城市建設(shè)3S(RS、GIS、GPS)技術(shù)-空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

第二章

空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

第二章空間信息息技術(shù)基基礎(chǔ)1、本章學(xué)學(xué)習(xí)目的的通過本章章學(xué)習(xí)，，了解、、掌握地地球形態(tài)態(tài)、空間間與時間間參考系系統(tǒng)、空空間直角角人材系系統(tǒng)轉(zhuǎn)換換和地圖圖投影等等基本理理論2、本章學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容容地球形態(tài)態(tài)空間與時時間參考考系統(tǒng)空間直角角坐標(biāo)系系轉(zhuǎn)換地圖投影影與地形形圖的分分幅與編編號大氣構(gòu)造造第一節(jié)地球形態(tài)態(tài)地球形態(tài)態(tài)鉛垂線：：地理空間間中任意意一點的的重力作作用線。。水準(zhǔn)面：：自由靜止止的水面面。大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面：：與平均海海水面重重合，并并向大陸陸、島嶼嶼延伸所所形成的的封閉曲曲面由于大地地體表面面仍然是是具有微微小起伏伏的不規(guī)規(guī)則曲面面，無法法用數(shù)學(xué)學(xué)公式來來描述，，地理空空間中的的各種要要素，也也無法通通過數(shù)學(xué)學(xué)方法在在大地體體表面進進行表達達與處理理。由此，在在地球科科學(xué)領(lǐng)域域，用一一個與大大地的形形狀、大大小最為為接近、、擬合最最好、且且能用數(shù)數(shù)學(xué)函數(shù)數(shù)表示的的橢球體體來代表表大地體體。由圖2．1可以看出出，地理理空間任任意一點點的鉛垂垂線與通通過該點點的地球球橢球面面法線，，一般不不重合，，它們之之間的差差值稱為為垂線偏差差。參考橢球球體地球橢球球體是可可以用數(shù)數(shù)學(xué)公式式表示的的橢圓繞繞其短軸軸旋轉(zhuǎn)而而成。地球橢球球體面（（地球橢橢球體表表面）雖雖然整體體上與大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面（大大地體表表面）擬擬合最佳佳，但不不同地區(qū)區(qū)的大地地水準(zhǔn)面面到地球球橢球面面的距離離不同，，該距離離的大小小，直接接影響地地理空間間要素素，歸算算到地球球橢球面面上的精精確度，，因此，，不同的國國家和地地區(qū)，根根據(jù)不同同時期的的觀測資資料，建建立了與與本區(qū)域域大地水水準(zhǔn)面擬擬合最佳佳的地球球橢球體體。第一節(jié)地球形態(tài)態(tài)參考橢球球體是建立空空間參考考系統(tǒng)的的基礎(chǔ)。。我國常用用坐標(biāo)系系及其參參考橢球球體如下下表：第一節(jié)地球形態(tài)態(tài)在GPS中，美美國使用用1984年IUGG第十七七屆大會會推薦橢橢球參數(shù)數(shù)建立了了GPS專用的的WGS-84坐標(biāo)系系統(tǒng)。時間橢球體坐標(biāo)系1952年以前采用海福特(Hayford)橢球體1953年起前蘇聯(lián)建立的克拉索夫斯基橢球1954年北京坐標(biāo)系20世紀(jì)70年代末1975年IUGG第十六屆大會推薦橢球參數(shù)1980年國家大地坐標(biāo)系參考橢球球的點線線面參考橢球球短軸為為橢球旋旋轉(zhuǎn)軸，，一般與與地球旋旋轉(zhuǎn)軸重重合(或者平行行)。旋轉(zhuǎn)軸軸與橢球球面有兩兩個交點點，位于于北端的的交點稱稱為北極極點，用用N表示；位位于南端端的交點點稱為南南極點，，用S表示。通通過橢球球中心O且垂直于于橢球旋旋轉(zhuǎn)軸NS的平面為為赤道面面．赤道道面與橢橢球表面面的交線線為赤道道。包含含橢球旋旋轉(zhuǎn)軸的的平面稱稱為子午午面，子子午面與與橢球表表面的交交線稱為為子午線線。第一節(jié)地球形態(tài)態(tài)GPS、RS、GIS研究與處處理的對對象，位位于地理理空間，，包括地地表面、、地表層層，也包包括大氣氣層與太太空。空空間信息息技術(shù)涉涉及空間間對象在在地理空空間的位位置、各各種要素素在地理理空間的的分布。。確定位位置與分分布，需需要建立立相應(yīng)的的空間參參考系統(tǒng)統(tǒng)。1、GPS、RS涉及到人人造衛(wèi)星星，而衛(wèi)衛(wèi)星的運運動軌跡跡與地球球的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)無關(guān)，，通常建建立與地地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)無關(guān)的的天球坐標(biāo)標(biāo)系來描述；；位于地地表層、、地面、、大氣層層的物體體與對象象，隨地地球的連連續(xù)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而同步步運動，，一般建建立隨地地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而同步步運動的的地球坐標(biāo)標(biāo)系來描述；；第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2、地面要要素的表表達，二維平平面空間間比二維維球面空空間更為為方便，，一般用用平面坐坐標(biāo)系描描述；3、利用GPS確定目標(biāo)標(biāo)的空間間位置，其基本本觀測量量是時間間的函數(shù)數(shù)，需要要建立時時間參考考系統(tǒng)。。