GIS56空间参照系统和地图投影课件

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1、第四章第四章 空间参照系统和地空间参照系统和地图投影图投影地理信息系统原理、方法和应用第第5讲讲 地球椭球体和坐标系地球椭球体和坐标系课课 题：题：地球椭球体和坐标系地球椭球体和坐标系目的要求：目的要求：通过本讲学习，掌握地球形态、空间参考系统、空间直角坐标系统转换的基本概念。教学重点：教学重点：地球椭球体、地球表面模型，常见的参考坐标系教学难点：教学难点：不同地球表面模型的理解，地理坐标系与投影坐标系的区别教学课时：教学课时：2课时教学方法教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：本次课涉及的学术前沿：1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素 l1.1 地球椭球体 l地球的形状 l地球的大小 l椭

2、球体的半径 l高程 l1.2 地图比例尺 l比例尺表示法比例尺表示法l数字比例尺数字比例尺l文字比例尺文字比例尺l图解比例尺或直线比例尺图解比例尺或直线比例尺l面积比例尺面积比例尺l比例系数（SF）:表明确定的比例尺与实际比例尺数值之间的关系。 1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素1.1.1 地球椭球体基本概念地球椭球体基本概念铅垂线：铅垂线：地理空间中任意一点的地理空间中任意一点的重力作用线。重力作用线。 水准面：水准面：自由静止的水面。自由静止的水面。 大地水准面大地水准面 ：与平均海水面重合，与平均海水面重合，并向大陆、岛屿延伸所形成并向大陆、岛屿延伸所形成的封闭曲面的封闭曲面 由于大

3、地体表面仍然是具有微小起伏的不由于大地体表面仍然是具有微小起伏的不规则规则曲面，无法用曲面，无法用数学公式来描述，地理空数学公式来描述，地理空间间中的各种要素，也无法通中的各种要素，也无法通过过数学方法数学方法在大地体表面在大地体表面进进行表达与行表达与处处理。理。由此，在地球科学由此，在地球科学领领域，用一个域，用一个与大地的形状、大小最与大地的形状、大小最为为接近、接近、拟拟合最好、且能用数学函数表示合最好、且能用数学函数表示的的椭椭球体球体来代表来代表大地体大地体。平面坐标系地理坐标系1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素 GIS表达的是地理空间信息，为了描述地理空间信息，需要建立地球空

4、间模型，确定地理空间参照系统，进行地图投影变换，对地理空间信息的空间位置、空间关系以及空间属性等数据进行定义和表达。这些内容共同构成了地理空间信息基础。1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素1.1.2 地球表面的几何模型地球表面的几何模型。是定义合适的地理参照系统的依据。根据大地测量学的研究，球表面几何模型分为四类：地球的自然表面模型、地球的自然表面模型、地球的相对抽象表面模型、地球的旋转椭球体地球的相对抽象表面模型、地球的旋转椭球体模型和地球的数学模型模型和地球的数学模型。1 地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素地球表面的几何模型地球表面的几何模型1)、地球的自然表面模型、地球的自然表面模型

5、 地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈梨形形状 。1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素地球表面的几何模型地球表面的几何模型2)、地球的相对抽象表面模型、地球的相对抽象表面模型 地球的相对抽象表面模型地球的相对抽象表面模型，即由，即由大大地水准面地水准面描述的模型。是假设当一个海水面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，且与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面构成的地表模型。 以大地水准面为基准，就可以利用水准测量对地球自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。铅垂线：铅垂线：地理空间中任意一点地

6、理空间中任意一点的重力作用线。的重力作用线。 水准面：水准面：自由静止的水面。自由静止的水面。 大地水准面大地水准面 ：与平均海水面重与平均海水面重合，并向大陆、岛屿延伸所合，并向大陆、岛屿延伸所形成的封闭曲面形成的封闭曲面1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素地球表面的几何模型地球表面的几何模型3）、地球的旋转椭球体模型）、地球的旋转椭球体模型 地球的旋转椭球体模型地球的旋转椭球体模型，是为了测量成果计算，是为了测量成果计算的需要，的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球学方法来表达的旋转椭球来代替地球，且这个，且这个旋转椭球是

7、由一个椭圆绕其短轴旋转而成的。旋转椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大地水准面为基础的它是以大地水准面为基础的。凡是与局部地区。凡是与局部地区(一个或几个国家一个或几个国家)的大地水准面符合得最好的的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为旋转椭球，称为参考椭球参考椭球。 长半轴a、短半轴b,扁率f =(a-b)/a如WGS84定义的参考椭球： a=6378137.0meter 1/f=298.257223563不同的参考椭球，参数不一样。 1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素l l我国测图历史上曾使用的参考椭球：我国测图历史上曾使用的参考椭球：我国测图历史上曾使用的参考椭球：我国测图历

8、史上曾使用的参考椭球： 1、1952年前，海福特椭球； 2、1954年1980年，克拉索夫斯基椭球 a=6378245m,b=6356863m,f =1:298.3 3、1980年后，1975年国际大地测量学与地球物理学联合会（IUGG）推荐的椭球； a=6378140m,b=6356755m,f=1:298.2571地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素地球自然表面、大地水准面、参考椭球面的关系 1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素地球表面的几何模型地球表面的几何模型4）地球的数学模型）地球的数学模型 地球的数学模型地球的数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地

