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1、第2講地理空間參照系統(tǒng)與地圖投影,本講導(dǎo)讀地理空間地球模型空間坐標系統(tǒng)地圖投影關(guān)于空間參考若干概念的辨析高程系統(tǒng)坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換地圖的分幅和編號,2.1地理空間（Geo-space）,圖2.1固體地球表面,地球景觀,地球表面的形態(tài),,,地理空間實質(zhì)上就是地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、土壤圈交互作用的區(qū)域（地球表層）；在GIS中，地理空間采用絕對空間和相對空間來定義：絕對空間：具有屬性描述的空間位置的集合，由一系列不同位置的空間坐標值組成；相對空間：具有空間屬性特征的實體的集合，由不同實體之間的空間關(guān)系構(gòu)成。,,,2.2地球模型,,地球表面,,,大地水準面,地球模型,地球模型：三級近似,地球
2、自然表面,極不規(guī)則，無法用數(shù)學(xué)表面進行描述,水準面所包圍的球體,大地水準面所包圍的球體,旋轉(zhuǎn)橢球體,,,,不規(guī)則性、動態(tài)性、不唯一性,不規(guī)則性、相對唯一性,標準數(shù)學(xué)曲面1906：海福特橢球1940：克拉索夫斯基橢球1978：1975年國際橢球,,,,,,橢圓的第二偏心率：,橢圓的長半軸：a橢圓的短半軸：b橢圓的扁率：,橢圓的第一偏心率：,參考橢球舉例,一個國家或地區(qū)在建立大地坐標系時，為使地球橢球面更切合本國或本地區(qū)的自然地球表面，往往需要選擇合適的橢球參數(shù)、確定一個大地原點的起始數(shù)據(jù)，并進行橢球的定位(大地原點）和定向（由此得到基準面）。,,,,局部地理坐標基準,地心地理坐標基準,,2.3空
3、間坐標系統(tǒng)地球上的任何一點都有其相應(yīng)的空間位置,對該位置進行度量,則需要建立坐標系統(tǒng)。坐標系統(tǒng)是以地球參考橢球面為依據(jù)建立的,一般采用以下方式:大地坐標(地理坐標)系統(tǒng)空間直角坐標系統(tǒng)投影坐標系統(tǒng)線性參照系統(tǒng),地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極點。通過A點作橢球面的垂線，稱之為過A點的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度B。過A點的子午面與通過原英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點的經(jīng)度L。,,大地/地理坐標系統(tǒng),,,,,,,,,,,,N,S,E,,赤,道,緯,線,本,初,子,午,線,W,A,B,L,,,空間直角坐標系統(tǒng),1954北京空間直角坐標系參考橢球：Krassovs
4、ky橢球大地原點：前蘇聯(lián)普爾科沃天文臺Z軸：平行于地球質(zhì)心指向地極原點JYD1968的方向X軸：在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度0方向Y軸：與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標系,空間直角坐標系統(tǒng),1980西安空間直角坐標系參考橢球：1975國際橢球大地原點：陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)Z軸：平行于地球質(zhì)心指向地極原點JYD1968的方向X軸：在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度0方向Y軸：與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標系,,,,,,,,,,Z,X,Y,地球質(zhì)心,赤道,JYD1968,空間直角坐標系統(tǒng),WGS84空間直角坐標系參考橢球：WGS-84橢球原點：地球質(zhì)心Z軸：BIH1984定義的協(xié)議地球極（CTP）X軸
