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文檔簡介

第二章“3S”技術地理空間基礎2.1地球橢球2.2大地坐標系和空間直角坐標系2.3地圖投影2.4地形圖分幅與編號第1頁第2頁2.1地球橢球

一、大地水準面和大地體1.大地水準面構想當海洋處于靜止平衡狀態(tài)時(即沒有波浪、潮汐、水流和大氣莊改變等引發(fā)擾動),把71%海平面(假設靜止不動)延伸到大陸內部水準面。2.大地體由大地水準面所包圍整個形體稱為大地體。第3頁我國曾要求采取青島驗潮站求得1956年黃海平均海(水)面,作為我國統(tǒng)一高程基準面。從1988年1月1日起,開始改用《1985國家高程基準》作為高程起算統(tǒng)一基準。

H85=H56-0.029m

第4頁我國平均海(水)面起伏我國海域在南北方向上,展現(xiàn)出南高北低傾斜,其大小約0.6m左右。

第5頁二、地球橢球

ab參考橢球:一個形狀、大小和定位、定向都已經(jīng)確定地球橢球叫參考橢球。參考橢球一旦確定,則標志著大地坐標系已經(jīng)建成。參考橢球不是惟一,有多個。定義:是一個長半軸為a,短半軸為b橢圓繞軸旋轉而成旋轉體。定位:定中心.即質心與中心是否重合定向:地球自轉軸與短軸平行或重合第6頁第一個階段,從18世紀40年代起至19世紀末止。

按幾何原理進行,只用了天文、大地等資料,沒有預計到地球物理性質,沒有使用重力測量資料。其中比較著名是德蘭勃、埃弗勒斯特、艾黎、貝塞耳、克拉克(1866)和克拉克(1880)橢球參數(shù)。這些參數(shù)和當代結果相比雖誤差較大,但影響卻不是很大。另首先,一個國家或地域參考橢球確實定含有一定延續(xù)性和穩(wěn)定性,所以,這些橢球參數(shù)有至今還被一些國家沿用。

推算橢球參數(shù),分成三個階段:第7頁第二個階段,從20世紀初起至20世紀50年代中后期止。

利用重力測量資料推求地球橢球扁率。其中比較著稱是赫爾默特、海福特和克拉索夫斯基等橢球。克拉索夫斯基橢球從當初來說,比其它已知地球橢球更為科學。我國1954年北京坐標系也采取了這個橢球。

第8頁第三階段,從20世紀60年代起至今止。

這個時期所推求橢球參數(shù)不但僅利用了地面測量天文、大地和重力等資料,而且廣泛采取了衛(wèi)星測量各種資料,所得參數(shù)精度較高而且相互間結果值比較穩(wěn)定。

我國1978年全國天文大地網(wǎng)平差會議決定,選取國際上推薦1975年大地坐標系地球橢球參數(shù)(IAG-1975),建立我國1980年國家大地坐標系。第9頁橢球形狀和大小四個參數(shù):橢球長半徑a引力常數(shù)與地球質量乘積GM地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2地球自轉角速度ω。利用這四個參數(shù),能夠導出一系列其它常數(shù),如橢球扁率f和赤道重力值等。第10頁三、總地球橢球研究范圍擴展到全球時,擬合出一個與大地體最為密合橢球,中心和質心重合,短軸和自轉軸重合橢球面和大地體最為密合。第11頁地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體第12頁四、橢球元素及其關系

1.長半軸a=OA=OE2.短半軸b=OP=OP'3.

扁率

4.子午橢圓第一偏心率:5.子午橢圓第二偏心率:第13頁6.其它元素經(jīng)過橢球中心并包含短軸PP'平面叫子午面;子午面與橢球面截線叫子午圈或經(jīng)圈;經(jīng)過橢球中心O點而與短軸PP'垂直平面叫赤道面;赤道面與橢球面截線叫赤道圈;與赤道面平行平面和橢球面截線叫平行圈或緯線圈。第14頁(1)克拉索夫斯基橢球,對應北京54坐標系,參數(shù)為:(2)IAG-1975橢球或IUGG-1975橢球,對應1980國家大地坐標系,參數(shù)為:(3)WGS—84橢球,對應WGS-84坐標系,參數(shù)為:三個主要橢球參數(shù):