9、水准面、静态水平衡椭球体等。1.2 地图比例尺地图比例尺（1）比例尺的表示形式：）比例尺的表示形式： 数字式：数字式： 1：1 000 000或一百万分之一或一百万分之一 说明式（文字式）：说明式（文字式）：1 厘米相当于厘米相当于10公里公里 图解式（线段式）：图解式（线段式）：50 050100千米千米 面积比例尺：面积比例尺： （2）比例尺的大小决定了地理数据所表示的地理实体的详细程度）比例尺的大小决定了地理数据所表示的地理实体的详细程度 比例尺愈大，地理实体特征越详细；反之，地理实体的特征就愈少比例尺愈大，地理实体特征越详细；反之，地理实体的特征就愈少1地球椭球体基本要素地球椭球体基本

10、要素注意注意：在GIS中常用的比例尺表示形式是图解式GIS几乎能以各种比例尺显示和输出地理数据 1、GIS中地理数据的详细程度取决于原始地图或影像资料的比例尺 2、当以较小比例尺或缩小显示来源于大比例尺地图或影像的地理数 据时，许多地理实体会挤在一起而无法辨别。（3）比例系数）比例系数确定的比例尺与实际比例尺数值之间的关系叫做比例确定的比例尺与实际比例尺数值之间的关系叫做比例系数（系数（SF） SF=实际比例尺实际比例尺/主比例尺主比例尺比例系数只在小比例尺世界地图上比较明显。比例系数只在小比例尺世界地图上比较明显。1地球椭球体基本要素地球椭球体基本要素2坐标系坐标系 现实世界和坐标空间的联系

11、2 坐标系坐标系l1、地理空间参照系的建立、地理空间参照系的建立 地理空间参照系地理空间参照系是表示地理实体的空间参照系统，在是表示地理实体的空间参照系统，在GIS中，一个基本原则是：所有的空间数据都必须纳中，一个基本原则是：所有的空间数据都必须纳入统一的地理空间参照系。主要有入统一的地理空间参照系。主要有地理坐标系地理坐标系和和投影投影坐标系。坐标系。 除少数局部GIS应用，例如一个研究区域仅有几百平米或几平方千米且不与其它区域研究研究结果进行比较时，可以忽略大地参考系统与坐标系统对GIS的影响。但大多数情况是，建立全局的参考框架对GIS非常重要。2 坐标系坐标系l过去的地图通常使用国家地图

12、机构定义与维护的国家大地测量框架，这在地图生产方面，尤为突出。lGPS的出现，为全球统一参考框架的实现提供了可能性。因为GPS提供了全球统一参考框架下低成本、实时测量定位的方法手段。2 坐标系坐标系2、地理坐标系、地理坐标系 地理坐标系地理坐标系是为是为确定地面点的位确定地面点的位置而定义的以经置而定义的以经纬度为坐标量测纬度为坐标量测值的空间参照系。值的空间参照系。 2 坐标系坐标系2 坐标系坐标系l3、大地坐标系大地坐标系大地坐标系大地坐标系地理空间地理空间P点的位置，用大点的位置，用大地坐标地坐标(L，B，H)表示。表示。L为过为过P点的椭球子午面与起点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角

13、，称为始子午面之间的夹角，称为大地经度大地经度大地经度大地经度；B为过为过P点的地点的地球椭球面法线与地球赤道面球椭球面法线与地球赤道面的夹角，称为的夹角，称为大地纬度大地纬度大地纬度大地纬度；H为为P点沿点沿P点椭球面法线方点椭球面法线方向至椭球面的距离，称为向至椭球面的距离，称为大大大大地高程。地高程。地高程。地高程。2 坐标系坐标系4、对地理位置的描述方法有两种： 1、直接定位法，是基于坐标系统的一种地理位置描述方法，在坐标系统为参考的基础上，能确定空间（1维、2维、3维，甚至多维）中任何点的唯一坐标。 2、间接定位法，基于属性值（如行政单元、邮政地址、公路编号）进行地理位置描述的一种方

14、法。根据所需的精度，可以将空间点无歧义映射到特定的地理位置。2 坐标系坐标系l所有直接定位直接定位都通过包括大地基准的大地参考系进行。大地参考系包括定义地表点位的所有必须的元素。大地坐标系的标识通常用全称或英文简写。如WGS84,或World Geodetic System 1984。2 坐标系坐标系l大地坐标系的原点、方向和旋转都由大地基准来确定。大多数地理参考系只有一个基准。然而，由于过去水平位置和垂直分量测量通常是分开独立进行的。这样，一个坐标参考系统有两个基准，即大地平面基准和垂直基准(平面坐标系，高程坐标系)。当大地参考系和参考椭球体的参数选定之后，假定原点重合，椭球的长短轴与大地坐

15、标轴重合，则空间任意一点的经纬度、高度可以确定。XYZOP大地参考系中的笛卡儿坐标(X,Y,Z)=f(,h)2 坐标系坐标系 地理坐标可以用于地球表面地理实体的定位。但由于量测单位的不一致，导致相同的角度代表不同的距离，因此它不具有标准的长度度量标准。 直接利用地理坐标进行距离、面积和方向等参数运算是复杂的，也不能方便显示数据到平面上。把地面点表示在平面上的方法是采用笛卡儿坐标系（平面直角坐标）。 要用平面坐标系表示地面上的任何一点的位置，首先要把曲面展开为平面，但地球表面是不可展开的曲面，因此必须应用投影的方法，建立地球表面与平面上点的函数关系。 因此产生了不同的地图投影变换地图投影变换地图

