第2章3S技術(shù)地理空間基礎(chǔ)

1、第二章第二章 3S3S技術(shù)地理空間基礎(chǔ)技術(shù)地理空間基礎(chǔ)地圖投影地圖投影地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系2-2 地圖投影地圖投影2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系一一. 空間與地理空間空間與地理空間1. 空間空間： 空間空間(Space) 的概念在不同的學(xué)科有不同的解釋。的概念在不同的學(xué)科有不同的解釋。l 從物理學(xué)的角度看從物理學(xué)的角度看：空間是指宇宙在三個(gè)相互垂直的方向上：空間是指宇宙在三個(gè)相互垂直的方向上所具有的廣延性。所具有的廣延性。l 從天文學(xué)角度看從天文學(xué)角度看：空間是指時(shí)空連續(xù)體系的一部分。：空間是指時(shí)空連續(xù)體系的一部分。l 在地理學(xué)

2、角度看在地理學(xué)角度看：空間指：空間指地理空間地理空間(Geographic Space)，它，它是指物質(zhì)、能量、信息的是指物質(zhì)、能量、信息的存在形式存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能在形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的關(guān)系上的分布方式、格局分布方式、格局及其及其在時(shí)間上的延續(xù)在時(shí)間上的延續(xù)。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系一一. 空間與地理空間空間與地理空間l 地理空間是人類賴以生存的地理空間是人類賴以生存的地球表層地球表層具有一定厚度的連續(xù)空具有一定厚度的連續(xù)空間域，它是一個(gè)橢球體。間域，它是一個(gè)橢球體。l 地理空間涉及到地球上地理空間涉及到地球上大氣圈大氣圈、水圈水圈、生物圈生物圈、巖石圈巖石圈和和土土

3、壤圈壤圈及其交互作用的區(qū)域。及其交互作用的區(qū)域。l 地球上最復(fù)雜的物理過程、化學(xué)過程和生物過程都發(fā)生在地地球上最復(fù)雜的物理過程、化學(xué)過程和生物過程都發(fā)生在地理空間中。理空間中。l 地理空間是人類活動(dòng)頻繁發(fā)生的區(qū)域，是人地關(guān)系中最為復(fù)地理空間是人類活動(dòng)頻繁發(fā)生的區(qū)域，是人地關(guān)系中最為復(fù)雜、緊密的區(qū)域。雜、緊密的區(qū)域。2. 地理空間地理空間：從地理學(xué)角度看空間從地理學(xué)角度看空間1、地球的形狀與大小、地球的形狀與大小2、地球上的點(diǎn)位描述、地球上的點(diǎn)位描述2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系核心問題：核心問題：2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系二二. 地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：如何建立地球表面的幾何模

4、型如何建立地球表面的幾何模型地球自然表面是一個(gè)起伏不平、十分不規(guī)則的表面。地球自然表面是一個(gè)起伏不平、十分不規(guī)則的表面。包括海洋底部、高山、平原在內(nèi)的固體地球表面，難以用一個(gè)簡(jiǎn)包括海洋底部、高山、平原在內(nèi)的固體地球表面，難以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)式描述。單的數(shù)學(xué)式描述。1 1、地球的自然表面：、地球的自然表面：2 2、相對(duì)抽象的面，即、相對(duì)抽象的面，即大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面： 假設(shè)假設(shè)一個(gè)當(dāng)海水處于一個(gè)當(dāng)海水處于完全靜止完全靜止的平衡狀態(tài)時(shí)從的平衡狀態(tài)時(shí)從平均海平面平均海平面延伸到延伸到所有大陸下部所有大陸下部，而與地球重力方向，而與地球重力方向處處正交處處正交的一個(gè)的一個(gè)連續(xù)、閉合連續(xù)、閉合的水準(zhǔn)的

5、水準(zhǔn)面。面。 與重力方向垂直的大地水準(zhǔn)面與重力方向垂直的大地水準(zhǔn)面不可能不可能是一個(gè)十分規(guī)則的表面，且是一個(gè)十分規(guī)則的表面，且不不能用能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，大地水準(zhǔn)面簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，大地水準(zhǔn)面不能作為不能作為測(cè)量成果的測(cè)量成果的計(jì)算面計(jì)算面。地球表面地球表面水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面鉛垂線鉛垂線地球橢球體地球橢球體2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系二二. 地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：如何建立地球表面的幾何模型如何建立地球表面的幾何模型為研究地理空間，需要為研究地理空間，需要對(duì)地球表面建立幾何模型對(duì)地球表面建立幾何模型，確定地理空間坐標(biāo)，確定地理空間坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間數(shù)

