第2章-3S技术地理空间基础

第二章3S技术地理空间基础§地图投影§地图简介§空间坐标系§2-2地图投影§2-3地图简介§2-1空间坐标系§2-1空间坐标系一.空间与地理空间1.空间：空间(Space)的概念在不同的学科有不同的解释。从物理学的角度看：空间是指宇宙在三个相互垂直的方向上所具有的广延性。从天文学角度看：空间是指时空连续体系的一部分。在地理学角度看：空间指地理空间(GeographicSpace)，它是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。§2-1空间坐标系一.空间与地理空间地理空间是人类赖以生存的地球表层具有一定厚度的连续空间域，它是一个椭球体。地理空间涉及到地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈及其交互作用的区域。地球上最复杂的物理过程、化学过程和生物过程都发生在地理空间中。地理空间是人类活动频繁发生的区域，是人地关系中最为复杂、紧密的区域。2.地理空间：从地理学角度看空间1、地球的形状与大小2、地球上的点位描述§2-1空间坐标系核心问题：§2-1空间坐标系二.地理空间的数学构建：如何建立地球表面的几何模型地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面。包括海洋底部、高山、平原在内的固体地球表面，难以用一个简单的数学式描述。1、地球的自然表面：2、相对抽象的面，即大地水准面：假设一个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。与重力方向垂直的大地水准面不可能是一个十分规则的表面，且不能用简单的数学公式来表达，大地水准面不能作为测量成果的计算面。地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体§2-1空间坐标系二.地理空间的数学构建：如何建立地球表面的几何模型为研究地理空间，需要对地球表面建立几何模型，确定地理空间坐标系，实现对地理空间数据的量度和表达。§2-1空间坐标系二.地理空间的数学构建：如何建立地球表面的几何模型3、椭球体模型：为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球---地球椭球体。ab长半径：a（赤道半径）短半径：b（极半径）扁率：f=(a-b)/a第一偏心率：e2=(a2-b2)/a2第二偏心率：e’2=(a2-b2)/b2ab§2-1空间坐标系3、椭球体模型：(椭球参数)•1738年法国布格推算出第一个椭球参数•目前比较著名的有30多种椭球参数WGS-84、北京54、西安80坐标系椭球参数比较表参数类型WGS-84（WGS-84椭球）北京54（克拉索夫斯基椭球）西安80（1975国际椭球）长半轴(a)6378137m6378245m6378140m短半轴(b)6356752.3142m6356863.01877m6356755.28816m极曲率半径(c)6399593.6258m6399698.90178m6399596.65199m第一偏心率(e)0.08181919084260.081813334016930.08181922145552第二偏心率(e′)0.08209443794960.082088521820560.08209446887259扁率(f)1/298.2572235631/298.31/298.257§2-1空间坐标系地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描述水准面所包围的球体大地水准面所包围的球体旋转椭球体不规则性、动态性、不唯一性不规则性、相对唯一性标准数学曲面1952：海福特椭球1953：克拉索夫斯基椭球1978：1975年国际椭球§2-1空间坐标系地球模型：三级近似§2-1空间坐标系三.坐标系统确定空间位置的参照基准，每个地理空间坐标系统都有一组与之对应的基本参数。分类：球面坐标系统经纬度，大地坐标系（地理坐标系）空间直角坐标系统X，Y，Z平面坐标系统1、大地坐标系大地经度：地面上P地点的大地子午面NPS与起始大地子午面所构成的二面角L。大地纬度：P地点对于椭球的法线P地KP与赤道面的夹角B。大地高：P地点沿法线到椭球面的距离h，从椭球面算起，向外为正，向内为负。§2-1空间坐标系参心坐标系地心坐标系h＝H正＋N大地高（h）：从P地沿法线到椭球面的距离。正高（H正）：当P地沿稍弯曲的铅垂线投影到大地水准面上时，则得到P地点在大地水准面上的投影点P'，它们之间沿铅垂线量的距离。大地水准面差距（N）：然后再将P'点沿法线投影到椭球面上得P0点P'P0间的距离。1、大地坐标系§2-1空间坐标系我国的大地坐标系1954年北京坐标系a．属参心大地坐标系；b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；c.大地原点在原苏联的普尔科沃；d．高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；§2-1空间坐标系BJ54坐标系的缺点：椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m；参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大+68m。定向不明确。椭球短轴的指向不是国际上较普遍采用的国际协议原点，起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。§2-1空间坐标系我国的大地坐标系1980年国家大地坐标系大地原点在我国中部，陕西省泾阳县永乐镇；80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系；椭球参数采用IUG1975年大会推荐的参数大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准§2-1空间坐标系我国的大地坐标系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国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8至10年。