02第二章 地球空间认知与现代测绘成图-103.ppt

第二章 地球空间认知与现代测绘成图本章要点 重点讲述地球空间及空间信息与数据概念基础知识，地球体模型，地球空间参照系，空间尺度与地图比例尺，传统测绘成图法，传统编绘成图法，数字测量成图法，数字编绘成图法等地图测绘成图的基本概念、内容、原理和方法。基本概念 地球/地理空间，信息，数据，地球/地理空间信息，地球/地理空间数据，地学信息可视化，地球/地理空间信息科学,地球体模型，自然球体，大地水准面，大地体，旋转椭球体,参考椭球体，正球体；空间参照系，地理坐标系，大地坐标系，参心坐标系，地心坐标系，“WGS-84”坐标系，2000 中国地心大地坐标系,高程参照系，地理格网与地理时空坐标系(自学)；空间尺度，时间尺度，地图比例尺；传统地图设计/地图编绘/地图制印；现代数字测图/GPS测图/全站仪测图/数字影像测图，数字编图与数字/电子出版。,第一节 概 述,1、空间认知,一、基本概念,(1)地球/地理空间概念 地球空间的含义 地球空间是地球体及其周围一定范围所包围的空间。这个范围上至电离层，下至莫霍面，上下大约有2000km。地理空间的含义 广义上：包括地球、月球、太阳等星球及其周围一定范围所包围的空间，甚至整个宇宙空间；狭义上：是地球表层及其周围一定范围所包围的空间,这个范围要比地球空间小，它上下大约有200km。本书除特别说明外，所述地理空间皆指狭义的地理空间。地理空间及其信息是地图学研究的重点对象和平台。,(2)地球/地理空间构成 地球空间构成 地球空间最外是大气层，最里是地壳以下的地质层，中间是海洋和陆地范围，包括地壳以上地球表层的所有物质，构成了由各种地球圈层所组成的空间；地理空间构成 地理空间主要由大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈、人类圈（亦称智慧圈）所构成。它是地球表层空间，也是人类活动的最主要空间。,2信息与数据(1)信息 国内外对信息仍没有公认的概念，通常可以认为：信息（Information）就是现实世界在人们头脑中的反映，它以文字、符号、声音、图形、图像等形式记录下来，进行传递和处理，为人们的生活、生产、建设、管理等提供依据。我国学者承继成将信息定义为：信息是客观世界一切事物性质、特征和状态的表征；对于人来说信息是指事物表征的有用的知识，对于生物和机器来说是指主体和客体的或对环境的相互联系的形式。(2)数据 数据（Data）通常是指能输入计算机并被其处理的文字、数字、声音、图形、图像等符号，是对客观事物或现象的描述、记录和表示。例如“义勇军进行曲”的歌词、歌曲、mp3、mv和产品销量等都是数据，就该首歌的mp3而言，不同人听了后有不同的理解和感受，从而得到了不同的信息。信息与数据两者关系密切：数据是信息的载体/媒介，信息是数据的内涵/解释，二者是形与质的关系，只是描述和表达同一事物或现象不同的侧面而已，通常可以将二者等同起来使用,分的不是那么清楚。,3.地理空间数据(1)地理实体 将地理空间中复杂的地理事物进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体(Entity)。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物，例如，某城市、河流、道路、花坛、楼房等。实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合。它们抽象的程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同，如在一张小比例尺的全国地图中，洞庭湖被抽象为一个点状实体，而在较大比例尺的湖南省地图上，需要将洞庭湖的范围、水系等详尽地表示出来，洞庭湖则被抽象为一个由简单点、线、面实体组成的复杂组合实体，其抽象程度较前者而言较小。因此，地理实体是一个具体有概括性、复杂性和相对意义的概念。,(2)地理空间数据及其特征 地理空间数据是指与地理实体或现象的空间位置及其分布有关的数据。地理空间数据通常具有空间、属性和时间三个基本特征（图2-1）。例如京广铁路，既有空间上各站点和特征点的三维坐标及其分布特征，又有属性上的名称、类型、长度、运输能力等质量与数量特征，还有某一时间段或某一时刻对应的状况等时间特征。空间特征描述事物或现象的空间位置和空间相互关系，又称几何特征和拓扑特征，主要用来说明“在哪里”；前者通常用地理实体的坐标表达，后者通常用地理实体的相邻、相交、相离与包含等拓扑关系来表达。