一、天球球坐標(biāo)系系黃道面：：地球繞地地軸(地球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸)自轉(zhuǎn)，同同時繞太太陽公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，地球球繞太陽陽公轉(zhuǎn)的的平面如如果果假定地地球在空空間的位位置是靜靜止不變變的，相相對于地地球質(zhì)心心而言，，也可認(rèn)認(rèn)為太陽陽在黃道道面內(nèi)繞繞地球質(zhì)質(zhì)心運動動，太陽陽繞地球球的運動動，稱為為視運動動，亦與與地球的的自轉(zhuǎn)無無關(guān)。1、天球直直角坐標(biāo)標(biāo)系2、天球球球面坐標(biāo)標(biāo)系第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)為描述衛(wèi)衛(wèi)星空間間位置簡簡單起見見，設(shè)地地球質(zhì)心心位于地地軸上，，且假定定地球質(zhì)質(zhì)心與地地軸在宇宇宙空間間的位置置靜止不不動，則則稱以O(shè)為球心，，半徑無無窮大的的球為天天球。地地軸無限限延伸與與天球交交于天北北極點PN、天南極極點Ps。PN與Ps的連線稱稱為天軸軸，它與與地軸重重合。過過天球球球心O且垂直于于天軸的的平面稱稱為天球球赤道面面，它與與天球相相交的大大圓稱為為天球赤赤道。黃黃道面與與天球相相交的大大圓稱為為黃道，，黃道與與赤道交交于春分分點(γ)與秋分點點。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)注：無論論是地球球的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，還是是太陽繞繞地球的的視運動動(地球繞太太陽公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn))，其天軸軸、天球球赤道、、春分點點之間的的相對關(guān)關(guān)系固定定不變。。1、天球直直角坐標(biāo)標(biāo)系以地球質(zhì)質(zhì)心O為原點，，O點至天北北極PN的方向為為Z軸，O點至春分分點y的方向為為X軸，由X軸、y軸、Z軸按右手手坐標(biāo)系系法則，，在天球球赤道面面內(nèi)定義義出y軸。O-XYZ空間直角角坐標(biāo)系系稱為地心天球球直角坐坐標(biāo)系，，簡稱天天球直角角坐標(biāo)系。天體S的空間位位置，由由天球直直角坐標(biāo)標(biāo)(X、y、Z)來描述。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2、天球球球面坐標(biāo)標(biāo)系天體S的空間位位置，又又可由天天球球面面坐標(biāo)(λ，ψ，γ)來描述。。其中，，λ為S所在天球球子午面面與天球球基準(zhǔn)子子午面之之間的夾夾角，稱稱為赤徑徑；ψ為O點至S的向徑與與赤道面面的夾角角，稱為為赤緯；；r為地球質(zhì)質(zhì)心至S的徑向長長度。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)天球直角角坐標(biāo)系系與天球球球面坐坐標(biāo)系，，合稱為為天球坐坐標(biāo)系。。由于地球球不是均均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)橢球體體，以及及日、月月等對地地球的引引力作用用，使得得地球的的旋轉(zhuǎn)軸軸(地軸)產(chǎn)生抖動動與進動動，即地地軸(天球直角角坐標(biāo)系系Z軸)的方向不不是固定定不變的的。再者者，日、、月和恒恒星引力力對地球球繞日運運動的攝攝動，使使得黃道道平面產(chǎn)產(chǎn)生變化化；再加加上地軸軸方向變變化使得得與地軸軸垂直的的赤道面面產(chǎn)生傾傾斜，導(dǎo)導(dǎo)致黃道道與赤道道相交的的春分點點也發(fā)生生變化。。地軸方向向與春分分點的變變化是十十分復(fù)雜雜的，一一般分為為長期變變化(稱為歲差差)和短周期期變化(稱為章動動)。歲差與章章動使得得天軸坐標(biāo)標(biāo)系不是是固定的的，實際計算算中，需需要考慮慮歲差與與章動的的影響。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)二、地球球坐標(biāo)系系由天球坐坐標(biāo)系定定義可知知，地球球上的任任一固定定點在天天球坐標(biāo)標(biāo)系中的的坐標(biāo)，，將隨地地球的自自轉(zhuǎn)而連連續(xù)改變變。