6、據(jù)的量度和表達(dá)。系，實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的量度和表達(dá)。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系二二. 地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：地理空間的數(shù)學(xué)構(gòu)建：如何建立地球表面的幾何模型如何建立地球表面的幾何模型3 3、橢球體模型：、橢球體模型：為了測(cè)量成果計(jì)算的需要，選用一個(gè)同大地體相近的、可以為了測(cè)量成果計(jì)算的需要，選用一個(gè)同大地體相近的、可以用數(shù)學(xué)方法用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)的來表達(dá)的旋轉(zhuǎn)橢球旋轉(zhuǎn)橢球來代替地球來代替地球-地球橢球體地球橢球體。 a bn長(zhǎng)半徑：長(zhǎng)半徑： a（赤道半徑）（赤道半徑） n短半徑：短半徑： b（極半徑）（極半徑）n扁扁 率：率： f=(a-b)/an第一偏心率：第一偏心率： e2=(a2- b2)/

7、 a2n第二偏心率：第二偏心率： e2=(a2- b2)/ b2 a b2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系3 3、橢球體模型：、橢球體模型： ( (橢球參數(shù)橢球參數(shù)) ) 1738年法國(guó)布格推算出第一個(gè)橢球參數(shù)年法國(guó)布格推算出第一個(gè)橢球參數(shù) 目前比較著名的有目前比較著名的有30多種橢球參數(shù)多種橢球參數(shù)WGS-84WGS-84、北京、北京5454、西安、西安8080坐標(biāo)系橢球參數(shù)比較表坐標(biāo)系橢球參數(shù)比較表參數(shù)類型參數(shù)類型WGS-84WGS-84（WGS-84WGS-84橢球橢球）北京北京5454（克拉索夫斯基橢球克拉索夫斯基橢球）西安西安8080（19751975國(guó)際橢球國(guó)際橢球）長(zhǎng)半軸長(zhǎng)半軸( (a

8、) )6378137m6378137m6378245m6378245m6378140m6378140m短半軸短半軸( (b) )6356752.3142m6356752.3142m6356863.01877m6356863.01877m6356755.28816m6356755.28816m極曲率半徑極曲率半徑( (c) )6399593.6258m6399593.6258m6399698.90178m6399698.90178m6399596.65199m6399596.65199m第一偏心率第一偏心率( (e) )0.08181919084260.08181919084260.081813

9、334016930.081813334016930.081819221455520.08181922145552第二偏心率第二偏心率( (e) )0.08209443794960.08209443794960.082088521820560.082088521820560.082094468872590.08209446887259扁率扁率( (f) )1/298.2572235631/298.2572235631/298.31/298.31/298.2571/298.2572-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系地球自然表面地球自然表面極不規(guī)則，無法用數(shù)學(xué)表面進(jìn)行描述極不規(guī)則，無法用數(shù)學(xué)表面進(jìn)行描述水準(zhǔn)

10、面所包圍的球體水準(zhǔn)面所包圍的球體大地水準(zhǔn)面所包圍的球體大地水準(zhǔn)面所包圍的球體旋轉(zhuǎn)橢球體旋轉(zhuǎn)橢球體不規(guī)則性、動(dòng)態(tài)性、不唯一性不規(guī)則性、動(dòng)態(tài)性、不唯一性不規(guī)則性、相對(duì)唯一性不規(guī)則性、相對(duì)唯一性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)曲面標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)曲面1952：海福特橢球：海福特橢球1953：克拉索夫斯基橢球：克拉索夫斯基橢球1978：1975年國(guó)際橢球年國(guó)際橢球2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系地球模型：三級(jí)近似地球模型：三級(jí)近似2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系三三. 坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)q確定空間位置的參照基準(zhǔn)，每個(gè)地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)確定空間位置的參照基準(zhǔn)，每個(gè)地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)都有都有一組與之對(duì)應(yīng)的基本參數(shù)一組與之對(duì)應(yīng)的基本參數(shù)。q分類：分類：

11、n球面坐標(biāo)系統(tǒng)球面坐標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)緯度，大地坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系）經(jīng)緯度，大地坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系）n空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)X，Y，Zn平面坐標(biāo)系統(tǒng)平面坐標(biāo)系統(tǒng)1、大地坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系大地經(jīng)度大地經(jīng)度：地面上：地面上P地地點(diǎn)的大地子點(diǎn)的大地子午面午面NPS與起始大地子午面所構(gòu)與起始大地子午面所構(gòu)成的二面角成的二面角L。大地緯度大地緯度：P地地點(diǎn)對(duì)于橢球的法線點(diǎn)對(duì)于橢球的法線P地地KP P與赤道面的夾角與赤道面的夾角B。大地高大地高：P地地點(diǎn)沿法線到橢球面的點(diǎn)沿法線到橢球面的距離距離h，從橢球面算起，向外為正，從橢球面算起，向外為正，向內(nèi)為負(fù)。向內(nèi)為負(fù)。 2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系p參心坐標(biāo)