属性特征是描述事物或现象的名称、类别、等级、大小等质量和数量特征，即用来说明“是什么”。时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，即用来表达“怎么样”；时间特征通常与地理实体的空间特征和属性特征联合使用，并对应于具体的时段或时刻，常用于数值仿真、动态模拟和动态制图的应用。,图2-1 地理空间信息/数据的基本特征(Jack,1984),二地理空间数据传输与表达1.地理空间数据类型 根据不同的需要和标准，可以将地理空间数据分为不同的类型，且每类数据均各有其不同的来源以及采集与处理方法。按照地理空间数据的基本特征，可将其分为空间数据、属性数据和时间数据三类；根据表示对象的不同，可将其分为类型数据（如汽车站点、道路线和植被分布等不同类型的）、面域数据（如行政区域界线、海洋等面上的）、网络数据（如道路交点、街道等网络的）、样本数据（如气象站、野外样方分布等样本的）、曲面数据（如等高线和气温分布等的）、文本数据（如地名、山名和研究报告等）、符号数据（如点状、线状和面状符号等的）。根据GIS和地图制图的数据来源与需要，可将地理空间数据划分为如下10种不同的类型：,4地理空间信息科学 地理信息科学也称空间信息科学，是以地理空间和地理信息作为研究对象，借助于地理空间数据的获取、存储、处理、显示和表达等技术，研究地理空间信息的形成机理、传输模式以及人类对地理空间信息认知的规律，从而达到利用这些信息为人类服务的目的。,地理空间数据基本类型:地图数据:构成地图内容各要素及其相互关系的数据。一般用手扶跟踪或扫描数字化的方法获得;专题数据:侧重某一或几类专题要素的数据。有明显专业和部门特点;用专业测绘仪器和专题调查设备获得;遥感数据:航空航天遥感数据。用遥感遥测技术手段获得;统计数据:即属性特征数据。通过监测/统计/相关分析获得;实测数据:是借助测量仪器和标准获得的实地测绘成果数据;文本数据:文字记录数据。用调查收集/咨询购买/复制获得;纹理数据:实物外观/材质数据。用数码摄影+图像处理获得;多媒体数据:数字、文字、公式、模型、表格、图形、影像、声音与动画等多种媒体及其组合形式与超媒体链接的数据。使用多种媒体记录手段记录+数据转换来获取;已有系统数据:已有数据库数据。用数据共享+交换获取。空间元数据:是关于地理空间数据和信息资源的描述性数据。生产/保管/传输数据的单位有负责提供元数据的责任。,2.地理空间数据采集 地理空间数据采集是一个复杂的过程，其主要任务是将与工作有关的各种地理空间数据转换成地图制图和GIS可处理与接收的数据形式。地理空间数据采集主要用于数据获取、保证数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等，它既是制图和构建GIS首要工作，也是数据存储、处理、管理、分析、表达和输出的重要基础，通常要经过验证、修改、编辑等处理。目前，地理空间数据采集的技术和方法很多，包括手工输入、数字摄影测量、多源遥感、地图扫描数字化、GPS测量、实验观测等。地理空间数据采集的主要内容为几何数据及其属性数据，至于拓扑数据一般在几何数据的基础上按需要再进行数据的挖掘或处理获得。,(1)几何数据的采集 空间数据源和采集设备都具有多样性和丰富性。空间几何数据采集的具体方法依据,就是如何利用几何数据、设备状况、人力资源和财力状况等条件。矢量数据的采集，一般有跟踪数字化和扫描数字化。扫描数字化因其采集速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到人们的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和矢量化软件的踊跃出现，使得扫描数字化已成为几何数据采集的主要方法（图2-2、图2-3）。,图2-2 地图信息扫描数字化流程图,地理空间数据采集技术系统设备,(2)属性数据的采集 属性数据是空间数据的重要组成部分，通常以二维关系表的形式保存，一般包括名称、等级、数量、代码等多种内容。属性数据的内容有时直接记录在几何数据文件中，有时则单独存储为属性文件，通过关键码与几何数据相关联。例如，河流可数字化为一组连续的像素或坐标表示的线实体，并可用一定的颜色、符号来表示它的空间特征信息；而河流的属性数据则是指用户还希望知道的河流长度、宽度、流域面积、通航状况、管理单位等，这些数据都与河流的空间实体相关，可以通过一个公共标识符（如河流编号或名称）与其实体联系起来。属性数据的采集主要采用键盘输入的方法，有时也可以辅助于字符识别软件或编制计算机程序进行批量采集。