為了了使用上上方便，，必須建建立與地地球固定定，隨地地球同頻頻轉(zhuǎn)動的的坐標(biāo)系系，即地地球坐標(biāo)標(biāo)系。地球坐標(biāo)標(biāo)系也分分為地球球直角坐坐標(biāo)系和和地球球球面坐標(biāo)標(biāo)系。在衛(wèi)星星大地測測量中，，通常把把地球球球面坐標(biāo)標(biāo)系稱為為大地坐坐標(biāo)系。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)1、地球直直角坐標(biāo)標(biāo)系：原點O與地球質(zhì)質(zhì)心重合合，Z軸指向地地球北極極(地球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與地地球表面面或地球球橢球面面的交點點)，X軸為O點指向過過英國格格林尼治治的起始始子午面面與地球球橢球赤赤道的交交點E，y軸垂直于于XOZ平面且X、y、Z軸構(gòu)成右右手坐標(biāo)標(biāo)系。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2、大地坐坐標(biāo)系：：大地坐標(biāo)標(biāo)系的球球面是長長半徑為為a、短半徑徑為b的橢圓繞繞短軸旋旋轉(zhuǎn)后所所形成的的橢球面面。橢球球球心與與地球直直角坐標(biāo)標(biāo)系原點點O(地球質(zhì)心心)重合，短短軸與地地球直角角坐標(biāo)系系Z軸(地球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸)重合。包包含橢球球中心且且垂直于于短軸的的平面稱稱為地球球赤道面面，包含含橢球短短軸的平平面稱為為橢球子子午面，，通過格格林尼治治天文臺臺的橢球球子午面面定義為為起始子子午面。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2、大地坐坐標(biāo)系：：第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)地理空間間P點的位置置，用大大地坐標(biāo)標(biāo)(L，B，H)表示。L為過P點的橢球球子午面面與起始始子午面面之間的的夾角，，稱為大地經(jīng)度度；B為過P點的地球球橢球面面法線與與地球赤赤道面的的夾角，，稱為大地緯度度；H為P點沿P點橢球面面法線方方向至橢橢球面的的距離，，稱為大地高程程。三、WGS--84坐標(biāo)系和和我國國國家大地地坐標(biāo)系系大地體(大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面所包包圍的形形體)是不規(guī)則則的、近近似于梨梨形的形形體，相相對于能能用數(shù)學(xué)學(xué)公式表表達的地地球橢球球體而言言，不同同地理位位置的大大地體，，其凸凹凹程度存存在較大大差異。。為了滿滿足不同同用途和和保證各各區(qū)域定定位精度度和使用用上的方方便，地地球坐標(biāo)標(biāo)系有公公用的坐坐標(biāo)系，，也有各各個國家家或地區(qū)區(qū)建立地地球坐標(biāo)標(biāo)系。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)三、WGS--84坐標(biāo)系和和我國國國家大地地坐標(biāo)系系1)WGS-84坐標(biāo)系WGS--84((WorldGeodeticSystem)坐標(biāo)系是是美國國國防部測測量局從從20世紀(jì)60年代開始始建設(shè)，，分別建建有WGS--60、WGS--66、WGS--72。經(jīng)過不不斷地改改進，于1984年啟用WGS--84，GPS使用WGS--84。由于GPS在世界各各個國家家、各個個領(lǐng)域廣廣泛應(yīng)用用，WGS--84順理成章章地成為為了全球球公用的的地球坐坐標(biāo)系。2)我國國家家大地坐坐標(biāo)系我國目前前使用的的國家大大地坐標(biāo)標(biāo)系有兩兩個：1954年北京坐坐標(biāo)系(簡稱BJ54)和1980年國家大大地坐標(biāo)標(biāo)系(簡稱GDZ80)..(a)1954年北京坐坐標(biāo)系我國1949年建國后后，由于于歷史條條件限制制，沒有有建立橢橢球的足足夠資料料，暫時時采用了了克拉索索夫斯基基橢球參參數(shù)，并并與前蘇蘇聯(lián)1942年大地坐坐標(biāo)系進進行聯(lián)測測、計算算，建立立了我國國的大地地坐標(biāo)系系，命名名為1954年北京坐坐標(biāo)系。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)由于BJ54的橢球參參數(shù)和大大地原點點實際上上是前蘇蘇聯(lián)的1942年坐標(biāo)系系，隨著著測繪理理論與技技術(shù)的不不斷發(fā)展展、完善善和我國國區(qū)域內(nèi)內(nèi)測繪成成果的實實際驗證證，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)BJ54系統(tǒng)存在在諸多缺缺陷（如在我國國東部地地區(qū)最大大相差達達68米；橢球球短軸指指向不明明確；幾幾何大地地測量與與物理大大地測量量的參考考面不統(tǒng)統(tǒng)一等問問題）。