774.719 298.25

Krassovsky 1938 6378245 6356863.0188 298.3

Hough 1956 6378270 6356794.3435 297.0

Fischer 1960 6378166 6356784.2837 298.3

Fischer 1968 6378150 6356768.337 298.3

Normal Sphere 6370997.0 6370997.0

Walbeck 6376896 6355834.8467 302.78

Southeast Asia 6378155 6356773.3205 298.3

IUGG 1975 (China 1980) 6378140 6356755.3041 298.257

IUGG 1983 6378136 6356751.3 298.257

我国1952年以前采用海福特椭球(该椭球1924年被定为国际椭球);

从1953年起,改用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球,形成了1954年北京坐标系;

1978年起开始采用国际大地测量协会(IUGG)所推荐的“1975年基本大地数据”中给定的椭球(IUGG 1975)参数,形成了1980年西安坐标系。

因此,地球模型通常应选择Krassovsky或IUGG 1975(China 1980)模型。上比例因子后再加500000。

不同类型地图使用的投影与坐标系

不同类型地图使用的投影与坐标系 (2016-08-12 15:29:29) 不同类型地图使用的投影与坐标系 1.概念辨析 地图投影跟大地坐标系是完全两个东西,尽管具有相关性。地球椭球体则是另一 个东西。实际上地图编绘涉及三个基本的东西:椭球体、地图投影、大地坐标系。三者密切关联。(百科知识) 要绘制地图,首先考虑用什么椭球体,这是投影和坐标系的基础——我国三代坐标系使用三种椭球体。 三者之间的关系:先有个椭球体,然后是投影到承影面,然后是添加经纬网。椭 球体是基础,投影是转换函数,是数学关系,大地坐标系是参照系。因此,同一椭球体可以用不同的投影;而同一投影,也可以用不同的大地坐标系。 但是一般三者是协调一致的,如我国的三代坐标系,有对应的椭球体、投影类型、基准面(坐标系)。 从地图反映地球表面来看,整个过程涉及五个环节:地球~椭球体~投影~坐标系~地图。而地球是球面的,是一个曲面,而地图是平面的,二者的结构性矛盾,导致我们不得不采用一系列转换,这个转换中不可避免地产生扭曲、变形和误差。具体关系:总结:地球(地球表面,存在高低起伏)→椭球体(光滑球面,相关参数)→投影(投影方式:几何投影与解析投影)→坐标系(地理坐标系与平面直角坐标系)→地图。 2. 我国三代坐标系 我们经常给影像投影时用到的北京54、西安80和2000坐标系是投影直角坐标系,如下表所示为国内坐标系采用的主要参数。从中可以看到我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的大地基准面。 表:北京54、西安80和2000坐标系参数列表 坐标名称投影类型椭球体基准面 北京54Gauss Kruger (Transverse Mercator) Krasovsky D_Beijing_1954 西安80Gauss Kruger (Transverse Mercator) IAG75D_Xian_1980 CGCS2000Gauss Kruger (Transverse Mercator) CGCS2000D_China_2000

地图投影和坐标系统

地图投影和坐标系统 在ArcGIS中,每一个dataset都有一个坐标系统。它的目的是在一个通用的坐标框架例如map中集成其它地理数据图层。坐标系统允许你将datasets集成到地图中,同时也做各种各样集成分析的操作,例如叠加不同数据源和坐标系统的图层。 什么是坐标系? 坐标系允许地理数据集使用通用的位置来集成。坐标系是一个参考系统用于代表地理要素的位置,影像以及观测点,例如通用框架下的GPS点。 每一个坐标系统都由以下几部分来定义: (1)它的测量框架要嘛是地理的(球面坐标,从地球中心开始测量)或者是平面的(地理坐标被投影到二维的平面) (2)测量单位(投影坐标一般是feet或者是meters,而球面坐标系一般是经纬

度坐标) (3)地图投影的定义是为投影坐标系的 (4)其它的测量系统属性,例如大地椭球体,大地水准面以及投影坐标等其它的一个或者多个水平面,中央经线以及可能的X,Y偏移量等。 坐标系统的类型: GIS中一般使用两种通用的坐标系统: (1)球体坐标系,例如经纬度。这通常称为地理坐标系统。 (2)根据某种地图投影,例如横轴Mercator,Alber等面投影,或者是Robinson投影,投影坐标系统。所有的这些都提供了各种机制将地球表面投影成二维的平面系。投影坐标系统一般称为地图投影。 更详细的内容,请参照:地理参考和投影坐标系统 投影系统(不论是地理还是投影)提供了定义真实世界坐标的框架。在ArcGIS中,坐标系统用于自动将其它来显示目录的数据集集成到一个通用的数据集中做投影分析用。 ArcGIS自动集成坐标系统是Known的数据集 ArcGIS中所有地理数据集都有一个定义好的坐标生活经验统允许他们在地球表面上定位。如果你的数据集有一个定义好的坐标系统,那么ArcGIS就会自动将你的数据集跟其它的进行动态投影用于显示,3D可视以及分析等。如果数据集本身不含有空间参考,那么它们就