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系；2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。现有各类地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系；2008年7月1日后新建设的地理信息系统应采用2000国家大地坐标系。§2-1空间坐标系我国的大地坐标系WGS-84世界大地坐标系WGS-84坐标系是一个协议地球参考系CTS（ConventionalTerrestrialSystem）,其原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP（ConventionalTerrestrialPole）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。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。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。§2-1空间坐标系20原点O与地球质心（或参考椭球球心）重合，Z轴指向地球北极(地球旋转轴与地球表面或地球椭球面的交点)，X轴为O点指向过英国格林尼治的起始子午面与地球椭球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面且X、Y、Z轴构成右手坐标系。§2-1空间坐标系2、空间直角坐标系§2-1空间坐标系GIS中的空间数据是地球表层的数据，地球表面是一个椭圆球面，由于球面坐标难以计算距离、方向、面积等参数，需将球面坐标转换成平面坐标，形成平面直角坐标。3、平面直角坐标系0XY22位于地球表层、地面、大气层的物体与对象，随地球的连续自转而同步运动，一般建立随地球自转而同步运动的地球坐标系来描述；GPS、RS涉及到人造卫星，而卫星的运动轨迹与地球的自转无关，通常建立与地球自转无关的天球坐标系来描述；§2-1空间坐标系天球坐标系统3S研究与处理的对象，位于地理空间，包括地表面、地表层，也包括大气层与太空。空间信息技术涉及空间对象在地球外层与太空时。也需要建立相应的空间参考系统。天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。§2-1空间坐标系天球坐标系统几个概念：时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.5°。黄极:通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点n称北黄极，靠近南天极的交点s称南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。§2-1空间坐标系天球坐标系统Ｐn北天极Ｐs南天极Пn北黄极Пn南黄极γεM黄道天球天球赤道天轴在天球坐标系中，天体S的空间位置，可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述。天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。§2-1空间坐标系天球坐标系统天球空间直角坐标系：S（x，y，z）z（Ｐn）x（γ）ySM天球球面坐标系：S（α，δ，r）yＰnzγxSrδαM§2-1空间坐标系天球坐标系统28由于地球不是均质标准椭球体，以及日、月等对地球的引力作用，使得地球的旋转轴(地轴)产生抖动与进动，即地轴(天球直角坐标系Z轴)的方向不是固定不变的。再者，日、月和恒星引力对地球绕日运动的摄动，使得黄道平面产生变化；再加上地轴方向变化使得与地轴垂直的赤道面产生倾斜，导致黄道与赤道相交的春分点也发生变化。地轴方向与春分点的变化是十分复杂的，一般分为长期变化(称为岁差)和短周期变化(称为章动)。岁差与章动使得天轴坐标系不是固定的，实际计算中，需要考虑岁差与章动的影响。§2-1空间坐标系天球坐标系统§2-2地图投影§2-3地图简介§2-1空间坐标系§2.2地图投影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）表达地理对象位置地图投影1.什么是地图投影？2.怎样进行地图投影？3.有哪些地图投影？4.如何选择合适的地图投影？5.我国常用的地图投影有哪些？6.地图投影与GIS的关系。§2-2地图投影地图投影：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法。§2.2地图投影1.什么是地图投影？地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）平面上对应点的平面直角坐标（x，y）建立函数关系：),(),(21fyfx§2.2地图投影2、怎样进行地图投影？投影面地球§2.2地图投影2、怎样进行地图投影？问题？1.按投影面的形状分类2.按投影面的位置分类3.按投影变形分类§2.2地图投影3、有哪些地图投影？（1）按投影面形状分类§2.2地图投影3、有哪些地图投影？投影面地球投影面地球（1）按投影面形状分类§2.2地图投影3、有哪些地图投影？圆柱投影圆锥投影方位投影3、有哪些地图投影？（1）按投影面形状分类§2.2地图投影（2）按投影面位置分类正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交§2.2地图投影3、有哪些地图投影？投影面形状投影面位置§2.2地图投影（3）