对要单独存储到属性文件（库）中的属性数据，可通过键盘直接键入；对要直接记录到几何数据文件中的属性数据，则须先进行编码，即将各种属性数据变为计算机可以接受的数字或字符形式，以便进行存储和管理。,图2-4 现代地球空间信息/数据传输模型,3.地球空间数据传输 地理空间数据的传输是其获取、表达和应用的纽带。有效数据传递所涉及的要素包括数据的制造者(可称为制图者)、地理空间数据本身、数据的接收者(可称为用户)三个方面。包括地图信息传输和地理空间信息的传输两方面理论。,4地球空间数据可视化 地球空间数据具有广阔的范畴、丰富的内容和复杂的结构。为了系统而又本质地描述、传输、表达和使用地球空间数据，就必须把握它们的基本特征。可视化能全面且本质地把握地球空间数据的基本特征，便于迅速、形象地传输和表达地球空间数据/信息；可视化技术已经成为地球空间信息数据阅读/理解/传输/表达,进而进行交互作用的重要工具和手段。(1)可视化的概念 是“科学计算可视化”的简称，不仅指计算结果的可视化，还指计算过程的可视化；不仅包括科学计算可视化即数据可视化，还引申为对信息的可视化。科学计算可视化。又称科学可视化或电脑可视化，它把人脑和电脑这两个强有力的信息处理系统连接在一起，通过可视化的交互界面可以让用户快速并有效的观察、查询、探索、理解大容量数据，从而发现事物隐藏的结构与形态。,信息可视化 把抽象的、大多不具有物理空间本质特征的信息转化成为空间分布形式的图形图像，从而帮助用户理解或者发现隐藏的关系及结构即称信息的可视化。(2)地学信息可视化 即地球空间信息可视化，可简称地学可视化。地学可视化是科学计算可视化与地球科学相结合而形成的概念，是关于地学数据的视觉表达与可视分析的技术原理与方法。它是运用地图学、计算机图形图象处理技术与地理信息技术，将地球空间信息输入、处理、检索、分析数据和结果用地图图形/图像、符号/图表、文字/表格、录象/录音等可视化形式显示并交互处理的理论、方法与技术。地图可视化 地图信息可视化的简称。它是地图地理学家把可视化引进地图学而形成的概念，是研究可视化在地图学中的作用、理论和方法的科学，其实质是视觉交流传输和认知分析两方面。,地理可视化 是地理空间信息可视化的简称，是地学可视化中另一个经常被使用的概念。地理空间可视化是地图/地理学家把可视化引进地理科学而形成的概念，它是研究可视化在地理科学中的作用、理论和方法的科学。GIS可视化 是研究GIS中关于可视化的理论、方法和技术的科学。专业应用领域可视化 指研究不同专业应用领域可视化技术的科学理论与方法。以上关于可视化的科学概念都是些名词解释而已,今后大家在地图学学习和地理学研究中可能会经常遇到,我们在学习中再逐步加深理解,提高认识。,三.地球体模型,将地球表面的地理事物和现象表现在地图上有两个矛盾：一个是球面与平面之间的矛盾-通过把地球经纬网在大地点控制下,利用地图投影原理将其转换成平面坐标网来解决;另一个是大与小的矛盾-通过缩小比例尺实施地图概括来解决。解决上述矛盾必须先要建立起地球体的数学表达模型来!,图2-5 地球体的概念模型球形体,一、自然球体与大地体 建立地球的数学模型,就必须先了解地球的形状与大小。1.认识地球自然表面与自然球体 我国春秋时期，就有天圆地方”的说法-盖天说。我国东汉张衡制作了浑天仪,提出了大地是球体,宇宙是无限的观点（图2-6）。,图2-6“天圆地方说”（盖天说）的地球概念模型,人的直觉观感,图2-10 气象遥感卫星从外层空间获取的地球图像,气象卫星拍摄的地球形状,以上仅说明地球是个圆球的形体!那么它的形状与大小又是怎么样的呢?下面再继续分析。,图2-11 现代超高空相机拍摄的地球自然表面影象,超高空相机拍摄的地球表面形态,自然球体认识 地球自然表面高低起伏，珠穆朗玛峰与马里亚纳海沟之间的高差达近20km。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很圆的球体，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。,1、自然球体与大地体,图2-14 大地水准面包围的大地体外形,大地水准面与大地体,椭球体,欧空局绘制的大地水准面外形图,图2-17 地球自然表面、大地水准面与椭球体面的关系,2、旋转椭球体与参考椭球体,1.1 旋转椭球体 即地球椭球体:地球的数学表面是对地球形体的二级逼近(图2-18)。