16、投影变换地图投影变换方法。2 坐标系坐标系2 坐标系坐标系5、投影坐标系统、投影坐标系统 投影坐标系统投影坐标系统（平面坐标系），将椭球面上的点，通过投影的方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。平面坐标系统分为平面极坐标系统和平面直角坐标系统（笛卡尔坐标系）。 2 坐标系坐标系2 坐标系坐标系投影坐标系统 X坐标东移；Y坐标北移。X=f(,)Y=g(,)2 坐标系坐标系 投影坐标系统定义了地理实体的平面位置，其到大地水准面的高度是由高程系来定义的。高高程是由高程基准面起算的地面点的高度。而高程是由高程基准面起算的地面点的高度。而高程基准面是根据多年观测的平均海水面来确定程基准面是根据多年观

17、测的平均海水面来确定的。的。也就是说，高程高程(也称海拔高程、绝对高程)是指地面点至平均海水平的垂直高度。地面点之间的高程差，称为相对高程，简称高差高差。 2 坐标系坐标系l一个国家一般只能采用一个平均海水面作为统一的高程基准。l我国国家高程基准曾采用过1956年黄海高程系，1985年国家高程基准。l不过，在水利方面，还有吴淞高程系、珠海高程系。今天一些部门正在统一它们。不同的高程系为GIS数据的集成应用带来不便。2 坐标系坐标系 为了制作地图和使用地图的方便，经常会将地理经纬线网和方里网绘制在地图上。经纬线网，指由经线和纬线所构成的坐标网，又称地理坐地理坐标网。方里网标网。方里网，是由平行于

18、投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网。因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称之为方里网，同时由于方里线又是平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网直角坐标网。2 坐标系坐标系思考：思考：ArcGIS中经常用到地理坐标系与中经常用到地理坐标系与投影坐标系，请问地理坐标系与投影坐投影坐标系，请问地理坐标系与投影坐标系的区别标系的区别2 坐标系坐标系l地理坐标系与投影坐标系的区别地理坐标系与投影坐标系的区别l1、首先理解地理坐标系（Geographic coordinate system），Geographic coordinate system直译为地理坐标系统，是以经纬度为地图的存储

19、单位的。很明显，Geographic coordinate system是球面坐标系统。我们要将地球上的数字化信息存放到球面坐标系统上，如何进行操作呢？地球是一个不规则的椭球，如何将数据信息以科学的方法存放到椭球上？这必然要求我们找到这样的一个椭球体。这样的椭球体具有特点：这样的椭球体具有特点：可以量化计算的。具有长半轴，短半轴，偏心率。可以量化计算的。具有长半轴，短半轴，偏心率。 2 坐标系坐标系地理坐标系与投影坐标系的区别地理坐标系与投影坐标系的区别l以下几行便是Krasovsky_1940椭球及其相应参数。 lSpheroid: Krasovsky_1940 Semimajor Axis

20、: 6378245.0000000 Semiminor Axis: 6356863.000000 Inverse Flattening（扁率）: 298.3010000 l然而有了这个椭球体以后还不够，还需要一个大地基准面将这个椭球定位。在坐标系统描述中，可以看到有这么一行： Datum: D_Beijing_1954 表示，大地基准面是D_Beijing_1954。 2 坐标系坐标系l有了Spheroid和Datum两个基本条件，地理坐标系统便可以使用。 完整参数： Alias: Abbreviation: Remarks: Angular Unit: Degree (0.9943299)

21、Prime Meridian（起始经度）: Greenwich (0.0000000) Datum（大地基准面）: D_Beijing_1954 Spheroid（参考椭球体）: Krasovsky_1940 Semimajor Axis: 6378245.0000000 Semiminor Axis: 6356863.000000 Inverse Flattening: 298.3010000 l2、接下来便是Projection coordinate system（投影坐标系统），首先看看投影坐标系统中的一些参数。 lProjection: Gauss_Kruger Parameters:

22、 False_Easting: 500000.000000 False_Northing: 0.000000 Central_Meridian: 117.000000 Scale_Factor: 1.000000 Latitude_Of_Origin: 0.000000 Linear Unit: Meter (1.000000) Geographic Coordinate System: lName: GCS_Beijing_1954 Alias: Abbreviation: Remarks: Angular Unit: Degree (0.9943299) Prime Meridian: G

23、reenwich (0.0000000) Datum: D_Beijing_1954 Spheroid: Krasovsky_1940 Semimajor Axis: 6378245.0000000 Semiminor Axis: 6356863.000000 Inverse Flattening: 298.3010000 2 坐标系坐标系从参数中可以看出，每一个投影坐标系统都必定会有Geographic Coordinate System。 投影坐标系统，实质上便是平面坐标系统，其地图单位通常为米。 那么为什么投影坐标系统中要存在坐标系统的参数呢？ 这时候，又要说明一下投影的意义：将球面坐标

