第四章 地球椭球数学投影的基本理论.ppt

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1、 第四章第四章 地球椭球数学投影的基本理论地球椭球数学投影的基本理论14.1地球椭球基本参数及其互相关系地球椭球基本参数及其互相关系 地球椭球是选择的旋转椭球地球椭球是选择的旋转椭球,旋转椭球的形状和大小旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基本几何参数常用子午椭圆的五个基本几何参数(或称元素或称元素):):长半轴长半轴 短半轴短半轴 椭圆椭圆的扁率的扁率 椭圆椭圆的第一偏心率的第一偏心率 椭圆椭圆的第二偏心率的第二偏心率 通常用通常用a,2为简化书写，还常引入以下符号椭球基本参数及其互相关系椭球基本参数及其互相关系34.2 椭球面上常用坐标系及其关系椭球面上常用坐标系及其关系4.2.1 各种

2、坐标系的建立各种坐标系的建立1、大地坐标系、大地坐标系大地经度大地经度B 大地纬度大地纬度L 大地高大地高H 42、空间直角坐标系空间直角坐标系 坐标原点坐标原点位于总地球椭球位于总地球椭球(或参考椭球或参考椭球)质心；质心；Z Z轴轴与地球与地球平均自转轴相重合，亦即指向某一时刻的平均北极点；平均自转轴相重合，亦即指向某一时刻的平均北极点；X X轴轴指向平均自转轴与平均格林尼治天文台所决定的子午面与赤指向平均自转轴与平均格林尼治天文台所决定的子午面与赤道面的交点道面的交点G G；Y Y轴轴与此平面垂直，且指向东为正。与此平面垂直，且指向东为正。地心空间直角系与参心空间直角坐标系之分地心空间直

3、角系与参心空间直角坐标系之分。常用坐标系及其关关系常用坐标系及其关关系53、子午面直角坐标系子午面直角坐标系 设设P点的大地经度为点的大地经度为L，在过在过P点的子午面上，以点的子午面上，以子午圈椭圆中心为原点，建立子午圈椭圆中心为原点，建立x,y平面直角坐标系。在平面直角坐标系。在该坐标系中，该坐标系中，P点的位置用点的位置用L,x,y表示。表示。常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系64、地心纬度坐标系及归化纬度坐标系、地心纬度坐标系及归化纬度坐标系 设椭球面上设椭球面上P点的大地经度点的大地经度L，在此子午面上以椭圆在此子午面上以椭圆中心中心O为原点建立为原点建立地心纬度坐标系地心纬度坐标

4、系;以椭球长半径以椭球长半径a为半为半径作辅助圆，延长径作辅助圆，延长与辅助圆相交与辅助圆相交点，则点，则OP与与x轴夹角称为轴夹角称为P点的点的归化纬度归化纬度u。常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系7常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系5 5、大地极坐标系、大地极坐标系 M是椭球面上一点，是椭球面上一点，MN是过是过M的子午线，的子午线，S为连接为连接MP的大地线长，的大地线长，A为大地线在为大地线在M点的方位角。点的方位角。以以M为极点；为极点；MN为极轴；为极轴；P点极坐标为（点极坐标为（S,A)8常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系4.2.2 坐标系之间的相互关系坐标系之间的相互关系

5、子午平面坐标系同大地坐标系的关系 9常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系 令令:pn=N10常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系l空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系11常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系 l空间直角坐标系同大地坐标系空间直角坐标系同大地坐标系在椭球面上的点：在椭球面上的点：不在椭球面上的点：不在椭球面上的点：12常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系l由空间直角坐标计算相应大地坐标由空间直角坐标计算相应大地坐标13B、u、之间的关系之间的关系 B和u之间的关系 常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系14常用坐标系及其关系常用坐标系及其关系n

6、U、之间的关系之间的关系n、之间的关系之间的关系n 大地纬度、地心纬度、归化纬度之间的差异很小，经大地纬度、地心纬度、归化纬度之间的差异很小，经过计算，当过计算，当B=45时时154.3 椭球面上的几种曲率半径椭球面上的几种曲率半径 过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法线，包含这条法线的平面叫作 法截面法截面，法截面与椭球面的交线叫法截线法截线。子午圈曲率半径16椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径17椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径18卯酉圈曲率半径(N)卯酉圈卯酉圈:过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面，过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面，其中一个与该点子午面相垂直

7、的法截面同椭球面相截其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。形成的闭合的圈称为卯酉圈。麦尼尔定理麦尼尔定理:假设通过曲面上一点引两条截弧，一为法截弧，假设通过曲面上一点引两条截弧，一为法截弧，一为斜截弧，且在该点上这两条截弧具有公共切线，一为斜截弧，且在该点上这两条截弧具有公共切线，这时斜截弧在该点处的曲率半径等于法截弧的曲率半这时斜截弧在该点处的曲率半径等于法截弧的曲率半径乘以两截弧平面夹角的余弦径乘以两截弧平面夹角的余弦。椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径19椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径20卯酉圈曲率半径的特点卯酉圈曲率半径的特点:卯卯酉酉

