大地測量中常用的坐標系

1、大地測量中常用的坐標系一 定向井工程中大地測量的應用二 大地測量的基本概念三 大地水準面 1 參考橢球面 2 空間直角坐標系 3 空間大地坐標系 5 高斯平面直角坐標系 6 高程系統(tǒng) 7 GPS全球定位系統(tǒng)一 定向井工程中大地測量的應用二 大地測量的基本概念2.1 大地測量學的定義主要任務是測量和描繪地球并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關于地球的空間信息。是一門地球信息學科。是一切測繪科學技術的基礎。2.2 大地測量學的基本分支a) 幾何大地測量學：基本任務是確定地球的形狀和大小及確定地面點的幾何位置。B) 物理大地測量學：基本任務是用物理方法（重力測量）確定地球形狀及其外部重力場。C) 空間大地

2、測量學：以人造地球衛(wèi)星及格其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論、技術與方法。二 大地測量的基本概念2.3 大地測量學的基本體系a) 應用大地測量學：以研究建立國家大地測量控制網為中心內容。B) 橢球大地測量學：研究坐標系建立及地球橢球性質以及投影數學變換為主要內容。C) 大地天文測量學：以研究測量天文經度、緯度及天文方位角為中心內容。D) 大地重力測量學：以研究重力場及重力測量方法為中心內容。E) 測量平差：以研究大地測量控制網平差計算為主要內容。二 大地測量學的基本概念三 大地水準面3.1 大地水準面的概念大地測量學所研究的是在整體上非常接近于地球自然表面的水準面。設想與平均海水面相重合

3、，不受潮汐、風浪及大氣壓變化影響，并延伸到大陸下面處處與鉛垂線相垂直的水準面的連續(xù)封閉曲面。由它包圍的形體稱為大地體。3.2 似大地水準面由于地球質量特別是外層質量分布的不君性，使得大地水準面形狀非常復雜。引入不需要任何關于地殼結構方面的假設而確定的似大地水準面，它與大地水準面很接近。三 大地水準面地球上物體地球引力離心力太陽等引力三 大地水準面重力地球引力離心力三 大地水準面鉛垂線一條細繩系一鉛球，細繩在重力作用下形成的下垂線。它是測量工作的基準線三 大地水準面水準面在地面上，處處與重力方向垂直的連續(xù)曲面水準面重力等位面水準面因高度不同有三 大地水準面大地水準面是水準面中的一個特殊水準面。即

4、在海洋中與靜止海水面重合，最接近地球的真實形態(tài)和大小。大地水準面是不規(guī)則曲面，不便于進行測量數據處理三 大地水準面三 大地水準面為便于準確計算測量成果，用一個接近大地體的旋轉橢圓球體作為地球的參考大小和形狀稱為參考橢球體，稱其外表為參考橢球面。三 大地水準面a，b為參考橢球體的幾何參數 1954年北京坐標系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標系。該坐標系源自于原蘇聯采用過的1942年普爾科夫坐標系。 建國前，我國沒有統(tǒng)一的大地坐標系統(tǒng)，建國初期，在蘇聯專家的建議下，我國根據當時的具體情況，建立起了全國統(tǒng)一的1954年北京坐標系。該坐標系采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球，該橢球的參數為： 1954年

5、北京坐標系a6378245米，=1:298.3 1978年，我國決定重新對全國天文大地網施行整體平差，并且建立新的國家大地坐標系統(tǒng)，整體平差在新大地坐標系統(tǒng)中進行，這個坐標系統(tǒng)就是1980年西安大地坐標系統(tǒng)。1980年西安大地坐標系統(tǒng)所采用的地球橢球參數的四個幾何和物理參數采用了IAG 1975年的推薦值，它們是： 橢球的短軸平行于地球的自轉軸（由地球質心指向1968.0 JYD地極原點方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，橢球面同似大地水準面在我國境內符合最好，高程系統(tǒng)以1956年黃海平均海水面為高程起算基準1980年西安大地坐標系a6378140米，=1:298.257中華人民共