1.2 旋转椭球体要素 长轴:a,短轴:b,扁率:f（ab）/a1.3 地球椭球体定位 将选定的椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上即对地球形体进行了三级逼近,即椭球定位。,图2-18 大地体与旋转椭球体示意图,1.认识椭球体概念与意义,地球椭球体的大小，通常用两个半径（长半径a和短半径b）,或一个半径和扁率（f或）来决定。这些地球椭球体的基本元素a、b、f 等，由于推求所用资料、年代、方法及测定的地区不同，其结果并不一致，故地球椭球体的描述参数有很多种。在大地测量发展的历史过程中，世界主要国家先后推算出许多不同的地球椭球体参数(见表2-1)。我国常用的几个椭球体描述参数 1952年前采用海福特椭球体;1953年起采用克拉索夫斯基椭球体;1978年起采用IUGG/IAG-75椭球体（国际大地测量和地球物理联合会第16届大会第1号决议中推荐的“1975年基本大地数据”给定的椭球体）.,世界主要椭球体及描述参数,我国1978年以后使用的IUGG/IAG-75椭球体基本参数如下:地球长半径:a=63781405(m)地心引力常数:Gm=（39860053）10-8(m3/s2)自转角速度:729211510-11（rad/s1）椭球体扁率:f1/298.257,我国现在使用的2000地心大地坐标系椭球体基本参数如下:地球长半轴:a=6378137.0(m)地心引力常数:=3.9860044181014=3986004.41810-8(m3/s2)自转角速度:7.29211510-5=729211510-11(rad/s1)椭球体扁率:f 1/298.257222101(-引自:国家测绘局2008年第2号公告),以上两套参数在数据的尾数上有一些微小的差别,请大家注意这个区别,正是由于它导致了测量成果计算的精确性差异!可以看出地心坐标较参心坐标系参数更精确些,肯定结果更为逼近!,表2-1 主要椭球描述参数与使用国家,美国WGS-84 全球地心坐标系椭球体基本参数如下:地球长半轴:a=63781372m，地心引力常数:Gm=(39860050.6)10-8m3/s2正常二阶带谐系数:C2.0=484.1668510-61.3010-9自转角速度:729211510-110.150010-11(rad/s)椭球体扁率:f 1/298.257223563第一偏心率:e20.00669437999013第二偏心率:e20.00673949674227,认识正球体的概念与意义 正球体:是指与椭球体的体积相等的球体.按相等体积计算即可将地球椭球体换算成一个正球体，这时地球等体积球体半径 Rv=6371110m（按克拉索夫斯基椭球体的体积 V=10832.628m2 计算所得)。意义:地学研究将地球视为一个完整的标准球体来对待，这个完整标准的球体就是正球体。,参考椭球体及椭球定位参考椭球体定义:把地面确定P点铅垂线与其相应点椭球面法线重合,并在该点上能使其椭球体面与大地水准面密切接合的那个椭球体,称为可以此P点为基本参照点,以此球心为基本参考中心,此椭球体面为基本参考面,实施各种地面测量与点位坐标计算的参考椭球体。,参考椭球体定位:确定参考椭球体,进而获得大地测量基准面和大地起算点基本数据的工作,称参考椭球体定位。我国定位的大地原点在泾阳县永乐镇。以前使用这个点定位的是参心定位椭球体,现在仍然是这个点,但重新用 2000 年建立的球心坐标系 GPS 测量成果换算后定位的椭球体，可称为球心定位椭球体了。,图2-19 参考椭球体及其定位,地球椭球体定位方法 在天文大地测量中首先选取一个对这个国家比较适中的大地测量原点，并从此点出发通过事先布设的三角网点进行几何测量和大地经纬度测量，逐一求出各网点至大地水准面的投影距离H和垂线偏差，再以上述的测量结果将事先设置的地球椭球体面位置调整到与大地水准面最密接的理想套合位置上，称为地球椭球体定位。这种定位，相对于全球而言，只能是局部定位。局部定位的地球椭球体都是局部参考椭球体，国际上有多种大地测量原点和局部参考椭球体,只有全球定位的参考椭球体才是全球定位椭球体,这个椭球体就是WGS-84椭球体。但我国新定位的2000参考椭球体是全球定位椭球体。,地球椭球体与大地水准面的区别,大地水准面是根据地球重力场分布计算得到的闭合曲面，不是人为设定的；大地水准面是不规则的闭合曲面，不能用数学公式进行表达；当然也不能计算;地球椭球体是人为选择的规则的曲面，目的在于近似代替大地水准面，以便于地理事物和现象能进行投影和计算；一个大地水准面可以对应多个地球椭球体；只有定位了的参心或地心大地坐标系的椭球体,才能用于测量和计算;大地水准面会随地球重力场的变化产生微小的变动，而地球椭球体一旦选定，就不再随时间变化了。