24、转化为平将球面坐标转化为平面坐标的过程便称为投影。面坐标的过程便称为投影。 好了，投影的条件就出来了： a、球面坐标 b、转化过程（也就是算法） 也就是说，要得到投影坐标就必须得有一个“拿来”投影的球面坐标，然后才能使用算法去投影！ 即每一个投影坐标系统都必须要求有Geographic Coordinate System参数。 2 坐标系坐标系l6、地理坐标系转换、地理坐标系转换 通常是指两个地理坐标通常是指两个地理坐标系统之间的转换。分为系统之间的转换。分为地理坐标之间的直接转地理坐标之间的直接转换或经由大地坐标之间换或经由大地坐标之间的间接转换。如图从的间接转换。如图从NAD1927到到W

25、GS1984的转换。的转换。 2 坐标系坐标系 大地坐标系统是一个地心坐标系统，经由大地坐标的转换的关系可由下图描述。大地坐标系统 地理坐标转换关系 2 坐标系坐标系三参数坐标转换： 七参数坐标转换：2 坐标系坐标系第第6讲讲 地图投影及地形图的分幅编号地图投影及地形图的分幅编号课课 题：题：地图投影及地形图的分幅编号地图投影及地形图的分幅编号目的要求：目的要求：通过本讲学习，掌握地图投影的基本概念地图投影的方法，理解地图投影的变形。掌握常用地图投影及其特点、地图投影的选择原则及地形图的分幅与编号。 教学重点：教学重点：高斯克吕格、兰伯特投影，地形图分幅和编号教学难点：教学难点：地图分幅和编号

26、方法教学课时：教学课时：2课时教学方法教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：本次课涉及的学术前沿：l地图投影在GIS中是必须的。在计算机显示和地图输出时，需要将地球球面上的实体表示在平面上。 3 地图投影地图投影3 地图投影地图投影3.1 地图投影的概念地图投影的概念 转换三维地球表面到二转换三维地球表面到二转换三维地球表面到二转换三维地球表面到二维地图平面的数学处理维地图平面的数学处理维地图平面的数学处理维地图平面的数学处理方法称之为方法称之为方法称之为方法称之为地图投影地图投影地图投影地图投影。它是一种透视投影它是一种透视投影它是一种透视投影它是一种透视投影 。地图投影 l从从数数学学上上

27、来来看看，所所谓谓地地图图投投影影就就是是建建立立地地图图平平面面上上的的点点（ x,y)x,y)和和 地地 球球 表表 面面 上上 的的 点点( ( , , ) )之之间间的的函函数数关关系系。一一般般通式为：通式为：3 地图投影地图投影其中（其中（x x，y y）是平面直角坐）是平面直角坐标标；( ( ， ）是地球）是地球表面的地理坐表面的地理坐标标。 地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性。系和完整性。当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投需要将一种投

28、影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。影的坐标数据。 3 地图投影地图投影l投影变换方法：投影变换方法：l1. 1. 正解变换正解变换: : 通过建立一种投影变换为另一种投影的严通过建立一种投影变换为另一种投影的严密或近似的解析关系式，直接由一种投影的数字化坐标密或近似的解析关系式，直接由一种投影的数字化坐标x x 、y y变换到另一种投影的直角坐标变换到另一种投影的直角坐标X X、Y Y。l2. 2. 反解变换反解变换: : 即由一种投影的坐标反解出地理坐标即由一种投影的坐标反解出地理坐标 (x (x、yByB、L) L) ，然后再将地理坐标代入另一种投影的坐标公，然后再将地理坐标代入另

29、一种投影的坐标公式中式中 (B (B、LXLX、Y) Y) ，从而实现由一种投影的坐标到另一，从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换种投影坐标的变换(x(x、yXyX、Y) Y) 。l3. 3. 数值变换数值变换: : 根据两种投影在变换区内的若干同名数字根据两种投影在变换区内的若干同名数字化点，采用插值法，或有限差分法，最小二乘法、或有限化点，采用插值法，或有限差分法，最小二乘法、或有限元法，或待定系数法等，从而实现由一种投影的坐标到另元法，或待定系数法等，从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换。一种投影坐标的变换。l投影变换工具目前，大多数投影变换工具目前，大多数GISGI

30、S软件是采用正解变换法来软件是采用正解变换法来完成不同投影之间的转换，并直接在完成不同投影之间的转换，并直接在GISGIS软件中提供常见软件中提供常见投影之间的转换。投影之间的转换。3.23.2、地、地图图投影的种投影的种类类 地球表面地球表面经经投影投影变换变换后其角度、面后其角度、面积积、形状、距离会、形状、距离会产产生某生某种种变变形，形，变变形形虽虽不可避免，但可以控制，也就是可以使某一不可避免，但可以控制，也就是可以使某一种种变变形形为为零，也可以使各种零，也可以使各种变变形减少到最小程度，形减少到最小程度，产产生了各生了各种不同的投影种不同的投影变换变换。 1 1、按、按变变形的性

31、形的性质质分等角投影，等分等角投影，等积积投影，等距投影；投影，等距投影； 2 2、按展开方式分方位投影、按展开方式分方位投影、圆圆柱投影、柱投影、圆锥圆锥投影；投影； 3 3、按投影面与地球相割或相切分割投影和切投影。、按投影面与地球相割或相切分割投影和切投影。 总总之，地之，地图图的投影的投影变换变换是空是空间间数据数据处处理的重要内容之一。理的重要内容之一。3 地图投影地图投影3 地图投影地图投影3 地图投影地图投影3.3 地图投影的方法地图投影的方法 地图投影的方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包括正轴、斜轴、横轴等投影方式，在此基础上又分为相切、相割方式两种情况