(a)1954年北京京坐標(biāo)系系2)我國國國家大大地坐標(biāo)標(biāo)系(b)1980年國家大大地坐標(biāo)標(biāo)系定義：直角坐坐標(biāo)系原原點為參參考橢球球中心(不在地球球質(zhì)心)，Z軸(橢球短軸軸方向)平行于地地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸(地球質(zhì)心心指向地地極原點點JYDl968.0的方向)，起始子子午面平平行于格格林尼治治平均天天文臺子子午面。。X軸位于起起始子午午面內(nèi)，，且與Z軸垂直，，指向大大地零經(jīng)經(jīng)度方向向，X軸、y軸與Z軸構(gòu)成右右手坐標(biāo)標(biāo)系，橢橢球參數(shù)數(shù)采用1975年IUGG第十六屆屆年會的的推薦值值。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)四、站心心坐標(biāo)系系在GPS定位中，，通常采采用以地面觀測測站為坐標(biāo)原原點的站站心坐標(biāo)標(biāo)，來描描述衛(wèi)星星與測站站之間的的方位角角、高度度角和距距離，以以便確定定觀測方方案時了了解衛(wèi)星星在天空空中的分分布狀況況。站心坐標(biāo)標(biāo)系分為站心地平平直角坐坐標(biāo)系和站心地平平極坐標(biāo)標(biāo)系。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)1、站心地地平直角角坐標(biāo)系系O點是地球球橢球(以下簡稱稱橢球)中心，O-XYZ為地球坐坐標(biāo)系。。在GPS中，O-XYZ一般指WGS--84坐標(biāo)系。。P為地面觀觀測站，，S為空間衛(wèi)衛(wèi)星。定定義為為：過P點的橢球球面法線線為z軸，指向向P點天頂方方向為正正；垂直直于Z軸且由P點指向橢橢球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的方方向為x軸，指向向北方為為正；X軸、Y軸與z軸構(gòu)成左左手坐標(biāo)標(biāo)系。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)xPy平面為過過測站P點且垂直直于P點天頂方方向的地地平面，，故以測測站中心心為原點點的直角角坐標(biāo)系系P-xyz，稱為站站心地平平直角坐坐標(biāo)系。。其x軸指向地地平北方方向，Y軸指向地地平東方方向，z軸指向測測站天頂頂方向。。2、站心地地平極坐坐標(biāo)系站心地平平極坐標(biāo)標(biāo)系定義義：設(shè)xPy平面為基基準(zhǔn)面，，P點為極點點，Px軸為極軸軸，zPx平面順時時針量至至zPS平面的夾夾角稱為為方位角角，用A表示，取取值O~；PS直線與xPy平面之間間的夾角角，稱為為高度角角，用h表示，由由xPy平面起算算，取值值O~；P點至S點的距離離，用r表示。由由于基準(zhǔn)準(zhǔn)面xPy為地平面面，則稱稱P-Ahr為站心地地平極坐坐標(biāo)系.第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)五、平面坐標(biāo)標(biāo)系與高高程1、平面坐標(biāo)標(biāo)系地面點的的空間位位置，可可以用空空間直角角坐標(biāo)或或用大地地坐標(biāo)與與大地高高表示。。在實際應(yīng)用中中，地面面點、地地表要素素，更多多的是用用平面直直角坐標(biāo)標(biāo)與正高高(高程)表示。國家平面面直角坐坐標(biāo)系地方平面面直角坐坐標(biāo)系假定平面面直角坐坐標(biāo)系。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2、高程絕對高程程：地面面點沿鉛鉛垂線至至大地水水準(zhǔn)面的的距離，，亦稱為為海拔。。假定定高程：：以某假假定水準(zhǔn)準(zhǔn)面作為為起算面面，則地地面點沿沿鉛垂線線至假定定水準(zhǔn)面面的距離離，亦稱稱為相對對高程。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)HA、HB分別是A、B兩點的絕絕對高程程，HA’,HB’是A、B兩點的相相對高程程。通過過聯(lián)測一一點A(或其他點點)，求出A點絕對高高程HA和假定高高程HA’，即可獲獲得假定定水準(zhǔn)面面與大地地水準(zhǔn)面面之間的的高差△△H，其他各各點通過過△H，便可進進行絕對對高程與與假定高高程的換換算。表示地面面點的高高程，在在大地坐坐標(biāo)系中中，使用用大地高高，大地高是地面點點沿參考考橢球面面法線至至參考橢橢球面的的距離。。