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第二章空间信息技术基础第二章空间信息技术基础1、本章学习目的通过本章学习，了解、掌握地球形态、空间与时间参考系统、空间直角人材系统转换和地图投影等基本理论2、本章学习内容地球形态空间与时间参考系统空间直角坐标系转换地图投影与地形图的分幅与编号大气构造第一节地球形态•地球形态•铅垂线：地理空间中任意一点的重力作用线。•水准面：自由静止的水面。•大地水准面：与平均海水面重合，并向大陆、岛屿延伸所形成的封闭曲面由于大地体表面仍然是具有微小起伏的不规则曲面，无法用数学公式来描述，地理空间中的各种要素，也无法通过数学方法在大地体表面进行表达与处理。由此，在地球科学领域，用一个与大地的形状、大小最为接近、拟合最好、且能用数学函数表示的椭球体来代表大地体。由图2．1可以看出，地理空间任意一点的铅垂线与通过该点的地球椭球面法线，一般不重合，它们之间的差值称为垂线偏差。参考椭球体地球椭球体是可以用数学公式表示的椭圆绕其短轴旋转而成。地球椭球体面（地球椭球体表面）虽然整体上与大地水准面（大地体表面）拟合最佳，但不同地区的大地水准面到地球椭球面的距离不同，该距离的大小，直接影响地理空间要素，归算到地球椭球面上的精确度，因此，不同的国家和地区，根据不同时期的观测资料，建立了与本区域大地水准面拟合最佳的地球椭球体。第一节地球形态参考椭球体是建立空间参考系统的基础。我国常用坐标系及其参考椭球体如下表：第一节地球形态在GPS中，美国使用1984年IUGG第十七届大会推荐椭球参数建立了GPS专用的WGS-84坐标系统。时间椭球体坐标系1952年以前采用海福特(Hayford)椭球体1953年起前苏联建立的克拉索夫斯基椭球1954年北京坐标系20世纪70年代末1975年IUGG第十六届大会推荐椭球参数1980年国家大地坐标系参考椭球的点线面参考椭球短轴为椭球旋转轴，一般与地球旋转轴重合(或者平行)。旋转轴与椭球面有两个交点，位于北端的交点称为北极点，用N表示；位于南端的交点称为南极点，用S表示。通过椭球中心O且垂直于椭球旋转轴NS的平面为赤道面．赤道面与椭球表面的交线为赤道。包含椭球旋转轴的平面称为子午面，子午面与椭球表面的交线称为子午线。第一节地球形态GPS、RS、GIS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理空间的位置、各种要素在地理空间的分布。确定位置与分布，需要建立相应的空间参考系统。1、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；位于地表层、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；第二节空间与时间参考系统第二节空间与时间参考系统2、地面要素的表达，二维平面空间比二维球面空间更为方便，一般用平面坐标系描述；3、利用GPS确定目标的空间位置，其基本观测量是时间的函数，需要建立时间参考系统。一、天球坐标系黄道面：地球绕地轴(地球旋转轴)自转，同时绕太阳公转，地球绕太阳公转的平面如果假定地球在空间的位置是静止不变的，相对于地球质心而言，也可认为太阳在黄道面内绕地球质心运动，太阳绕地球的运动，称为视运动，亦与地球的自转无关。1、天球直角坐标系2、天球球面坐标系第二节空间与时间参考系统为描述卫星空间位置简单起见，设地球质心位于地轴上，且假定地球质心与地轴在宇宙空间的位置静止不动，则称以O为球心，半径无穷大的球为天球。地轴无限延伸与天球交于天北极点PN、天南极点Ps。PN与Ps的连线称为天轴，它与地轴重合。过天球球心O且垂直于天轴的平面称为天球赤道面，它与天球相交的大圆称为天球赤道。黄道面与天球相交的大圆称为黄道，黄道与赤道交于春分点(γ)与秋分点。