地理坐标系和投影坐标系的区别

地理坐标系和投影坐标系的区别
字体大小:大 | 中 | 小 2006-05-21 17:28 - 阅读:204 - 评论:0 经常碰到这两个概念:Geographic coordinate system 和 projected coordinate system 1、首先理解 Geographic coordinate system,Geographic coordinate system 直译为地理坐标系统,是以经纬度 为地图的存储单位的。很明显,Geographic coordinate system 是球面坐标系统。我们要将地球上的数字化信 息存放到球面坐标系统上,如何进行操作呢?地球是一个不规则的椭球,如何将数据信息以科学的方法存 放到椭球上?这必然要求我们找到这样的一个椭球体。这样的椭球体具有特点:可以量化计算的。具有长 半轴,短半轴,偏心率。以下几行便是 Krasovsky_1940 椭球及其相应参数。 Spheroid: Krasovsky_1940 Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000 Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000 Inverse Flattening: 298.300000000000010000 然而有了这个椭球体以后还不够,还需要一个大地基准面将这个椭球定位。在坐标系统描述中,可以看到 有这么一行: Datum: D_Beijing_1954 表示,大地基准面是 D_Beijing_1954。 有了 Spheroid 和 Datum 两个基本条件,地理坐标系统便可以使用。完整参数: Alias: Abbreviation: Remarks: Angular Unit: Degree (0.017453292519943299) Prime Meridian: Greenwich (0.000000000000000000) Datum: D_Beijing_1954 Spheroid: Krasovsky_1940 Semimajor Axis: 6378245.000000000000000000 Semiminor Axis: 6356863.018773047300000000

中国常用的地图投影

中国常用的地图投影举例 第三节中国常用的地图投影举例 科学事业的发展同社会制度和经济基础是密切相联系的,旧中国是一个半封建半殖民地的国家,测绘事业也濒于停顿,编制出版的少量地图质量也很差,更少考虑到采用自己设计及计算的地图投影。在解放前出版的几种地图中曾采用过的几种地图投影,也多半是因循国外陈旧的地图投影,很少自行设计新投影。解放后,在党和政府的领导下,非常重视测绘科学事业的发展,我国测绘工作者不仅在地图投影的理论上有了研究,同时结合我国具体情况,设计了一些适合于我国情况的新的地图投影。下面介绍我国出版的地图中常用的一些地图投影。 世界地图的投影 等差分纬线多圆锥投影 正切差分纬线多圆锥投影(1976年方案) 任意伪圆柱投影:a=0.87740,6=0.85 当φ=65°时P=1.20 正轴等角割圆柱投影 半球地图的投影 东半球图 横轴等面积方位投影φ0=0°,λ0=+70° 横轴等角方位投影φ0=0°,λ0=+70° 西半球图 横轴等面积方位投影φ0=0°,λ0=-110° 横轴等角方位投影φ0=0°,λ0=-110° 南、北半球地图 正轴等距离方位投影 正轴等角方位投影

正轴等面积方位投影 亚洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=+40°,λ0=+90° φ0=+40°,λ0=+90° 彭纳投影标准纬线φ0=+40°,中央经线λ0=+80°标准纬线φ0=+40°,中央经线λ0=+80° 欧洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=52°30′,λ0=20° 正轴等角圆锥投影φ1=40°30′,λ0=65°30′ 北美洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=+45°,λ0=-100° 彭纳投影 南美洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=0°,λ0=+20° 桑逊投影λ0=+20° 澳洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=-25°,λ0=+135° 正轴等角圆锥投影φ1=34°30′,φ2=-15°20′ 拉丁美洲地图的投影斜轴等面积方位投影φ0=-10°,λ0=-60° 中国地图的投影中国全图 斜轴等面积方位投影

几种常用地图投影

一:等角正切方位投影(球面极地投影) 概念:以极为投影中心,纬线为同心圆,经线为辐射的 直线,纬距由中心向外扩大。 变形:投影中央部分的长度和面积变形小,向外变形逐渐增 大。 用途:主要用于编绘两极地区,国际1∶100万地形图。 二:等距正割圆锥投影 概念:圆锥体面割于球面两条纬线。 变形:纬线呈同心圆弧,经线呈辐射的直线束。 各经线和两标纬无长度变形,即其它纬线均有 长度变形,在两标纬间角度、长度和面积变形 为负,在两标纬外侧变形为正。离开标纬愈远, 变形的绝对值则愈大。 用途:用于编绘东西方向长,南北方向稍宽地区 的地图,如前苏联全图等。 三:等积正割圆锥投影 概念:满足mn=1条件,即在两标纬间经线长度放 大,纬线等倍缩小,两标纬外情况相反。 变形:在标纬上无变形,两标纬间经线长度变形为正, 纬线长度变形为负;在两标纬外侧情况相反。角度 变形在标纬附近很小,离标纬愈远,变形则愈大。 用途:编绘东西南北近乎等大的地区,以及要求面积 正确的各种自然和社会经济地图。

