第章空间数据坐标及投影

12.1 地理空间地理空间2.2 地球的表示地球的表示2.3 地图坐标地图坐标2.4 GIS投影投影第第2章章 GIS数据的坐标与投影数据的坐标与投影2第第1节节 地理空间地理空间一、地理空间的定义一、地理空间的定义 空间（空间（Space）在不同的学科有不同的解释。）在不同的学科有不同的解释。v从物理学角度：从物理学角度：空间指宇宙在三个相互垂直方向上所具空间指宇宙在三个相互垂直方向上所具有的广延性；有的广延性；v从天文学角度：从天文学角度：指时空连续体系的一部分；指时空连续体系的一部分；v在地理学上，在地理学上，地理空间指物质、能量、信息的存在在形地理空间指物质、能量、信息的存在在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。时间上的延续。地理空间上至大气电离层，下至地幔地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，是生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地莫霍面，是生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地球影响最大的区域。球影响最大的区域。3地理信息系统的中空间的概念常用地理信息系统的中空间的概念常用“地理空间地理空间”（Geo-spatial）来表述。地理空间被定义为）来表述。地理空间被定义为绝绝对空间对空间和和相对空间相对空间两种形式。两种形式。v绝对空间绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；由一系列不同位置的空间坐标值组成；v相对空间相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它是具有空间属性特征的实体的集合，它由实体间的空间关系构成。由实体间的空间关系构成。杜世宏杜世宏.空间关系模糊描述及组合推理的理论和方法研究空间关系模糊描述及组合推理的理论和方法研究.20044地理空间一般包括地理空间一般包括地理空间定位框架及其所连地理空间定位框架及其所连接的特征实体接的特征实体，地理空间定位框架即大地测量，地理空间定位框架即大地测量控制，由控制，由平面控制网和高程控制网组成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）（即：地理空间依赖空间参照系统来确定）第第1节节 地理空间地理空间5假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从平均海平平均海平面面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交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，这就是的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面大地水准面。6坐标参考系统坐标参考系统高程系高程系统统任意水准面任意水准面大地水准面大地水准面HAHA铅垂线铅垂线AHBHBhAB7坐标参考系统坐标参考系统高程系高程系统统水准原点水准原点1985国家高国家高程基准，程基准，72.2604米米1956黄海高程系，黄海高程系，72.2893米米1950-1956年平年平均海水面为均海水面为0米米以以以以1952-19791952-19791952-19791952-1979年青年青年青年青岛验潮站测定的岛验潮站测定的岛验潮站测定的岛验潮站测定的平均海水面作为平均海水面作为平均海水面作为平均海水面作为高程基准面高程基准面高程基准面高程基准面 青岛验潮站青岛验潮站青岛验潮站青岛验潮站观象山观象山观象山观象山8国家水准原点国家水准原点1954年，“中华人民共和国水准原点”在青岛观象山建成。2006年5月，在青岛银银海大世界海大世界内建起了“中华人民共和国水准零点”。9三三轴轴椭椭球球体体模模型型，是是以以大大地地水水准准面面为为基基准准建建立立起起来来的的地地球球椭椭球球体体模模型型。设设椭椭球球体体短短轴轴上上的的半半径径记记为为c，它它表表示示从从极极地地到到地地心心的的距距离离；椭椭球球体体长长轴轴上上的的半半径径和和中中轴轴上上的的半半径径记记为为a和和b，它它们们分分别别是是赤赤道道上的两个主轴。上的两个主轴。第第2节节 地球的表示地球的表示2.1 地球椭球地球椭球10由由于于赤赤道道扁扁率率较较极极地地扁扁率率要要小小得得多多，因因此此可可假假定定赤赤道道面面为为圆圆形形。因因此此，为为便便于于计计算算，广广泛泛采采用用双双轴轴椭椭球球体体作作为为地地球球形形体体的的参参考考模模型型，即即用用a代代替替b，双双轴轴椭球体亦称为旋转椭球体。因此上面的方程就变为：椭球体亦称为旋转椭球体。因此上面的方程就变为：旋旋转转椭椭球球体体是是地地球球表表面面几几何何模模型型中中最最简简单单的的一一类类模模型型，为为世世界界各各国国普普遍遍采采用用作作为为测测量量工工作作的的基基准准。美美国国环环境境系系统统研研究究所所（ESRI）的的ARC/INFO软软件件中中提提供供了了多多达达30种种旋旋转转椭椭球球体体模模型型。我我国国目目前前一一般般采采用用克克拉索夫斯基椭球体作为地球表面几何模型。拉索夫斯基椭球体作为地球表面几何模型。112.2 地球椭球体的逼近地球椭球体的逼近一级逼近一级逼近:大地水准面大地水准面(重力等位面重力等位面)包围的球体，包围的球体，称为大地球体（三轴椭球体）。称为大地球体（三轴椭球体）。二级逼近二级逼近:双轴椭球体。地球椭球体的三要素双轴椭球体。地球椭球体的三要素:长半轴长半轴a，短半轴，短半轴b，扁率，扁率f=(a-b)/a。三级逼近三级逼近:与局部地区的大地水准面符合得最好与局部地区的大地水准面符合得最好的一个地球椭球体，称为的一个地球椭球体，称为参考椭球体参考椭球体。通常不同。通常不同国家地区采用不同的参考椭球体。国家地区采用不同的参考椭球体。