WGS—84橢球是總地球橢球,是唯一。第15頁五、橢球面上各種曲率半徑

過橢球面上一點p可做一條法線PKp,包含橢球面上一點法線平面叫法截面。法截面與橢球面截線叫做法截線。過橢球面上一點法線,可作無限多個平面,其中一個與該點子午面相垂直平面與橢球面相截形成閉合曲線稱為卯酉圈。第16頁2.2大地坐標系和空間直角坐標系

一、大地坐標系(參心坐標系)這里是指大地經(jīng)緯度坐標系。建立在參考橢球上,O是中心,ON為旋轉軸。大地經(jīng)度:地面上P地點大地子午面NPS與起始大地子午面所組成二面角L。大地緯度:P地點對于橢球法線P地KP與赤道面夾角B。大地高:P地點沿法線到橢球面距離h,從橢球面算起,向外為正,向內為負。

第17頁第18頁第19頁法線與赤道面交角,叫做A點緯度ψ。過A點子午面與經(jīng)過英國格林尼治天文臺子午面所夾二面角,叫做A點經(jīng)度λ。第20頁h=H正+N大地高(h):從P地沿法線到橢球面距離。正高(H正):當P地沿稍彎曲鉛垂線投影到大地水準面上時,則得到P地點在大地水準面上投影點P',它們之間沿鉛垂線量距離。大地水準面差距(N):然后再將P'點沿法線投影到橢球面上得P0點P'P0間距離。第21頁二、天文坐標系(地心坐標系)O是質心OP為地球自轉軸KK’為垂線G點為格林威治天文起始子午面φ天文緯度λ天文經(jīng)度第22頁三、空間直角坐標1、參心空間直角坐標系參心空間直角坐標系是在參考橢球上建立三維直角坐標系O-XYZ:參考橢球一旦確定,其上參心空間直角坐標系隨之確定,即地球橢球定位定向過程實質上就是建立參心空間直角坐標系過程。原點:橢球中心Z軸:與橢球短軸重合X軸:位于起始大地子午面與赤道面交線上Y軸:與XZ平面正交第23頁建立一個參心坐標系,包含以下幾個方面內容:

(1)確定橢球形狀和大小。(2)確定橢球中心位置,簡稱定位。(3)確定橢球中心為原點空間直角坐標系坐標軸方向,簡稱定向。(4)確定大地原點

大地起始子午面與天文起始子午面平行橢球短軸與地軸自轉軸平行3.參考橢球面與水準面誤差平方和最小第24頁2.地心空間直角坐標系建立地心坐標原理地心坐標系是唯一,如WGS—84坐標系。

第25頁WGS-84坐標與局部參心坐標系關系

區(qū)域坐標系 參考橢球dX dYdZ1984澳大利亞澳大利亞國家 -134 -48 -1491975年百慕大克拉克(1866)-73 213 296阿根廷 海福特(1910)-148 136 90巴西制圖海福特(1910)-206 172 -6雅加達 北塞爾(1841)-377 681 -501950歐洲 海福特(1910)-87-98 -1211969關島 克拉克(1866)-100-2482591963香港 海福特(1910)-156-271 -1891927北美 克拉克(1866)-8 160 176東京 貝塞爾(1841)-128 481 6641969南美 1969南美 -57 1 -41第26頁四、大地坐標與空間直角坐標轉換

X=(N+h)cosBcosLY=(N+h)cosBsinLN:卯酉圈曲率半徑h:大地高卯酉圈:大地方位角為90度法截面法截面:包含橢球面上一點法線平面大地方位角:大地子午面與法截面交角第27頁五、空間直角坐標系轉換主要指參心坐標系與地心坐標系間轉換

1、三參數(shù)法

假設只有原點不重合第28頁2、七參數(shù)法:原點不重合各坐標軸不平行兩坐標系尺度不一樣。步驟:(1)平移將原點重合(2)繞Z軸轉εZ

第29頁第30頁(3)繞軸轉(4)繞Y軸轉第31頁因為εx、εy、εz是秒級微小量,所以有cosεx=cosεy=cosεz=1,sinεx=εx、sinεy=εy、sinεz=εzsinεxsinεy=sinεxsinεz==sinεysinεz=0,所以:第32頁考慮平移及縮放尺度