12、系參心坐標(biāo)系p地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系hH正正N大地高（大地高（h）：從：從P地地沿法線到橢球沿法線到橢球面的距離。面的距離。正高（正高（H正正）：當(dāng)：當(dāng)P地地沿稍彎曲的鉛沿稍彎曲的鉛垂線投影到大地水準(zhǔn)面上時(shí)，則垂線投影到大地水準(zhǔn)面上時(shí)，則得到得到P地地點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的投影點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的投影點(diǎn)點(diǎn)P，它們之間沿鉛垂線量的距離。，它們之間沿鉛垂線量的距離。大地水準(zhǔn)面差距（大地水準(zhǔn)面差距（N）：然后再將：然后再將P點(diǎn)沿法線投影到橢球面上得點(diǎn)沿法線投影到橢球面上得P0點(diǎn)點(diǎn)PP0間的距離。間的距離。1、大地坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系n19541954

13、年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系qa a屬參心大地坐標(biāo)系；屬參心大地坐標(biāo)系；b b采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何參數(shù)；采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何參數(shù)；c. c. 大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃；大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃；d d高程基準(zhǔn)為高程基準(zhǔn)為 19561956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面；海水面； 2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系nBJ54BJ54坐標(biāo)系的缺點(diǎn)：坐標(biāo)系的缺點(diǎn)：q橢球參數(shù)有較大誤差。與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)相比，長(zhǎng)橢球參數(shù)有較大誤差。與現(xiàn)代精確的橢球參數(shù)相比，長(zhǎng)半軸約大半軸約大109m109m；q參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系參考橢球面與我國(guó)

14、大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜，東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距最大統(tǒng)性的傾斜，東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距最大+68m+68m。q定向不明確。橢球短軸的指向不是國(guó)際上較普遍采用的定向不明確。橢球短軸的指向不是國(guó)際上較普遍采用的國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)，起始大地子午面也不是國(guó)際時(shí)間局國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)，起始大地子午面也不是國(guó)際時(shí)間局BIHBIH所定義的格林尼治平均天文臺(tái)子午面，從而給坐標(biāo)換算所定義的格林尼治平均天文臺(tái)子午面，從而給坐標(biāo)換算帶來一些不便和誤差。帶來一些不便和誤差。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系n19801980年國(guó)家大地坐標(biāo)系年國(guó)家大地坐標(biāo)系q大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，陜西省涇

15、陽(yáng)縣永樂鎮(zhèn)；大地原點(diǎn)在我國(guó)中部，陜西省涇陽(yáng)縣永樂鎮(zhèn)；q8080坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系，橢球短軸Z Z軸平行于地球質(zhì)心指軸平行于地球質(zhì)心指向地極方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文向地極方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面；臺(tái)子午面；X X軸在大地起始子午面內(nèi)與軸在大地起始子午面內(nèi)與 Z Z軸垂直指向經(jīng)度軸垂直指向經(jīng)度 0 0方向；方向；Y Y軸與軸與 Z Z、X X軸成右手坐標(biāo)系；軸成右手坐標(biāo)系；q橢球參數(shù)采用橢球參數(shù)采用IUG 1975IUG 1975年大會(huì)推薦的參數(shù)年大會(huì)推薦的參數(shù)q大地高程以大地高程以19561956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水

16、面為基年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均水面為基準(zhǔn)準(zhǔn)2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系n20002000國(guó)家大地坐標(biāo)系國(guó)家大地坐標(biāo)系q20002000國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體國(guó)家大地坐標(biāo)系是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心?，F(xiàn)，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心。q20002000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為的過渡期為8 8至至1010年。年。n現(xiàn)有各類測(cè)繪成果，在過渡期內(nèi)可沿用現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)現(xiàn)有各類測(cè)繪成果，在過渡期內(nèi)可沿用現(xiàn)行國(guó)家大

17、地坐標(biāo)系；系；20082008年年7 7月月1 1日后新生產(chǎn)的各類測(cè)繪成果應(yīng)采用日后新生產(chǎn)的各類測(cè)繪成果應(yīng)采用20002000國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系。家大地坐標(biāo)系。n現(xiàn)有各類地理信息系統(tǒng)，在過渡期內(nèi)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)換到現(xiàn)有各類地理信息系統(tǒng)，在過渡期內(nèi)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)換到20002000國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系；家大地坐標(biāo)系；20082008年年7 7月月1 1日后新建設(shè)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)日后新建設(shè)的地理信息系統(tǒng)應(yīng)采用采用20002000國(guó)家大地坐標(biāo)系。國(guó)家大地坐標(biāo)系。 2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系我國(guó)的大地坐標(biāo)系WGS-84世界大地坐標(biāo)系世界大地坐標(biāo)系nWGS-84WGS-84坐標(biāo)系是一個(gè)協(xié)議地球參考系坐標(biāo)系

