测量坐标系和高程.ppt
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1、第二章 测量坐标系和高程,2.1 地球的形状和大小测量学研究对象:地球地球形状:近似一个球体,它的自然表面是一个极其复杂而又不规则的曲面。由于地球表面的不规则,它不可能用数学公式来表达,也就无法实施运算,所以在地球科学领域中,必须寻找一个形状和大小都接近地球的球体或椭球体来代替它。,地球的形状?,地 球表 面高山丘陵平原湖泊海洋,地球相关概念,北极:地球的最北端南极:地球的最南端地轴:假设的一个通过地心,连接南北极的地球旋转轴。赤道:地球表面,与地轴垂直的最大圆圈,长约4万公里。,一、大地水准面,1、水准面:液体受重力而形成的静止表面。惯性离心力与引力的合力。其作用线称铅垂线。同一水准面上的重
2、力位处处相等;同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交。2、大地水准面:与静止的平均海水面相重合、并延伸通过陆地而形成的连续的封闭曲面。注:水准面和铅垂线是野外观测的基准面和基准线。,重力铅垂线,大地水准面,大地水准面上任一点的铅垂线都与大地水准面成正交,而铅垂线的方向又受地球内部质量分布不均匀的影响,到使大地水准面产生微小的起伏,它的形状仍是一个复杂的、不能作为直接依据的投影面。,旋转椭球面,大地水准面虽比地球的自然表面要规则得多,但是还不能用一个简单的数学公式表示出来,为了便于测绘成果的计算,我们选择一个大小和形状同它极为接近的旋转椭球面来代替,即以椭圆的短轴(地轴)为轴旋转而成的椭面,
3、称之为地球椭球面。它是一个纯数学表面,可以用简单的数学公式表达,这样,我们就可建立点与投影面之间一一对应的函数关系。,三者关系,地表面,大地水准面,参考椭球面,法线,铅垂线,二、旋转椭球体,用一非常接近大地水准面的数学曲面代替大地水准面,称为旋转椭球面。与大地水准面最接近的地球椭球称为总地球椭球。与某个区域的大地水准面最为 密合的椭球称为参考椭球。,短半径 b=6356752m,扁率 f=(a-b)/a=1/298.257,长半径 a=6378137m,坐标系:为了说明质点的位置运动的快慢、方向等,必须选取其坐标系。在参照系中,为确定空间一点的位置,按规定方法选取的有次序的一组数据,这就叫做“
4、坐标”。在某一问题中规定坐标的方法,就是该问题所用的坐标系。数学常用的坐标系:笛卡儿直角坐标系、平面极坐标系、直线坐标系、柱面坐标系和球面坐标系等。,2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,一、测量常用坐标系1、大地坐标系经度L纬度B大地高H基准面:参考椭球面经度:点所在的子午面与首子午面(过英国格林尼治天文台)的夹角。纬度:点所在的椭球面法线与赤道平面之间的夹角。,地理坐标系,天文经纬度:以该点的铅垂线为准,地面点的坐标是它沿铅垂线在大地水准面上投影点的经度和纬度。(大地水准面和铅垂线是天文地理坐标系的主要面和线)大地经纬度:以地球椭球面上法线为准,地面点
5、的坐标是它沿法线在地球椭球面上投影点的经度L和纬度B。(地球椭球面和法线是大地地理坐标系的主要面和线),2、空间直角坐标系,椭球体中心O为原点,起始子午面与赤道面交线为轴,与X轴正交的方向为Y轴,椭球体的旋转轴为Z轴,构成右手直角坐标系。,一、测量常用坐标系,WGS-84坐标系,地心空间直角 坐标原点:地球质心,3、平面直角坐标系,当测量区域较小,可以 把球面当作平面看待,采用平面直角坐标系。规定:南北为纵轴,记为x 轴 向北为正东西为横轴,记为y 轴 向东为正,P,O,x,y,一、测量常用坐标系,测量平面坐标系与数学平面坐标系,平面直角坐标系统:坐标象限按顺时针方向编号,其编号顺序与数学上直