第33頁2.3地圖投影將地球橢球面上點映射到平面上方法,稱為地圖投影地理坐標為球面坐標,不方便進行距離、方位、面積等參數(shù)量算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面,符合視覺心理,并易于進行距離、方位、面積等量算和各種空間分析第34頁第35頁坐標參考系統(tǒng)—平面系統(tǒng)直接建立在球體上地理坐標,用經(jīng)度和緯度表示地理對象位置建立在平面上直角坐標系統(tǒng),用(x,y)表示地理對象位置投影第36頁地圖投影:投影實質第37頁二.地圖投影種類

(一)地圖投影變形性質分類

投影變形:在地圖投影時,把球面上經(jīng)緯線網(wǎng)轉換到投影平面上,轉換后地圖上經(jīng)緯線網(wǎng)格必定產生變形,稱為地圖投影變形。

包含三種:長度變形面積變形角度變形第38頁等角投影:前后角度不變等積投影:前后面積不變任意投影:長度、角度、面積同時在變(一)地圖投影變形性質分類第39頁第40頁第41頁第42頁MercatorProjectionMollweideProjection第43頁(二)按投影面及與球面位置關系分類

圓柱投影:投影面為圓柱圓錐投影:投影面為圓錐方位投影:投影面為平面圓錐投影圓柱投影方位投影正軸斜軸橫軸第44頁第45頁第46頁第47頁第48頁(三)按投影面與地球相割或相切分第49頁地圖投影:投影分類變形分類:等角投影:投影前后角度不變等面積投影:投影前后面積不變;任意投影:角度、面積、長度均變形投影面:橫圓柱投影:投影面為橫圓柱圓錐投影:投影面為圓錐方位投影:投影面為平面投影面位置:正軸投影:投影面中心軸與地軸相互重合斜軸投影:投影面中心軸與地軸斜向相交橫軸投影:投影面中心軸與地軸相互垂直

相切投影:投影面與橢球體相切相割投影:投影面與橢球體相割第50頁第51頁三、地圖投影變形第52頁第53頁第54頁第55頁四、高斯--克呂格投影地圖投影(一)定義假定一個橢圓柱面橫切在橢球一條子午線(中央經(jīng)線)上,橢圓柱中心經(jīng)過地球橢球中心,然后按等角條件將中央經(jīng)線兩側一定正負經(jīng)差范圍內區(qū)域投影到橢圓柱面上,再將圓柱面展平而得到投影。是等角橫切圓柱投影。第56頁等角軸子午線投影為一條直線軸子午線投影無長度變形不是透視投影特點第57頁分帶投影:除中央經(jīng)線外,其余經(jīng)線均為向兩極收斂弧線,距中央經(jīng)線越遠,變形越大,為使邊緣變形不致過大,采取分帶投影方法。(二)投影分帶概念

所謂分帶就是按一定經(jīng)差(6度或3度)將橢球體劃分為若干個狹窄區(qū)域,使各區(qū)域按高斯投影規(guī)律進行投影,每個區(qū)域稱為一個投影帶。投影帶編號從經(jīng)度0度開始自西向東開始編號。

怎樣處理遠離軸子午線經(jīng)線變形問題?第58頁1、3o投影帶3o投影帶是從東經(jīng)算起,每3o投影一次,全球共分為120個投影帶,向東依次編號。我國位于三度帶第24帶至第45帶之間。設n為三度帶代號,則中央子午線經(jīng)度:L0=3n

2、6o投影帶從東經(jīng)0o算起,每6o投影一次,全球共分60個投影帶,編號從0o開始,自西向東,從1至60。赤道長度變形小于0.14%,面積最大變形小于0.27%。中央經(jīng)線經(jīng)度:L0=6n-3

