空间数据的坐标与投影.ppt

1,2.1 地理空间2.2 地球的表示2.3 地图坐标2.4 GIS投影,第2章 GIS数据的坐标与投影,2,第1节 地理空间,一、地理空间的定义,地理空间是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程都发生在此区域。,3,地理空间一般包括地理空间定位框架及其所连接的特征实体，地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。（即：地理空间依赖空间参照系统来确定）,第1节 地理空间,4,假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从平均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。,5,坐标参考系统高程系统,6,坐标参考系统高程系统,1956黄海高程系，72.2893米1950-1956年平均海水面为0米,以1952-1979年青岛验潮站测定的平均海水面作为高程基准面,青岛验潮站,观象山,7,三轴椭球体模型，是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。设椭球体短轴上的半径记为c，它表示从极地到地心的距离；椭球体长轴上的半径和中轴上的半径记为a和b，它们分别是赤道上的两个主轴。,第2节 地球的表示,2.1 地球椭球,8,由于赤道扁率较极地扁率要小得多，因此可假定赤道面为圆形。因此，为便于计算，广泛采用双轴椭球体作为地球形体的参考模型，即用a代替b，双轴椭球体亦称为旋转椭球体。因此上面的方程就变为：旋转椭球体是地球表面几何模型中最简单的一类模型，为世界各国普遍采用作为测量工作的基准。美国环境系统研究所（ESRI）的ARC/INFO软件中提供了多达30种旋转椭球体模型。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。,9,2.2 地球椭球体的逼近,一级逼近:大地水准面(重力等位面)包围的球体，称为大地球体（三轴椭球体）。二级逼近:双轴椭球体。地球椭球体的三要素:长半轴a，短半轴b，扁率f=(a-b)/a。三级逼近:与局部地区的大地水准面符合得最好的一个地球椭球体，称为参考椭球体。通常不同国家地区采用不同的参考椭球体。,10,常见地球椭球体的主要参数一览表,11,有了参考椭球，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这个椭球体与大地体联系起来。在实际建立地理空间坐标系统,2.3 大地基准面（Datum）,这里所说的大地基准是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和定向。,椭球定位是指确定椭球中心的位置。,椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位，都应满足两个平行条件:,椭球短轴平行于地球自转轴；大地起始子午面平行于天文起始子午面,12,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，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，但它们的基准面显然是不同的。,13,具有确定参数(长半径a和扁率)，经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球，叫做参考椭球。除了满足地心定位和双平行条件外，在确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球，叫做总地球椭球。,要正确区分的两个概念,14,参心坐标系：以参考椭球为基准的坐标系，参考椭球中心为坐标原点。,地心坐标系：以总地球椭球为基准的坐标系，地球质心为坐标原点。,不同的参考椭球确定不同的参心坐标系！相同的地球椭球元素，但定位和定向不同，也将构成不同的参心坐标系！,第3节 地球的坐标,3.1 基本概念,15,建立（地球）参心坐标系，需进行下面几个工作：,选择或求定椭球的几何参数（长短半径）；,确定椭球中心位置（定位）；,确定椭球短轴的指向（定向）；,建立大地原点。,16,无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标系和大地坐标系两种，它们都与地球体固连在一起，与地球同步运动，因而又称为地固坐标系，以地心为原点的地固坐标系则称地心地固坐标系，主要用于描述地面点的相对位置；另一类是空间固定坐标系与地球自转无关，称为天文坐标系或天球坐标系或惯性坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。在这里，我们研究地固坐标系。,17,地理空间坐标系统提供了确定空间位置的参照基准。一般情况，根据表达方式的不同，地理空间坐标系统通常分为球面坐标系统和平面坐标系统。平面坐标系统也常被成为投影坐标系统。