第二节空间与时间参考系统注：无论是地球的自转，还是太阳绕地球的视运动(地球绕太阳公转)，其天轴、天球赤道、春分点之间的相对关系固定不变。1、天球直角坐标系以地球质心O为原点，O点至天北极PN的方向为Z轴，O点至春分点y的方向为X轴，由X轴、y轴、Z轴按右手坐标系法则，在天球赤道面内定义出y轴。O-XYZ空间直角坐标系称为地心天球直角坐标系，简称天球直角坐标系。天体S的空间位置，由天球直角坐标(X、y、Z)来描述。第二节空间与时间参考系统2、天球球面坐标系天体S的空间位置，又可由天球球面坐标(λ，ψ，γ)来描述。其中，λ为S所在天球子午面与天球基准子午面之间的夹角，称为赤径；ψ为O点至S的向径与赤道面的夹角，称为赤纬；r为地球质心至S的径向长度。第二节空间与时间参考系统天球直角坐标系与天球球面坐标系，合称为天球坐标系。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。第二节空间与时间参考系统二、地球坐标系由天球坐标系定义可知，地球上的任一固定点在天球坐标系中的坐标，将随地球的自转而连续改变。为了使用上方便，必须建立与地球固定，随地球同频转动的坐标系，即地球坐标系。地球坐标系也分为地球直角坐标系和地球球面坐标系。在卫星大地测量中，通常把地球球面坐标系称为大地坐标系。第二节空间与时间参考系统1、地球直角坐标系：原点O与地球质心重合，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。第二节空间与时间参考系统2、大地坐标系：大地坐标系的球面是长半径为a、短半径为b的椭圆绕短轴旋转后所形成的椭球面。椭球球心与地球直角坐标系原点O(地球质心)重合，短轴与地球直角坐标系Z轴(地球旋转轴)重合。包含椭球中心且垂直于短轴的平面称为地球赤道面，包含椭球短轴的平面称为椭球子午面，通过格林尼治天文台的椭球子午面定义为起始子午面。第二节空间与时间参考系统2、大地坐标系：第二节空间与时间参考系统地理空间P点的位置，用大地坐标(L，B，H)表示。L为过P点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角，称为大地经度；B为过P点的地球椭球面法线与地球赤道面的夹角，称为大地纬度；H为P点沿P点椭球面法线方向至椭球面的距离，称为大地高程。三、WGS-84坐标系和我国国家大地坐标系大地体(大地水准面所包围的形体)是不规则的、近似于梨形的形体，相对于能用数学公式表达的地球椭球体而言，不同地理位置的大地体，其凸凹程度存在较大差异。为了满足不同用途和保证各区域定位精度和使用上的方便，地球坐标系有公用的坐标系，也有各个国家或地区建立地球坐标系。第二节空间与时间参考系统第二节空间与时间参考系统三、WGS-84坐标系和我国国家大地坐标系1)WGS-84坐标系WGS-84(WorldGeodeticSystem)坐标系是美国国防部测量局从20世纪60年代开始建设，分别建有WGS-60、WGS-66、WGS-72。经过不断地改进，于1984年启用WGS-84，GPS使用WGS-84。由于GPS在世界各个国家、各个领域广泛应用，WGS-84顺理成章地成为了全球公用的地球坐标系。2)我国国家大地坐标系我国目前使用的国家大地坐标系有两个：1954年北京坐标系(简称BJ54)和1980年国家大地坐标系(简称GDZ80).•(a)1954年北京坐标系我国1949年建国后，由于历史条件限制，没有建立椭球的足够资料，暂时采用了克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年大地坐标系进行联测、计算，建立了我国的大地坐标系，命名为1954年北京坐标系。