四:等角正割圆锥投影 概念:满足m=n条件,两标纬间经线长度与纬线长度 同程度的缩小,两标纬外同程度的放大。 变形:在标纬上无变形,两标纬间变形为负,标纬外变 形为正,离标纬愈远,变形绝对值则愈大。 用途:用于要求方向正确的自然地图、风向图、洋流图、 航空图,以及要求形状相似的区域地图;并广泛用于制 作各种比例尺的地形图的数学基础。 如我国在1949年前测制的1∶5万地形图,法国、比利 时、西班牙等国家亦曾用它作地形图数学基础,二次大 战后美国用它编制1∶100万航空图。 五:等角正切圆柱投影——墨卡托投影 概念:圆柱体面切于赤道,按等角条件,将经 纬线投影到圆柱体面上,沿某一母线将圆柱体 面剖开,展成平面而形成的投影。是由荷兰制 图学家墨卡托(生于今比利时)于1569年创拟 的,故又称(墨卡托投影)。 变形:经线为等间距的平行直线,纬线为非等 间距垂直于经线的平行直线。离赤道愈远,纬 线的间距愈大。纬度60°以上变形急剧增大, 极点处为无穷大,面积亦随之增大,且与纬线 长度增大倍数的平方成正比,致使原来只有南 美洲面积1/9的位于高纬度的格陵兰岛,在图 上比南美洲大。 用途:等角航线表现为直线,用于编制海图、印度尼西亚和赤道非洲等赤道附近国家和地区的地图、世界时区图和卫星轨迹图等。

坐标系统与地图投影--基础知识

空间参照系统和地图投影 导读:正如上一章所描述的,一个要素要进行定位,必须嵌入到一个空间参照系中,因为GIS所描述是位于地球表面的信息,所以根据地球椭球体建立的地理坐标(经纬网)可以作为所有要素的参照系统。因为地球是一个不规则的球体,为了能够将其表面的内容显示在平面的显示器或纸面上,必须进行坐标变换。 本章讲述了地球椭球体参数、常见的投影类型。考虑到目前使用的1:100万以上地形图都是采用高斯——克吕格投影,本章最后又对该种投影类型和相关的地形图分幅标准做了简单介绍。 1.地球椭球体基本要素 1.1地球椭球体 1.1.1地球的形状 为了从数学上定义地球,必须建立一个地球表面的几何模型。这个模型由地球的形状决定的。它是一个较为接近地球形状的几何模型,即椭球体,是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成。 地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面,有高山、丘陵和平原,又有江河湖海。地球表面约有71%的面积为海洋所占用,29%的面积是大陆与岛屿。陆地上最高点与海洋中最深处相差近20公里。这个高低不平的表面无法用数学公式表达,也无法进行运算。所以在量测与制图时,必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。当海洋静止时,它的自由水面必定与该面上各点的重力方向(铅垂线方向)成正交,我们把这个面叫做水准面。但水准面有无数多个,其中有一个与静止的平均海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面,这就是大地水准面(图4-1)。 图4-1:大地水准面

大地水准面所包围的形体,叫大地球体。由于地球体内部质量分布的不均匀,引起重力方向的变化,导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的,仍然是不能用数学表达的曲面。大地水准面形状虽然十分复杂,但从整体来看,起伏是微小的。它是一个很接近于绕自转轴(短轴)旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体,这个旋转球体通常称地球椭球体,简称椭球体。 1.1.2地球的大小 关于地球椭球体的大小,由于采用不同的资料推算,椭球体的元素值是不同的。现将世界各国常用的地球椭球体的数据列表如下: 表4-1:各种地球椭球体模型 椭球体名称年代长半轴(米)短半轴(米)扁率 白塞尔(Bessel) 1841 6377397 6356079 1:299.15 克拉克(Clarke) 1880 6378249 6356515 1:293.5 克拉克(Clarke) 1866 6378206 6356584 1:295.0 海福特(Hayford) 1910 6378388 6356912 1:297 克拉索夫斯基1940 6378245 6356863 1:298.3 I.U.G.G 1967 6378160 6356775 1:298.25 埃维尔斯特(Everest) 1830 6377276 6356075 1:300.8 1.1.3椭球体的半径 地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小,通常用两个半径:长半径a和短半径b,或由一个半径和扁率来决定。扁率α表示椭球的扁平程度。扁率的计算公式为:α=(a-b)/a。这些地球椭球体的基本元素a、b、α等,由于推求它的年代、使用的方法以及测定的地区不同,其结果并不一致,故地球椭球体的参数值有很多种。中国在1952年以前采用海福特(Hayford)椭球体,从1953-1980年采用克拉索夫斯基椭球体。随着人造地球卫星的发射,有了更精密的测算地球形体的条件。1975年第16届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会第一号决议中公布的地球椭球体,称为GRS(1975),中国自1980年开始采用GRS(1975)新参考椭球体系。由于地球椭球长半径与短半径的差值很小,所以当制作小比例尺地图时,往往把它当作球体看待,这个球体的半径为6371公里。 1.1.4高程 地面点到大地水准面的高程,称为绝对高程。如图2所示,P0P0'为大地水准面,地面点A和B到P0P0'的垂直距离H A和H B为A、B两点的绝对高程。地面点到任一水准面的高程,称为相对高程。如图2中,A、B两点至任一水准面P1P1'的垂直距离H A'和H B'为A、B两点的相对高程。