5、：BIH1984的零子午面與CTP赤道的交點Y軸：與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標系,,,,,,,,,,,Z,X,Y,地球質(zhì)心,赤道,CTP,,投影坐標系統(tǒng)使用地圖投影方法，建立地球表面和平面上點的函數(shù)關(guān)系，使地球表面上任一點由大地/地理坐標（L,B）確定的點，在平面上必有一個與它對應(yīng)的點，平面任一點的位置可以采用平面坐標或極坐標表示。,線性參照系統(tǒng)（LinearReferencing）,...對“事件”沿線性實體定位,在道路網(wǎng)絡(luò)上的交通管理調(diào)度事故記錄和分析道路與周圍環(huán)境的關(guān)系點源的資源在道路系統(tǒng)的分配道路工程管理,二維直角坐標描述,從線性對象某一點開始按長度（measure)進行相對定位,線性參
6、考的實質(zhì)是以已知的線性對象為依據(jù)，將其他“事件”或“熱點”以一維的量測值將其定位到該線性對象上。如滬寧高速232KM+200m,2.4地圖投影,地球橢球體是數(shù)學(xué)曲面，是不可展曲面，而地圖通常采用平面表示地理空間，如何把不可展曲面上的地理對象展繪在平面圖紙上，使其能表示連續(xù)的地理對象？地圖投影就是這種把曲面上地理對象影射到平面的有效方法。地圖投影（mapprojection）的實質(zhì)就是按照一定的數(shù)學(xué)法則，將地球橢球面上的經(jīng)緯網(wǎng)轉(zhuǎn)換到平面上，建立地面點位的地理坐標（B,L）與地圖上相對應(yīng)的平面直角坐標（X,Y）之間一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。,投影變形地球橢球表面是一種不可能展開的曲面，要把這樣一個曲面表
7、現(xiàn)到平面上，就會發(fā)生裂隙或褶皺。在投影面上，可運用經(jīng)緯線的“拉伸”或“壓縮”（通過數(shù)學(xué)手段）來加以避免，以便形成一幅完整的地圖。不可避免會產(chǎn)生變形。,投影變形,地圖投影的變形，通常有：長度變形面積變形角度變形在實際應(yīng)用中，根據(jù)使用地圖的目的，限定某種變形。,地圖投影分類按地圖投影的構(gòu)成方法分類幾何投影按輔助投影面的類型劃分方位投影：以平面作為投影面圓柱投影：以圓柱面作為投影面圓錐投影：以圓錐面作為投影面按投影面與地球自轉(zhuǎn)軸間的方位關(guān)系劃分正軸投影：投影面的中心軸與地軸重合橫軸投影：投影面中心軸與地軸相互垂直斜軸投影：投影面的中心軸與地軸斜交按投影面與地球的位置關(guān)系劃分切投影：投影面與橢球面相切
8、割投影：投影面與橢球面相割分離投影：投影面與橢球面相離,,,,,,,,,,切投影,割投影,地圖投影分類按地圖投影的構(gòu)成方法分類幾何投影非幾何投影偽方位投影：緯線為同心圓，中央經(jīng)線為直線，其余的經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)線的曲線，且相交于緯線的共同圓心；偽圓柱投影：緯線為平行直線，中央經(jīng)線為直線，其余的經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)線的曲線；偽圓錐投影：緯線為同心圓弧，中央經(jīng)線為直線，其余經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)線的曲線；多圓錐投影：緯線為同周圓弧，其圓心均位于中央經(jīng)線上，中央經(jīng)線為直線，其余的經(jīng)線均為對稱于中央經(jīng)線的曲線。,地圖投影分類按地圖投影的構(gòu)成方法分類按投影變形性質(zhì)分類等角投影（正形投影）等面積投影等距投
9、影任意投影,常用投影之一——高斯－克呂格投影實質(zhì)上是橫軸切圓柱正形投影,高斯投影6和3帶分帶,,,,中央子午線,Y,,X,,500Km,X,,赤道,高斯投影特點中央子午線長度變形比為1；在同一條經(jīng)線上，長度變形隨緯度的降低而增大，在赤道處為最大；在同一條緯線上，長度變形隨經(jīng)差的增加而增大，且增大速度較快。在6?帶范圍內(nèi)，長度最大變形不超過0.14%。,常用投影之二——UTM投影實質(zhì)上是橫軸割圓柱正形投影,,,,,,,＋84,－84,UTM投影特點中央子午線長度變形比為0.9996；在6?帶內(nèi)最大長度變形不超過0.04%；投影帶編號，第1帶在177W（自東徑180自西向東排列）；其它同高斯投影。