如圖2-10，設(shè)A點絕對高高程為HA，A點在大地地坐標(biāo)系系里的大大地高為為H大地高，，由于大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面與參參考橢球球面不重重合，它它們之間間的距離離稱為高程異常常，用ξ表示，則則有：ξ=H大地高-HA第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)六、時間間系統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)導(dǎo)航，需需要獲得得若干顆顆衛(wèi)星的的空間位位置以及及該位置置上衛(wèi)星星至目標(biāo)標(biāo)的距離離。實際際上，衛(wèi)衛(wèi)星的位位置并不不是靜止止不動的的，它以以約3.9km／s的速度在在軌道道上高高速運動動。不同的時時刻，衛(wèi)衛(wèi)星的位位置不同同，衛(wèi)星星位置是是時間的的函數(shù)。。再者，衛(wèi)衛(wèi)星至目目標(biāo)的距距離，是是依據(jù)衛(wèi)衛(wèi)星在某某一位置置上發(fā)射射信號的的時刻與與目標(biāo)點點的接收收機收到到同一信信號的時時刻之間間的時間間差，再再乘以信信號的傳傳播速度度而間接接得到的的。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)六、時間間系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星星的運動動速度和和信號的的傳播速速度，可可以證明明，如果果要使衛(wèi)衛(wèi)星的位位置誤差差小于1cm，其測定定時間的的精度應(yīng)應(yīng)達到2.6×10-6s；如果要要求測定定距離的的精度也也小于1cm，信號傳傳播的時時間誤差差應(yīng)小于于3.0×10-11s。由此可可見，時時間系統(tǒng)統(tǒng)對于GPS的定位與與導(dǎo)航，，具有特特別重要要的作用用。(1)基本時間間系統(tǒng)1)恒星時2)平太陽時時3)世界時4)國際原子子時5)協(xié)調(diào)世界界時(2)GPS時間系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)1)恒星時以春分點點為參考考點，根根據(jù)春分分點的周周日視運運動所確確定的時時間，稱稱為恒星星時。地地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時，春春分點連連續(xù)兩次次經(jīng)過本本地子午午圈的時時間間隔隔定為一一個恒星星日，等等分為24個恒星時時。恒星星時具有有地方性性，亦稱稱為地方方恒星時時。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)2)平太陽時時由于地球球繞太陽陽公轉(zhuǎn)的的軌道是是一個橢橢圓，根根據(jù)天體體運動的的開普勒勒定律可可知，真真太陽的的視運動動速度是是變化的的。為了了彌補真真太陽的的這一變變化缺陷陷，設(shè)想想存在一一個假太太陽存在在，它以以真太陽陽周年運運動的平平均速度度，在天天球赤道道上作周周年視運運動，且且周期與與真太陽陽相同，，稱這個個假太陽陽為平太太陽，以以平太陽陽為參考考點，根根據(jù)平太太陽的周周日視運運動所確確定的時時間，稱稱為平太太陽時。。與恒星時時類似，，平太陽陽連續(xù)兩兩次經(jīng)過過本地子子午圈的的時間間間隔為一一個平太太陽日，，等分為為24個平太陽陽時，某某地某一一時刻的的平太陽陽時，在在數(shù)值上上等于本本地子午午圈相對對于平太太陽的時時角。同同一時刻刻不同點點的平太太陽時不不同，平平太陽時時也具有有地方性性，亦稱稱為地方方平太陽陽時或地地方平時時。3)世界時以平子夜夜為零時時起算的的格林尼尼治平太太陽時，，稱為世世界時，，世界時時以地球球自轉(zhuǎn)軸軸為基礎(chǔ)礎(chǔ)。世界界時與平平太陽時時尺度相相同，但但起算點點與格林林尼治平平太陽時時起算點點相差12h。若以GMST表示格林林尼治的的平太陽陽時，則則世界時時UT為：UT=GMST+12h4)國際原子子時原子時是是利用原原子鐘所所建立的的時間系系統(tǒng)。原原子時采采用國際際制秒(SI))。國際時時間局從從1977年開始，，根據(jù)全全球精選選出的不不同地點點約一百百臺原子子鐘，經(jīng)經(jīng)高精度度時間對對比和數(shù)數(shù)據(jù)處理理后推算算出的一一個時間間系統(tǒng)，，稱為國國際原子子時第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)5)協(xié)調(diào)世界界時為了利用用原子時時的優(yōu)點點，同時時又滿足足對世界界時的實實際應(yīng)用用需要，，國際無無線電科科技協(xié)會會和國際際天文學(xué)學(xué)會建立立了一個個兩者兼兼而有之之的時間間系統(tǒng)。。即，以原子時時的國際際制秒(SI))為基礎(chǔ)，，用正負負閏秒的的方法保保持與世世界時相相差在一一秒以內(nèi)內(nèi)的一種種時間，，這種時時間稱為為協(xié)調(diào)世世界時。。協(xié)調(diào)世界界時的秒秒長嚴(yán)格格等于原原子時的的秒長，，即使用用國際制制秒。目目前幾乎乎所有國國家發(fā)布布的時號號，均以以UTC為標(biāo)準(zhǔn)。