18、是一個(gè)協(xié)議地球參考系CTSCTS（Conventional Conventional Terrestrial SystemTerrestrial System）, ,其原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，其原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，Z Z軸指向軸指向BIH1984.0BIH1984.0定義的協(xié)議地球極定義的協(xié)議地球極CTPCTP（Conventional Conventional Terrestrial PoleTerrestrial Pole）方向，）方向，X X軸指向軸指向BIH1984.0BIH1984.0零度子午面和零度子午面和CTPCTP赤道的交點(diǎn)，赤道的交點(diǎn)，Y Y軸和軸和Z Z、X X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸

19、構(gòu)成右手坐標(biāo)系。nWGS-84WGS-84橢球采用國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第橢球采用國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第1717屆大會(huì)屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)推薦值。大地測(cè)量常數(shù)推薦值。n自自19871987年年1 1月月1010日之后，日之后，GPSGPS衛(wèi)星星歷均采用衛(wèi)星星歷均采用WGS-84WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)系統(tǒng)。因此因此GPSGPS網(wǎng)的測(cè)站坐標(biāo)及測(cè)站之間的坐標(biāo)差均屬于網(wǎng)的測(cè)站坐標(biāo)及測(cè)站之間的坐標(biāo)差均屬于WGS-84WGS-84系系統(tǒng)。為了求得統(tǒng)。為了求得GPSGPS測(cè)站點(diǎn)在地面坐標(biāo)系（屬于參心坐標(biāo)系）測(cè)站點(diǎn)在地面坐標(biāo)系（屬于參心坐標(biāo)系）中的坐標(biāo)，就必須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。中的坐標(biāo)，就必須

20、進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系20n原點(diǎn)原點(diǎn)O與地球質(zhì)心（或參考橢與地球質(zhì)心（或參考橢球球心）重合，球球心）重合，Z軸指向地球軸指向地球北極北極(地球旋轉(zhuǎn)軸與地球表面或地球旋轉(zhuǎn)軸與地球表面或地球橢球面的交點(diǎn)地球橢球面的交點(diǎn))，X軸為軸為O點(diǎn)指向過英國(guó)格林尼治的起始點(diǎn)指向過英國(guó)格林尼治的起始子午面與地球橢球赤道的交點(diǎn)子午面與地球橢球赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于軸垂直于XOZ平面且平面且X、Y、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系2、空間直角坐標(biāo)系、空間直角坐標(biāo)系2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系nGIS中的空間數(shù)據(jù)是地球表層的數(shù)據(jù)中的空間數(shù)據(jù)是地球表層的數(shù)據(jù)，

21、地球表面是一，地球表面是一個(gè)橢圓球面，由于球面坐標(biāo)難以計(jì)算距離、方向、個(gè)橢圓球面，由于球面坐標(biāo)難以計(jì)算距離、方向、面積等參數(shù)，需將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，形成面積等參數(shù)，需將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，形成平面直角坐標(biāo)。平面直角坐標(biāo)。3、平面直角坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系0XY22n位于地球表層、地面、大氣層的物位于地球表層、地面、大氣層的物體與對(duì)象，隨地球的連續(xù)自轉(zhuǎn)而同體與對(duì)象，隨地球的連續(xù)自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)，一般建立隨地球自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)，一般建立隨地球自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)的步運(yùn)動(dòng)的地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系來描述；來描述；nGPS、RS涉及到人造衛(wèi)星，而衛(wèi)涉及到人造衛(wèi)星，而衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，星的運(yùn)動(dòng)

22、軌跡與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，通常建立與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的通常建立與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的天球坐天球坐標(biāo)系標(biāo)系來描述；來描述；2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系統(tǒng)3S研究與處理的對(duì)象，位于地理空間，包括地表面、研究與處理的對(duì)象，位于地理空間，包括地表面、地表層，也包括大氣層與太空?？臻g信息技術(shù)涉及空間對(duì)地表層，也包括大氣層與太空?？臻g信息技術(shù)涉及空間對(duì)象在地球外層與太空時(shí)。也需要建立相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)。象在地球外層與太空時(shí)。也需要建立相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)。u天球天球：指以地球質(zhì)心為中心，半徑：指以地球質(zhì)心為中心，半徑r為任意長(zhǎng)度的一個(gè)假想為任意長(zhǎng)度的一個(gè)假想球體。為建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須確定球面上的