,空间参照系：是指测量与标定空间点位的一种坐标系。空间：地球空间或地理空间。空间点位：地球表面上的点位。确定地球空间点位的坐标系有以下两种类型：天球坐标系：天球坐标系3个坐标轴指向在空间上是不变的，用三维空间直角坐标描述星球（地球及卫星）运动状态和轨迹；地球坐标系：与地球固联，用于描述地面点的空间位置。坐标原点在球面用球面坐标表示，在球心用球心坐标表示。球面坐标就是地理坐标，在大地测量中称为大地坐标；因而,大地坐标系又有参心与地心之分。传统球面坐标系中的3个坐标值，分成了两个部分：一是地面点在椭球体面或正球体面上的投影位置，采用地理坐标(，)和大地坐标(L，B)表示；二是地面点至大地水准面的垂直距离，采用海拔高即大地高H表示.是分开表示的。,第二节 地球空间参照系,一、地理与大地坐标系1.地理坐标系与大地坐标系概念(1)地理坐标系概念 指用地理经纬度表示地理空间点位的坐标系。地轴、北极、南极、赤道、首子午线/起始子午线构成基于地球椭球体的球面地理坐标系。地理经度是以首子午线为基准,向东、西各分180,之东为东经,之西为西经；地理纬度是以赤道为基准,向南、北各分90,之北为北纬,之南为南纬。地理经度在天文和大地测量中的表示基本上是不变的;三种经纬度:天文经纬度-大地经纬度-地心经纬度是不同的.(2)大地坐标系概念 大地坐标系是以参考椭球面、起始子午面和赤道面为参考面，用大地经纬度确定地面点在椭球面上投影位置的空间球面坐标系。地面点P的位置用大地经度L大地纬度B和大地高H表示。当点在椭球面上时，仅用大地经度和纬度表示（图2-8）。按确定地理坐标时所依据的参考面、参考线以及测算方法的不同，使地理坐标系中的经纬度有3种描述，即大地经纬度、天文经纬度和地心经纬度。,天文经纬度坐标的表示,2.1954北京坐标系与1980国家大地基准(1)1954年北京坐标系 20世纪80-90年代我国以前出版的地图，大多采用1954年北京坐标系。它与前苏联1942年普尔科沃天文台为原点的大地坐标系相联系，参考椭球体为克拉索夫斯基椭球体。80年代初我国已基本完成了天文大地测量工作。经计算表明，54坐标系的椭球体面普遍低于我国的大地水准面，从经度105以东逐渐下降，在东部沿海和东北地区的差距最大可达65m，全国平均约为29m左右；它的大地控制点多为局部平差逐次获得的，实际上不能连成一个统一的整体；另外还存在椭球体在中国大陆没有严格明确的定位和定向、轴的指向含糊不清等问题。,(2)1980国家大地基准 为了摆脱1954坐标系存在的问题，需建立真正属于自己的大地坐标系,我国在基本完成全国天文大地网布设和整体平差工作基础上,1978年在西安全国天文大地网平差会议上确定重新进行椭球体定位，于是建立了新的大地坐标系1980国家大地坐标系,即1980国家大地基准。参考椭球体为1975年国际椭球体数据。原点设在陕西省泾阳县永乐镇（西安市北偏西方向约60km处），故也称1980年西安坐标系，该点被称为西安大地原点。,二、参心与地心坐标系1参心坐标系与地心坐标系概念(1)参心坐标系概念 是指以参考椭球体面为基本参考面，以大地测量起算点/大地原点为基本参考点，以局部参考椭球体中心为基本参考中心的大地坐标系。参考椭球体短轴与地球自转轴平行，并指向地球极点方向；大地起始子午面与格林尼治天文台平均子午面平行；参考椭球体的中心与地球质心一般不重合，是个虚拟的“参考中心”，故又称为非地心坐标系。由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小，所以，把它又叫局部坐标系或相对坐标系。它至今对大地测量仍有着重要的实际作用。(2)地心坐标系概念 地心坐标系是以地球椭球体中心即地心为原点的空间直角坐标系。它的概念是参考椭球体是全球(非局部)的椭球体,椭球体定位时让其面与全球(非局部)大地水准面最佳密切,椭球中心与地球质心重合且为坐标原点,这样所建立的大地坐标系就叫地心坐标系。,为什么要建立地心坐标系？,2世界地心坐标系规定及地心与地理纬度的区别,坐标原点在地球质心处。Z 轴指向国际时间局(简称BIH)1984.0定义的协议地极(简称CTP)方向,X轴指向国际时间局(BIH)1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y 轴与 Z轴、X 轴垂直构成右手法则,简称为WGS-84全球世界的地心坐标系。美国人最早建立并使用了这个地心坐标系.