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)(2)GPS時間系統(tǒng)統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)導(dǎo)航，其其衛(wèi)星在在太空的的瞬時位位置，衛(wèi)衛(wèi)星信號號的發(fā)射射、傳播播和接收收，都依依賴于時時間，為為此，GPS建立了自自己的專專用時間間系統(tǒng)。。這個時間間系統(tǒng)簡簡稱為GPST(GPS時：GPSTime)，它由GPS主控站的的高精度度原子鐘鐘守時與與授時。。第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)(2)GPS時間系統(tǒng)統(tǒng)GPST使用原子子時系統(tǒng)統(tǒng)，它的的秒長等等于原子子時秒長長，原點點與1980年1月6日零時時時刻的協(xié)協(xié)調(diào)世界界時(UTC)相同，而而與該同同一時刻刻的原子子時相差差19s，此時，，協(xié)調(diào)世世界時已已累計閏閏19s。GPST啟動后不不跳秒，，保持時時間的連連續(xù)性。。GPST與UTC的整秒差差以及秒秒以下的的差異，，通過時時間服務(wù)務(wù)部門定定期公布布。在利利用GPST進行時間間校對時時，需注注意其與與UTC的整秒差差n.第二節(jié)空空間與與時間參參考系統(tǒng)統(tǒng)1天球直角角坐標(biāo)系系與地球球直角坐坐標(biāo)系之之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換

第三節(jié)空空間直直角坐標(biāo)標(biāo)系轉(zhuǎn)換換由天球直直角坐標(biāo)標(biāo)系O-XYZ與地球直直角坐標(biāo)標(biāo)系o-xyz的定義可可知，兩兩坐標(biāo)系系的原點點均位于于地球質(zhì)質(zhì)心O，O-XYZ的Z軸和o-xyz的z軸均為地地球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，O-XYZ的X、Y軸所在平平面XOY((天球赤道道面)與O-xyz的x、y軸所在平平面xoy(地球赤道道面)重合，均均為過地地球質(zhì)心心且垂直直于地球球旋轉(zhuǎn)軸軸的平面面。設(shè)O-XYZ中的X軸與o-xyz的x軸之間的的夾角為為GAST，由恒星星時的定定義可知知，GASI等于格林林尼治的的恒星時時角，是是時間的的函數(shù).坐標(biāo)轉(zhuǎn)換換時，只只需將O-XYZ坐標(biāo)系繞繞o-xyz坐標(biāo)系的的z軸旋轉(zhuǎn)GAST角即可2不同地球球直角坐坐標(biāo)系之之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換目前世界界上各國國所使用用的地球球直角坐坐標(biāo)系，，與全球球的統(tǒng)一一地球直直角坐標(biāo)標(biāo)系，在在原點位位置、三三個軸的的方向上上，立的的直角坐坐標(biāo)系為為1954年北京坐坐標(biāo)系(BJ54)和1980年國家大大地坐標(biāo)標(biāo)系(GDZ80))，它們屬屬于三個個不同的的地球坐坐標(biāo)系，，且BJ54與GDZ80屬于兩個個不同參參心(參考橢球球中心)的地球坐坐標(biāo)系.地球直角角坐標(biāo)系系之間的的轉(zhuǎn)換，，包括地地心直角角坐標(biāo)與與參心直直角坐標(biāo)標(biāo)，不同同的兩參參心直角角坐標(biāo)之之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。對于我國國，主要要WGS--84與BJ54或GDZ80之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換和BJ54與GDZ80之間相互互轉(zhuǎn)換等等.進行不同同的地球球直角坐坐標(biāo)系之之間轉(zhuǎn)換換，關(guān)鍵鍵是建立立兩個坐坐標(biāo)系之之間轉(zhuǎn)換換的數(shù)學(xué)學(xué)模型。。第三節(jié)空空間直直角坐標(biāo)標(biāo)系轉(zhuǎn)換換由于球面面的不可可展示性性，為了了用平面面坐標(biāo)來來表示球球面上目目標(biāo)的空空間位置置，必須須進行球球面坐標(biāo)標(biāo)到平面面坐標(biāo)的的轉(zhuǎn)換，，這就是是地圖的的投影變變換。地球曲面面轉(zhuǎn)換成成地圖平平面，不不僅僅存存在著比比例尺變變換，而而且還存存在著投投影轉(zhuǎn)換換的問題題。將橢球面面上各點點的大地地坐標(biāo)，，按著一一定的數(shù)數(shù)學(xué)法則則，變換換為平面面上相應(yīng)應(yīng)點的平平面直角角坐標(biāo)，，稱之為為地圖投影影。地圖投投影的方方法很多多，我國主要要采用高高斯—克呂格投投影。