1空间数据与空间参考

地图制图学空间基准与空间数据简述授课人：彭海Email:[e-mail]自然地球表面固体地球表面；起伏不平，十分不规则；表面复杂，难以建模；长度、面积、体积测量难以进行；大地水准面海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，就是大地水准面；方便进行高程测量；比固体地球表面平滑，但由于海水温度、盐度和盛行风，海平面会有百米上下的变化。地球模型大地水准面形状接近椭球；以大地水准面为基准，用一个旋转的椭球体来代替它；是一个规则的数学表面；两个要素为长半轴a和短半轴b，或者a和扁率α；椭球体名称年代长半轴(米)短半轴(米)扁率白塞尔(Bessel)1841637739763560791：299.15克拉克(Clarke)1880637824963565151：293.5克拉克(Clarke)1866637820663565841：295.0海福特(Hayford)1910637838863569121：297克拉索夫斯基1940637824563568631：298.3I．U．G．G1967637816063567751：298.25埃维尔斯特(Everest)1830637727663560751：300.81975国际椭球1975637814063567551:298.2571980国际椭球198063781371:298.257各种地球椭球体模型我国采用的地球椭球体海福特（Hayford）椭球体克拉索夫斯基椭球体GRS1975ITRF•地理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(L)、纬度(B)和大地高(H)表示。•大地坐标系的确立步骤：a)选择一个椭球b)对椭球进行定位c)确定大地起算数据•参考椭球：一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球。参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系已经建立1.2地理坐标系地理坐标系•地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。•通过P点作椭球面的垂线，称之为过P点的法线。•法线与赤道面的交角，叫做P点的纬度B。•过P点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做P点的经度L。我国的大地坐标系•大地测量控制的平面控制网–1954年的北京坐标系–1980年国家大地坐标系–CGCS2000地心坐标系•大地测量控制的高程控制网–黄海平均海平面–1985国家高程基准年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是：属参心大地坐标系；采用克拉索夫斯基椭球参数（a=6878245m，扁率=1：298.3）；多点定位；εx=εy=εz；；大地原点是原苏联的普尔科沃；大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准；高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准起算值，按我国天文水准路线推算出来的；1954年北京坐标系建立后，30多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是：属参心大地坐标系；采用既含几何参数又含物理参数的四个椭球基本参数。数值采用1975年国际大地测量学联合会（IUG）第16届大会上的推荐值，其结果是：地球长半轴=6378140m地心引力常数x质量GM=3.986005×1014m3.s2地球重力场二阶带谐数J2＝1.08263×10–3地球自转角速度ω＝7.292115×10–5rad/s坐标系是我国最新的大地坐标参考系，它的主要参数如下：属地心大地坐标系；CGCS2000符合IERS（国际地球旋转和参考服务局）ITRS（国际地球参考系）的下列规定：原点在包括海洋和大气的整个地球的质心；长度单位为米(m，SI)；定向在1984.0时与国际时间局的定向一致；定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转的条件保证。与目前GPS采用的WGS84坐标系统差异很小。高程基准地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程；地面点到任一水准面的高程，称为相对高程。黄海高程系高程控制网的建立，必须规定一个统一的高程基准面。解放前，我国曾使用过1956年黄海平均海面、坎门平均海水面、吴凇零点、废黄河零点和大沽零点等多个高程基准面。建国后，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，并且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”。