23、一些參考球體。為建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點(diǎn)、線、面和圈。點(diǎn)、線、面和圈。u 天軸與天極天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)的交點(diǎn)Pn(北天極北天極)Ps(南天極南天極)稱為天極。稱為天極。u 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。u 天球子午面與天球子午圈天球子午面與天球子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點(diǎn)：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點(diǎn)的平面為天球子午面，該面與天球相交

24、的大圓為天球子午的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓為天球子午圈。圈。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系統(tǒng)幾個(gè)概念：幾個(gè)概念：u時(shí)圈時(shí)圈：通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓。：通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓。u黃道黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍颍旱厍蚬D(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測(cè)者所見到的太陽(yáng)在天球上繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測(cè)者所見到的太陽(yáng)在天球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約23.5。u黃極黃極:通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)。通過天球中

25、心，垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)?？拷碧鞓O的交點(diǎn)靠近北天極的交點(diǎn) n稱北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)稱北黃極，靠近南天極的交點(diǎn) s稱稱南黃極。南黃極。u春分點(diǎn)春分點(diǎn)：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)黃道與天球赤道的交點(diǎn) 。2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系統(tǒng)n北天極北天極s南天極南天極n北黃極北黃極n南黃極南黃極 M黃黃道道天天球球天球赤道天球赤道天天軸軸 在天球坐標(biāo)系中，天體在天球坐標(biāo)系中，天體S的空間位置，可用天球空間直的空間位置，可用天球空間直角坐標(biāo)系或天球球面坐標(biāo)系兩種方式來描述角坐標(biāo)系或天球球面坐

26、標(biāo)系兩種方式來描述 。天球空間直角坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極軸指向天球的北極Pn，x軸指向春分點(diǎn)軸指向春分點(diǎn) ，y軸與軸與x、z軸軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系。天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng) 為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與經(jīng)過天體為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與經(jīng)過天體s的天球子的天球子午面之間的交角，赤緯午面之間的交角，赤緯 為原點(diǎn)至天體的連線與天球赤為原點(diǎn)至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑道面的夾角，向徑r為原點(diǎn)至天體的距離為原點(diǎn)至天體的距離。2-1 空

27、間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球空間直角坐標(biāo)系：天球空間直角坐標(biāo)系： S（x， y，z）z（n）x（）ySM天球球面坐標(biāo)系：天球球面坐標(biāo)系： S（ ，r ）ynzxSr M2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)天球坐標(biāo)系統(tǒng)28n由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力作用，使得地球的旋轉(zhuǎn)軸作用，使得地球的旋轉(zhuǎn)軸(地軸地軸)產(chǎn)生抖動(dòng)與進(jìn)動(dòng)，即地軸產(chǎn)生抖動(dòng)與進(jìn)動(dòng)，即地軸(天天球直角坐標(biāo)系球直角坐標(biāo)系Z軸軸)的方向不是固定不變的。再者，日、月和的方向不是固定不變的。再者，日、月和恒星引力對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)，使得黃道平面

28、產(chǎn)生變化；恒星引力對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)，使得黃道平面產(chǎn)生變化；再加上地軸方向變化使得與地軸垂直的赤道面產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)再加上地軸方向變化使得與地軸垂直的赤道面產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致黃道與赤道相交的春分點(diǎn)也發(fā)生變化。地軸方向與春分點(diǎn)致黃道與赤道相交的春分點(diǎn)也發(fā)生變化。地軸方向與春分點(diǎn)的變化是十分復(fù)雜的，一般分為長(zhǎng)期變化的變化是十分復(fù)雜的，一般分為長(zhǎng)期變化(稱為稱為歲差歲差)和短周和短周期變化期變化(稱為稱為章動(dòng)章動(dòng))。歲差與章動(dòng)使得。歲差與章動(dòng)使得天軸坐標(biāo)系不是固定的，天軸坐標(biāo)系不是固定的，實(shí)際計(jì)算中，需要考慮歲差與章動(dòng)的影響。實(shí)際計(jì)算中，需要考慮歲差與章動(dòng)的影響。 2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系統(tǒng)

29、天球坐標(biāo)系統(tǒng)2-2 地圖投影地圖投影2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系2.2 地圖投影地圖投影直接建立在球體上的直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達(dá)地理對(duì)象位置建立在平面上建立在平面上的的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達(dá)地理對(duì)象位置地圖投影地圖投影1. 什么是地圖投影？什么是地圖投影？2. 怎樣進(jìn)行地圖投影？怎樣進(jìn)行地圖投影？3. 有哪些地圖投影？有哪些地圖投影？4. 如何選擇合適的地圖投影？如何選擇合適的地圖投影？5. 我國(guó)常用的地圖投影有哪些？我國(guó)常用的地圖投影有哪些？6. 地圖投影與地圖投影與GIS的關(guān)系。的關(guān)系。2-2 地圖投影地圖投影地圖投影地圖投影：將地球橢