10、,常用投影之三——蘭勃特Lambert投影實質(zhì)上是正軸等角割圓錐投影,蘭勃特等角投影后緯線為同心圓弧，經(jīng)線為直線，且垂直于緯線。,地圖投影的選擇選擇制圖投影時，主要考慮因素制圖區(qū)域的范圍、形狀和地理位置；地圖的用途、出版方式及其他特殊要求等，其中制圖區(qū)域的范圍、形狀和地理位置是主要因素。投影選擇實例世界地圖，主要采用正圓柱、偽圓柱和多圓錐投影。在編繪世界航線圖、世界交通圖與世界時區(qū)圖時也采用墨卡托投影。中國出版的世界地圖多采用等差分緯線多圓錐投影。對于半球地圖，東、西半球圖常選用橫軸方位投影；南、北半球圖常選用正軸方位投影；水、陸半球圖一般選用斜軸方位投影。在東西延伸的中緯度地區(qū)，一般采用正軸
11、圓錐投影，如中國與美國。在南北方向延伸的地區(qū)，一般采用橫軸圓柱投影或多圓錐投影，如智利與阿根廷,2.5關(guān)于空間參考若干概念辨析空間參考（spatialreference）坐標系統(tǒng)（coordinatesystem）投影（projection）基準面（datum）橢球（ellipsoid）。例如：我的數(shù)據(jù)采用WGS84坐標系統(tǒng)，意味著什么？,,,坐標系統(tǒng)坐標系統(tǒng)是描述相對于中心點空間位置的一種表達方式，有：地心坐標系統(tǒng)：相對于地心的X、Y、Z（GPS使用）球面/地理坐標系統(tǒng)：經(jīng)度、緯度及相對于基準面的高度笛卡爾平面坐標系統(tǒng)（包括投影平面坐標系統(tǒng)和局部平面坐標系統(tǒng)）：將地球表面當做平坦面的坐標系統(tǒng)
12、,,,橢球體和基準面橢球體：對大地體進行逼近的旋轉(zhuǎn)橢球（由長、短半徑、扁率等參數(shù)來定義）基準面：完成定位和定向的橢球體，基準面為描述地球表面位置提供了參考框架?；鶞拭娑x了一個橢球，并通過采用地面上一系列點將其與橢球上的點關(guān)聯(lián)起來，由此得到地球的中心。但是由于大陸漂移導(dǎo)致這些點位隨時間變化而變化，這就產(chǎn)生了不同的基準面，因此，這就是基準面具有時間標記的原因，例如WorldGeodeticDatum1984（WGS84）、NorthAmericanDatum1983（NAD83）因此“我的數(shù)據(jù)采用WGS84坐標系統(tǒng)”的提法是不完整的，只能知道數(shù)據(jù)采用的是WGS84基準面，是何種坐標系統(tǒng)仍不確定。
13、北京54坐標系(BJZ54)、西安80坐標系,,,投影將地球表面的對象的位置及形態(tài)投影到平面（便于制圖或計算機屏幕顯示）投影會產(chǎn)生幾何變形：面積、形狀（角度）、距離不同投影的共同特征是將球面上的要素變換到笛卡爾平面坐標系統(tǒng)中；“PlateCarree”投影（將經(jīng)度為y方向、緯度為x方向，等間距布設(shè)）,,,空間參考空間參考是以上幾者的組合。它定義了一個橢球、使用該橢球的基準面、地心/地理/投影坐標系統(tǒng)；在EuropeanPetroleumSurveyGroup(EPSG)中預(yù)定義了一系列空間參考（定義參數(shù)），使用唯一的ID來引用，例如：EPSG:4326（http://spatialrefere
14、nce.org，該站還包括4362個EPSG空間參考；447個ESRI空間參考；2380IAU2000空間參考；1005個spatialreference.org的空間參考）,,,EPSG:21420（北京54,6帶高斯-克呂格投影）,EPSG:21420：西安1980/Gauss-Krugerzone20,2.6高程系統(tǒng)高程是表示地球上一點至參考基準面的距離，它和水平量值一起，統(tǒng)一表達點在三維空間的位置。高程基準：包括高程起算基準面和相對于這個基準面的水準原點(基點)高程。,h＝H+N,我國常用高程基準1956年黃海高程基準依據(jù)1950-1956驗潮平均海面，原點在青島市象山，H＝72.28
15、9m1985國家高程基準以1952-1979驗潮資料,以青島驗潮站的平均海面重新計算，高程為H＝72.260m上海吳淞高程基準（長江流域使用）以一個比實測水位略低的高程為“0”高程－吳淞零點，民國10年在基準標石約300m處設(shè)立永久點，高程為5.1054m,我國其它高程基準大連高程基準大沽高程基準廢黃河高程基準坎門高程基準羅星塔高程基準珠江高程基準,深度基準深度基準是指海圖圖載水深及其相關(guān)要素的起算面。通常取當?shù)仄骄Ｃ嫦蛳乱欢ㄉ疃葹槠鹚忝?，即深度基準面?,,,,,,,,,,,,平均海平面,深度基準面,海底,L,Z,,,+253.3m,-2.34m,我國深度基準1956年以前：采用略最低低潮