几种常见地图投影各自的特点及其分带方法

高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影,是一种“等角横切圆柱投影”。德国数学家、物理学家、天文学家高斯(Carl Friedrich Gauss,1777一 1855)于十九世纪二十年代拟定,后经德国大地测量学家克吕格(Johannes Kruger,1857~1928)于 1912年对投影公式加以补充,故名。设想用一个圆柱横切于球面上投影带的中央经线,按照投影带中央经线投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件,将中央经线两侧一定经差范围内的球面正形投影于圆柱面。然后将圆柱面沿过南北极的母线剪开展平,即获高斯一克吕格投影平面。 一、只谈比较常用的几种:“墨卡托投影”、“高斯-克吕格投影”、“UTM 投影”、“兰勃特等角投影” 1.墨卡托(Mercator)投影 1.1 墨卡托投影简介 墨卡托(Mercator)投影,是一种" 等角正切圆柱投影”,荷兰地图学家墨卡托(Gerhardus Mercator 1512-1594)在1569年拟定,假设地球被围在一中空的圆柱里,其标准纬线与圆柱相切接触,然后再假想地球中心有一盏灯,把球面上的图形投影到圆柱体上,再把圆柱体展开,这就是一幅选定标准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。 墨卡托投影没有角度变形,由每一点向各方向的长度比相等,它的经纬线都是平行直线,且相交成直角,经线间隔相等,纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显,但标准纬线无变形,从标准纬线向两极变形逐渐增大,但因为它具有各个方向均等扩大的特性,保持了方向和相互位置关系的正确。 在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点,墨卡托投影地图常用作航海图和航空图,如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行,方向不变可以一直到达目的地,因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件,给航海者带来很大方便。 “海底地形图编绘规范”(GB/T 17834-1999,海军航保部起草)中规定1:25万及更小比例尺的海图采用墨卡托投影,其中基本比例尺海底地形图(1:5万,1:25万,1:100万)采用统一基准纬线30°,非基本比例尺图以制图区域中纬为基准纬线。基准纬线取至整度或整分。 1.2 墨卡托投影坐标系 取零子午线或自定义原点经线(L0)与赤道交点的投影为原点,零子午线或自定义原点经线的投影为纵坐标X轴,赤道的投影为横坐标Y轴,构成墨卡托平面直角坐标系。 2.高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影和UTM(Universal

世界地图常用地图投影知识大全

世界地图常用地图投影知识大全 2009-09-30 13:20 在不同的场合和用途下使用不同的地图投影,地图投影方法及分类名目众多,象:墨卡托投影,空间斜轴墨卡托投影,桑逊投影,摩尔维特投影,古德投影,等差分纬线多圆锥投影,横轴等积方位投影,横轴等角方位投影,正轴等距方位投影,斜轴等积方位投影,正轴等 角圆锥投影,彭纳投影,高斯-克吕格投影,等角圆锥投影等等。 一、世界地图常用投影 1、等差分纬线多圆锥投影(Polyconic Projection With Meridional Interval o nSame Parallel Decrease AwayFrom Central Meridian by E qual Difference) 普通多圆锥投影的经纬线网具有很强的球形感,但由于同一纬线上的经线间隔相等,在编制世界地图时,会导致图形边缘具有较大面积变形。1963年中国地图出版社在普通多圆锥投影的基础上,设计出了等差分纬线多圆锥投影。 等差分纬线多圆锥投影的赤道和中央经线是相互垂直的直线,中央经线长度比等于1;其它纬线为凸向对称于赤道的同轴圆弧,其圆心位于中央经线的延长线上,中央经线上的纬线间隔从赤道向高纬略有放大;其它经线为凹向对称于中央经线的曲线,其经线间隔随离中央经线距离的增加而按等差级数递减;极点投影成圆弧(一般被图廓截掉),其长度等于赤道的一半(图2-30)。 通过对大陆的合理配置,该投影能完整地表现太平洋及其沿岸国家,突出显示我国与邻近国家的水陆关系。从变形性质上看,等差分纬线多圆锥投影属于面积变形不大的任意投影。我国绝大部分地区的面积变形在10%以内。中央经线和±44o纬线的交点处没有角度变形,随远离该点变形愈大。全国大部分地区的最大角度变形在10o以内。等差分纬线多圆锥投影是我国编制各种世界政区图和其它类型世界地图的最主要的投影之一。

坐标系统与地图分幅

地理信息系统培训系列之一 坐标系统与地图分幅 一、坐标系统 名词:地理坐标系,投影坐标系,高程坐标系,地球椭球体。 我们先从ArcGIS安装目录下的Coordinate Systems文件夹说起: 1、地理坐标系(Geographic Coordinate Systems) 地理坐标系,也可称为真实世界的坐标系,用于确定地物在地球上位置。用经纬度来表达位置信息。 1)地球椭球体(Spheroid) 因为地球是不规则的近梨形,所以在定义地理坐标系之前,需要对地球做近似逼近。即假想地球绕地轴高速旋转形成一个表面光滑的球体,这就是地球椭球体(也称旋转椭球体或双轴椭球体)。 地球椭球体(Spheroid)的常用四个参数是:地球引力常数(GM)、长半径(a)、扁率(f)和地球自转角速度(w)。四个参数的不同也就形成了不同的椭球体,比如:克拉索夫斯基椭球体、1975地球椭球体(IAG75)、WGS-84椭球体等。 2)大地基准面(Datum) 有了椭球体后还不能形成地理坐标系,还需要一个大地基准面(Datum)将椭球体定位,大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近,因此每个国家和地区均有各自的基准面,北京54坐标系和西安80坐标系即为我国的两大基准面。