第59頁0°

1°30'6°12°18°24°123412345678高斯-克呂格投影分帶示意圖第60頁坐標系建立例X=3380.24kmY=3.75km其中20為帶號,中央經(jīng)線經(jīng)度=6n-3=117為確保y坐標值為正,縱軸(x軸)西移500公里。因為經(jīng)度10對應赤道弧長為111公里左右,所以縱軸西移后y坐標永遠為正值。另外,不一樣投影帶點可能含有相同坐標,為了區(qū)分其所屬投影帶,在橫坐標前加注帶號,前兩位是帶號。第61頁(二)高斯投影正算公式已知某一點在橢球面上大地坐標(B,L),求其在高斯平面上坐標(x,y),稱為高斯投影正算。數(shù)學關系普通表示為:x=F1(B,L)y=F2(B,L)(三)高斯投影反變換依據(jù)一點在高斯平面上坐標x、y計算該點在橢球面上大地坐標B、L,稱為高斯投影反算。函數(shù)關系以下:

第62頁(四)換帶計算1、普通應用

分帶投影帶來了連續(xù)問題。為處理此問題,在制作地形圖時在兩帶之間設重合部分,每個帶向東加寬,向西加寬,所以一個投影帶實際寬度是軸子午線以東、以西。在兩相鄰帶公共邊緣子午線附近有寬重合部分。在該重合范圍內,同一大地點,要計算兩組坐標,一組屬于東帶,另一組屬于西帶。在重合范圍同一幅地形圖,也繪制兩套坐標以供選擇使用。

第63頁2、換帶計算

利用高斯投影公式進行換帶計算,分兩步進行:第一步,先把某點一帶平面坐標(x1、y1)利用投影反算公式計算為大地坐標(B、L);第二步,在由大地坐標(B、L)利用投影正算公式計算為另一帶平面坐標(x2、y2)。即:第64頁2.4地形圖分幅與編號一.地圖特點1、儲存在紙、薄膜等介質上2、有定性也有定量3、按一定地理區(qū)域框架分幅4、按一定百分比尺和投影繪制5、都是按點、線、面和一定符號顏色文字圖例來表示空間信息6、地圖表示限制了一定空間信息容量,真實信息量大大壓縮了7、空間信息一旦進入地圖,就極難對它進行處理和分析8、地圖只能是隨一定空間信息在某一特定時間“靜止地表示”9、地圖是地理信息系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)源,使輸出形式第65頁二.地圖分類按內容分按百分比尺分按制圖區(qū)域分按地圖結構分按地圖用途分普通地圖專用地圖第66頁二.地圖分類按內容分按百分比尺分按制圖區(qū)域分按地圖結構分按地圖用途分大百分比尺地圖:百分比尺大于等于1:10萬中百分比尺地圖:百分比尺在1;10萬到1:100萬小百分比尺地圖:百分比尺小于等于1:100萬第67頁二.地圖分類按內容分按百分比尺分按制圖區(qū)域分按地圖結構分按地圖用途分世界地圖半球地圖大陸地圖海洋地圖國家地圖省市區(qū)地圖等第68頁二.地圖分類按內容分按百分比尺分按制圖區(qū)域分按地圖結構分按地圖用途分線畫地圖影像地圖第69頁二.地圖分類按內容分按百分比尺分按制圖區(qū)域分按地圖結構分按地圖用途分軍用圖交通圖旅游圖飛行圖行政區(qū)圖第70頁三.地圖坐標1.地理坐標(大地坐標)全球統(tǒng)一坐標,用經(jīng)度緯度表示2.平面直角坐標系我國地形圖采取高斯-克呂格投影坐標系第71頁四.地形圖分幅與編號1.1:100萬地形圖分幅編號經(jīng)差6度、緯差4度;緯度60度~76度為經(jīng)差12度、緯差4度;緯度76度~88度之間經(jīng)差24度、緯差4度。分幅編號:①從經(jīng)度180度起自西向東每經(jīng)差6度為一列,依次用阿拉伯數(shù)字1,2,3,……,表示對應列號;②從赤道算起,每緯差4度為一行,至南、北緯88度各分為22行,依次用大寫字母A、B、C、……V表示對應行號。

第72頁由經(jīng)線和緯線所圍成每個梯形小格為一幅1:100萬地形圖,編號由其所在行號和列號組合而成。如北京為J50。注意:(1)投影帶分帶號與百分之一地形圖分幅縱行相差30。(2)我國小于百萬分之一地圖(含百萬分之一)用等角圓錐投影,大于50萬分之一地圖都用高斯克呂格投影。