6、角坐标系的象限编号顺序相反,且x、y两轴线与数学上直角坐标系的x、y轴互换,这是为了使测量计算时可以将数学中的公式直接应用到测量中来,而无需作任何修改。,测量平面坐标系与数学平面坐标系,3、平面直角坐标系,高斯平面直角坐标系(2.3)独立平面直角坐标系 坐标原点一般是假设的 建筑施工坐标系 坐标轴方向沿建筑物主轴线方向,一、测量常用坐标系,测量坐标与施工坐标转换,测量坐标系XOY施工坐标系XOY,测量坐标与施工坐标转换,二、参考椭球定位,1、参考椭球定位:确定参考椭球面与大地水准面的相关位置,使其在地区范围内与大地水准面最佳拟合,使其作为测量计算的基准面,这一过程称为参考椭球定位。2、参考椭球
7、定位方法 单点定位、多点定位,2、参考椭球定位方法-单点定位法,在国家适当地点选定一点P作为大地原点,并在该点进行精密天文测量和高程测量。令大地原点上的:大地经度和纬度分别等于该点上的天文经、纬度;由大地原点至某一点的大地方位角等于该点上同一边的天文方位角;大地原点至椭球面的高度恰好等于其到大地水准面的高度。,利用天文大地网中许多天文点的天文观测成果和已有的椭球参数进行椭球定位,这种方法称为多点定位法。多点定位的结果使在大地原点处椭球的法线方向不再与铅垂线方向重合,椭球面与大地水准面不再相切,但在定位中所利用的天文大地网的范围内,椭球面与大地水准面有最佳的密合。,2、参考椭球定位方法多点定位法
8、,3、我国大地坐标系,在1954年,我国完成了北京天文原点的测定工作。它是采用克拉索夫斯基椭球体参数。我国地形图和海图1980年以前采用的坐标系是“1954年北京坐标系”。在1972-1982年,进行了新的大地基准的观测。称为“1980年国家大地坐标系”。我国的最佳拟合位置,即大地原点,位于陕西省泾阳县永乐镇。椭球参数采用1975大地测量参考系统参数。,2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系,投影:从初中数学的角度来说,一般地,用光线照射物体,在某个平面(地面、墙壁等)上得到的影子叫做物体的投影,光源的出发点称为投影中心,照射光线叫做投影线,投影所在的平面叫做投影面。有时光线是一组互相平行的射线
9、,如太阳光,由平行光线形成的投影是平行投影。由一点光源发出的光线形成的投影叫做中心投影,如灯泡。投影线垂直于投影面产生的投影叫做正投影。投影线倾斜于投影面产生的投影叫做斜投影。,投 影,平行投影与中心头投影,平行投影与中心投影,2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系,一、地图投影1、概念:椭球面是曲面,若要在平面图纸上绘制地图,就要将椭球面面上的元素投影到平面上。地图投影就是按一定的数学法则,建立起椭球面上的点与平面上的点一一对应的数学解析关系。即把椭球面上的大地坐标投影成平面上的直角坐标。投影变形:椭球面曲面上的元素投影到平面上,就会和原来的元素呈现差异,这一差异称为投影变形。投影变形一般有:
10、角度变形、长度变形、面积变形。,平行投影变形,2、地图投影分类,按地球椭球面与投影面的相对位置:正轴投影:投影面的中心线与地轴相重合 斜轴投影:投影面的中心线与地轴斜交 横轴投影:投影面的中心线与地轴相垂直按正轴投影时外部特征:圆锥投影/圆柱投影/方位投影按内在变形:等角投影/等积投影/任意投影,一、地图投影,地图投影类型 正轴 斜轴 横轴,圆锥圆柱方位,补充:投影方法的演变,曲面(地球表面)和平面(地图)之间的矛盾是地图投影中的主要矛盾。在长期的实践过程中,人们找到了一些过渡的方法。1、圆锥曲面是一个可展曲面,如果把地球表面作为一个旋转椭球体,用一个圆锥面跟它相接(使圆锥轴线与椭球体旋转轴重
11、合),把纬线按某种数学条件表示到圆锥面上,则成为圆锥面上的圆。然后把圆锥沿某一条母线展开成扇形平面,它就代表了地球表面一部分的投影图像。这种投影就是地图生产中广泛应用的圆锥投影,经线投影成为辐射直线。纬线投影成为同心圆圆弧。,补充:投影方法的演变,2、采用圆柱面(可展曲面)来进行类似的投影处理。这样就成为圆柱投影。在圆柱投影中,显然经线成为平行直线,纬线也成为平行直线,并且互相正交。当圆锥顶角扩大成180时变成什么?显然,这时圆锥面成了平面。这种从地球表面平面的投影有一个专门名称,叫做方位投影。例如,我们在世界图上常见的南、北极地图和东西半球地图就是这种投影。,圆锥、圆柱投影,2、地图投影分类