30、球面上的點(diǎn)映射到平面上的方法。：將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上的方法。2.2 地圖投影地圖投影1. 什么是地圖投影？什么是地圖投影？ 地球橢球面上的點(diǎn)的地球橢球面上的點(diǎn)的地理坐標(biāo)地理坐標(biāo)（，） 平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)平面直角坐標(biāo)（x，y） 建立函數(shù)關(guān)系：建立函數(shù)關(guān)系： ),(),(21fyfx2.2 地圖投影地圖投影2、怎樣進(jìn)行地圖投影？、怎樣進(jìn)行地圖投影？投影面投影面地球地球2.2 地圖投影地圖投影2、怎樣進(jìn)行地圖投影？、怎樣進(jìn)行地圖投影？ 問題？1. 按按投影面投影面的的形狀形狀分類分類2. 按按投影面投影面的的位置位置分類分類3. 按按投影投影變形變形分類分類2.2 地

31、圖投影地圖投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？（1 1）按投影面按投影面形狀形狀分類分類2.2 地圖投影地圖投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？投影面投影面地球地球投影面投影面地球地球（1 1）按投影面按投影面形狀形狀分類分類2.2 地圖投影地圖投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？圓柱投影圓柱投影圓錐投影圓錐投影方位投影方位投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？（1 1）按投影面按投影面形狀形狀分類分類2.2 地圖投影地圖投影（2 2）按投影面按投影面位置位置分類分類正軸投影正軸投影：投影面中心軸與地軸相互：投影面中心軸與地軸相互重合重合橫軸投影橫軸投影：投影面中心軸與地軸相互：投影面中

32、心軸與地軸相互垂直垂直斜軸投影斜軸投影：投影面中心軸與地軸斜向：投影面中心軸與地軸斜向相交相交2.2 地圖投影地圖投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？投投影影面面形形狀狀投影面位置投影面位置2.2 地圖投影地圖投影（3 3）按投影按投影變形變形分類分類3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？2.2 地圖投影地圖投影等角投影等角投影：投影前后角度不變：投影前后角度不變等積投影等積投影：投影前后面積不變：投影前后面積不變等距投影等距投影：沿某一特定方向上的距離不變：沿某一特定方向上的距離不變幾何幾何：平面、圓柱、圓錐：平面、圓柱、圓錐非幾何（數(shù)學(xué)解析法）非幾何（數(shù)學(xué)解析法）：偽圓柱、偽圓錐、多圓錐：偽

33、圓柱、偽圓錐、多圓錐2.2 地圖投影地圖投影3、有哪些地圖投影有哪些地圖投影？地圖投影地圖投影變形規(guī)律變形規(guī)律構(gòu)成方式構(gòu)成方式幾何投影幾何投影非幾何投影非幾何投影方位投影方位投影圓柱投影圓柱投影偽圓錐投影偽圓錐投影圓錐投影圓錐投影多圓錐投影多圓錐投影為圓柱投影為圓柱投影偽方位投影偽方位投影等積投影等積投影等角投影等角投影任意投影任意投影2.2 地圖投影地圖投影 問題？問題？如何選擇地圖投影如何選擇地圖投影?2-2 地圖投影地圖投影n制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍n制圖比例尺制圖比例尺n地圖內(nèi)容地圖內(nèi)容n出版方式出版方式 隨區(qū)域徑緯度不同、地圖比例尺不同、及地圖用途

34、不隨區(qū)域徑緯度不同、地圖比例尺不同、及地圖用途不同，地圖投影方法也不同，現(xiàn)有地圖投影方法共有同，地圖投影方法也不同，現(xiàn)有地圖投影方法共有200多多種。但常用的也就種。但常用的也就20多種。多種。4、如何選擇合適的地圖投影如何選擇合適的地圖投影？2-2 地圖投影地圖投影n各國(guó)家的地理信息系統(tǒng)投影各國(guó)家的地理信息系統(tǒng)投影-與該國(guó)基本地圖系列所用的投影系與該國(guó)基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致；統(tǒng)一致；n各比例尺各比例尺GIS投影投影-與相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影與相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致；一致；n各地區(qū)各地區(qū)GIS投影投影-與所在區(qū)域適用的投影一致；與所在區(qū)域適用的投影一致；