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號地圖投影影的實質(zhì)質(zhì)是建立立球面和和平面之之間的函函數(shù)關(guān)系系，使球球面上的的點對應(yīng)應(yīng)到平面面上或可可展示的的平面上上，其轉(zhuǎn)換換的數(shù)學(xué)學(xué)函數(shù)是是：X=f1((，）；Y=f2((，）其中（X，Y）是平面面直角坐坐標(biāo)；(，）是地球球表面的的地理坐坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換解算算方法主主要可歸歸為正解解變換和和反解變變換正解變換換：一般般地把由由地理坐坐標(biāo)求出出地圖平平面直角角坐標(biāo)的的形式稱稱為正算算式，稱稱正解變變換，也也稱直接接變換法法。反解變換換：把由由地圖直直角坐標(biāo)標(biāo)求出地地理坐標(biāo)標(biāo)的形式式稱為反反算式，，稱反解解變換，，也稱間間接變換換法。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號一、地圖圖投影的的種類地球表面面經(jīng)投影影變換后后其角度度、面積積、形狀狀、距離離會產(chǎn)生生某種變變形，變變形雖不不可避免免，但可可以控制制，也就就是可以以使某一一種變形形為零，，也可以以使各種種變形減減少到最最小程度度，產(chǎn)生生了各種種不同的的投影變變換。1、按變形形的性質(zhì)質(zhì)分等角角投影，，等積投投影，等等距投影影；2、按展開開方式分分方位投投影、圓圓柱投影影、圓錐錐投影；；3、按投影影面與地地球相割割或相切切分割投投影和切切投影。。總之，地地圖的投投影變換換是空間間數(shù)據(jù)處處理的重重要內(nèi)容容之一第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號投影面和和球面的的關(guān)系第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號幾種投影影方式展展開圖方位投影展開圖圓錐投影展開圖圓柱投影展開圖第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號二、GIS中地圖投投影的選選擇隨區(qū)域經(jīng)經(jīng)緯度不不同、地地圖比例例尺不同同、及地地圖用途途不同，，地圖投投影方法法也不同同，現(xiàn)有有地圖投投影方法法共有200多種。但但常用的的也就20多種。1、選擇的的投影系系統(tǒng)應(yīng)與與國家基基本圖（（基本比比例尺地地形圖、、基本省省區(qū)圖或或國家大大地圖集集）投影影系統(tǒng)一一致；2、系統(tǒng)一一般采用用兩種投投影系統(tǒng)統(tǒng)；一種服務(wù)務(wù)于大比比例尺的的數(shù)據(jù)處處理與輸輸入輸出出；一種服務(wù)務(wù)于中小小比例尺尺的數(shù)據(jù)據(jù)處理與與輸入輸輸出；第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號3、所用投影影應(yīng)能與與網(wǎng)格坐坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)相適應(yīng)應(yīng)，即所所采用的的網(wǎng)格系系統(tǒng)在投投影帶中中應(yīng)保持持完整。GIS投影為例例：加拿大：：>=1:50萬——采用UTM（墨卡托托投影））<1::50萬——采用Lambert（蘭勃勃特）;美國國：>=1:50萬——采用UTM;;<1::50萬——采用州平平面坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)(以高斯投投影和Lambert投影為主主，局部部地區(qū)采采用HOM投影)；中國國：>=1:50萬——采用高斯斯投影；；<1::50萬——采用Lambert（蘭勃勃特）。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號三、我國國的地圖圖投影（一）我我國常用用的地圖圖投影1、我國基基本比例例尺地形形圖(>100萬)，采用高高斯—克呂格投投影（橫橫軸等角角切圓柱柱投影））；2、我國1：100萬地形圖圖采用了了Lambert(蘭勃特)投影（正正軸等角角割圓錐錐投影））；3、我國大大部分省省區(qū)地圖圖以及大大多數(shù)這這一比例例尺的地地圖也多多采用Lambert投影和屬屬于同一一投影系系統(tǒng)的Alberts(阿爾伯斯斯)投影（正正軸等面面積割圓圓錐投影影）；總之，在我國大大比例尺尺時，采采用高斯斯—克呂格投投影，中中小比例例尺采用用蘭勃特特投影。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號（二）高高斯—克呂格投投影(簡稱高斯斯投影)高斯—克呂格投投影是橫橫軸等角角切橢圓圓柱投影影。從幾何上上看，它它用一個個橢圓柱柱套在地地球橢球球體外面面，并與與某一子子午線相相切（此此子午線線稱做中中央經(jīng)線線），使使橢圓柱柱的中心心軸位于于橢球體體的赤道道面上.經(jīng)緯線的的投影是是首先將將中央經(jīng)經(jīng)線向東東和向西西按一定定經(jīng)差范范圍，將將經(jīng)緯線線交點投投影到橢橢圓柱面面上，再再將此橢橢圓柱面面展為平平面。