(1)北京54坐标系 我国参照前苏联从1953年起采用北京54坐标系,它与苏联1942年建立的以普尔科夫天文台为原点的大地坐标系统相联系,相应的椭球为克拉索夫斯基椭球(Krassovsky)。到20世纪80年代初,我国已基本完成了天文大地测量,经计算表明,54坐标系统普遍低于我国的大地水准面,平均误差为29米左右。 (2)西安80坐标系 1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议,确定重新定位,建立我国新的坐标系,为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据,即1975地球椭球体(IAG75)。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇,位于西安市西北方向约60公里,故称1980年西安坐标系,又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952-1979年确定的黄海平均海水面(即1985国家高程基准)。 目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照,北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。经过大地基准面定位的椭球体称为参考椭球体。 3)椭球体与基准面的关系 椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系,也就是基准面是在椭球体基础上建立的,但椭球体不能代表基准面,同样的椭球体能定义不同的基准面。地球椭球体和基准面之间的关系以及基准面是如何结合地球椭球体从而实现来逼近地球表面的可见下图所示。 基准面定义椭球体拟合地表某一区域表面 也就是说,由于椭球参数的不同而形成了不同的椭球体,由于一个椭球体可对应多个大地基准形成了不同地理坐标系。 完成了椭球体和大地水准面的定义后,就形成了地理坐标系。

地图投影的基本问题

3.地图投影的基本问题 3.1地图投影的概念 在数学中,投影(Project)的含义是指建立两个点集间一一对应的映射关系。同样,在地图学中,地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系。地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。凡是地理信息系统就必然要考虑到地图投影,地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性,在各类地理信息系统的建立过程中,选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。由于地球椭球体表面是曲面,而地图通常是要绘制在平面图纸上,因此制图时首先要把曲面展为平面,然而球面是个不可展的曲面,即把它直接展为平面时,不可能不发生破裂或褶皱。若用这种具有破裂或褶皱的平面绘制地图,显然是不实际的,所以必须采用特殊的方法将曲面展开,使其成为没有破裂或褶皱的平面。 3.2地图投影的变形 3.2.1变形的种类 地图投影的方法很多,用不同的投影方法得到的经纬线网形式不同。用地图投影的方法将球面展为平面,虽然可以保持图形的完整和连续,但它们与球面上的经纬线网形状并不完全相似。这表明投影之后,地图上的经纬线网发生了变形,因而根据地理坐标展绘在地图上的各种地面事物,也必然随之发生变形。这种变形使地面事物的几何特性(长度、方向、面积)受到破坏。把地图上的经纬线网与地球仪上的经纬线网进行比较,可以发现变形表现在长度、面积和角度三个方面,分别用长度比、面积比的变化显示投影中长度变形和面积变形。如果长度变形或面积变形为零,则没有长度变形或没有面积变形。角度变形即某一角度投影后角值与它在地球表面上固有角值之差。 1)长度变形 即地图上的经纬线长度与地球仪上的经纬线长度特点并不完全相同,地图上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小的,这表明地图上具有长度变形。 在地球仪上经纬线的长度具有下列特点:第一,纬线长度不等,其中赤道最长,纬度越高,纬线越短,极地的纬线长度为零;第二,在同一条纬线上,经差相同的纬线弧长相等;第三,所有的经线长度都相等。长度变形的情况因投影而异。在同一投影上,长度变形不仅随地点而改变,在同一点上还因方向不同而不同。 2)面积变形 即由于地图上经纬线网格面积与地球仪经纬线网格面积的特点不同,在地图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小的,这表明地图上具有面积变形。 在地球仪上经纬线网格的面积具有下列特点:第一,在同一纬度带内,经差相同的网络面积相等。第二,在同一经度带内,纬线越高,网络面积越小。然而地图上却并非完全如此。如在图4-9-a上,同一纬度带内,纬差相等的网格面积相等,这些面积不是按照同一比例缩

地图投影和坐标系

地球坐标系与投影方式的理解(关于北京54,西安80,WGS84;高斯,兰勃特,墨卡托投影) 一、地球模型 地球是一个近似椭球体,测绘时用椭球模型逼近,这个模型叫做参考椭球,如下图: 赤道是一个半径为a的近似圆,任一圈经线是一个半径为b的近似圆。a称为椭球的长轴半径,b称为椭球的短轴半径。 a≈6378.137千米,b≈6356.752千米。(实际上,a也不是恒定的,最长处和最短处相差72米,b的最长处和最短处相差42米,算很小了) 地球参考椭球基本参数: 长轴:a 短轴:b 扁率:α=(a-b) / a 第一偏心率:e=√(a2-b2) / a 第二偏心率:e'=√(a2-b2) / b 这几个参数定了,参考椭球的数学模型就定了。 什么是大地坐标系? 大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示:(L, B, H)。