6、和國大地原點中國的地理坐標為了在國家領土上進行大地測量，必須采用一個參考橢球體。其數學的參考橢球面必須與物理的大地水準面相近，并且把兩者關系確定下來，這就是參考橢球定位。大地原點則是定位中的基準點，也是地理坐標經度、緯度的起算點。中國的大地原點坐落在距西安市36千米的咸陽市涇陽縣境內。原點在地下室，標志用紅色瑪瑙石制成，直徑10厘米，中部突起的半球上，刻有精密十字。如果誰有幸用手觸摸那指甲蓋大的十字，就等于按在中國大地經緯坐標的起算點和基準點中華大地的“原點”上。 WGS-84坐標系是目前GPS所采用的坐標系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數就是基于此坐標系統(tǒng)的。 WGS-84坐標系統(tǒng)的全稱是Worl

7、d Geodical System-84（世界大地坐標系-84），它是一個地心地固坐標系統(tǒng)。 WGS-84坐標系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當時GPS所采用的坐標系統(tǒng)WGS-72坐標系統(tǒng)而成為GPS的所使用的坐標系統(tǒng)。 WGS-84坐標系的坐標原點位于地球的質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點，Y軸與X軸和Z軸構成右手系。 WGS-84系所采用橢球參數為： WGS-84坐標系a6378137米，=1:298.257223563新華網北京2001年月日電（記者張繼民）覆蓋我國全部國土，其分辨率東部為公里見方格網、

8、西部為公里見方格網，精度為厘米至厘米的中國似大地水準面，近日通過國家驗收。這表明，新一代分米級精度大地水準面已在我國建立。曾確定了被稱為中國大地水準面。這一水準面的精度為米至米，分辨率為公里見方網格。隨著科學技術特別是衛(wèi)星空間技術的飛速發(fā)展，測繪生產技術發(fā)生了重大變革，中國大地水準面已遠遠不能滿足現代大地測量發(fā)展以及地學研究、國民經濟建設的需要。為此，國家測繪局在“九五”期間設立了重點科技攻關項目建立我國分米級精度大地水準面研究。 使用大量我國大陸及其周邊海洋地區(qū)的重力、高精度水準、多代衛(wèi)星測高數據和數字高程模型及海深模型等國內外資料，并結合國情，最終建立了我國新一代分米級精度大地水準面。通過

9、用中國地殼運動觀測網絡的個水準點進行獨立檢核，表明其精度在我國東部即東經度以東地區(qū)，優(yōu)于米。西部即東經度以西、北緯度以北優(yōu)于米，東經度以西、北緯度以南優(yōu)于米。首次以整體分米級精度覆蓋了我國全部國土。世界各地坐標系坐標系統(tǒng)生活中的坐標系統(tǒng): 相對位置家庭地址: 122 Hamilton Road Chapel Hill, NC 27517交通方向: Go down the second traffic light, turn right我們不會用以下家庭地址: 35o54.781 N, 79o01.391W一個完整的坐標系統(tǒng)是由坐標系和基準兩方面要素所構成的。坐標系指的是描述空間位置的表達形式，

10、而基準指的是為描述空間位置而定義的一系列點、線、面。在大地測量中的基準一般是指為確定點在空間中的位置，而采用的地球橢球或參考橢球的幾何參數和物理參數，及其在空間的定位、定向方式，以及在描述空間位置時所采用的單位長度的定義。 空間直角坐標系的坐標系原點位于參考橢球的中心，Z軸指向參考橢球的北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點，Y軸位于赤道面上，且按右手系與X軸呈90夾角。某點在空間中的坐標可用該點在此坐標系的各個坐標軸上的投影來表示。1 空間直角坐標系空間大地坐標系是采用大地經度（L）、緯度（B）和大地高（H）來描述空間位置的。緯度是空間的點與參考橢球面的法線與赤道面的夾角，經度是空間中的點與參

11、考橢球的自轉軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角，大地高是空間點沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離。2 空間大地坐標系平面直角坐標系是利用投影變換，將空間坐標（空間直角坐標或空間大地坐標）通過某種數學變換映射到平面上，這種變換又稱為投影變換。投影變換的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等，在我國采用的是高斯-克呂格投影，也稱為高斯投影。3 平面直角坐標系5 高斯平面直角坐標系5.1 基本概念地圖數學投影：將橢球面上元素（包括坐標、方位和距離）按一定的數學法則投影到平面上。高斯投影對地圖投影的要求：a) 采用等角投影（又稱正形投影）。在有限的范圍內使地圖上圖形同橢球上原形保持相似