统一高程基准面的确立，克服了解放前我国高程基准面混乱以及不同省区的地图在高程系统上普遍不能拼合的弊端。国家高程基准多年观测资料显示，黄海平均海平面发生了微小的变化。因此，1987年国家决定启用新的高程基准面，即“1985年国家高程基准”。高程基准面的变化，标志着水准原点高程的变化。在新的高程系统中，水准原点的高程由原来的72.289m变为72.260m。这种变化使高程控制点的高程也随之发生了微小的变化，但对已成地图上的等高线高程的影响则可忽略不计。高程基准由于全球经济一体化进程的加快，每一个国家或地区的经济发展和政治生活都与周边国家和地区发生密切的关系，这种趋势必然要求建立全球统一的空间定位系统和地区性乃至全球性的基础地理信息系统。因此，除采用国际通用ITRF系统之外，各国的高程系统也应逐步统一起来当然这并不排除各个国家和地区基于自己的国情建立和使用适合自身情况的坐标系统和高程系统，但应和全球的系统进行联系，以便相互转换。高程基准在建立数字城市时，若需采用不同高程基准的地形图或工程图作为基准数据时，应将高程系统全部统一到1985年国家高程基准上。在缺少基本高程控制网的地区，不仅可建立独立平面直角坐标系，也可建立局部高程系统。凡不按1956年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高程起算数据的高程系统均称为局部高程系统。设局部高程系统的高程原点起算数据为H局，与国家高程控制网联测的高程原点高程为H联，高程原点的高程改正值为ΔH，则:：ΔH=H局－H联地图投影将三维地球表面映射到二维平面地图上；从数学的角度出发，就是一些数学公式，或者是从三维向量空间到二维向量空间的一个投影；使地图的一种或者几种性质发生变化（如比例尺、距离、方位、形状等）。等角投影投影面上任意两方向线间的夹角与椭球体上相应方向线的夹角相等，即角度变形为0。小范围形状不变，大范围形状不完全一致；常用于测量方向，如编制航海、洋流和风向图；面积变形比较大。等积投影在投影面上任意一块图形的面积与椭球面上相应的图形面积相等，即面积变形等于零。变形椭圆的长轴越长，短轴越短；无面积变形，可用于面积量算，常用于地质图、土壤图、行政区划图等；角度变形比较大，图形形状发生较大变化；任意投影一种基部等角也不等积，长度、角度和面积三种变形并存但变形都不大的投影类型。角度变形比等积投影小，面积变形比等角投影小；一种特殊情况是等距投影：在某个方向上没有长度变形。投影分类-按投影方式分几何投影•方位投影•圆柱投影•圆锥投影非几何(条件)投影•伪方位投影•伪圆柱投影•伪圆锥投影•多圆锥投影方位投影以平面为投影面，使平面与椭球体相切或相割，将球面上的经纬线网投影到平面上而成。由投影中心向各方向的方位角与实地相等；等变形线是以投影中心为圆心的同心圆；适合作区域轮廓大致为圆形的地图。在两极地区，适宜用正轴投影，赤道附近地区，适宜用横轴投影，其它地区用斜轴投影。圆柱投影以圆柱面为投影面，使平面与圆柱体相切或相割，将球面上的经纬线网投影到圆柱面上再展开而成。经线是一组间隔相等的平行直线；纬线是与经线垂直的一组平行线；经线等间距排列，而纬线间的间距越靠近极点越大；其间隔自投影中心向南北两极逐渐增大。圆锥投影以圆锥面为投影面，使平面与圆锥体相切或相割，将球面上的经纬线网投影到圆锥面上再展开而成。是以圆锥顶点为圆心的同心圆弧，经线成为由圆锥顶点向外放射的直线束，经线间的夹角与相应的经度差成正比；变形是随纬度的变化而变化，在同一条纬线上各种变形的数值各自相等。常用投影我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除1：100万以外均采用高斯-克吕格投影(等角横轴切椭圆柱)为地理基础；1：100万地形图采用兰伯特Lambert(等角圆锥/等积方位)投影(等角正割圆锥投影)，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。我国大部份省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥）；Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线，这有利于空间分析和信息量度。栅格（位图）结构3矢量结构4分层（图幅）管理5栅格（位图）结构3矢量结构4分层（图幅）管理5空间数据结构SpatialData拓扑关系研究图形在连续变形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法；可以确定地理实体间的相对空间位置，无需利用坐标和距离；利用拓扑关系有利于空间要素的查询；可以利用拓扑数据重建地理事体。如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。拓扑关系邻接：同类元素之间的关系；关联：不同类元素之间的关系；包含：同类不同级元素之间的关系。自身邻接相交相离包含重合点-点√√点-线√√√点-面√√√线-线√√√√√√线-面√√√√√面-面√√√√√√