第二节空间与时间参考系统第二节空间与时间参考系统由于BJ54的椭球参数和大地原点实际上是前苏联的1942年坐标系，随着测绘理论与技术的不断发展、完善和我国区域内测绘成果的实际验证，发现BJ54系统存在诸多缺陷（如在我国东部地区最大相差达68米；椭球短轴指向不明确；几何大地测量与物理大地测量的参考面不统一等问题）。(a)1954年北京坐标系2)我国国家大地坐标系(b)1980年国家大地坐标系定义：直角坐标系原点为参考椭球中心(不在地球质心)，Z轴(椭球短轴方向)平行于地球自转轴(地球质心指向地极原点JYDl968.0的方向)，起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面。X轴位于起始子午面内，且与Z轴垂直，指向大地零经度方向，X轴、y轴与Z轴构成右手坐标系，椭球参数采用1975年IUGG第十六届年会的推荐值。第二节空间与时间参考系统四、站心坐标系在GPS定位中，通常采用以地面观测站为坐标原点的站心坐标，来描述卫星与测站之间的方位角、高度角和距离，以便确定观测方案时了解卫星在天空中的分布状况。站心坐标系分为站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系。第二节空间与时间参考系统1、站心地平直角坐标系O点是地球椭球(以下简称椭球)中心，O-XYZ为地球坐标系。在GPS中，O-XYZ一般指WGS-84坐标系。P为地面观测站，S为空间卫星。定义为：过P点的椭球面法线为z轴，指向P点天顶方向为正；垂直于Z轴且由P点指向椭球旋转轴的方向为x轴，指向北方为正；X轴、Y轴与z轴构成左手坐标系。第二节空间与时间参考系统xPy平面为过测站P点且垂直于P点天顶方向的地平面，故以测站中心为原点的直角坐标系P-xyz，称为站心地平直角坐标系。其x轴指向地平北方向，Y轴指向地平东方向，z轴指向测站天顶方向。2、站心地平极坐标系站心地平极坐标系定义：设xPy平面为基准面，P点为极点，Px轴为极轴，zPx平面顺时针量至zPS平面的夹角称为方位角，用A表示，取值O~；PS直线与xPy平面之间的夹角，称为高度角，用h表示，由xPy平面起算，取值O~；P点至S点的距离，用r表示。由于基准面xPy为地平面，则称P-Ahr为站心地平极坐标系.第二节空间与时间参考系统五、平面坐标系与高程1、平面坐标系地面点的空间位置，可以用空间直角坐标或用大地坐标与大地高表示。在实际应用中，地面点、地表要素，更多的是用平面直角坐标与正高(高程)表示。国家平面直角坐标系地方平面直角坐标系假定平面直角坐标系。第二节空间与时间参考系统2、高程绝对高程：地面点沿铅垂线至大地水准面的距离，亦称为海拔。假定高程：以某假定水准面作为起算面，则地面点沿铅垂线至假定水准面的距离，亦称为相对高程。第二节空间与时间参考系统HA、HB分别是A、B两点的绝对高程，HA’,HB’是A、B两点的相对高程。通过联测一点A(或其他点)，求出A点绝对高程HA和假定高程HA’，即可获得假定水准面与大地水准面之间的高差△H，其他各点通过△H，便可进行绝对高程与假定高程的换算。表示地面点的高程，在大地坐标系中，使用大地高，大地高是地面点沿参考椭球面法线至参考椭球面的距离。如图2-10，设A点绝对高程为HA，A点在大地坐标系里的大地高为H大地高，由于大地水准面与参考椭球面不重合，它们之间的距离称为高程异常，用ξ表示，则有：ξ=H大地高-HA第二节空间与时间参考系统六、时间系统利用GPS定位与导航，需要获得若干颗卫星的空间位置以及该位置上卫星至目标的距离。实际上，卫星的位置并不是静止不动的，它以约3.9km／s的速度在轨道上高速运动。不同的时刻，卫星的位置不同，卫星位置是时间的函数。再者，卫星至目标的距离，是依据卫星在某一位置上发射信号的时刻与目标点的接收机收到同一信号的时刻之间的时间差，再乘以信号的传播速度而间接得到的。第二节空间与时间参考系统第二节空间与时间参考系统六、时间系统•根据卫星的运动速度和信号的传播速度，可以证明，如果