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地图投影系列介绍(二)_ 地理坐标系

2014-11-04  LibraryPKU
3、地理坐标系

        地球的形状与大小确定之后,还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系,这项工作称为椭球定位与定向。与大地水准面符合得最好的一个地球椭球体,称为参考椭球体,是地球形体三级逼近

        

        说到这里,我们需要对这几个词汇做区分:

            球体:小比例尺,视作球体。
            椭球体/旋转椭球体:大比例尺,两个概念不区分。
            地球椭球体:限地球椭球体模型。
            参考椭球体:定位相关,与局部或全局大地水准面最为吻合的椭球体模型。

    3.1 大地基准面

        大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。ArcGIS中,基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。大地基准面分为地心基准面、区域基准面。

        

        地心基准面:由卫星数据得到,使用地球的质心作为原点,使用最广泛的是 WGS 1984。

        区域基准面:特定区域内与地球表面吻合,大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点,例如Beijing54、Xian80。

        每个国家或地区均有各自的大地基准面。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。相对同一地理位置,不同的大地基准面,它们的经纬度坐标是有差异的。

        椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系。因为基准面是在椭球体的基础上建立的,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。

        在目前的GIS商用软件中,大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义,即:
            – 三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值。
            – 三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时,分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角。
            – 最后是比例校正因子,用于调整椭球大小。

        Beijing54、Xian80相对WGS84的转换参数至今也没有公开,实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与 WGS84坐标值的转换,在只有一个已知控制点的情况下(往往如此),用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数,当工作区范围不大时,如青岛 市(10654平方公里),精度也足够了。

    3.2 地理坐标系建立

        地理坐标系(大地坐标系)是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用经度、纬度、和大地高度表示。大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。

        参心大地坐标系:指经过定位与定向后,地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。

        地心大地坐标系:指经过定位与定向后,地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。

        建立地理坐标系的过程如下:
        i. 选择一个椭球体:Krasovsky_1940椭球体。
        ii. 椭球定位与定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基准面将这个椭球定位。

        

        有了 SpheroidDatum 两个基本条件,就确定了大地基准面,地理坐标系统便也可以确定,即经纬度。

    3.3 我国常用地理坐标系


名称

类型

介绍

缺点

优点与意义

Beijing54

参心坐标系

1954年,我国将原苏联采用克拉索夫斯基椭球元素建立的坐标系,联测并经平差计算引申到我国,以北京为全国大地坐标原点,确定了过渡性大地坐标系。

参考椭球长半轴偏长;椭球基准轴定向不明确;椭球面与我国境内的大地水准面不太吻合,东部高程异常可达68米;点位精度不高。

 

Xian80

参心坐标系

1978年,采用新的椭球体参数GRS(1975),以陕西省西安市以北泾阳县永乐镇某点为国家大地坐标原点,进行定位和测量工作,通过全国天文大地网整体平差计算,建立了全国统一的大地坐标系。

与当今社会发展存在的矛盾:①坐标维的矛盾:随着卫星定位导航技术在我国的广泛使用,二维不能适应现代的三维定位技术; ②精度的矛盾:卫星定位技术可达10-7~10-8的点位相对精度,而西安80系只能保证3×10-6;③坐标系统(框架)的矛盾:数字地球的发展要求用户需要提供与全球总体适配的地心坐标系统。

椭球体参数精度高;定位采用的椭球体面与我国大地水准面符合好;天文大地坐标网传算误差和天文重力水准路线传算误差都不太大,而且天文大地坐标网坐标经过了全国性整体平差,坐标统一,精度优良,可以满足1:5000甚至更大比例尺测图的要求等

CGCS2000

地心坐标系

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。

——地球椭球参数如下:

ü  长半轴 a=6378137m

ü  扁率f=1/298.257222101

ü  地心引力常数GM=3.986004418×1014m3s-2

ü  自转角速度ω=7.292115×10-5rad s-1

 

 

采用2000国家大地坐标系将促进航天、海洋、地震、地质、国土等领域的科学研究,提供以全球参考的、全国统一的、协调一致的坐标系统。

采用2000国家大地坐标系将进一步促进遥感技术在我国的广泛应用,发挥其在资源和生态环境动态监测方面的作用。

采用2000国家大地坐标系也是保障交通运输、航海等安全的需要。车载、船载实时定位获取的精确的三维坐标。

卫星导航技术与通信、遥感和电子消费产品不断融合,将会创造出更多新产品和新服务,市场前景更为看好。

WGS84

地心坐标系

目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标系统,WGS84基准面采用WGS84椭球体。

 

 

目前的商用GIS也多采用此坐标系统。

        

        ArcGIS中这4个地理坐标系的定义如下:

        

    3.4 我国常用高程系

        大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置,这种位置包括两个方面:一是点在地球椭球面上的平面位置,即经度和纬度;二是确定点到大地水准面的高度,即高程。

        高程控制网的建立,必须规定一个统一的高程基准面。我国利用青岛验潮站1950~1956年的观测记录,确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面,并在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统,统称“1956年黄海高程系”。

        1987年,因多年观测资料显示,黄海平均海平面发生了微小的变化,由原来的72.289m变为72.260m,国家决定启用新的高程基准面,即“1985年国家高程基准”。高程控制点的高程也发生微小的变化,但对已成图上的等高线的影响则可忽略不计。

        国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统。按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个,水准路线长度为416619.1公里。

        

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