32、 。 在建立投影函数时，即（X,Y）=f(,) 又有不同的计算函数，如我国使用的高斯投影、兰伯特投影等。3 地图投影地图投影圆锥投影 3 地图投影地图投影 圆柱投影 3 地图投影地图投影平面（方位）投影 根据投影面与球面相关位置的分类图根据投影面与球面相关位置的分类图几种投影方式展开图方位投影展开图圆锥投影展开图圆柱投影展开图3 地图投影地图投影投影分带 3度带、6度带3 地图投影地图投影3.4 3.4 地图投影的变形：地图投影的变形：地图投影的变形：地图投影的变形：3.4 地图投影的变形地图投影的变形l长度变形长度变形l面积变形面积变形l角度变形角度变形由于要将不可展的地球椭球面展开为平面，

33、且不能有断裂，那么图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，因而投影变形是不可避免的。地图投影中不可避免地存在着变形，在建立一地图投影中不可避免地存在着变形，在建立一个投影时不仅要建立（个投影时不仅要建立（x,y)x,y)与与( ( , , ) )之间的关系，而之间的关系，而且要研究投影变形的分布与大小。地图投影的变形主要且要研究投影变形的分布与大小。地图投影的变形主要体现在：体现在：3 地图投影地图投影地图投影变形的图解示例（摩尔维特投影等积伪圆柱投影）长度变形角度变形地图投影变形的图解示例（UTM横轴等角割圆柱投影）面积变形和长度变形投影变形示意图3 地图投影地图投影3.5 3.5 常用地

34、图投影及其选择常用地图投影及其选择 在GIS应用中，地图投影方法的选择主要是针对中小比例尺的地图投影而言的，基本比例尺地图投影类型和方法一般应按国家相关部门规定进行。在进行地图投影方法选择时，考虑的因素包括范围、形状、地理位置、用途、出版方式等。以减少图上变形为目的以减少图上变形为目的，最好使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致。其中范围、形状、地理位置最重要。 随区域随区域经纬经纬度不同、地度不同、地图图比例尺不同、及地比例尺不同、及地图图用途不同，用途不同，地地图图投影方法也不同，投影方法也不同，现现有地有地图图投影方法共有投影方法共有200200多种。多种。但常用的也就但常用的也就202

35、0多种。多种。 3.6 地图投影与地图投影与GIS的关系的关系 GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。 GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。3 地图投影地图投影l越来越多的GIS数据使用者开始从互连网下载数字地图或从数据生产部门购买数据，他们遇到的首要

36、问题就是，这些数据有的是地理经纬度坐标，有的是不同投影坐标系的坐标，它们分别适用于各自的GIS工程项目，如果放在一起进行数据分析利用，就必须进行投影或重新重新投影投影转换。l在GIS中，一个基本原则是所有的空间数据都必须纳入统一的地理空间参照系，否则，不同图层的地图要素无法在空间上相互配准。3 地图投影地图投影例如 地形图采用高斯-克吕格投影，而航海图采用等角圆柱投影。如果将这些地图数据输入到计算机中，建立统一的地理信息系统时，必须将不同的投影进行转换。如将高斯投影转换为等角圆柱投影，才能保证彼此之间的数据实现交换、配准和共享） 由于数据源的多样性，当数据与所研究、分析问题的空间参考系统（坐标

37、系统、投影方式）不一致时，就需要对数据进行投影变换。同样，在对本身有投影信息的数据采集完成时，为了保证数据的完整性和易交换性，要对数据定义投影。图图4.1 投影变换工具投影变换工具 3.7 GIS中地图投影配置的一般原则中地图投影配置的一般原则 1 1、选择选择的投影系的投影系统应统应与国家基本与国家基本图图（基本比例尺地形（基本比例尺地形图图、基本省区、基本省区图图或国家大地或国家大地图图集）投影系集）投影系统统一致；一致； 2 2、系、系统统一般采用两种投影系一般采用两种投影系统统； 一种服一种服务务于大比例尺的数据于大比例尺的数据处处理与理与输输入入输输出；出； 一种服一种服务务于中小比

38、例尺的数据于中小比例尺的数据处处理与理与输输入入输输出；出； 3 3、 所用的投影以等角投影为宜；所用的投影以等角投影为宜；3 地图投影地图投影4 4、所用投影、所用投影应应能与网格坐能与网格坐标标系系统统相适相适应应，即所采用的网格系，即所采用的网格系统统在投影在投影带带中中应应保持完整。保持完整。 GIS GIS投影投影为为例：例： 加拿大：加拿大：= 1:50= 1:50万万采用采用UTMUTM（墨卡托投影）（墨卡托投影） 1:50 = 1:50= 1:50万万采用采用UTM; UTM; 1:50 = 1:50= 1:50万万采用高斯投影；采用高斯投影； 1:50 1:50万万采用采用L

39、ambertLambert（ 兰兰勃特）。勃特）。 3 地图投影地图投影3 地图投影地图投影我国我国GISGIS中地图投影的应用中地图投影的应用在GIS中，地理数据的显示往往可以根据用户的需要，指定各种投影。但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，往往采用与国家基本系列地图所用的投影。我国常用的地图投影的情况为：(1)、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、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯克吕格投影为地理基础；(2)、我国1：100万地形图采用了Lambert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