12、综上所述,投影名称可以结合上述三种分类方法(投影面形状、投影面与地球椭球体的位置、投影后的变形性质)加以命名。如:正轴等角圆锥投影、正轴等角圆柱投影、横轴等角圆柱投影(高斯投影)等。3、地形图测绘对投影的要求 等角(正形):保角,伸长的固定性 长度面积变形不大:控制变形,一、地图投影,内容回顾,地球基本知识大地水准面参考椭球面体测量常用坐标系平面直角坐标系参考椭球定位方法我国大地坐标系投影及地图投影,二、高斯平面直角坐标系,1、高斯投影(横轴、等角、椭圆柱)提出:德国测量学家-高斯及克吕格适用于:研究范围较大高斯投影方法:设想一椭圆柱横套在地球椭球体外,使投影带的中央子午线与椭圆柱体相切,中央
13、子午线展开后为X轴,向北为正;赤道展开后为Y轴,向东为正。,1、高斯投影:等角、横轴、椭圆柱投影投影带 母线,1、高斯投影,投影,剪开,展平,2、高斯投影的规律,中央子午线的投影为一条直线,其余经线投影为凹向中央子午线的曲线,离中央子午线越远,弯曲程度越大,长度变形越大。赤道的投影为直线,其余纬线的投影为凸向赤道的曲线。并与经线投影相互垂直。,3、投影带(为了控制长度变形),6分带:从首子午线起每隔6自西向东分带,每带中间的子午线称为中央子午线。3分带:从东经1.5 子午线起每隔 3自西向东分带。,6度与3度分带投影图,=6N-3=3N 为该分带中央子午线的经度,N为带号,3、投影带,例1:6
14、度分带,20带中央子午线的经度为:L。6o 203o117o例2:120带中央子午线的经度为:L。3o 120360o,6度与3度分带计算,=6N-3=3N 为该分带中央子午线的经度,N为带号,3、投影带,若已知某点的经度为L,则该点的6带的带号N由下式计算:NL/6(取整)+1 若已知某点的经度为L,则该点所在3带的带号按下式计算:nL/3(四舍五入)例:已知某点的大地经度为123 36,则该点各在 6o带和3o带的哪一带?,6度与3度分带计算,3、投影带,4、高斯平面直角坐标系,中央子午线的投影是X轴,赤道的投影是Y轴,其交点是坐标原点。规定X轴向北为正,轴向东为正。在投影面上,中央子午线
15、和赤道的投影都是直线。点的X坐标是点至赤道的距离。点的Y坐标是点至中央子午线的距离。,我国位于北半球,在高斯平面直角坐标系里:X均为正,y有正有负,为了避免Y出现负值,把X坐标轴向西平移500公里。即点的Y值均加上500公里。为区分不同投影带中的点,在Y坐标值前加带号N(两位数)。点的横坐标通用值则为:Y=N1000000+500000+y,5、国家统一坐标,例1:有一点坐标 Y=19123456.789m,则其相对于中央子午线而言的横坐标则是:Y=123456.789500000=376543.211m例2:书本16页Yp=19*1000000+500000+(-276543.211)=19
16、223456.489m,5、国家统一坐标,如右图所示,设椭球体上有两点 及其大地线,在高斯投影面上的投影为 及。由 化至 所加的改正,即为距离改正。,6、距离改化,三、UTM投影,高斯投影:长度变形比较大,面积变形更大UTM投影:1938年,美国提出。横轴、等角、割圆柱投影 中央子午线长度比为:0.9996,2.4 高程,一、概述高程:地面点到高度起算面的垂直距离。绝对高程(海拔):地面点到大地水准面的铅垂距离。相对高程(假定):地面点到假定水准面的铅垂距离。高差:两点间的高程之差。,绝对高程H,相对高程H,高差h,二、验潮站,高程基准面的确定是通过验潮站多年验潮资料求定的。我国验潮站设在青岛
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