,球面坐标系统,大地地理坐标,地理空间坐标,平面坐标系,空间直角坐标系,天文地理坐标,高斯平面直角坐标系,地方独立平面直角坐标系,地心坐标系,参心坐标系,地理空间坐标分类表,3.2 坐标系统的分类,.,18,基准子午面,（1）天球坐标系,3.3 球面坐标系的类型,19,参心大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面空间位置及其相对关系的数学参照系。大地地理坐标也简称大地坐标。空间一点的大地坐标用大地经度、大地纬度和大地高度H表示。,（2）大地坐标系,参心大地坐标系,20,我国现有三种大地坐标系并存：1）1954年北京坐标系（局部平差）-参心以苏联西部普尔科夫(Pulkovo)为坐标原点，采用克拉索夫斯基椭球体。2）1980年国家大地坐标系（整体平差）-参心1980年在陕西省泾阳县永乐镇设立了大地坐标原点，简称西安原点。赤道半径(a)=6378140.000 000 000 0m 极半径(b)=6356755.288 157 528 7m 地球扁率(f)=(a-b)/a=1/298.257,我国的大地坐标系,21,大地原点,22,3)新1954北京坐标系,将1980国家大地坐标系的空间直角坐标经过三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，椭球参数保持与1954年北京坐标系相同。,23,地心大地坐标系,地球椭球的中心与地球质心（质量中心）重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。地心大地经度L，是过地面点的椭球子午面与格林尼治天文台子午面的夹角；地心大地纬度B，是过点的椭球法线（与参考椭球面正交的直线）和椭球赤道面的夹角；大地高H，是地面点沿椭球法线到地球椭球面的距离。,24,根据中华人民共和国测绘法，经国务院批准，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：长半轴 a6378137m 扁率f1/298.257222101 地心引力常数GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度7.292l1510-5rad s-1,2000国家大地坐标系new!,China Geodetic Coordinate System 2000，缩写为CGCS2000,25,WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值,WGS-84世界大地坐标系,该坐标系是一个协议地球参考系CTS（Conventional Terrestrial System），其原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole）方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。,26,自1987年1月10日之后，GPS卫星星历均采用WGS-84坐标系统。因此GPS网的测站坐标及测站之间的坐标差均属于WGS-84系统。为了求得GPS测站点在地面坐标系（属于参心坐标系）中的坐标，就必须进行坐标系的转换。,27,空间直角坐标系,参心空间直角坐标系,地心地固空间直角坐标系,空间一点的空间坐标系用(X,Y,Z)表示。,geocentric coordinates system,28,（1）大地坐标与空间直角坐标的转换,不同坐标系统的坐标，通过一定数学模型的转换参数，在一定的精度范围内可以相互转换。,3.3 坐标系间的转换,29,椭球中心O平移参数,三个绕坐标轴的旋转参数（表示参考椭球定向）,（2）不同空间直角坐标之间的变换,30,为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称欧勒角,在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标系间的变换一般需要在三个坐标平面上，通过三次旋转才能完成。设旋转次序为：,31,上式为两个不同空间直角坐标之间的转换模型(布尔莎模型)，其中含有7个转换参数，为了求得7个转换参数，至少需要3个公共点，当多于3个公共点时，可按最小二乘法求得7个参数的最或是值。,当两个空间直角坐标系的坐标换算既有旋转又有平移时，则存在三个平移参数和三个旋转参数，再顾及两个坐标系尺度不尽一致，从而还有一个尺度变化参数，共计有七个参数，相应的坐标变换公式为：,32,第4节 地球投影,4.1 投影的提出,GIS是建立在地理空间坐标系基础上的地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。,33,直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置,建立在平面上的直角坐标系统，用（x,y）表达地理对象位置,投影,地理信息系统中的特征实体的位置，通常就是指经过投影变换后平面上的直角坐标。,34,一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；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。,35,1.投影（Projection）定义空间任意点A与固定点S的连线AS（包括其延长线）被某面P所截，直线AS与该截面P的交点a叫做空间点A在截面P上的投影。