我国从2008年起也启用了自己于2000年建立的地心大地坐标系,计划10年基本完善.,(1)世界地心坐标系-“WGS-84”坐标系,WGS-84全球定位坐标系统的来由：它是最早由美国应用GPS技术建立起来的，随后推广到世界范围。这是一个国际协议地球空间参照系，是目前国际上统一采用的世界卫星大地测量坐标系。因为地球的形状、各种潮汐的变化、板块运动和大陆漂移等，都将影响地心的位置，因此地心坐标系的建立也只能是保持在一定的精度范围内，因而它也是相对较为精确的，并非绝对精确的。,(2)地心纬度和地理纬度的区别 地理纬度/大地纬度为地面法线与地球赤道面的交角。地心纬度为地球半径(地面点与地心的连线)与赤道面的交角。在正球体上，可以认为地面法线和地球半径完全一致的。,在椭球体面上，除赤道和两极外，垂直于地面的直线不通过地心，于是就存在两种纬度的差异。由于地球椭球体的经线曲率自赤道向两极减小，所以任意一点P的地理纬度 总是大于它的地心纬度。三、平面直角坐标系 大比例尺测图采用平面直角坐标系(有时补充使用极坐标),有两种情况：一是考虑统一投影的,如高斯投影的平面直角坐标系;二是不考虑投影的,如地方独立的平面直角坐标系。,1.地图的平面直角坐标系规定 地图上平面直角坐标系和数学上规定不同。图上规定纵轴为x轴,向上(北)为正,向下(南)为负；横轴为y轴,向右(东)为正向左(西)为负；正好与数学相反,x与y轴交点O为坐标原点。坐标象限自纵轴北方向顺时针顺序编号(图2-25)。,2.独立平面直角坐标系与施工坐标系规定 独立平面直角坐标系是将地面点直接沿铅垂线方向投影到水平面上，当测量或制图范围较小时，可以把该区的球面视为水平面对待（图2-26）。许多建设项目缺少大比例尺地图，为适应建设的急需在没有控制点成果的情况下经常采用独立坐标系。工程施工坐标系是另一种平面独立坐标系，而且也是直角坐标系，但不是正位的直角坐标，而是任意方向倾斜的直角坐标系（图2-27）。,四、高程参照系与高程基准,3.平面极坐标系规定 以向径和极角构成的点位二维平面坐标系。极坐标系在碎部测量中使用，地图投影中也经常用到(图2-28）。球面坐标到平面坐标的转换，就是把三维球面上的点变成二维平面上的相应点。,1高程参照系及其建立(1)高程参照系的规定 是测绘和计算地面点高程大小的参照系统。高程：地面点到某一参考基准面的垂直距离。绝对高程或海拔地面点到大地水准面的垂直距离；相对高程：地面点到任一水准面的垂直距离；高差：地面点之间的高程差。有正、负之分。,(1)1956年黄海高程系 1949年以前我国没有统一的高程起算面和起算点，曾使用过坎门平均海水面、吴凇零点、废黄河零点和大沽零点等多个高程基准面和基准点。新中国成立以后，利用青岛验潮站19501956年的观测记录，确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面，并且在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水平面建立起来的高程控制系统，统称为“1956年黄海高程系”。,21956年黄海高程系与1985年国家高程基准,(2)高程参照系的建立 首先建立统一的高程基准面/起算面；然后建立起高程控制网，并确定一个高程起算点,再测量和平差计算。,(2)1985年国家高程基准 黄海平均海水平面已经发生了微小变化。1985年我国决定采用青岛验潮站19531979年的潮汐观测资料所求得的海水面平均值作为新的高程起算面，命名为1985年国家高程基准。高程基准面的变化，标志着水准原点高程的变化，依此推算的青岛国家水准原点高程为72.260m，与旧水准原点高程72.289m比较相差28.6mm。使水准点的高程也随之发生了微小变化，但对等高线高程的影响则可忽略不计。1987年经国务院批准，国家测绘局通告启用“1985年国家高程基准”，同时宣布1956黄海高程系和原青岛水准原点高程废止。,一、地图比例尺与空间尺度概念1地图比例尺的定义 图上某线段的长度与实地相应线段的水平长度之比。在大比例尺地图上，各处的比例尺均相等，所以可以直接量测任意两点的距离。小比例尺地图上，由于变形的大小随着图上所量线段的地理位置与方向不同而变化，要使用投影比例尺。因而，地图比例尺就是地图上某方向微分线段与地面上相应微分线段的水平长度之比。,第三节 空间尺度与地图比例尺,地图上无变形的线和点上的比例尺，叫主比例尺，其余有变形地方的比例尺，叫局部比例尺。局部比例尺随其所在位置和方向的不同而发生变化。地图上通常只注一个比例尺，就是主比例尺。比例尺赋予了地图可量测性，为用户提供了明确的空间尺度概念。比例尺还隐含其对地图精度和详细程度的描述。