地理空间数学基础
合集下载
第2章 地理空间数学基础-修改
海福特（Hayford） （中国1953年以前采用）
克拉索夫斯基 （Красовбкий） （中国1954年北京坐标系 采用）
1940
6378245
6356863
1:298.3
地球形状与地球椭球
• 在实际建立地理空间坐标系统的时候，还需要指定一个大 地基准面将参考椭球体与大地体联系起来，在大地测量学 中称之为椭球定位 • 定位指依据一定的条件，将具有给定参数的椭球与大地体 的相关位置确定下来
– 高斯投影是具有国际性的一种地图投影，适合于幅员 广大的国家或地区，它按经线分带进行投影，各带坐 标系、经纬网形状、投影公式及变形情况都是相同的， 也利于全球地图拼接
– 高斯投影的不足之处在于长度变形较大，导致面积变 形也较大
– 1:2.5至1:50万比例尺地形图采用经差6˚分带，1:1万比 例尺地形图采用经差3˚分带
常用地图投影概述
• 高斯—克吕格投影
– 6˚带是从0度子午线起，自西向东每隔经差6˚为一投影 带，全球分为60带
– 3˚带是从东经1˚30'分的经线开始，每隔3˚为一带，全 球划分为120个投影带
3º 9º 69º 75º 81º 87º 93º 99º 105º 111º 117º 123º 129º 135º
• 中央经线和中央纬线将坐标系分成4个象限，点的 坐标值有正、负之分，为了避免出现负的坐标值， 将横坐标东移、纵坐标北移形成伪原点，使得所 有点落在东北象限内，坐标值为正
常用地图投影概述
• 高斯—克吕格投影
– 横轴切圆柱等角投影
– 中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹 向，并对称于中央经线的曲线，其他纬线均是以赤道 为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交
第二章 地理空间数学基础(1)
设椭球面上有一个角，其两边与主方向交成相等的角；在 变形椭圆上角投影为角'，角投影为'。
以表示角度最大变形：
a b sin( ') ab
a b sin 2 ab
结论：当已知某点的主方向长度比时，即可求得该点的最大角度变形
2.2 空间数据投影
三、地图投影的变形
5. 面积比
若经纬线的方向与 主方向重合，则： P=m·n
2.2 空间数据投影
四、地图投影的分类
1. 按地图投影的构成方法分类
几何投影（方位投影、圆柱投影、圆锥投影） 非几何投影（伪方位、伪圆柱、伪圆锥、多圆锥） 等角投影 等积投影 任意投影
2. 按投影变形性质的分类
2.2 空间数据投影
在地理学研究及地图学的小比例尺 制图中，通常将椭球体当成正球体看 ，采用地心经纬度。
2.1 地球空间参考
二．坐标系统
o
x
I 象限 P（x,y）
2.平面坐标系
平面直角坐标系：笛卡尔坐标系 便于计算 平面极坐标系：某些投影（如圆锥投影、方位投影）往 往用极坐标系表示地图上的点位。
P （ρ，α） ρ α o y
圆柱投影：以圆柱面作为投影面，使圆柱面与球面相切 或相割，将球面上的经纬线投影到圆柱面上，然后将圆 柱面展为平面而成。
2.2 空间数据投影
四、地图投影的分类
1. 按地图投影的构成方法分类
圆锥投影：以圆锥面作为投影面，使圆锥面与球面相切 或相割，将球面上的经纬线投影到圆锥面上，然后将圆 锥面展为平面而成。
sin( ') ab tan 将两式相除，得： cos cos ' a
sin( ') a b sin( ') a b
以表示角度最大变形：
a b sin( ') ab
a b sin 2 ab
结论：当已知某点的主方向长度比时，即可求得该点的最大角度变形
2.2 空间数据投影
三、地图投影的变形
5. 面积比
若经纬线的方向与 主方向重合，则： P=m·n
2.2 空间数据投影
四、地图投影的分类
1. 按地图投影的构成方法分类
几何投影（方位投影、圆柱投影、圆锥投影） 非几何投影（伪方位、伪圆柱、伪圆锥、多圆锥） 等角投影 等积投影 任意投影
2. 按投影变形性质的分类
2.2 空间数据投影
在地理学研究及地图学的小比例尺 制图中，通常将椭球体当成正球体看 ，采用地心经纬度。
2.1 地球空间参考
二．坐标系统
o
x
I 象限 P（x,y）
2.平面坐标系
平面直角坐标系：笛卡尔坐标系 便于计算 平面极坐标系：某些投影（如圆锥投影、方位投影）往 往用极坐标系表示地图上的点位。
P （ρ，α） ρ α o y
圆柱投影：以圆柱面作为投影面，使圆柱面与球面相切 或相割，将球面上的经纬线投影到圆柱面上，然后将圆 柱面展为平面而成。
2.2 空间数据投影
四、地图投影的分类