40、际百万分之一地图投影保持一致。3 地图投影地图投影(3)、我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影（正轴等角割圆锥投影）和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；(4)、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，这有利于地理信息系统中和空间分析量度的正确实施。（一）高斯（一）高斯克克吕吕格投影格投影( (简简称高斯投影称高斯投影) ) 高斯高斯克吕格投影是横轴等角切椭圆柱投影。克吕格投影是横轴等角切椭圆柱投影。 从从几几何何上上看看，它它用用一一个个椭椭圆圆柱柱套套在在地地球球椭椭球球体体外外面面，并并与与某某

41、一一子子午午线线相相切切（此此子子午午线线称称做做中中央央经经线线），使使椭椭圆圆柱柱的的中中心心轴轴位位于于椭椭球球体体的赤道面上的赤道面上. . 经纬线的投影是首先将中央经线向东和向西按一定经差范围，将经纬经纬线的投影是首先将中央经线向东和向西按一定经差范围，将经纬线交点投影到椭圆柱面上，再将此椭圆柱面展为平面。线交点投影到椭圆柱面上，再将此椭圆柱面展为平面。 高斯克吕格投影不仅在我国而且在东欧一些国家也采用其作为高斯克吕格投影不仅在我国而且在东欧一些国家也采用其作为地形图数学基础，美国、加拿大、法国等国家也有局部地区采用该投地形图数学基础，美国、加拿大、法国等国家也有局部地区采用该投影作

42、为大比例尺地图的数学基础。影作为大比例尺地图的数学基础。4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影1 1、高斯投影特征：、高斯投影特征： （1 1）中央）中央经线经线和赤道投影后和赤道投影后为为互相垂直的直互相垂直的直线线，且，且为为投影的投影的对对称称轴轴； （2 2）投影具有等角的性）投影具有等角的性质质( (投影后投影后经纬线经纬线相互垂直相互垂直) )； （3 3）中央）中央经线经线投影后保持投影后保持长长度不度不变变。 由于高斯克由于高斯克吕吕格投影的格投影的变变形大小与形大小与经经差有关，差有关，经经差愈大差愈大则变则变形形愈大，因此愈大，因此这这种投影在用于大比

43、例尺地种投影在用于大比例尺地图图中中时时都采用分都采用分带带的方法，即的方法，即将地球按一定的将地球按一定的经经差（差（6 6度，度，3 3度）分成若干互不重叠的度）分成若干互不重叠的带带，各，各带带分分别别投影，从而将投影，从而将变变形控制在一定的精度范形控制在一定的精度范围围内。内。4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影2 2、我国高斯投影的分、我国高斯投影的分带带方法方法 1:2.5 1:2.5万至万至1:501:50万的地形万的地形图图，采用，采用66带带，全球共分，全球共分为为6060个投影个投影带带；我国位于我国位于东经东经7272到到136136间间，共含，

44、共含1111个投影个投影带带；1:11:1万及更大比例尺万及更大比例尺图图采用采用33带带，全球共，全球共120120个个带带，我国共含，我国共含2222个个带带。4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影当地中央经线经度的计算当地中央经线经度的计算 六度带中央经线经度的计算： 东半球从东经0-6为第一带，中央经线为3，依此类推，投 影带号为1-30。其投影代号n和中央经线经度L0的计算公式为：L0=(6n-3) 西半球投影带从180回算到0，编号为31-60，投影代号 n和中央经线经度L0的计算公式为L0= (6n-3)-360 三度带中央经线经度的计算： 中央经线经度当地

45、带号4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影3 3、高斯、高斯-克克吕吕格投影的格投影的优优点：点： （1 1）等角性适合系列比例尺地）等角性适合系列比例尺地图图的使用与的使用与编编制；制； （2 2）经纬经纬网和直角坐网和直角坐标标的偏差小，便于的偏差小，便于阅读阅读使用；使用； （3 3）计计算工作量小，直角坐算工作量小，直角坐标标和子午收和子午收敛敛角角值值只需只需计计算一个算一个带带。 由于高斯由于高斯- -克克吕吕格投影采用分格投影采用分带带投影，各投影，各带带的投影完全相同，所以的投影完全相同，所以各投影各投影带带的直角坐的直角坐标值标值也完全一也完全一样样，所

46、不同的，所不同的仅仅是中央是中央经线经线或投影或投影带带号不同。号不同。为为了确切表示某点的位置，需要在了确切表示某点的位置，需要在Y Y坐坐标值标值前面冠以前面冠以带带号。号。如表示某点的横坐如表示某点的横坐标为标为米，前面两位数字米，前面两位数字“20”“20”即表示即表示该该点所点所处处的投的投影影带带号。号。 4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影4、经过经过高斯分高斯分带带投影后，每个投影投影后，每个投影带带均可建立一均可建立一 个以所在个以所在带带中央子午中央子午线为纵轴线为纵轴x，赤道，赤道为为横横轴轴y的高斯平面直角坐的高斯平面直角坐标标系。系。我国位于北

47、半球，我国位于北半球，x坐坐标标均均为为正，而每正，而每带带中的中的Y坐坐标标有正有有正有负负。 为为了避免了避免Y坐坐标标出出现负值现负值，需将每，需将每带带投影后的投影后的x轴轴向西平移向西平移500km。为为了表明某点位于哪一投影了表明某点位于哪一投影带带，还还需在需在Y坐坐标标前再前再加入所在加入所在带带带带号。号。 例如，例如，设设位于高斯位于高斯3投影投影带带第第38带带的的A、B两点在没有平移两点在没有平移x轴轴且没有加入代号的横坐且没有加入代号的横坐标标分分别为别为： yA=+116865.569 m yB=-157239.678 m 当考当考虑虑x轴轴向西平移向西平移500k