空间直角坐标系是以参考椭球中心为原点,以原点到0度经线与赤道交点的射线为x轴,原点到90度经线与赤道交点的射线为y轴,以地球旋转轴向北为z 轴:(x, y, z) 共同点:显然,这两种坐标系都必须基于一个参考椭球。 不同点:大地坐标系以面为基准,所以还需要确定一个标准海平面。而空间直角坐标系则以一个点为基准,所以还需要确定一个中心点。 只要确定了椭球基本参数,则大地坐标系和空间直角坐标系就相对确定了,只是两种不同的表达而矣,这两个坐标系的点是一一对应的。 二、北京54,西安80,WGS84 网上的解释大都互相复制,语焉不详,隔靴搔痒,说不清楚本质区别。为什么在同一点三者算出来的经纬度不同?难道只是不认同对方的测量精度吗?为什么WGS84选地球质心作原点,而西安80选地表上的一个点作原点?中国选的大地原点有什么作用?为什么选在泾阳县永乐镇?既然作为原点,为什么经纬度不是0?下面是我个人的理解。 首先,三者采用了不同的参考椭球建立模型,即长短轴扁率这组参数是不同的。北京54:长轴6378245m,短轴6356863,扁率1/298.2997381 西安80:长轴6378140m,短轴6356755,扁率1/298.25722101 WGS84:长轴6378137.000m,短轴6356752.314,扁率 1/298.257223563,第一偏心率0.0818********,第二偏心率 0.082095040121 这些参数不同,决定了椭球模型的几何中心是不同的。那么为什么这三种坐标系的参数有这么大差别呢?除了测量精度不同之外,还有一个原因,就是侧重点不一样。 WGS84是面向全球的,所以它尽量逼近整个地球表面,优点是范围大,缺点是局部不够精确。 北京54用的是前苏联的参数,它是面向苏联的,所以它在前苏联区域这个曲面尽量逼近,而其它国家地区偏多少它不管。它以苏联的普尔科沃为中心,离那越远,误差就越大。 西安80是面向中国的,所以它在中国区域这个曲面尽量逼近,而其它国家地区偏多少它不管。而且这个逼近是以西安附近的大地原点为中心的,也就是说,在西安大地原点处,模型和真实地表参考海平面重合,误差为0,而离大地原点越远的地方,误差越大。所谓的大地原点就是这么来的,它是人为去定的,而不是必须在那里,它要尽量放在中国的中间,使得总的误差尽量小而分布均匀。然后,我国在自已境内进行的建筑,测绘,勘探什么的所绘制的图,都以这个大地原点为基准,去建立各种用途的地表坐标系,就能统一起来了。

常用地图投影公式

常用地图投影公式 1.约定 本文中所列的转换公式都基于椭球体 a -- 椭球体长半轴 b -- 椭球体短半轴 f -- 扁率 e -- 第一偏心率 e’-- 第二偏心率 N -- 卯酉圈曲率半径 R -- 子午圈曲率半径 B -- 纬度,L -- 经度,单位弧度(RAD) -- 纵直角坐标, -- 横直角坐标,单位米(M) 2.椭球体参数 我国常用的3个椭球体参数如下(源自“全球定位系统测量规范GB/T 18314-2001”): 椭球体长半轴a(米)短半轴b(米) Krassovsky (北京54采用)6378245 6356863.0188 IAG 75(西安80采用)6378140 6356755.2882

WGS 84 6378137 6356752.3142 需要说明的是,在“海洋地质制图常用地图投影系列小程序”中,程序界面上的所谓“北京1954“西安1980”及“WGS 84”在实际计算中只涉及了相应的椭球体参数。 3.墨卡托(Mercator)投影 3.1 墨卡托投影简介 墨卡托(Mercator)投影,是一种"等角正切圆柱投影”,荷兰地图学家墨卡托(Gerhardus Mercator 1512-1594)在1569年拟定, 假设地球被围在一中空的圆柱里,其标准纬线与圆柱相切接触,然后再假想地球中心有一盏灯,把球面上的图形投影到圆柱体上,再把圆柱体展开,这就是一幅选定标准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。 墨卡托投影没有角度变形,由每一点向各方向的长度比相等,它的经纬线都是平行直线,且相交成直角,经线间隔相等,纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显,但标准纬线无变形,从标准纬线向两极变形逐渐增大,但因为它具有各个方向均等扩大的特性,保持了方向和相互位置关系的正确。 在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点,墨卡托投影地图常用作航海图和航空图,如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行,方向不变可以一直到达目的地,因此它对船舰在航行中定位、确

地理坐标系统与投影坐标系统的区别

地理坐标系统简介 2008-01-28 14:34 地理坐标系,也可称为真实世界的坐标系,是用于确定地物在地球上位置的坐标系。一个特定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一种特定的地图投影构成,其中椭球体是一种对地球形状的数学描述,而地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。绝大多数的地图都是遵照一种已知的地理坐标系来显示坐标数据。 1.地球椭球体 地球是一个表面很复杂的球体,人们以假想的平均静止的海水面形成的“大地体”为参照,推求出近似的椭球体,理论和实践证明,该椭球体近似一个以地球短轴为轴的椭园而旋转的椭球面,这个椭球面可用数学公式表达,将自然表面上的点归化到这个椭球面上,就可以计算了。下面列举了一些常用的一些椭球及参数: 1)海福特椭球(1910) 我国52年以前采用的椭球 a=6378388m b=6356911.9461279m α=0.33670033670 2)克拉索夫斯基椭球(1940 Krassovsky) 北京54坐标系采用的椭球 a=6378245m b=6356863.018773m α=0.33523298692 3)1975年I.U.G.G推荐椭球(国际大地测量协会1975) 西安80坐标系采用的椭球 a=6378140m b=6356755.2881575m α=0.0033528131778 4)WGS-84椭球(GPS全球定位系统椭球、17届国际大地测量协会) WGS-84坐标系椭球 a=6378137m b=6356752.3142451m α=0.00335281006247 最常用的地理坐标系是经纬度坐标系,这个坐标系可以确定地球上任何一点的位置,如果我们将地球看作一个椭球体,而经纬网就是加在地球表面的地理坐标参照系格网,经度和纬度是从地球中心对地球表面给定点量测得到的角度,经度是东西方向,而纬度是南北方向,经线从地球南北极穿过,而纬线是平行于赤道的环线。地理坐标可分为天文地理坐标和大地地理坐标:天文地理坐标是用天文测量方法确定的,大地地理坐标是用大地测量方法确定的。我们在地球椭球面上所用的地理坐标系属于大地地理坐标系,简称大地坐标系。 确定椭球的大小后,还要进行椭球定向,即把旋转椭球面套在地球的一个适当的位置,这一位置就是该地理坐标系的“坐标原点”,是全部大地坐标计算的起算点,俗称“大地原点”。 需要说明的是经纬度坐标系不是一种平面坐标系,因为度不是标准的长度单位,不可用其量测面积长度;平面坐标系(又称笛卡儿坐标系),因其具有以下特性:可量测水平X方向和竖直Y方向的距离,可进行长度、角度和面积的量测,可用不同的数学公式将地球球体表面投影到二维平面上而得到广泛的应用。而每一个平面坐标系都有一特定的地图投影方法。 2.地图投影 是为解决由不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾,用几何透视方法或数学分析的方法,将地球上的点和线投影到可展的曲面(平面、园柱面或圆锥面)上,将此可展曲面展成平面,建立该平面上的点、线和地球椭球面上的点、线的对应关系。