1. 按地图投影的构成方法分类
圆锥投影：以圆锥面作为投影面，使圆锥面与球面相切 或相割，将球面上的经纬线投影到圆锥面上，然后将圆 锥面展为平面而成。
sin( ') ab tan 将两式相除，得： cos cos ' a
sin( ') a b sin( ') a b
第二章 地理空间数学基础
2、投影的实质
建立地球椭球面上的点的地理坐标（L，B）与平面上对
应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系：
x f1 ( L, B) y f 2 ( L, B)
地球椭球面 B,L x， y 地图平面
地图投影
二、地图投影的变形
1、投影变形的性质 观察地球体经纬线的
长度、面积和角度特征。
地图投影的变形具体表现： 长度(距离)变形 角度(形状)变形 面积变形
其优点：
①椭球体参数精度高； ②定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合得好； ③大地网精度高；
④坐标统一，精度优良，可以直接满足1:5000甚至更大
比例尺测图的需要。
三角测量
导 线 测 量
支导线
国家平面控制网
O
国家平面控制网含三角点、导线点 共154348个，构成1954北京坐标 系、1980西安坐标系两套系统。
3、我国常用的地图投影
①我国1：100万地形图采用兰勃特Lambert投影(正轴等
角割圆锥) ；
②我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用 Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影(正轴等积 割圆锥投影)； ③我国基本比例尺地形图除1：100万外均采用高斯—克吕 格投影为地理基础；
用来代替大地体的椭球体称地球椭球体。
b a a
x2 y2 z2 2 2 1 2 a a b
椭球体三要素:长轴a(赤道半径)、短轴b(极半径)和椭球扁率f。
3、地球体的数学表面——地球椭球体
地球椭球体参数：
• 长半径： a（赤道半径）
b a
• 短半径： b（极半径）
• 扁率： f=(a-b)/a • 第一偏心率： e2=(a2- b2)/ a2 • 第二偏心率： e’2=(a2- b2)/ b2
第2章 地理空间数学基础
空间数据投影
• 面积变形与面积比
– 面积比—地面上微分面积投影后的大小dF’与其相应的 实地面积dF的比称为面积比 – P=dF′/dF – 面积变形指面积比与1的差值。用符号Vp表示，那么 – Vp=P-1
– Vp=0,投影后面积没有变形；Vp<0，投影后面积缩小； Vp>0，投影后面积增加
空间数据投影
球面坐标系统的建立
• 天文地理坐标系
λ
ψ
图2.4天文地理坐标系
球面坐标系统的建立
• 大地地理坐标
– 依托地球椭球用定义原点和轴系以及相应基本参考面 标示较大地域地理空间位置的参照系，简称大地坐标
– 点在大地坐标系中的位置以大地纬度与大地经度表示
球面坐标系统的建立
• 空间直角坐标系
– 参心空间直角坐标系是在参考椭球上建立的三维直角 坐标系O-XYZ – 坐标系的原点位于椭球的中心，Z轴与椭球的短轴重合， X轴位于起始大地子午面与赤道面的交线上，Y轴与XZ 平面正交 – 由于观测范围的限制，不同的国家或地区要求所确定 的参考椭球面与局部大地水准面最密合 – 由于参考椭球不是唯一的，因此参心空间直角坐标系 也不是唯一的
– 第三类是地球椭球面
• 大地体非常接近旋转椭球，而后者的表面是一个是一个规则的 数学曲面，因此选择一个旋转椭球作为地球理想的模型，称为 地球椭球或参考椭球
地球形状与地球椭球
x y z 2 2 1 2 a a b
a为长半径，近似等于地球赤道半径；b为极轴半径， 近似等于南极（北极）到赤道面的距离。
1940
6378245
6356863
1:298.3
地球形状与地球椭球
• 在实际建立地理空间坐标系统的时候，还需要指定一个大 地基准面将参考椭球体与大地体联系起来，在大地测量学 中称之为椭球定位 • 定位指依据一定的条件，将具有给定参数的椭球与大地体 的相关位置确定下来
第2章 地理空间数学基础
通常情况： 通常所说的高程是以平均海面为起算基准 面，所以高程也称为标高或者海拔高。 高程基准: 高程基准是推算国家统一高程控制网中所 有水准高程的起算依据，包括一个水准基 面和 一个永久性水准原点。 水准基面： 大地水准面，也是重力等位面，平均海 面。