12常见地球椭球体的主要参数一览表常见地球椭球体的主要参数一览表YearEllipsoidSemimajorAxisa(m)Flatteningf Use1984WGS846378137.00 1/298.26Newly Adopted1980GRS80 6378137.00 1/298.26Newly Adopted1975IUGG6378140.00 1/298.257China1940Krasovsky 6378245.00 1/298.30Russia,China1909International 6378388.00 1/297Much of World1880Clark1880 6378249.15 1/293.47France,Most of Africa1866Clark1866 6378206.40 1/294.98North America1841Bessel 6377397.16 1/299.15Mid Europe,Indonisia国内地球椭球体国内地球椭球体国内地球椭球体国内地球椭球体1952年以前，International 1909(Hayford)1953 1978,Krasovsky 19401978年以后，IUGG/IGA 197513 有了参考椭球，在实际建立地理空间坐标系统的有了参考椭球，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。大地体联系起来。2.3 大地基准面（大地基准面（Datum）这里所说的这里所说的大地基准大地基准是指能够最佳拟合地球形状是指能够最佳拟合地球形状的的地球椭球的参数及椭球定位和定向地球椭球的参数及椭球定位和定向。椭球定位椭球定位是指确定椭球中心的位置。是指确定椭球中心的位置。椭球定向椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位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；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大地起始子午面平行于天文起始子午面 14Geodetic Datums(大地基准大地基准)Reference frame for locating points on Earths surfaceA set of parameters defining a coordinate system on earths surfaceDefines origin&orientation of latitude/longitude linesDefines the position of the spheroid relative to Earths center.15椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基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、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。椭球体，但它们的基准面显然是不同的。16具有确定参数具有确定参数(长半径长半径a和扁率和扁率f)，经过局部定，经过局部定位和定向，位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟合同某一地区大地水准面最佳拟合的的地球椭球，叫做地球椭球，叫做参考椭球。参考椭球。除了满足地心定位和双平行条件外，在确定椭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球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合在全球范围内与大地体最密合的地球椭球，叫做的地球椭球，叫做总地球椭球。总地球椭球。要正确区分的两个概念要正确区分的两个概念17u参心坐标系参心坐标系：以参考椭球为基准的坐标系，：以参考椭球为基准的坐标系，参考椭球中心为坐标原点。参考椭球中心为坐标原点。u地心坐标系：地心坐标系：以总地球椭球为基准的坐标系，以总地球椭球为基准的坐标系，地球质心为坐标原点。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！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！构成不同的参心坐标系！第第3节节 地球的坐标地球的坐标3.1 基本概念基本概念 18建立（地球）参心坐标系，需进行下面几个工作：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）；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）；确定椭球中心位置（定位）；确定椭球短轴的指向（定向）；确定椭球短轴的指向（定向）；建立大地原点。建立大地原点。19无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直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，因而又称为连在一起，与地球同步运动，因而又称为地固坐地固坐标系标系，以地心为原点的地固坐标系则称，以地心为原点的地固坐标系则称地心地固地心地固坐标系坐标系，主要用于描述地面点的相对位置；另一，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，称为类是空间固定坐标系与地球自转无关，称为天文天文坐标系或天球坐标系或惯性坐标系坐标系或天球坐标系或惯性坐标系，主要用于描，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。在这里，我们述卫星和地球的运行位置和状态。在这里，我们研究研究地固坐标系地固坐标系。20地理空地理空间间坐坐标标系系统统提供了确定空提供了确定空间间位置的参照基准。位置的参照基准。一般情况，根据表达方式的不同，地理空一般情况，根据表达方式的不同，地理空间间坐坐标标系系统统通常分通常分为为球面坐球面坐标标系系统统和和平面坐平面坐标标系系统统。平面坐。平面坐标标系系统统也常被成也常被成为为投影坐投影坐标标系系统统。球面坐球面坐标标系系统统大地地理坐大地地理坐标标地理空地理空间间坐坐标标平面坐平面坐标标系系空空间间直角坐直角坐标标系系天文地理坐天文地理坐标标高斯平面直角坐高斯平面直角