第二章 地球体与地图投影分解

第二章地球体与地图投影 2.1 地球体 一、地球的自然表面 浩瀚宇宙之中地球是一个表面光滑、蓝色美丽的正球体。 事实上:通过天文大地测量、地球重力测量、卫星大地测量等精密测量,发现:地球并不是一个正球体,而是一个极半径略短、赤道半径略长,北极略突出、南极略扁平,近于梨形的椭球体。 二、地球的物理表面 (一)大地水准面(一级逼近) 假想将静止的平均海水面延伸到大陆内部,形成一个连续不断的,与地球比较接近的形体,其表面称为大地水准面。 它实际是一个起伏不平的重力等位面——地球物理表面。 大地水准面的意义 1. 地球形体的一级逼近: 对地球形状的很好近似,其面上高出与面下缺少的相当。 2. 起伏波动在制图学中可忽略: 对大地测量和地球物理学有研究价值,但在制图中,均把地球当作正球体。 3. 重力等位面: 可使用仪器测得海拔高程(某点到大地水准面的高度)。 三、地球体的数学表面(地球椭球体) 大地水准面仍然不是一个规则的曲面。因为重力线方向并非恒指向地心,导致处处与重力线方向正交的大地水准面也不是一个规则的曲面。大地水准面实际上是一个起伏不平的重力等位面。 为了测量成果的计算和制图工作的需要,选用一个同大地体相近的,可以用数学方法来表达的旋转椭球体来代替地球。这个旋转椭球是一个椭球绕其短轴旋转而成,其表面成为旋转椭球面。 椭球体三要素: 长轴a(赤道半径) 短轴b(极半径) 椭球扁率f=(a-b)/a 中国1952年前采用海福特(Hayford)椭球体 1953—1980年采用克拉索夫斯基椭球体(坐标原点是前苏联玻尔可夫天

文台) 自1980年开始采用 GRS 1975(国际大地测量与地球物理学联合会 IUGG 1975 推荐)新参考椭球体系,并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点。 四、大地基准面(Geodetic datum) 参考椭球体定义了地球的形状,而基准面则描述了这个椭球中心距地心的关系。基准面是建立在选择的参考椭球体上的,且考虑到了当地复杂的地表情况。因为参考椭球体还是不能够很好的描述地球上每个地方的具体情况,可以理解为基准面就是参考椭球向某个地方的大地水准面逼近的结果,它与参考椭球是多对一的关系。 (1)地心基准面 在过去的15年,使用卫星采集数据给测量学家们提供了一个很好的模拟地球的椭球体,即地心坐标系统。地心坐标系是使用地球的质心作为中心,目前使用最广泛的就是WGS 1984这种地心坐标系。 地球表面、参考椭球体和大地基准面的关系 (2)本地基准面(Local Datum) 本地基准面是将参考椭球体移动到更贴近当地地表形状的位置,参考椭球体上的某一点必然对应着地表上的某一位置,这个点就称作大地起算原点。大地起算原点的坐标值是固定的,其他点的坐标值都可以由该点计算得到。本地坐标系统的起始位置一般就不在地心的位置了,而是距地心一定的偏移量。 每个国家或地区均有自己的大地基准面,我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球 体建立了我国的北京54坐标系,1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体(IAG75)建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系。 G PS测量采用的WGS84坐标系采用的是WGS84基准面和 WGS1984椭球体。 五、地理坐标 一、地理坐标——用经纬度表示地面点位的球面坐标。 (一)天文经纬度:表示地面点在大地水准面上的位置,用天文经度和天文纬度表示。 天文经度:观测点天顶子午面与格林尼治天顶子午面间的两面角。 在地球上定义为本初子午面与观测点之间的两面角。 天文纬度:在地球上定义为铅垂线与赤道平面间的夹角。