相关概念： 地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程。如图所示， P0P0‘为大地水准面，地面点A和B到P0P0’的垂直距离 HA和HB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。如图中，A、B两点至任一水准 面P1P1‘的垂直距离HA’和HB‘为A、B两点的相对高程。 地面点之间的高程差值，称为高差。
• 按坐标单位划分：
– 角度单位坐标系统
天文坐标系（大地体） 大地坐标系（参考椭球）
– 线性单位坐标系统
空间直角坐标系（参心、地心）
（1）天文地理坐标系 模型：大地体 坐标原点：地心（地球质量中心） 天文纬度：测站垂线方向与地球平均赤道 面的交角，以φ表示。 • 天文经度：首天文子午面与测站天文子午 面的夹角，以λ表示。 • • • •
实质：
建立地图平面上点的坐标（x, y）与地球椭球面上对应点的坐标 (,)之间的函数关系。准确表示地物的地理位臵。一般通式为：
x f1 ( , ) y f 2 ( , )
• 对于较小区域范围，可以视地表为平面，认为投影没有变 形。 • 对于较大区域范围，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。那 么图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，因此投 影变形是不可避免的。
05-GIS_P2地理空间数学基础345小节
2.3.1 空间坐标转换基本概念
不同来源的空间数据一般会存在地图投影与地理坐 标的差异，
为了获得一致的数据，必须进行空间坐标的转换。
空间坐标转换是把空间数据从一种空间参考系映射 到另一种空间参考系中。
空间坐标转换有时也称投影变换。投影变换是地图 制图的基础理论之一，主要用来解决换带计算、地图 转绘、图层叠加、数据集成等问题。
如何从不同视角、从宏观或中观或微观的尺度 来观察、认识自然现象、自然过程或社会经济事件，
获取有关数据、信息， 进而分析评价它们，
为规划决策、解决问题服务， 已成为人们认识自然、认识社会、改造自然，促进社会经
济进步和发展的重要论题。
所谓尺度，在概念上是指研究者选择观察（测）世界的窗口。
选择尺度时必须考虑观察现象或研究问题的具体情况。
①（B，L）84转换为（X，Y，Z）84(大地坐标到直角坐标的转换)； ②（X，Y，Z）84转换为（ X，Y，Z ）80（坐标基准的转换，即参
考椭球转换。该过程可以通过前节所叙述的7参数或简化3参数法实现）；
③ (X,Y,Z ) 80转换为(B,L) 80 (直角坐标到大地坐标的转换）； ④ (B,L) 80转换为(x,y)80 （投影，高斯一克吕格投影公式计算）。
2.3.3 投影解析转换
1. 相同地理坐标基准下的坐标变换 2. 不同地理坐标基准下的坐标变换
1.相同地理坐标基准下的坐标变换
如果参与转换的空间参考系的投影公式存在严密或近似的解 析关系式，就可以
建立两坐标系的解析关系式。 应用建立的解析关系式，直接计算出当前空间参考系
下的空间坐标(x,y,z)在另一种空间参考系中的坐标值（
实现两种投影坐标间的变换（x，y）→（X，Y）。
《地理空间数学基础》PPT课件
黄海海面
1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高
程基准，
72.2604米
青岛市观象山上国家水准原点
国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标 系统，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。 目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041 个，水准路线长度为416619．1公里。
地心空间直角坐标系的坐标原点位于地球质心。
WGS-84坐标系——“World Geodetic System”(世界大地坐标系）是美 国国防局为进行GPS导航定位于1984年建立的地心坐标系，1985年投入使 用，采用WGS-84椭球。
平面坐标系统=球面坐标系统+投影规则
一 地理空间参考
（三）高程基准
而对于制图区域广大的大国地图、大洲地图、 半球图、世界图等，则需要慎重地选择投影。
2. 制图比例尺
不同比例尺地图对精度要求的不同，导致 在投影选择上亦各不相同。以我国为例，大比例 尺地形图，由于要在图上进行各种量算及精确定 位，因此应选择各方面变形都很小的地图投影， 比如分带投影的横轴等角椭圆柱投影（如高斯— 克吕格投影）。而中小比例尺的省区图，由于概 括程度高于大比例尺地形图，因而定位精度相对 降低，选用正轴等角、等积、等距的圆锥投影即 可满足用图要求。