第73頁第74頁舊地形圖編號一個:1︰100萬:J-501︰50萬:在1︰100萬上分4幅J-50-A1︰25萬:在1︰100萬上分16幅J-50-A-a1︰20萬:在1︰100萬上分36幅J-50-A-[1]

1︰10萬:在1︰100萬上分144幅J-50-1441︰5萬:在1︰10萬上分4幅J-50-144-A1︰2.5萬:在1︰10萬上分16幅J-50-144-A-101︰1萬:在1︰10萬上分64幅J-50-144-A-[1]1︰5千:在1︰10萬上分256幅J-50-144-A-[200]2.20世紀90年代以前地形圖編號(不規(guī)范)第75頁3.20世紀90年代后地形圖編號1:50萬~1:5千地形圖編號均以1:100萬地形圖編號為基礎組成:其所在1:100萬地形圖圖號、百分比尺代碼和各圖幅行列號(共10位)

百分比尺1:5000001:2500001:1000001:500001:250001:100001:5000代碼BCDEFGH百分比尺代碼行列號用三位阿拉伯數(shù)字表示,不足前面補零,行號在前、列號在后

第76頁例1.1:50萬地形圖編號J50B001001;J50B001002;J50B00;J50B00。o36o380o40o117o120o0010010000001002J50第77頁例21:25萬地形圖編號J50C001001;J50C001002;J50C001003;J50C001004;……J50C004001;…J50C00400438o37o39o115o30′118o30′004002004001004003004004003001003002003004003003J5000100100100300100400100200000000第78頁例31:10萬地形圖編號J50D001001;J50D001002......J50D01;J50D01......J50D01;J50D0136o120o117o114o40o39o38o37o經(jīng)差6o緯差4o例41:5萬地形圖編號J50E001001;J50E001002......J50E024001;J50E024002......J50E024023;J50E024024第79頁三.編號應用公式1、已知圖幅某點經(jīng)、緯度或圖幅西南圖廓點經(jīng)緯度,計算其編號⑴1:100萬地形圖圖幅編號計算公式

a

=

[φ/4o]+1

b=

[λ/6o]+31其中:[]---表示商取整;a----1:100萬地形圖圖幅所在緯度帶字符碼所對應數(shù)字碼;b----1:100萬地形圖圖幅所在經(jīng)度帶對應數(shù)字碼;λ----圖幅內某點經(jīng)度或圖幅西南圖廓點經(jīng)度;φ----圖幅內某點緯度或圖幅西南圖廓點緯度。第80頁例1:某點經(jīng)度為114o33′45″,緯度為39o22′30″,計算其所在圖幅編號。

a=[39o22′30″/4o]+1=10(字母J)b=[114o33′45″/6o]+31=50該點在1:100萬地形圖圖號為J-50。第81頁⑵其它百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后行列號

c=4o/Δφ-[(φ/4o)/Δφ]

d

=[(λ/6o)/Δλ]+1其中:()----表示商取余;[]----表示商取整;c----所求百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后行號;d----所求百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后列號;λ----圖幅內某點經(jīng)度或圖幅西南圖廓點經(jīng)度;φ----圖幅內某點緯度或圖幅西南圖廓點緯度;Δλ----所求百分比尺地形圖分幅經(jīng)差;Δφ----所求百分比尺地形圖分幅緯差。第82頁1:50萬:Δφ=2oΔλ=3oc=4o/2o-[(39o22′30″/4o)/2o]=2-[3o22′30″/2o]=001

d=

[(114o33′45″/6o)/3o]+1=[33o45″/3o]+1=001所以圖號為J50B001001例2經(jīng)度114o33′45″,緯度39o22′30″計算各百分比尺地形圖編號。1:25萬:Δφ=1oΔλ=1o30′c=4o/1o-[(39o22′30″/4o)/1o]=4-[3o22′30″/1o]=001d=[(114o33′45″/6o)/1o30′]+1=[33o45″/1o30′]+1=0011:25萬地形圖圖號為J50C001001第83頁1:10萬:Δφ=20′Δλ=30′c=