35、n所用投影以所用投影以等角投影等角投影為宜。（形狀不失真）為宜。（形狀不失真）n各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種（至多三種）投影系統(tǒng)為其各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種（至多三種）投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一保證地理定位框架的統(tǒng)一。4、如何選擇合適的地圖投影如何選擇合適的地圖投影？地圖投影的選擇因素地圖投影的選擇因素n1：50萬、萬、1：25萬、萬、1：10萬、萬、1：5萬、萬、1：2.5萬、萬、1:1萬萬 采用采用高斯高斯克呂格投影（橫軸等角切橢圓柱投影）克呂格投影（橫軸等角切橢圓柱投影）n1：100萬：萬：蘭勃特蘭勃特Lambert投影投影（正軸等角割

36、圓錐投影）（正軸等角割圓錐投影）n大部分省區(qū)圖、大多數(shù)同級(jí)比例尺也采用大部分省區(qū)圖、大多數(shù)同級(jí)比例尺也采用蘭勃特蘭勃特投影投影2-2 地圖投影地圖投影5、我國(guó)常用的地圖投影有哪些我國(guó)常用的地圖投影有哪些？l高斯高斯克呂格投影是克呂格投影是橫軸等角切橢圓柱投影橫軸等角切橢圓柱投影。是由高斯于。是由高斯于19世世紀(jì)紀(jì)20年代擬定，后經(jīng)克呂格補(bǔ)充而形成的一種地圖投影方式。年代擬定，后經(jīng)克呂格補(bǔ)充而形成的一種地圖投影方式。l它以它以橢圓柱橢圓柱作為投影面，使地球橢球體的作為投影面，使地球橢球體的某一條某一條經(jīng)線經(jīng)線與橢圓柱與橢圓柱相切，然后按照等角條件，將中央經(jīng)線相切，然后按照等角條件，將中央經(jīng)線東西

37、兩側(cè)各一定范圍內(nèi)東西兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將其展成平面而得。的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將其展成平面而得。2-2 地圖投影地圖投影高斯克呂格投影高斯克呂格投影2-2 地圖投影地圖投影2-2 地圖投影地圖投影2-2 地圖投影地圖投影 這種投影是將一圓錐面套在地球橢球外面，將地球表這種投影是將一圓錐面套在地球橢球外面，將地球表面上的要素投影到圓錐面上，然后將圓錐面沿某一母線面上的要素投影到圓錐面上，然后將圓錐面沿某一母線（經(jīng)線）展開，即獲得（經(jīng)線）展開，即獲得Lambert投影。投影。這種投影中，經(jīng)線為交于一點(diǎn)的直線束，這種投影中，經(jīng)線為交于一點(diǎn)的直線束，緯線為同心圓圓弧，圓心即

38、直線束的交緯線為同心圓圓弧，圓心即直線束的交點(diǎn)點(diǎn)經(jīng)線呈輻射狀，為縱向直線，緯線近經(jīng)線呈輻射狀，為縱向直線，緯線近似于弧形，與經(jīng)線正交似于弧形，與經(jīng)線正交適用于適用于1 1：100100萬（包括萬（包括1 1：100100萬）以上萬）以上地形圖地形圖蘭勃特（蘭勃特（Lambert）投影）投影474725252-2 地圖投影地圖投影2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2-1 空間坐標(biāo)系空間坐標(biāo)系2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介n地圖是地圖是“地球表面全部或某部分地球表面全部或某部分選定特征選定特征在平面上的在平面上的圖形表達(dá)圖形表達(dá)”。n地圖是地球表面的地圖是地球表面的符號(hào)化符號(hào)化模型，是模型，是空間信息可視化空間信

39、息可視化的的最主要方式。最主要方式。1. 基本概念基本概念-地圖地圖2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介n由于地圖在由于地圖在GIS中特殊的地位和作用，在中特殊的地位和作用，在GIS發(fā)展的歷發(fā)展的歷程中，早期的程中，早期的GIS產(chǎn)品常帶有地圖制圖色彩。產(chǎn)品常帶有地圖制圖色彩。n實(shí)際上，地圖既是實(shí)際上，地圖既是GIS輸入數(shù)據(jù)源，又是輸入數(shù)據(jù)源，又是GIS的主要輸?shù)闹饕敵鲂问?。出形式。n計(jì)算機(jī)地圖制圖計(jì)算機(jī)地圖制圖的發(fā)展孕育了的發(fā)展孕育了GIS的誕生，而的誕生，而GIS的發(fā)的發(fā)展又推動(dòng)著計(jì)算機(jī)地圖制圖水平的迅速提高和進(jìn)一步發(fā)展又推動(dòng)著計(jì)算機(jī)地圖制圖水平的迅速提高和進(jìn)一步發(fā)展，兩者之間相互聯(lián)系，相互促進(jìn)。展，