12、，免除了大量投影計算工作。B) 在所采用的正形投影中，要求長度和面積變形不大。C) 投影后應該保證具有一個單一起算點的統(tǒng)一的坐標系。高斯平面直角坐標系高斯投影將一個橫橢圓柱套在地球上。橢球體中心o在橢圓柱中心軸上，橢球體南北極與橢圓柱相切，并使某一子午線與圓柱相切。此子午線稱為中央子午線。然后將橢球體面上的點，線按正形投影條件投影投影到橢圓柱上，再沿橢圓柱n，s點母線割開，并展成平面，稱為高斯投影平面。高斯平面直角坐標系高斯投影平面特點1,中央子午線是直線，其長度不變，離開中央子午線的其它子午線是弧形，凹向中央子午線。離開中央子午線越遠，變形越大；2,投影后赤道是一條直線，赤道與中央子午線保持

13、正交；3 離開赤道的緯線是弧線，凸向赤道。高斯平面直角坐標系高斯投影可以將橢球面變成平面，但是離開中央子午線越遠變形越大。實際中采用分帶投影的方法。投影帶寬度是以兩相鄰子午線的徑差l來劃分。有6帶和3 帶等不同投影方法。高斯平面直角坐標系 6帶投影是從英國格林威治子午線開始，自西向東，每隔6投影一次，編號160帶（n）。各帶中央子午線經度高斯平面直角坐標系已知某點大地經度L，可按下式計算該點所屬的帶號： nL/6(的整數商）1(有余數時）中國11個6帶，1323帶（中央子午線75 135 )北京位于6帶的第20帶，中央子午線的經度117度。高斯平面直角坐標系的建立Y（東）根據高斯投影的特點，以

14、赤道和中央子午線的交點為坐標原點o，中央子午線方向為x軸，北方向為正。赤道投影線為y軸，東方向為正。高斯平面直角坐標系的建立5.2 國家統(tǒng)一坐標在我國x坐標都是正的，y坐標的最大值（在赤道上）約為330為了避免出現負的橫坐標，可在橫坐標上加上500,000m。此外還應在坐標前面冠以帶號。例如，有一點Y=19 123456.789m，該點位在19帶內，其相對于中央子午線而言的橫坐標是：首先去掉帶號，再減去500000m，最后得Y=-376543.211m。高斯平面直角坐標系的建立Y（東） 在測量中，經常要進行坐標系變換與基準變換。所謂坐標系變換就是在不同的坐標表示形式間進行變換，基準變換是指在不

15、同的參考基準間進行變換。 1 空間直角坐標系與空間大地坐標系間的轉換 在相同的基準下，空間大地坐標系向空間直角坐標系的轉換方法為： 坐標間的變換N為卯酉圈的半徑； a 為地球橢球b 為地球橢球的短半軸。 2 空間直角坐標系向空間大地坐標系的轉換方法為： 在采用上式進行轉換時，需要采用迭代的方法，先將B求出，最后在確定H。 空間坐標系與平面直角坐標系間的轉換采用的是投影變換的方法。在我國一般采用的是高斯投影。3 空間坐標系與平面直角坐標系間的轉換 在測量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。 一、 大地高系統(tǒng) 大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)。某點的大地高是該點到通過該點

16、的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一般用符號 Hr 表示。大地高是一個純幾何量，不具有物理意義，同一個點，在不同的基準下，具有不同的大地高。 二、 正高系統(tǒng) 正高系統(tǒng)是以大地水準面為基準面的高程系統(tǒng)。某點的正高是該點到通過該點的鉛垂線與大地水準面的交點之間的距離，正高用符號 表示。 三、 正常高 正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)。某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離，正常高用 表示。 四、 高程系統(tǒng)之間的轉換關系 高程系統(tǒng)高程系統(tǒng)高程系統(tǒng)Transverse Mercator Projection applied to

17、 each 6o zone to minimize distortionUTM Zone ProjectionThe Universal Transverse Mercator Coordinate System60 zones, each 6 longitude widezones run from 80 S to 84 Npoles covered by Universal Polar System (UPS)橫軸墨卡托投影坐標系統(tǒng)UTM Coordinate ParametersUnit: metersZones: 6o longititueN and S zones: separate

18、 coordX-origin: 500,000 m east of central meridianY-origin: equator Transverse Mercator Projection 橫軸墨卡托投影網格Advantage of UTM SettingsZone central meridian Eastings = 50,000metersNorth pole Northings = 10,000,000 meters allows overlap between zones form mapping purposes give all eastings positive numbers tell if we are to the east or west of the central meridian provide relationship between true north and grid northe.g. UTM East