地图投影、参考坐标系与ArcGIS动态投影及空间校正

地图投影、参考坐标系与ArcGIS动态投影及空间校正(转载) 一、关于大地水准面、大体椭球体与大地基准面 地球自然表面是一个起伏不平,十分不规则的表面,有高山、深谷、丘陵和平原,又有江河湖海。陆地上最高点珠穆朗玛峰海拔高度为8848.13米,海洋中最深处在马里亚纳海沟为-11034米,两者相差近20公里。这个高低不平的表面无法用数学公式表达。所以在量测与制图时,必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。 当海洋静止时,它的自由水面必定与该面上各点的重力方向(铅垂线方向)成正交,我们把这个面叫做水准面。设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面,这就是大地水准面。大地水准面所包围的形体,叫大地球体。由于地球体内部质量分布的不均匀,引起重力方向的变化,导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的、仍然是不能用数学表达的曲面。 大地水准面形状虽然十分复杂,但从整体来看,起伏是微小的。它是一个很接近于绕自转轴(短轴)旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体,这个旋转球体通常称大地椭球体。地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小,通常用两个半径—长半径a和短半径b,或由一个半径和扁率a来决定。扁率表示椭球的扁平程度。 地图坐标系由大地基准面和地图投影确定,大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近,因此每个国家或地区均有各自的大地基准面,我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。大地基准面由椭球体本身及椭球体和地表上一点(视为原点)间之关系来定义。此关系能以6个量来定义,通常(但非必然)是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系,1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG 75地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系,目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标系统,WGS84基准面采用WGS84椭球体,它是一地心坐标系,即以地心作为椭球体中心的坐标系。因此相对同一地理位置,不同的大地基准面它们的经纬度坐标是有差异的。 椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系,也就是基准面是在椭球体基础上建立的,但椭球体不能代表基准面,同样的椭球体能定义不同的基准面,如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体,但它们的大地基准面显然是不同的。在目前的GIS商用软件中,大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义,即三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值;三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时,分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角;最后是比例校正因子,用于调整椭球大小。北京54、西安80相对WGS84的转换参数至今没有公开,实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与WGS84坐标值的转换,在只有一个已知控制点的情况下(往往如此),用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数,当工作区范围不大时,精度也足够了。 二、关于投影 投影是为解决由不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾,用几何透视方法或数学分析的方法,将地球上的点和线投影到可展的曲面(平面、园柱面或圆锥面)上,将此可展曲面展成平面,建立该平面上的点、线和地球椭球面上的点、线的对应关系。 地图投影的过程是可以想象用一张足够大的纸去包裹地球,将地球上的地物投射到这张纸上。地球表面投影到平面上、圆锥面或者圆柱面上,然后把圆锥面、圆柱面沿母线切开后展成平面。根据这张纸包裹的方式,地图投影又可以分成:方位投影、圆锥投影和圆柱投影。根据这张纸与地球相交的方式,地图投影又可以分成切投影和割投影,在切线或者割线上的

地理坐标系、大地坐标系与地图投影与重投影详解

地理坐标系、大地坐标系与地图投影与重投影详解 地理坐标系、大地坐标系与地图投影与重投影详解基本概念 首先简单介绍一下地理坐标系、大地坐标系以及地图投影的概念: 地理坐标系:为球面坐标。参考平面地是椭球面,坐标单位:经纬度;投影坐标系:为平面坐标。参考平面地是水平面,坐标单位:米、千米等;地理坐标转换到投影坐标的过程可理解为投影。(投影:将不规则的地球曲面转换为平面)从以上三个概念相应到可以涉及到三个问题: 地理坐标系的定义,即参考椭球面的标准,地球是一个不规则的球形,因此若用经纬度去定义地球上的位置,一定会对地球做了相应的抽象。投影坐标系的定义,在小范围内可以认为大地是平面的,而整体上来说地球是球形的,因此大地坐标对于不同的地区肯定是不一样的。一个坐标系肯定会涉及到坐标原点、坐标轴的位置,这也是大地坐标系需要考虑的问题。从地理坐标到投影坐标是将不规则的球面展开为平面的过程,因此也是一个将曲面拉平的过程。从生活经验中可以看出这是一个无法精确处理的问题(例如,在剥桔子的

时候,如果不破坏橘子皮是无法从原来的“曲面”展开为平面的),这边涉及到了投影方法的问题 针对上面三个问题,本文将一一介绍。对不规则的抽象——地球空间模型 地球的自然表面是崎岖不平的,在地理课本上我们会看到对地球形状的描述:地球是一个两极稍扁,赤道略鼓的不规则球体。 不难看出在地球的自然状态下其表面并不是连续不断的,高山、悬崖的存在,使得地球表面存在无数的凸起和凹陷,因此,对地球表面的第一层抽象,大地水准面即得到了一个连续、闭合的地球表面。大地水准面的定义是:假设当海水处于完全静止的平衡状态时,从海平面延伸到所有大陆下部,而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的曲面,这就是大地水准面。它是重力等位面。 在大地水准面的基础上可以建立地球椭球模型。大地水准面虽然十分复杂,但从整体来看,起伏是微小的,且形状接近一个扁率极小的椭圆绕短轴旋转所形成的规则椭球体,这个椭球体称为地球椭球体。其表面是一个规则数学表面,可用数学公式表达,所以在测量和制图中用它替代地球的自然表面。地球形体的二级逼近。 地球椭球体有3个参数,长半轴,短半轴和扁率。可以想象

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