40、兩者之間相互聯(lián)系，相互促進(jìn)。1. 基本概念基本概念-GIS與地圖與地圖2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介n地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關(guān)系；地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關(guān)系；n比例尺比例尺：是圖上長(zhǎng)度與相應(yīng)地面長(zhǎng)度的比例；：是圖上長(zhǎng)度與相應(yīng)地面長(zhǎng)度的比例；n比例尺表明了地圖數(shù)據(jù)的詳細(xì)（精確）程度；比例尺表明了地圖數(shù)據(jù)的詳細(xì)（精確）程度；1. 基本概念基本概念-地圖比例尺地圖比例尺比例尺的幾種表示方法：比例尺的幾種表示方法：n數(shù)字比例尺：數(shù)字比例尺：1：1000000；n文字比例尺：地圖上文字比例尺：地圖上1mm等于實(shí)地等于實(shí)地1km；n圖解比例尺或直線比例尺；圖解比例尺或直線比例尺；2-

41、3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介n大比例尺：大比例尺：1:5001:10萬萬n中比例尺：中比例尺：1:10萬萬1:100萬萬n小比例尺：小比例尺： 1:100萬萬n標(biāo)準(zhǔn)比例尺：標(biāo)準(zhǔn)比例尺： 1:100萬萬, 1:50萬萬,1:25萬萬,1:10萬萬,1:5萬萬,1:2.5萬萬,1:1萬萬1. 基本概念基本概念-地圖比例尺地圖比例尺我國(guó)地圖比例尺分級(jí)系統(tǒng)：我國(guó)地圖比例尺分級(jí)系統(tǒng)：這幅地圖的比例尺這幅地圖的比例尺=10cm:1000m=1:10000地理信息系統(tǒng)概論地理信息系統(tǒng)概論1：25萬萬市區(qū)市區(qū)1：1萬萬1：2000各種比例尺地圖各種比例尺地圖2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介 地圖按內(nèi)容

42、分類可分為：地圖按內(nèi)容分類可分為：n普通地圖普通地圖： 是以相對(duì)均衡的詳細(xì)程度表示制圖區(qū)域內(nèi)各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)是以相對(duì)均衡的詳細(xì)程度表示制圖區(qū)域內(nèi)各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的地圖。其基本內(nèi)容有水系、地貌、土質(zhì)植被、居民地、交通象的地圖。其基本內(nèi)容有水系、地貌、土質(zhì)植被、居民地、交通線、境界等六大地理要素。如平面圖、地形圖等。線、境界等六大地理要素。如平面圖、地形圖等。n專題地圖專題地圖： 專題地圖是在普通地圖的基礎(chǔ)上，突出表示一種或多種自然專題地圖是在普通地圖的基礎(chǔ)上，突出表示一種或多種自然或社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的地圖。如或社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的地圖。如人口分布圖人口分布圖、雨量分布圖、地貌圖、雨量分布圖、地貌

43、圖、鳥類遷徙圖。鳥類遷徙圖。2. 地圖的分類地圖的分類-按內(nèi)容分類按內(nèi)容分類2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2. 地圖的分類地圖的分類-按內(nèi)容分類按內(nèi)容分類普通地圖普通地圖專題地圖專題地圖2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介 地圖的比例尺是描述地理實(shí)體的空間尺度，可分大、地圖的比例尺是描述地理實(shí)體的空間尺度，可分大、中、小三大類：中、小三大類：n大比例尺大比例尺：指比例尺大于：指比例尺大于1:10萬的地圖；萬的地圖；n中比例尺中比例尺：指比例尺在：指比例尺在1:10萬到萬到1:100萬的地圖；萬的地圖；n小比例尺小比例尺：指比例尺小于：指比例尺小于1:100萬的地圖。萬的地圖。2. 地圖的分類地圖的分類-按比例尺

44、分類按比例尺分類2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2. 地圖的分類地圖的分類-按比例尺分類按比例尺分類 在地圖中，不同比例尺的地圖，對(duì)不同空間尺度的地在地圖中，不同比例尺的地圖，對(duì)不同空間尺度的地理實(shí)體，可用不同圖素表示。（地圖概括）理實(shí)體，可用不同圖素表示。（地圖概括）小比例尺：小比例尺：大比例尺：大比例尺：1:5000city1:500river1:20000rivercity1:250000n普通地圖普通地圖：n影像地圖影像地圖： GIS中的遙感圖像中的像元點(diǎn)具有準(zhǔn)確的投中的遙感圖像中的像元點(diǎn)具有準(zhǔn)確的投影位置記錄。影位置記錄。影像地圖的分辨率影像地圖的分辨率指一個(gè)像元所指一個(gè)像元所覆蓋的地表面積。覆蓋的地表面積。2-3 地圖簡(jiǎn)介地圖簡(jiǎn)介2. 地圖的分類地圖的分