高斯－克克呂格投投影不僅僅在我國國而且在在東歐一一些國家家也采用用其作為為地形圖圖數(shù)學(xué)基基礎(chǔ)，美美國、加加拿大、、法國等等國家也也有局部部地區(qū)采采用該投投影作為為大比例例尺地圖圖的數(shù)學(xué)學(xué)基礎(chǔ)。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號1、高斯投投影特征征：（1）中央經(jīng)經(jīng)線和赤赤道投影影后為互互相垂直直的直線線，且為為投影的的對稱軸軸；（2）投影具具有等角角的性質(zhì)質(zhì)(投影后經(jīng)經(jīng)緯線相相垂直)；（3）中央經(jīng)經(jīng)線投影影后保持持長度不不變。由于高斯斯－克呂呂格投影影的變形形大小與與經(jīng)差有有關(guān)，經(jīng)經(jīng)差愈大大則變形形愈大，，因此這這種投影影在用于于大比例例尺地圖圖中時都都采用分分帶的方方法，即即將地球球按一定定的經(jīng)差差（6度，3度）分成成若干互互不重疊疊的帶，，各帶分分別投影影，從而而將變形形控制在在一定的的精度范范圍內(nèi)。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號2、我國高高斯投影影的分帶帶方法1:2..5萬至1:50萬的地形形圖，采采用6°帶，全球球共分為為60個投影帶帶；我國國位于東東經(jīng)72°°到136°°間，共含含11個投影帶帶；1:1萬及更大大比例尺尺圖采用用3°帶，全球球共120個帶。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號3、高斯--克呂格投投影的優(yōu)優(yōu)點：（1）等角性性適合系系列比例例尺地圖圖的使用用與編制制；（2）經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)和直角角坐標(biāo)的的偏差小小，便于于閱讀使使用；（3）計算工工作量小小，直角角坐標(biāo)和和子午收收斂角值值只需計計算一個個帶。由于高斯斯-克呂格投投影采用用分帶投投影，各各帶的投投影完全全相同，，所以各各投影帶帶的直角角坐標(biāo)值值也完全全一樣，，所不同同的僅是是中央經(jīng)經(jīng)線或投投影帶號號不同。。為了確確切表示示某點的的位置，，需要在在Y坐標(biāo)值前前面冠以以帶號。。如表示示某點的的橫坐標(biāo)標(biāo)為米，，前面兩兩位數(shù)字字“20”即表示該該點所處處的投影影帶號。。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號經(jīng)過高斯斯分帶投投影后，，每個投投影帶均均可建立立一個個以所在在帶中央央子午線線為縱軸軸x，赤道為為橫軸y的高斯平平面直角角坐標(biāo)系系。我國國位于北北半球，，x坐標(biāo)均為為正，而而每帶中中的Y坐標(biāo)有正正有負。。為了避免免Y坐標(biāo)出現(xiàn)現(xiàn)負值，，需將每每帶投影影后的x軸向西平平移500km。為了表表明某點點位于哪哪一投影影帶，還還需在Y坐標(biāo)前再再加入所所在帶帶帶號。例如，設(shè)位于于高斯3°投影帶第第38帶的A、B兩點在沒沒有平移移x軸且沒有有加入代代號的橫橫坐標(biāo)分分別為：：y’A=+116865.569my’B=-157239.678m當(dāng)考慮x軸向西平平移500km，并加入入帶號后后，其A、B兩點的實實際橫坐坐標(biāo)為：：YA=38616865.569mYB=38342760.322m第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號（二）蘭勃特投投影我國1：1000000比例尺地地形圖使使用蘭勃勃特投影影，該投投影實質(zhì)質(zhì)上是正軸等角角割圓錐錐投影。蘭勃勃特投影影采用分分帶投影影方法。。即，從從緯度(赤道)0o開始，至至緯度60o處，按緯緯差4o為一投影影帶，從從南向北北，共分分為15個投影帶帶。我我國1：1000000比例尺地地形圖，，在分帶帶投影基基礎(chǔ)上，，從經(jīng)度度0o開始，自自西向東東，每隔隔經(jīng)差6o進行分幅幅。這樣樣，每幅幅圖的范范圍為經(jīng)經(jīng)差6o的兩條經(jīng)經(jīng)線和緯緯差4o的兩條緯緯線為邊邊界的橢橢球面區(qū)區(qū)域。有有關(guān)蘭蘭勃特投投影的投投影變形形分析以以及投影影的坐標(biāo)標(biāo)計算公公式與方方法可參參考有關(guān)關(guān)地圖制制圖的文文獻。第四節(jié)地地圖投投影與地地形圖的的分幅與與編號四、地形形圖的分分幅與編編號我國，基基本地形形圖的分分幅和編編號按國國際規(guī)定定的在1:100萬地形圖圖基礎(chǔ)上上，按經(jīng)經(jīng)緯度進進行。1:100萬地形圖圖的分幅幅和編號號：按緯緯差4度，經(jīng)差差6度分,J-50；1:50萬，1:20萬，1:10萬地形圖圖的分幅幅和編號號,這三種圖圖在1:100萬地形圖圖基礎(chǔ)上上，按經(jīng)經(jīng)緯度劃劃分。1:50萬按緯差差2度，經(jīng)差差3度分,分4幅圖,J-50-A；1:20萬按緯差差40’，經(jīng)差1度分,分36幅圖,J-50-A-[1]；1:10萬按緯差差20’，經(jīng)差30’,,分1