截面P称作投影面，交点a称作投影点，直线AS称作投影线，S点称作投影中心。,说明：投影面P不一定是平面 点A与投影面P不必须是在S的两侧 在特殊情况下投影中心S点允许在无穷远处,a b c,P,E,S,P,c,C B A,4.2 地图的投影,36,2.中心投影 投影面是平面、投影中心S在有限远处的投影称作中心投影。摄影照相机就是中心投影。中心投影有两个问题：地面起伏引起投影误差；投影面P与地面E不平行，也引起投影误差。正射投影 定义：投影面平行于地面、投影线垂直于地面（S于无穷远处）的投影。实际上的正射投影 二次投影，即将起伏地面正射投影于一个基准平面上，再进行中心投影，且投影面与基准面平行。,正射投影示意图,37,3.地图投影概念,椭球面上的各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称为地图投影。地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算地球椭球体为不可展曲面地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析,地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例尺变换，而且还存在着投影转换的问题,38,地图投影：投影实质,设想地球是透明体，有一点光源S（投影中心），向四周辐射投影射线，通过球表面射到可展面（投影面）上，得到投影点，然后再将投影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图。,39,Map Projection,Representative FractionGlobe distanceEarth distance,Scale,Projection,(e.g.1:24,000),(e.g.0.9996),Scale FractionMap distanceGlobe distance,Earth,Globe,Map,40,当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。,建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（,）与平面上对应点的平面坐标（x,y）之间的函数关系：,41,4.正解变换和反解变换,一般地，我们把由地理坐标求出地图平面直角坐标的形式称为正算式，称正解变换，也称直接变换法。把由地图直角坐标求出地理坐标的形式称为反算式，称反解变换，也称间直接变换法。,42,5.地图投影的变形,长度变形面积变形角度变形,地图投影中不可避免地存在着变形，在建立一个投影时不仅要建立（x,y)与(,)之间的关系，而且要研究投影变形的分布与大小。地图投影的变形主要体现在：,43,Robinson Projection-16,930 Miles,Oblique Mercator Projection-10,473 Miles,Mercator Projection-31,216 Miles,Length Distortion on World Maps,44,Mercator Projection,Lower 48 States-52,362,000 Sq Miles,Columbia-4,471,000 Sq Miles,Mollweide Projection(equal-area),Lower 48 States-30,730,000 Sq Miles,Columbia-4,456,000 Sq Miles,Area Distortion on World Maps,45,6.地图投影的分类,地球表面经投影变换后其角度、面积、形状、距离会产生畸变，为保证某种畸变最小，产生了各种不同的投影变换。,1）按变形的性质,等角投影(Conformal projections)等积投影(Equal area projections)等距投影(Equidistant projections),46,2）按构成方法分类,几何投影 按展开方式方位投影(Azimuthal Projections)圆柱投影(Cylindrical Projections)圆锥投影(Conic Projections)按投影面与地球相割或相切割投影(Secant)切投影(Tangent)轴向 正轴(Normal)斜轴(Oblique)横轴(Transverse)非几何投影,47,正轴,圆柱,方位,圆锥,斜轴,横轴,几何投影,48,几种投影方式展开图,方位投影展开图 圆柱投影展开图 圆锥投影展开图,49,投 影 转 换,圆柱,方位,圆锥,地图投影,50,非几何投影并不借助辅助投影面，而是根据某些特定要求，用数学解析方法，求出投影公式，确定平面与球面之间点与点之间的函数关系。按经纬线形状，分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影。,51,Sinusoidal 等积伪圆柱投影，(Sanson投影),52,Robinson 伪圆柱投影,Pseudo-cylindrical Projections,53,地图既是GIS的重要数据源，又是GIS的重要输出形式。地图按内容分类 可分为普通地图和专题地图。