圆柱投影：投影面为圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面
正轴投影投影面中心轴与地轴相互重
斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相
横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂
二 空间数据投影
（四）常用地图投影概述
1 高斯-克吕格投影 2 通用墨卡托投影（UTM-Universal Transverse
第2讲 地理空间数学基础
2.4地图投影的分类
变形性质 地图投影 构成方法
等积投影 等角投影 任意投影
几何投影
方位投影 圆锥投影 圆柱投影 伪方位投影 伪圆锥投影 为圆柱投影 多圆锥投影
非几何投影
地图投影的分类（1）
按地图投影的构成方法分类 （1 ）几何投影 把椭球面上的经纬线网投影到几何面 上，然后将几何面展为平面而得到。
X N’
O
Y
S’
A高斯-克吕格投影——投影分带
高斯-克吕格投影的最大变形处为各投影带在赤道边缘处，为了 控制变形，我国地形图采用分带方法，即将地球按一定间隔的经差 （6°或3°）划分为若干相互不重叠的投影带，分别投影。
3º 9º 69º 75º 81º 87º 93º 99º 105º 111º 117º 123º 129º 135º
a) 按投影面的形状
– 圆锥投影 – 圆柱投影 – 方位投影
正 轴 方位 圆柱 圆锥
斜 轴
横 轴
b) 按投影面与地球自转轴间的方位关系
– 正轴投影 – 横轴投影 – 斜轴投影
c) 按投影面与地球的位置关系
– 相切投影 – 相割投影
（2）非几何投影
– – – – 可分为： 伪方位投影 伪圆柱投影 伪圆锥投影 多圆锥投影 ，根据某些条件用数学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。
极不规则，无法用数学表面进行描述 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 1952：海福特椭球 1953：克拉索夫斯基椭球 1978：1975年国际椭球
1.1地球椭球
大地水准面和大地体
水准面和大地水准面图
旋转椭球/地球椭球 • 参数：
– 长半径：a – 短半径：b – 扁率：f=(a-b)/a
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
克拉索夫斯基
1940 6,378,245 1:298.3
苏联
1967年大地坐标系 1967 6,378,160 1:298.247 1971年国际第二个推荐值
1975年大地坐标系 1975 6,378,140 1:298.257 1975年国际第三个推荐值
1980年大地坐标系 1979 6,378,137 1:298.257 1979年国际第四个推荐值
x2 a2
y2 a2
z2 b2
1
主要参数：长轴、短轴、扁率
b a
旋转椭球体是地球表面几何模型中最简单一类模型， 为世界各国普遍采用作为测量工作的基准。
我国目前一般采用克拉索夫斯基椭球体作为地球表面
几何模型。
地理空间数学基础
国际主要的椭球参数
椭球名称
年代
德兰勃（Delambre） 1800
长半径/m 6,375,653
第2章 地理信息系统 §2.2 地理空间数学基础
地理空间数学基础
本章内容：
一 地理空间参考 二 空间数据投影 三 空间坐标转换 四 空间尺度
地理空间数学基础
一 地理空间参考
解决地球的空间定位与数学描述问题。
（一）地球形状与地球椭球 （二）坐标系统 （三）高程基准
地理空间数学基础
一 地理空间参考
地理空间数学基础
平面坐标系统=球面坐标系统+投影规则
地理空间数学基础
一 地理空间参考
（三）高程基准
1 绝对高程。地面点沿垂线方向至大地水准面的 距离称为绝对高程或称海拔。
高程基准是推算国家统一高程控制网的水准原点的 起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准 原点。
我国高程基准：
1956年黄海高程系（水原点高程为72.289m）
地理空间数学基础
陕西泾阳县永乐镇石际寺村大地原点
地理空间数学基础
国家大地控制网
地理空间数学基础
大地坐标系
1954北京坐标系——采用克拉索夫斯基椭球，
实质上是由原苏联普尔科沃为原点的1942年坐标 系的延伸。
1980西安坐标系——采用1975国际椭球，以 陕西省泾阳县永乐镇大地原点为起算点。
