【培训课件】地图的数学基础(共98张).pptx
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1、新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 1 为了了解地球的形状,让我们由远及近地观察一下地球的自然表面。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础浩瀚宇宙之中 : 地球是一个表面光滑、蓝色美丽的正球体。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础地表是一个有些微起伏、极其复杂的表面。 珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近20km。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础事实是: 地球不是一个正球体,而是一个极半径略短、赤道半径略长,北极略突出、南极略扁平,近于梨形的椭球体。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础当海洋静止时,自由水面与该面上各点的重力方向(铅垂线)成正交,这个面叫水准面。 在众多的水
2、准面中,有一个与静止的平均海水面相重合,并假想其穿过大陆、岛屿形成一个闭合曲面,这就是大地水准面。它实际是一个起伏不平的重力等位面地球物理表面。它所包围的形体称为大地体。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础1. 地球形体的一级逼近:对地球形状的很好近似,其面上高出与面下缺少的相当。2. 起伏波动在制图学中可忽略: 对大地测量和地球物理学有研究价值,但在制图业务中,均把地球当作正球体。3. 重力等位面: 可使用仪器测得海拔高程(某点到大地水准面的高度)。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体,这个旋转椭球体通常称为 地球椭球体,简称 椭球体。 它是一
3、个规则的数学表面,所以人们视其为 地球体的数学表面,也是对地球形体的二级逼近,用于测量计算的基准面。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础椭球体 三要素: 长轴 a(赤道半径)、短轴 b(极半径)和椭球的扁率 fEquatorial AxisPolar AxisNorth PoleSouth PoleEquatorabWGS world geodetic system 84 ellipsoid:a = 6 378 137mb = 6 356 752.3mequatorial diameter = 12 756.3kmpolar diameter = 12 713.5kmequatorial c
4、ircumference = 40 075.1kmsurface area = 510 064 500km2 a - b 6378137 - 6356752.3f = = a 6378137 1 = 298.257 f对 a,b,f 的具体测定就是近代大地测量的一项重要工作。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 对地球形状 a,b,f 测定后,还必须确定大地水准面与椭球体面的相对关系。即确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体 参考椭球体,这项工作就是参考椭球体定位。 通过数学方法将地球 椭球体摆到与大地水准面 最贴近的位置上,并求出 两者各点间的偏差,从数 学上给出对地球形状的三
5、级逼近。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 由于国际上在推求年代、方法及测定的地区不同,故地球椭球体的元素值有很多种。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 中国1952年前采用海福特(Hayford)椭球体 ; 19531980年采用克拉索夫斯基椭球体(坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台) ; 自1980年开始采用 GRS 1975(国际大地测量与地球物理学联合会 IUGG 1975 推荐)新参考椭球体系,并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点。陕西省泾阳县永乐镇北洪流村为 “1980西安坐标系西安坐标系” 大地坐标的起算点大地原点。新编地图学教程 第2章 地
6、图的数学基础 地球表面上的定位问题,是与人类的生产活动、科学研究及军事国防等密切相关的重大问题。具体而言,就是球面坐标系统的建立。2 用经纬度表示地面点位的球面坐标。 天文经纬度 大地经纬度 地心经纬度新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 天文经纬度:表示地面点在上的位置,用天文经度和天文纬度表示。天文经度:观测点天顶子午面与格林尼治天顶子午面间的两面角。 在地球上定义为本初子午面与观测点之间的两面角。天文纬度: 在地球上定义为铅垂线与赤道平面间的夹角。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 大地经纬度:表示地面点在上的位置,用大地经度l 、大地纬度 和大地高 h 表示。大地经度l l :指
7、参考椭球面上某点的大地子午面与本初子午面间的两面角。东经为正,西经为负。大地纬度 :指参考椭球面上某点的垂直线(法线)与赤道平面的夹角。北纬为正,南纬为负。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 地心经纬度:即以地球椭球体质量中心为基点,地心经度同大地经度l ,地心纬度是指上某点和椭球中心连线与赤道面之间的夹角y 。 在大地测量学中,常以天文经纬度定义地理坐标。 在地图学中,以大地经纬度定义地理坐标。 在地理学研究及地图学的小比例尺制图中,通常将椭球体当成正球体看,采用地心经纬度。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 1.中国的大地坐标系 1980年以前:参见电子教案本章第十三页; 1980
8、年选用1975年国际大地测量协会推荐的参考 椭球:ICA-75椭球参数a = 6 378 140mb = 6 356 755mf = 1/298.257新编地图学教程 第2章 地图的数学基础2.中国的大地控制网平面控制网 : 按统一规范,由精确测定地理坐标的地面点组成,由三角测量或导线测量完成,依精度不同,分为四等。 由平面控制网和高程控制网组成,控制点遍布全国各地。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础高程控制网 : 按统一规范,由精确测定高程的地面点组成,以水准测量或三角高程测量完成。依精度不同,分为四等。中国高程起算面是 黄海平均海水面。1956年在青岛观象山设立了水准原点,其他各控制点