2空间尺度的概念 尺度就是度量客体或过程的空间维和时间维大小程度的量度。地理尺度，包括地理空间尺度和地理时间尺度。(1)地理空间尺度空间比例尺 地理学研究的空间尺度主要分为“宏观”、“中观”和“微观”。空间尺度是对空间比例尺的定性描述。,空间比例尺对于地理研究的性质具有决定的意义。,(2)地理时间尺度地理事件发生变化的频度 研究地理现象随时间变化的模式，选择合适的时间尺度很重要，因为地理学是寻求人和地理环境在特定的空间和时间上复杂关系的一门科学（C.Harris,1982）。地理学的时间概念与其它领域中的时间概念是不同的，既不象物理学、化学时间那样“短”，也不象社会学、历史学时间那样“长”。地理学时间是一种“切过时间量度的断面”(称“地理时间断面”),并且这个时间断面是“具有一定的厚度”（哈特向1959）。,3地图比例尺与空间尺度的关系和意义(1)关系:不同比例尺下的地理基础资料对地理空间实体的属性和相互关系具有不同程度的抽象和综合，即比例尺与尺度是对应的:小比例尺“宏观”尺度的地理规律；中比例尺“中观”尺度的地理规律；大比例尺“微观”尺度的地理规律。研究不同空间尺度的地理现象应采用相应的地图比例尺。(2)意义:地学研究与地图表达中,应根据其性质来选择相应研究尺度范围和地图比例尺的地理观察和统计资料,这样才能正确表达地理现象空间存在的规模,以及与其关联的区域变异特性的一致性；另外,还可以正确指导地图编制中的地图概括即制图综合。,二、地图比例尺的形式与作用1地图比例尺形式（1）数字比例尺;（2）文字比例尺;（3）图解比例尺,直线图解比例尺 以直线的线段形式标明图上线段长度所对应地面距离的比例尺形式。直线比例尺具有能直接读出长度值而无需计算及避免因图纸伸缩而引起误差等优点，因而被普遍采用。但是直线比例尺只能量到基本单位长度的1/10，要量测到基本单位长度的1/100，需要采用斜分比例尺。,图2-30 图解直线比例尺,斜分图解比例尺 根据相似三角形原理制成的比例尺。利用它可以准确量取比例尺基本长度单位的百分之一，估读出千分之一来（图2-31）。例如图2-33中:两脚规a.量测的数据=100+80=180(m);两脚规b.量测的数据=100+60+3=163(m)。,图2-31 地形图上的斜分比例尺,复式图解比例尺 为了消除投影变形的影响按投影特性绘制的比例尺，故亦叫投影比例尺。是由主比例尺的尺线与局部比例尺的尺线组合而成的比例尺。分为经线比例尺和纬线比例尺两种（图2-32）。,图解比例尺的优点:在于从图上直接量算地面长度，或将地面上长度转绘到图上，只需要在地图上直接量测即可，不需要计算。受纸张变形及复制变形的影响相对较小。图上比例尺使用习惯:通常采用几种比例尺形式配合表示图上的比例尺概念，最常见的是用数字比例尺和图解比例尺中的直线比例尺配合在图上使用（图2-33）。,图2-33 数字比例尺和图解比例尺中的直线比例尺配合使用,2地图比例尺的作用（1）决定符号图形及对应物体的大小 一方面，当实地面积一定时，地图比例尺决定了地面面积对应在图上符号图形面积的大小（图2-34）。另一方面，当地图幅面大小一定时，比例尺决定了图幅所包括的实地物体面积大小。比例尺大，图幅对应的实地面积小，但符号图形大；比例尺小，图幅对应的实地面积大，而符号图形小。这关系着地图制作时的符号设计，大比例尺图应当用较大的符号，小比例尺图应用较小的符号。,（2）决定地图概括的详细程度 地图比例尺是影响地图概括的主要因素，也是引起地图概括的根本原因之一。(具体可看第5章相关内容)（3）影响地图量测的精度 地图要求清晰地反映地理事物或现象。正常人的视力只能分辨出地图上不小于0.1mm的两点间的距离，因此，地面上水平长度按比例尺缩绘到图上时不可避免的会产生0.1 mm的误差。这种相当于图上0.1mm的地面水平长度，叫比例尺精度，或叫极限精度。在比例尺大小不同的地图上，比例尺精度是不一致的。根据比例尺精度，不但可以知道测量水平长度时究竟要准确到什么程度，反过来又可以确定采用多大的比例尺进行测量。例如，测制1:1万图时，实地水平长度测量精度只1m。又如，要在图上显示出地面0.5m的精度，所采用的地形图比例尺不应小于0.1mm/0.51000 mm=1/5000。比例尺愈大，图上量测的精度愈高。没有注明比例尺，用户就无法从图上获取信息的精确数量特征。,第四节 地图测绘成图法 测绘成图是指利用测绘仪器实地测量绘制成地图。这种方法主要用于大比例尺地形图的测制。我国1:5万及更大比例尺和偏远地区1:10万的地形图采用实测成图法。