16、面(印度大潮低潮面)，大潮平均低潮面和實測最低潮面等為深度基準面。1957年后：采用理論深度基準面。該基準面是按照前蘇聯(lián)弗拉基米爾方法計算的當?shù)乩碚撟畹偷统泵妗?,,,平均大潮高潮面,,,,,,,,,,,山高,,燈塔高,,明礁高,,拙礁高,,海圖水深,,暗礁深,,高程基準面,,深度基準面,,2.7坐標系統(tǒng)變換大地坐標間的變換由于大地坐標定義在橢球基準面上，所以這種轉(zhuǎn)換涉及橢球基準的轉(zhuǎn)換。,坐標系統(tǒng)變換大地坐標間的變換（嚴密變換式）,涉及8個參數(shù)：3個平移參數(shù)；3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)；2個橢球元素變化參數(shù)需要3個以上公共點的兩套大地坐標值，列出9個方程，按最小二乘法解算8個參數(shù),坐標系統(tǒng)變換大地坐標間的變
17、換（近似變換式，僅適合于小范圍地區(qū)，如一個省）,涉及12個擬合參數(shù)：需要6個以上公共點的兩套大地坐標值，列出12個以上方程，按最小二乘法解算,坐標系統(tǒng)變換地理坐標與三維直角坐標間的變換,,坐標系統(tǒng)變換地心三參數(shù)變換法,坐標系統(tǒng)變換地心七參數(shù)變換法,坐標系統(tǒng)變換Molodensky變換法TheMolodensky變換法需要兩個橢球間的三個平移參數(shù)(?X,?Y,?Z)、長半軸差值(?a)、扁率之差(?f)。,h橢球高φ緯度λ經(jīng)度a橢球長半軸b橢球短半軸f橢球扁率e偏心率,坐標系統(tǒng)變換投影坐標至大地坐標的轉(zhuǎn)換,正變換,逆變換,,例如高斯－克呂格投影：,坐標系統(tǒng)變換投影坐標A至投影坐標B的轉(zhuǎn)換（同一橢
18、球基準）,將投影坐標按A投影的逆變換式變換為大地坐標,將大地坐標按B投影的正變換式變換為投影坐標,坐標系統(tǒng)變換投影坐標A至投影坐標B的轉(zhuǎn)換（不同橢球基準）采用多項式擬合方法：,求取12個擬合參數(shù)。需要6個以上公共點的兩套大地坐標值，列出12個以上方程，按最小二乘法解算，至少使用1個以上點來檢驗轉(zhuǎn)換精度。,2.8國家基本比例尺地形圖的分幅和編號國家基本比例尺地形圖系列大比例尺：1:1萬，1:2.5萬，1:5萬，1:10萬中比例尺：1:20萬，1:50萬小比例尺：1:100萬國家基本比例尺1:100萬地形圖分幅方式全球統(tǒng)一分幅和編號，每幅經(jīng)差6，緯差4；從赤道起向北或向南至緯度88止，按緯差每4劃
19、作22個橫列，依次用A、B、……、V表示；從經(jīng)度180起向東按經(jīng)差每6劃作一縱行，全球共劃分為60縱行，依次用1、2、……、60表示；每幅圖的編號由該圖幅所在的“列號——行號”組成。例如，北京某地的經(jīng)度為11626′08″、緯度為3955′20″，所在1∶100萬地形圖的編號為J-50。,,1:100萬地形圖分幅與編號,1∶50萬、1∶25萬、1∶10萬比例尺地形圖的分幅和編號這三種例尺地形圖都是在1∶100萬地形圖的基礎(chǔ)上進行分幅編號；一幅1∶100萬地形圖再劃分為4幅1∶50萬地形圖，分別以代碼A、B、C、D表示。將1∶100萬圖幅的編號加上代碼，即為該代碼圖幅的編號，如左上角1∶50萬圖
20、幅的編號為J-50-A。一幅1∶100萬的圖可再劃分為16幅1∶25萬地形圖，分別用[1]、[2]、……、[16]代碼表示。將1∶100萬圖幅的編號加上代碼，即為該代碼圖幅的編號，如左上角1∶25萬圖幅的編號為J-50-[1]。一幅1∶100萬的圖，可再劃分為144幅1∶10萬的圖，分別用1、2、……、144代碼表示。將1∶100萬圖幅的編號加上代碼，即為該代碼圖幅的編號，如左上角1∶10萬圖幅的編號為J-50-1。,4012345678910111213[1][2][3][4]24253639AB374849[5][6][7][8]60617238738485[9][10][11][12]9