地理空间数学基础
2006年5月，为更好地利用水准原点这一独特的资源， 经国家测绘局批准，由专家精确移植水准原点信息数 据，在青岛银海大世界内（也叫银海国际游艇俱乐部 内）建起了“中华人民共和国水准零点”。这也是全 国唯一的水准零点标志。
地理空间数学基础
2 相对高程。地面点沿铅垂线方向至任意假定的 水准面的距离称为该点的相对高程，亦称假定高程。
天文坐标系
坐 球面坐标系统 大地坐标系
标
空间直角坐标系
系 平面坐标系统 统
地理空间数学基础
球面坐标系统：天文坐标系
表示地面点在大地水准面上的位置，它的基准面 是大地水准面，它用天文经度λ和天文纬度φ两个 参数来表示地面点在大地体上的位置。
K( λ,φ)
天文坐标地理系空间数学基础
球面坐标系统：大地坐标系
扁率 1：334.0
附注 法国
埃弗瑞斯(Everest) 1830 6,337,276 1:300.801
英国
贝赛尔(Bessel)
1841 6,377,397 1:299.152
德国
克拉克(Clarke)
1880 6,378,249 1:293.459
英国
海福特(Hayford) 1910 6,378,388 1:297.0 1942年国际第一个推荐值
1985年国家高程基准（国家水准原点高程为
72.260m)
地理空间数学基础
黄海海面
1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高
程基准， 72.2604米
地理空间数学基础
青岛市观象山上国家水准原点
地理空间数学基础
国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统， 按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提 供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个， 水准路线长度为416619．地1理公空间里数学。基础
（一）地球形状与地球椭球
自然地球表面
是一个起伏不平，十分 不规则的表面，最高点 珠峰（8848.13米）， 最深处马里亚那海沟 （-11034米。这个高低 不平的表面无法用数学 公式表达，也无法进行 计算。
自然地球表面
那么如何准确表达地球上每一点的绝对位置呢？ ——找出一个规则的曲地理面空间来数学代基础替地球的自然表面。
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L、大地 纬度B和大地高程来表示。
P(L,B,H)
B L
地理空间数学基础
大地坐标系
大地经、纬度是根据起始大地点（大地原点， 该点的大地经纬度与天文经纬度一致）的大地坐标， 按大地测量所得的数据推算而得的。
由于天文坐标和大地坐标选用的基准线和基准 面不同，所以同一点的天文坐标与大地坐标不一样， 不过这种差异很小，在普通测量工作中可以忽略。
地理空间数学基础
从地球自然表面 大地水准面 地球椭球面
海面
椭球体
大地水准面
地球表面
地理空间数学基础
大地基准面：
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。
椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系
地理空间数学基础
一 地理空间参考
（二）坐标系统
3 高差。地面上任意两点的高程(绝对高程或相对 高程)之差称为高差。
地理空间数学基础
本章内容：
一 地理空间参考 二 空间数据投影 三 空间坐标转换 四 空间尺度
球面坐标系统：空间直角坐标系（参 心、地心）
参心空间直角坐标系的坐标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轴位于赤道面上切按右手系于X 轴呈90度夹角。
地心空间直角坐标系的坐标原点位于地球质心。 地理空间数学基础
WGS-84坐标系——“World Geodetic System”(世界大地坐标系）是美国国防局 为进行GPS导航定位于1984年建立的地 心坐标系，1985年投入使用，采用WGS84椭球。
大地水准面
假设，当海水处于完全静止的平衡状态时，存 在着一个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、闭合的水准面，这 就是大地水准面。
以大地水准面为基准，可以用水准仪完成地球 自然表面上任一点高程的测量。
地理空间数学基础
地球椭球面 —— 规则的数学曲面
基于大地水准面建立地 球椭球体模型：