9、的绝对高程均是据此推算,称为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布:启用1985国家高程基准取代黄海平均海水面其比黄海平均海水面上升 29毫米。 青岛观象山水准原点 新编地图学教程 第2章 地图的数学基础绝对高程相对高程国家水准原点 国家测绘局新编地图学教程 第2章 地图的数学基础平面控制网国家测绘局新编地图学教程 第2章 地图的数学基础高程控制网国家测绘局新编地图学教程 第2章 地图的数学基础水准面示意图国家测绘局新编地图学教程 第2章 地图的数学基础GPS控制网国家测绘局新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 授时与测距导航系统/全球定位系统 (Navigation Satelli
10、te Timing and Ranging/Global Positioning System-GPS):是以人造卫星为基础的无线电导航系统,可提供高精度、全天候、实时动态定位、定时及导航服务。 新编地图学教程 第2章 地图的数学基础1. GPS系统由三个独立的部分组成空间部分空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星(白色)。它们在高度20 200km的近圆形轨道上运行,分布在六个轨道面上,轨道倾角55,两个轨道面之间在经度上相隔60,每个轨道面上布放四颗卫星。卫星在空间的这种配置,保障了在地球上任意地点,任意时刻,至少同时可见到四颗卫星。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 地面支撑系统地面
11、支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。它向GPS导航卫星提供一系列描述卫星运动及其轨道的参数;监控卫星沿着预定轨道运行;保持各颗卫星处于GPS时间系统及监控卫星上各种设备是否正常工作等。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础用户设备部分用户设备部分:GPS接收机接收卫星信号,经数据处理得到接收机所在点位的导航和定位信息。通常会显示出用户的位置、速度和时间。还可显示一些附加数据,如到航路点的距离和航向或提供图示。 新编地图学教程 第2章 地图的数学基础2. GPS系统定位原理数据,组成3个方程式,就可以解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未
12、知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式以求解,从而得到观测点经纬度和高程。 通过测量卫星信号到达接收机的时间延迟,即可算出用户到卫星的距离。再根据三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星的新编地图学教程 第2章 地图的数学基础3.常用GPS测量模式 常规静态测量:采用两台(或两台以上)GPS接收机,分别安置在一条或数条基线的两端,同步观测4颗以上卫星,每时段根据基线长度和测量等级观测45分钟以上的时间。常用于建立全球性或国家级大地控制网、地壳运动监测网 。快速静态测量:这种模式是在一个已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机依次到各待测测站
13、,每测站观测数分钟。这种模式常用于控制网的建立及其加密、工程测量、地籍测量等。 这种方法要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km。静态测量模式新编地图学教程 第2章 地图的数学基础准动态测量 在一已知测站上安置一台GPS接收机作为基准站,连续跟踪所有可见卫星。移动站接收机在进行初始化后依次到各待测测站,每测站观测几个历元数据。这种方法不同于快速静态,除观测时间不一样外,它要求移动站在搬站过程中不能失锁,并且需要先在已知点或用其它方式进行初始化(采用有OTF功能的软件处理时例外)。这种模式可用于开阔地区的加密控制测量、工程定位及碎部测量、剖面测量及线路测量等
14、。 要求在观测时段内确保有5颗以上卫星可供观测;流动点与基准点相距应不超过20km。动态测量模式新编地图学教程 第2章 地图的数学基础实时动态测量:DGPS和RTK 在一个已知测站上架设GPS基准站接收机和数据链,连续跟踪所有可见卫星,并通过数据链向移动站发送数据。移动站接收机通过移动站数据链接收基准站发射来的数据,并在机进行处理,从而实时得到移动站的高精度位置。 DGPS通常叫做实时差分测量,精度为亚米级到米级,这种 方式是基准站将基准站上测量得到的RTCM数据通过数据链传输到移动站,移动站接收到RTCM数据后,自动进行解算,得到经差分改正以后的坐标。 RTK 则是以载波相位观测量为根据的实
15、时差分GPS测量,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。它的工作思路与DGPS相似,只不过是基准站将观测数据发送到移动站(而不是发射RTCM数据),移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理,从而得到精度比DGPS高得多的实时测量结果。这种方法的精度一般为2cm左右。 新编地图学教程 第2章 地图的数学基础3 地球椭球体表面是不可展曲面,要将曲面上的客观事物表示在有限的平面图纸上,必须经过由曲面到平面的转换。 地图投影: 在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法,称为地图投影。 地图投影的实质: 是将地球椭球面上的经纬线网按照一定的数学法则转移到平面上。x = f1( , l
16、 ) y = f2( , l )新编地图学教程 第2章 地图的数学基础新编地图学教程 第2章 地图的数学基础 1. 地图比例尺的含义地图比例尺:地图上一直线段长度与地面相应直线水平投影长度之比。 可表达为(d为图上距离,D为实地距离) 根据地图投影变形情况,地图比例尺分为:主比例尺 : 在投影面上没有变形的点或线上的比例尺。局部比例尺: 在投影面上有变形处的比例尺。1dDM新编地图学教程 第2章 地图的数学基础2. 地图比例尺的表示 数字式比例尺 如 1:10 000 文字式比例尺 如 百万分之一 图解式比例尺 直线比例尺 斜分比例尺 复式比例尺 特殊比例尺 变比例尺 无级别比例尺新编地图学教
17、程 第2章 地图的数学基础1. 投影变形的概念 把地图上和地球仪上的经纬线网进行比较,可以发 现变形表现在长度、面积和角度三个方面。新编地图学教程 第2章 地图的数学基础2.变形椭圆XmX为经线长度比;为纬线长度比YnY新编地图学教程 第2章 地图的数学基础微小圆变形椭圆 该方程证明: 地球面上的微小圆,投影后通常会变为椭圆,即: 以O为原点,以相交成q角的两共轭直径为坐标轴的椭圆方程式。代入: X2 + Y2 = 1,得得XmXYnY22221XYmn新编地图学教程 第2章 地图的数学基础特别方向:特别方向: 变形椭圆上相互垂直的两个方向及经向和纬向 长轴方向(极大值)a短轴方向(极小值)b
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