21、69710837CD109120121[13][14][15][16]132133134135136137138139140141142143144361141151161171181191201∶50萬、1∶25萬、1∶10萬比例尺地形圖的分幅和編號,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1∶5萬、1∶2.5萬、1∶1萬比例尺地形圖的分幅和編號這三種比例尺圖的分幅、編號都是以1∶10萬比例尺地形圖為基礎(chǔ)；將一幅1∶10萬的圖劃分成4幅1∶5萬地形圖，分別以A、B、C、D數(shù)碼表示，將其加在1∶10萬圖幅編號后面，便組成1∶5萬的圖幅編號，例如，J-50-144-A；再將每幅1∶5
22、萬的圖幅劃分成4幅1∶2.5萬地形圖，并以1、2、3、4數(shù)碼表示，將其加在1∶5萬圖幅編號后面便組成1∶2.5萬圖幅的編號，例如，J-50-144-A-2。將1∶10萬圖幅進一步劃分成64幅1∶1萬地形圖，并用（1）、（2）、……、（64）帶括號的數(shù)碼表示，將其加在1∶10萬圖幅編號后面，便組成1∶1萬圖幅的編號。例如，J-50-144-（62）。,1∶5000、1∶2000比例尺地形圖的分幅和編號這兩種比例尺圖是在1∶1萬比例尺地形圖圖幅的基礎(chǔ)上進行分幅和編號的：將一幅1∶1萬的圖幅劃分成4幅1∶5000圖幅，分別在1∶1萬的編號后面寫上代碼a、b、c、d，例如，J-50-144-（62）-
23、b。每幅1∶5000的圖再劃分成9幅1∶2000的圖，其編號是在1∶5000圖的編號后面再寫上數(shù)字1、2、……、9，例如，J-50-144-（62）-b-8。,梯形分幅的圖幅規(guī)格與編號,國家基本地形圖的分幅與編號國家標準1992年12月，我國頒布了《國家基本比例尺地形圖分幅和編號GB/T13989—92》國家標準，1993年3月開始實施。新的分幅與編號方法為：分幅1∶100萬地形圖的分幅標準仍按國際分幅法進行。其余比例尺的分幅均以1∶100萬地形圖為基礎(chǔ)，按照橫行數(shù)縱列數(shù)的多少劃分圖幅。編號1∶100萬圖幅的編號，由圖幅所在的“行號列號”組成。與國際編號基本相同，但行與列間直接連接。如北京所在
24、1∶100萬圖幅編號為J50。1∶50萬至1∶5000圖幅的編號，由圖幅所在的“1∶100萬圖行號（字符碼）1位，列號（數(shù)字碼）2位，比例尺代碼1位，該圖幅行號3位，列號（數(shù)字碼）3位”共10位代碼組成。例如：北京所在幅(1:25萬）：J50C002003,國標基本比例尺地形圖分幅方式,國標基本比例尺代碼,國標基本比例尺地形圖分幅與編碼規(guī)則,正方形（或矩形）地形圖的分幅與編號大比例尺地形圖分幅為了適應(yīng)各種工程設(shè)計和施工的需要，對于大比例尺地形圖，大多按縱橫坐標格網(wǎng)線進行等間距分幅，即采用正方形分幅。,大比例尺地形圖編號一般采用坐標編號法。由圖幅西南角縱坐標x和橫坐標y組成編號，1∶5000坐標
25、值取至km，1∶2000、1∶1000取至0.1km,1∶500取至0.01km。例如，某幅1∶1000地形圖的西南角坐標為x=6230km、y=10km，則其編號為6230.0—10.0。也有采用基本圖號法編號的，即以1∶5000地形圖作為基礎(chǔ)，較大比例尺圖幅的編號是在它的編號后面加上羅馬數(shù)字，例如，一幅1∶5000地形圖的編號為20-60，則其它圖的編號為：,1：5000基本圖號法的分幅及編號,本講思考題,為什么以旋轉(zhuǎn)橢球體為參考來表示空間現(xiàn)象的位置？為什么在表示三維地理空間現(xiàn)象的位置時，采用將平面和高程分開并采用不同的坐標系統(tǒng)？對比分析采用地理坐標和投影坐標表達地理空間現(xiàn)象平面位置的優(yōu)缺點。分析高斯—克呂格投影的特點及其與UTM投影的異同點。如何將分別投影的1：100萬分幅表達的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為完整覆蓋全國的連續(xù)空間數(shù)據(jù)？來自于不同橢球體及投影的多源原始地理數(shù)據(jù)，如何使其位置的描述（坐標）能統(tǒng)一到同一坐標系下？如何根據(jù)地圖分幅編號規(guī)則，從江蘇省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中檢索1：100萬~1：1萬分幅地圖數(shù)據(jù)？,
地理空間參照系統(tǒng)與地圖投影.ppt