48、m，并加入，并加入带带号后，其号后，其A、B两点的两点的实际实际横坐横坐标为标为： YA=38616865.569 m YB=38342760.322 m4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影（二）（二）兰兰勃特投影勃特投影 我国我国我国我国1 1 1 1：比例尺地形比例尺地形比例尺地形比例尺地形图图图图使用使用使用使用兰兰兰兰勃特投影，勃特投影，勃特投影，勃特投影，该该该该投影投影投影投影实质实质实质实质上上上上是正是正是正是正轴轴轴轴等角割等角割等角割等角割圆锥圆锥圆锥圆锥投影。投影。投影。投影。 兰兰兰兰勃特投影采用分勃特投影采用分勃特投影采用分勃特投影采用分带带带

49、带投影方法。即，从投影方法。即，从投影方法。即，从投影方法。即，从纬纬纬纬度度度度( ( ( (赤道赤道赤道赤道)0)0)0)0o o o o开开开开始，至始，至始，至始，至纬纬纬纬度度度度60606060o o o o处处处处，按，按，按，按纬纬纬纬差差差差4 4 4 4o o o o为为为为一投影一投影一投影一投影带带带带，从南向北，共，从南向北，共，从南向北，共，从南向北，共分分分分为为为为15151515个投影个投影个投影个投影带带带带。 我国我国我国我国1 1 1 1：比例尺地形比例尺地形比例尺地形比例尺地形图图图图，在分，在分，在分，在分带带带带投影基投影基投影基投影基础础础础上，

50、从上，从上，从上，从经经经经度度度度0 0 0 0o o o o开始，自西向开始，自西向开始，自西向开始，自西向东东东东，每隔，每隔，每隔，每隔经经经经差差差差6 6 6 6o o o o进进进进行分幅。行分幅。行分幅。行分幅。这样这样这样这样，每幅，每幅，每幅，每幅图图图图的范的范的范的范围为经围为经围为经围为经差差差差6 6 6 6o o o o的两条的两条的两条的两条经线经线经线经线和和和和纬纬纬纬差差差差4 4 4 4o o o o的两条的两条的两条的两条纬线为边纬线为边纬线为边纬线为边界界界界的的的的椭椭椭椭球面区域。球面区域。球面区域。球面区域。 有关有关有关有关兰兰兰兰勃特投影的

51、投影勃特投影的投影勃特投影的投影勃特投影的投影变变变变形分析以及投影的坐形分析以及投影的坐形分析以及投影的坐形分析以及投影的坐标计标计标计标计算公算公算公算公式与方法可参考有关地式与方法可参考有关地式与方法可参考有关地式与方法可参考有关地图图图图制制制制图图图图的文献。的文献。的文献。的文献。 4 4 高斯高斯克克吕吕格投影、格投影、兰兰勃特投影勃特投影 我国，基本地形我国，基本地形图图的分幅和的分幅和编编号按国号按国际规际规定的在定的在1:1001:100万地形万地形图图基基础础上，按上，按经纬经纬度度进进行。行。(1)1991(1)1991年前年前 1:1001:100万地形万地形图图的分

52、幅和的分幅和编编号：按号：按纬纬差差4 4度，度，经经差差6 6度分度分,J-50,J-50； 1:501:50万万， 1:201:20万万，1:101:10万万地地形形图图的的分分幅幅和和编编号号, ,这这三三种种图图在在1:1001:100万万地形地形图图基基础础上，按上，按经纬经纬度划分。度划分。 1:501:50万按万按纬纬差差2 2度，度，经经差差3 3度分度分, ,分分4 4幅幅图图,J-50-A,J-50-A； 1 1：2525万按万按纬纬差差1 1度，度，经经差差1 1度度3030分分, ,分分为为1616幅，幅，J-50-(16)J-50-(16) 1:20 1:20万按万按

53、纬纬差差4040，经经差差1 1度分度分, , 分分3636幅幅图图,J-50-A-1,J-50-A-1； 1:101:10万按万按纬纬差差2020，经经差差30,30,分分144144幅幅图图,J-50-144,J-50-144。 5 5 地形地形图图的分幅与的分幅与编编号号 、1:51:5， 1:2.51:2.5万万，1:11:1万万地地形形图图的的分分幅幅和和编编号号，这这三三种种图图在在1:101:10万地形万地形图图基基础础上，按上，按经纬经纬度划分。度划分。 1:5 1:5万按万按纬纬差差1010，经经差差15,15,分分4 4幅幅图图,J-50-144-A,J-50-144-A；

54、 1:2.5 1:2.5万按万按纬纬差差55，经经差差7.5,7.5,分分1616幅幅图图,J-50-144-A-10,J-50-144-A-10； 1:1 1:1万按万按纬纬差差2.52.5，经经差差3.75,3.75,分分6464幅幅图图,J-50-144-A-1,J-50-144-A-1。5 5 地形地形图图的分幅与的分幅与编编号号1：10万万1：50万万1：20万万纬纬差差4度度经经差差6度度 1:50万，万， 1:20万，万，1:10万地形万地形图图的分幅和的分幅和编编号号以以1:100万地形万地形图为图为基基础础5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号5 地形图的分幅与编号地形图的