专题地图是在普通地图的基础上，突出表示一种或多种自然或社会经济现象的地图。如地貌图、雨量分布图等 地图按比例尺分类 可分大、中、小三大类大比例尺指比例尺大于等于1：10万的地图；中比例尺指比例尺在1：10万到1：100万的地图；小比例尺指比例尺小于等于1：100万的地图。地图按结构分类 分线画地图和影像地图。,4.3 投影的选择,1、地图的分类,54,city,1:250000,1:24000,小比例尺,1:500,1:5000,大比例尺,city,river,river,在地图中，不同比例尺的地图系列表示不同空间尺度的地理实体，小尺度下的实体到大尺度时，往往通过地图综合而被合并或忽略。,地图比例尺(描述地理实体的空间尺度),55,1）选择的投影系统应与国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；2）系统一般采用两种投影系统；一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出；一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；3）所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。,随区域径纬度不同、地图比例尺不同、及地图用途不同，地图投影方法也不同，现有地图投影方法共有250多种。但常用的也就20多种。,56,需要考虑：成图的代表性各类数据的通用性定量数据的精度要求传统方法：近赤道处，用柱面投影中纬度地区，用锥面投影极地地区，用方位投影,2、投影选择的一般原则,57,加拿大：=1:50万采用UTM（墨卡托投影）=1:50万采用UTM;=1:50万采用高斯投影；1:50万采用Lambert（兰勃特）。,1、GIS投影例子,4.4 美国UTM投影,58,UTM投影是一种横割圆柱等角投影，圆柱面在84N和84S处与椭球体相割，采用在地球表面按经度每6分带。其带号是自西经180由西向东每隔6一个编号。美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星像片所采用的全球横轴墨卡托投影（UTM）是横轴墨卡托投影的一种变型。UTM是国际比较通用的地图投影，主要用于全球自84N-80S之间地区的制图。,2、UTM投影,Universal Transverse Mercator,59,Universal Transverse Mercator coordinate system A rectangular coordinate system for the WORLD Gerardus Mercator(1512-1594),60,Every place on earth falls in a particular zone,Universal Transverse Mercator(UTM),61,A UTM Zone,We always use zones and rarely use rows,62,1)我国基本比例尺地形图(100万)采用高斯克吕格投影（横轴等角切圆柱投影）;2)我国1：100万地形图采用了Lambert(兰勃特)投影（正轴等角割圆锥投影）;3)我国大部分省区地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Alberts(阿尔伯斯)投影（正轴等面积割圆锥投影）;总之，在我国大中比例尺时，采用高斯克吕格投影，小比例尺采用兰勃特投影。,4.5 我国的地图投影,63,(1)高斯克吕格投影,高斯投影是一种横轴等角切圆柱投影，其条件为：中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；等角投影；中央经线上没有长度变形。,64,由公式可分析出高斯投影变形具有以下特点：中央经线上无变形同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大；,65,1:2.5万至1:50万的地形图，采用6带，全球共分为60个投影带；我国位于东经72到136间，共含11个投影带；1:1万及更大比例尺图采用3带，全球共120个带。,我国高斯投影的分带方法,66,高斯平面直角坐标系的建立：,x轴 中央经线的投影y轴 赤道的投影原点 两轴的交点,O,x,y,P,（X,Y）,高斯自然坐标,注：X轴向北为正，y轴向东为正。,赤道,中央子午线,67,在我国X坐标都是正的，Y坐标的最大值（在赤道上）约为330km。为了避免出现负的横坐标，可在横坐标上加上500 km。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为国家统一坐标。例如，有一点Y=19 123 456.789m，该点位在19带内，其相对于中央子午线而言的横坐标则是：首先去掉带号，再减去500000m，最后得y=-376 543.211m。,高斯克吕格投影,68,x,y,o,500km,yp1=500000+yp1=636780.360myp2=500000+yp2=227559.720m,国家统一坐标：,（带号）,（带号）,69,跨带,70,6度带高斯投影的中国略图,71,等角性适合系列比例尺地图的使用与编制;径纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用;计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一个带。