4o/20′-[(39o22′30″/4o)/20′]=12-[3o22′30″/20′]=002d=

[(114o33′45″/6o)/30′]+1=[33o45″/30′]+1=0021:10萬地形圖圖號為J50D001:5萬:Δφ=10′Δλ=15′c=4o/10′-[(39o22′30″/4o)/10′]=24-[3o22′30″/10′]=004d=[(114o33′45″/6o)/15′]+1=[33o45″/15′]+1=0031:5萬地形圖圖號為J50E004003第84頁1:2.5萬:Δφ=5′Δλ=7′30″c=4o/5′-[(39o22′30″/4o)/5′]=48-[3o22′30″/5′]=008d=[(114o33′45″/6o)/7′30″]+1=[33o45″/7′30″]+1=0051:2.5萬地形圖圖號為J50F008005第85頁1:1萬:Δφ=2′30″Δλ=3′45″c=4o/2′30″-[(39o22′30″/4o)/2′30″]=96-[3o22′30″/2′30″]=015d=[(114o33′45″/6o)/3′45″]+1=[33o45″/3′45″]+1=0101:1萬地形圖圖號為J50G0150101:5千:Δφ=1′15″Δλ=1′52.5″

c=

4o/1′15″-[(39o22′30″/4o)/1′15″]=192-[3o22′30″/1′15″]=030

d=[(114o33′45″/6o)/1′52.5″]+1=[33o45″/1′52.5″]+1=0191:5千地形圖圖號為J50H030019第86頁2、已知圖號計算該圖幅西南圖廓點

經(jīng)、緯度λ=(b-31)×6o+(d-1)×Δλφ=(a-1)×4o+(4o/Δφ-c)×Δφ式中:λ—圖幅西南圖廓點經(jīng)度;φ—圖幅西南圖廓點緯度。a—1:100萬地形圖圖幅所在緯度帶字符碼所對應數(shù)字碼;b—1:100萬地形圖圖幅所在經(jīng)度帶數(shù)字碼;c—該百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后行號;d—該百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后列號;Δλ—所求百分比尺地形圖分幅經(jīng)差;Δφ—所求百分比尺地形圖分幅緯差。第87頁例1:圖號為J50B001001,計算其西南圖廓點經(jīng)、緯度。a=10;b=50;c=1;d=1;Δφ=2o;Δλ=3oλ=(50–31)×6o+(1

1)×3o=114oφ=(10–1)×4o+(4o/2o

1)×2o=38o該圖幅西南圖廓點經(jīng)、緯度分別為114o、38o例2:圖號為J50D00,計算其西南圖廓點經(jīng)、緯度。a=10;b=50;c=2;d=2;Δφ=20′;Δλ=30′λ=(50–31)×6o+(2–1)×30′=114o30′φ=(10–1)×4o+(4o/20′–2)×20′=39o20′該圖幅西南圖廓點經(jīng)、緯度分別為114o30′、39o20′第88頁A:西北角圖幅行、列號按下式計算:c大=Δφ小/Δφ大×(c小-1)+1

d大=Δφ小/Δφ大×(d小-1)+13、在同一幅1:100萬地形圖圖幅內38o37o39o115o30′118o30′004002004001004003004004003001003002003004003003J5000100100100300100400100200000000(1)小百分比尺地形圖行、列號計算大百分比尺地形圖行、列號第89頁B:東南角圖幅行、列號按下式計算:

c大=c小×Δφ小/Δφ大

d大=d小×Δφ小/Δφ大c大----較大百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后行號;d大----較大百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后列號;c小----較小百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后行號;d小----較小百分比尺地形圖在1:100萬地形圖圖號后列號;Δφ大----較大百分比尺地形圖分幅緯差;Δφ小----較小百分比尺地形圖分幅緯差。第90頁例1:10萬地形圖行、列號為004001,求所含1:25000地形圖行、列號。c小=4;d小

=1;Δφ小=20′;Δφ大=5′西北角圖幅行、列號:c大=20′/5′×(4-1)+1=013d大=20′/5′×(1-1)+1=001東南角圖幅行、列號:c大=4×20′/5′=016d大=1

×20′/5′=004所含1:2.5萬地形圖行、列號為:01300101300201300301300401400101400201400301400401500101500

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