55、分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年起年起年起l从1991年起，新测制和更新的地形图，都须按国家基本比例尺地形图分幅和编号的国家标准实施分幅编号。l新国家标准和以前分幅编号规定相比，增加了15千比例尺地形图；l分幅仍以1100万地形图为基础，经差、纬差没有改变，但分幅方法变为：7个系列比例尺地形图均由1100万地形图划分而成；过去的纵行、横列改为横行、纵列；l编号仍以1100万地形图为基础，加上比例尺代码，续接各相应比例尺的行、列数字码构成。5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年

56、起年起年起l即150万15千地形图编号均由5个元素10位码构成：l前3位为1100万地形图编号，l第4位为比例尺代码(用B、C、D、E、F、G、H分别代表150万、125万、110万、15万、12.5万、11万和15千比例尺)，l第57位是图幅行号数字码，l第810位是图幅列号数字码l如： I49B0010015 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年起年起年起l1100万地形图分幅仍按国际1100万地图分幅标准划分，即一幅标准分幅纬差4、纬差6；纬度6076间纬差4、经差12；纬度7688间纬差4、经差24。编号由该图所在的

57、行号(字母码)和列号(数字码)构成，如西安（:341524N;:1085545E）所在的1100万地形图图号为I49。l150万地形图：每幅1100万地形图分为2行2列，共4幅该图，该图每幅纬差2、经差3，比例尺代码为B，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为001002。编号如I49B001001。5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年起年起年起l125万地形图：每幅1100万地形图分为4行4列，共16幅该图，其每幅纬差1、经差130，比例尺代码为C，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为001004。编号如I49C00

58、2001。l110万地形图：每幅1100万地形图分为12行12列共144幅该图，其每幅纬差20、经差30，比例尺代码为D，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为001012。编号如I49D006002。5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年起年起年起l 15万地形图：每幅1100万地形图分为24行、24列共576幅该图，其每幅纬差10、经差15，比例尺代码为E，行、列号数字码001024。编号如I49E011004。l12.5万地形图：该图中每幅1100万地形图分为48行、48列共2304幅得来，其每幅纬差5、经差730，

59、比例尺代码为F，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为001048。编号如I49F021008。5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号l l（2 2 2 2）.1991.1991.1991.1991年起年起年起年起l11万地形图：该图由每幅1100万地形图分为96行、96列共9216幅得来，其每幅纬差230、经差345，比例尺代码为G，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为001096。编号如I49G042015。l15千地形图：该图由每幅1100万地形图分为192行、192列共36864幅得来，其每幅纬差115、经差1525，比例尺代码为H，行、列号数字码从上到下，从左到右分别为00119

60、2。编号如I49H084030。5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号8种比例尺地形图及其相互关系详见表。比例尺纬差经差行数列数图幅数量关系比例尺代码行号(数)字码列号数字码编号示例:341524:10855451:100万46111A、BV1、260I491:50万232241B001-002001-002I49B0010011:25万1130441641C001-004001-004I49C0020011:10万203012121443691D001-012001-012I49D0060021:5万101524245761443641E001-024001-024I49E0110041:

61、2.5万5730484823045761441641F001-048001-048I49F0210081:1万230345969692162304576641641G001-096001-096I49G0420151:5千115152.5192192368649216230425664164H001-192001-192I49H084030注：示例为西安所在地的不同比例尺地形图编号。表 8种比例尺地形图及其相互关系根据经纬度坐标求根据经纬度坐标求1991年后图幅号的年后图幅号的公式：公式：la为100万地形图所在纬度带相应的数字码，b为100万地形图所在经度带数字码，为经度，为纬度，为数值取整

62、数；（）为整除后取余。l则：a = /4+1b = /6+31 或 B=31-/6（西经时使用）则对应比例尺下某点地图编号为： c = 4/e - (/4) /e d = (/6) / f + 1其中e，f分别为所求比例尺地形图分幅幅面的纬差值和经差值， 如1:50万 e=2，f=3，1:1万 e=230，f = 345 则图幅号为：abscd，s为比例尺所对应的编号（BCDEFGH），5 5 5 5、地形、地形、地形、地形图图图图的公里网的公里网的公里网的公里网 大大于于1:101:10万万的的地地形形图图上上绘绘有有高高斯斯克克吕吕格格投投影影平平面面直直角角坐坐标标网网，其其方方格格为为

63、正正方方形形，以以公公里里为为单单位位，故故又又称称公公里里网网。 公公里里网网在在地地图图上上间间隔隔，随随地地图图比比例例尺尺大大小小不同而不同不同而不同。11万地形万地形图图公里网公里网间间隔隔10 cm实实地距离地距离1km12.5万万地形地形图图公里网公里网间间隔隔4 cm实实地距离地距离1km 15万万地形地形图图公里网公里网间间隔隔2 cm实实地距离地距离1km110万万地形地形图图公里网公里网间间隔隔2 cm实实地距离地距离2km 5 地形图的分幅与编号地形图的分幅与编号第第3次次 作业题：作业题：1.坐标为：1123050E，381245N在1:250000, 1:50000, 1:5000地形图的编号依次是 、 、 。（分别写出1991年前和1991年后的编号，要求写出计算思路和过程）2.1：10万的某图幅的图号为I-50-87,请计算该图幅所在的高斯投影的投影带号及投影带的中央经线 。