一、传统实测成图法 传统实测成图法是指用传统的光学测绘仪器,按照传统技术方法和测绘规范标准所进行的实地测绘工作。主要包括传统大地控制测量、地形地物测量、内业制图与印刷等几个内外业测绘工序。传统实测成图法现在已逐渐被数字测图方法所代替。但目前在我国许多边远地区和落后地方依然还在应用,就是有先进设备的情况下,有时考虑到测绘工作的成本或者方便性,也可以适当地配合使用。,1大地控制测量 建立国家大地控制网，确定地面点平面位置和高程，作为测制各种比例尺地图的基础，即建立用于地形地物测量的坐标控制框架。包括平面控制测量和高程控制测量。大地控制测量成果是各种控制点坐标值。平面控制测量方法有天文测量、三角测量和导线测量等;高程控制测量的方法有水准测量和三角高程测量等。用这些方法测定的点，叫大地控制点，包括平面控制点和高程控制点。这些点相互连接成网状的三角形，叫三角网。大地控制点上建造有测量觇标，埋设有标石，作为点位的永久性标志，受国家法律保护。,二等三角网 以连续三角网的形式布设在一等锁环绕的地区内，它是加密三、四等三角点的基础，与一等锁一样同属于国家高级网。我国二等三角网平均边长13km，就点的密度论，基本满足1:5万测图要求。三、四等三角网 国家三、四等三角网是在二等三角网基础上进一步加密布设的，它们是图根点测量的基础，其密度必须与测图比例尺相适应，可用插网或插点的方法布设。三等三角网平均边长8km，四等平均约4km。三等网的每个三角点控制面积约50 km2，大体可满足1:2.5万或1:1万测图需要。四等网每个三角点控制面积约1520 km2，大体可满足1:5000或1:2000测图需要。对一些没有合适等级三角点的图幅测图时,可以从邻近各种等级的已知点上引入导线,通过导线测量来解决控制点需要问题。,图2-37 国家大地控制网的三角锁和三角网与导线网,现代GPS控制测量用户系统设备 现代控制测量都已采用GPS导航定位系统+高精度全站仪就可解决问题了。GPS系统由空间卫星系统,地面支撑系统和用户设备三大部分所组成。前两大部分是应用保障系统,用户设备即GPS接收机接收卫星信号，经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息。能显示出用户位置、速度和时间。还显示一些附加数据，如到航路点的距离和航向或图示。下图2-38即为GPS测量系统组件。,图2-38 现代控制测量系统的仪器设备,（3）导线测量 是建立国家平面控制网的一种辅助方法，主要用于工程建设和地形测图的平面控制等方面（图2-39）。方法是：首先选择一系列的测量点，这些点依次相连成连续折线；然后测量各导线边的长度和转折角；最后根据起算数据，推算出各边的坐标方位角，从而求出各导线点的坐标。,2地形地物测量（1）外业测图 在已测控制点基础上对地形地物点所进行的大比例尺测量成图的方法叫大比例尺测图，因为这种测图工作一般都是在野外进行的，故习称外业测图，或者叫野外测图。又因使用的都是传统普通测量仪器，所以也叫普通测量。普通测量因为可直接测绘出地形地物点的平面位置和高程，所以也称地形测图（图2-41）。这是一种非常经典的全野外测图方式，常规的大范围地形图测绘工作目前已较少采用，只在局部小范围补测时才用。,图2-41 平板仪及用平板仪测量地形地物点示意图,综合法成图 是室内摄影测量与野外普通测量方法的组合。地物平面部分在室内用相片获得（相片倾斜纠正与地物平面位置测定），地形等高线与高程部分在野外用普通测量仪器测得。基本内容为：室内加密控制点、相片纠正、相片图测图、单张相片测图、分带转绘等5方面。适于平坦地区成图。微分法成图 是航测外业与航测内业的结合，所以又称分工法。即地物属性部分用相片在外业实地调绘；地形等高线与高程在内业用相片在立体量测仪上测绘；最后将地形地物用单投影仪转绘成地形原图。主要步骤有：获取相片控制点和调绘资料；确定相片基线、航高和倾角；在立体量测仪上进行相片定向和测绘等高线；用单投影转绘仪进行分带投影转绘，使等高线及地物图形分带转绘在绘有控制点的图版上，最后获得相应比例尺的地形图。此法适合于丘陵地区测图。,全能法成图 用相片外业调绘地物属性，室内用多倍投影仪在地面立体象对的光学模型上测绘地物和地形的全部平面位置与高程，制成地形原图。制图有3个步骤：相片的相对定向；光学模型的大地定向；立体量测。此法适合于山区测图。（3）内业制图 是对野外直接测得或航测内、外业结合测得的地形原图，按出版要求进行的地图内容编辑和图面整饰等工作。传统技术中是用清绘或刻绘方法将测量原图制成出版原图。清绘法是用绘图笔/墨在纸/塑料片上手工绘图的方法；刻绘法是用刻针/刻刀在刻图膜上手工刻绘的