由于高斯-克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅是中央经线或投影带号不同。为了确切表示某点的位置，需要在Y坐标值前面冠以带号。如表示某点的横坐标为米，前面两位数字“20”即表示该点所处的投影带号。,高斯-克吕格投影的优点,注意跨带计算！,72,大于1:10万的地形图上绘有高斯克吕格投影平面直角坐标网，其方格为正方形，以公里为单位，故又称公里网。公里网在地图上的间隔，随地图比例尺大小不同而不同。1:1万 公里网间隔10 cm 实地距离1km1:2.5万 公里网间隔 4 cm 实地距离1km1:5万 公里网间隔 2 cm 实地距离1km1:10万 公里网间隔 2 cm 实地距离2km,地形图的公里网,73,高斯-克吕格投影与UTM的区别,（1）UTM是对高斯投影的改进，目的是为了减少投影变形。（2）UTM投影的投影变形比高斯的要小，但其投影变形规律比高斯要复杂一点，因为它用的是割圆柱。（3）UTM投影在中央经线上，投影变形系数m0.9996，而高斯投影的中央经线投影的变形系数m1。（4）UTM为了减少投影变形也采用分带，它也采用6分带，但起始分带不一样。（5）很重要的一点，高斯投影与UTM投影可近似计算。计算公式是：XUTM=0.9996*X高斯 YUTM=0.9996*Y高斯这个公式的误差在1米范围内，完全可以接受。,74,Gauss-Krger:Scale factor:1,UTM:Scale factor:0.9996,75,(2)兰勃特投影（等角圆锥投影）,（a）,（b）,设有一个圆锥，其轴与地轴一致，套在地球椭球体上，然后将椭球体面的经纬线网按照等角的条件投影到圆锥面上，再把圆锥面沿母线切开展平，即得到正轴等角圆锥投影的经纬网图形。其中纬线投影成为同心圆弧，经线投影成为向一点收敛的直线束。当圆锥面与椭球体上的一条纬圈相切时，称切圆锥投影，见图（a）；当圆锥面相割于椭球面两条纬圈时，称割圆锥投影，见图（b）。,76,77,GEOGCSGCS_WGS_1984,DATUMD_WGS_1984,SPHEROIDWGS_1984,6378137,298.257223563,PRIMEMGreenwich,0,UNIT,country.prj,一个投影文件的例子,78,我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:100万地形图基础上，按径纬度进行。1）1:100万地形图的分幅按纬差4度，径差6度分2）1:50万,1:20万,1:10万地形图的分幅1:50万按纬差2度，径差3度分,即一幅1:100万地形图包含4幅1:50万地形图；1:20万按纬差40，径差1度分,分36幅图;1:10万按纬差20，径差30分,分144幅图;3）1:5，1:2.5万，1:1万地形图的分幅和编号这三种图在1:10万地形图基础上，按径纬度划分。,6、地形图的分幅和编号,79,1）1：100万地形图的编号1：100万地形图的编号为全球统一分幅编号，如图所示。其图幅编号采用所在的行、列数表示。行数：由赤道起向南北两极每隔纬差4为一列，直到南北88，将南北半球各划分为22列，分别用拉丁字母A、B、V表示。列数：从经度180 起向东每隔6 为一行，绕地球一周共有60行，分别以数字1、2、3、460表示。由于南北两半球的经度相同，规定在南半球的图号前加一个S，北半球的图号前不加任何符号。一般来讲，把行数的字母写在前，列数的数字写在后。如海南省在1：100万地形图的位置在第5行，第49列，其编号为 E49；北京在第10行，第50列，故其图幅编号为J50。,80,81,2）其他比例尺地形图的编号1：50万至1：5000地形图的编号，均以1：100万地形图编号为基础，采用行列式编号法，将1：100万地形图按所含各种比例尺地形图的经纬差划分成相应的行和列，横行自上而下，纵列从左到右，按顺序均用阿拉伯数字编号，皆用3位数字表示，凡不足3位数的，则在其前补0。各大中比例尺地形图的图号均由五个元素10位码构成。,82,如海南省的某一幅1：5000的地形图其编码可为：E49H010020。新分幅编号系统的主要优点是编码系列统一于一个根部，编码长度相同，便于计算机处理。,83,国家坐标系和独立坐标系,按高斯投影统一分带建立的直角坐标系，称为国家平面直角坐标系。由于地球半径很大，在较小区域内进行测量工作可将地球椭球面作为平面看待，而不失其严密性。既然把投影基准面作为平面，就可采用平面直角坐标系表示地面点的投影面上的位置。为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要建筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴的直线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系，称之为独立坐标系。,84,本章重点,参考椭球大地基准参心坐标和地心坐标的区别地理空间坐标的分类地图投影的概念及其分类高斯克里格投影的原理及应用,