8、圈圈曲曲率率半半径径恰恰好好等等于于法法线线介介于于椭椭球球面面和和短短轴轴之之间间的的长长度度，亦亦即即卯卯酉酉圈圈的的曲曲率率中中心心位位在在椭椭球球的的旋旋转转轴上。轴上。椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径21主曲率半径的计算主曲率半径的计算 以以上上讨讨论论的的子子午午圈圈曲曲率率半半径径M M及及卯卯酉酉圈圈曲曲率率半半径径N N，是是两两个个互互相相垂垂直直的的法法截截弧弧的的曲曲率率半半径径，这这在在微微分分几几何何中中统称为主曲率半径。统称为主曲率半径。椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径22椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径23椭球面上几种曲率半径椭球面上几种

9、曲率半径2425任意法截弧的曲率半径任意法截弧的曲率半径 椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径26 任意法截弧的曲率半径的变化规律:不仅与点的纬度不仅与点的纬度B有关，而且还与过该点的法有关，而且还与过该点的法截弧的方位角截弧的方位角A有关。有关。当当时，变为计算子午圈曲率半径的，即时，变为计算子午圈曲率半径的，即；当当90时，为卯酉圈曲率半径，即时，为卯酉圈曲率半径，即。主曲率半径主曲率半径M及及N分别是分别是的极小值和极大值的极小值和极大值。当当A由由090时，时，之值由之值由，当，当A由由90180时，时，值由值由N，可见，可见值的变化是以值的变化是以90为周期且与子午圈和卯酉圈对称

10、的。为周期且与子午圈和卯酉圈对称的。椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径27l 平均曲率半径平均曲率半径 椭球面上任意一点的平均曲率半径椭球面上任意一点的平均曲率半径 R R 等于该点子午等于该点子午圈曲率半径圈曲率半径M M和卯酉圈曲率半径和卯酉圈曲率半径N N的几何平均值。的几何平均值。椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径28M，N，R的关系 椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径29对于克拉索夫斯基椭球椭球面上几种曲率半径椭球面上几种曲率半径304.4 椭球面上的弧长计算椭球面上的弧长计算子午线弧长计算公式子午线弧长计算公式 31椭球面上的弧长计算椭球面上的弧长计算32椭球面上

11、几种曲率半径椭球面上几种曲率半径33如如果果以以B B9090代代入入，则则得得子子午午椭椭圆圆在在一一个个象象限限内内的的弧弧长长约约为为10 10 002 002 137137m m。旋旋转转椭椭球球的的子子午午圈圈的的整整个个弧弧长长约约为为40 40 008 008 549.995549.995m m。即即一一象象限限子子午午线线弧弧长长约约为为10 10 000000kmkm，地球周长约为地球周长约为40 00040 000kmkm。为求子午线上两个纬度为求子午线上两个纬度B及间的弧长，只需按及间的弧长，只需按(11.42)式分别算出相应的式分别算出相应的X及及X，而后取差：而后取差

12、：，该，该即为所求的弧长。即为所求的弧长。当弧长甚短当弧长甚短(例如例如X40kmX40km，计算精度到计算精度到0.0010.001m)m)，可视可视子午弧为圆弧，而圆的半径为该圆弧上平均纬度点的子子午弧为圆弧，而圆的半径为该圆弧上平均纬度点的子午圈的曲率半径午圈的曲率半径M M 椭球面上的弧长计算椭球面上的弧长计算34由子午弧长求大地纬度 迭代解法迭代解法:平行圈弧长公式 椭球面上的弧长计算椭球面上的弧长计算35椭球面上的弧长计算椭球面上的弧长计算 子午线弧长和平行圈弧长变化的比较子午线弧长和平行圈弧长变化的比较364.5 大地线大地线 两点间的最短距离，在平面上是两点间的直线，在两点间的

13、最短距离，在平面上是两点间的直线，在球面上是两点间的大圆弧，那么在椭球面上又是怎样的球面上是两点间的大圆弧，那么在椭球面上又是怎样的一条线呢一条线呢?它应是大地线。它应是大地线。相对法截线相对法截线 37相对法截线相对法截线 大地线大地线38相对法截线的特点相对法截线的特点:当当A，B两点位于同一子午圈或同一平行圈上时，两点位于同一子午圈或同一平行圈上时，正反法截线则合二为一。正反法截线则合二为一。在通常情况下，正反法截线是不重合的。因此在通常情况下，正反法截线是不重合的。因此在椭球面上在椭球面上A，B，C三个点处所测得的角度三个点处所测得的角度(各点上正法截线之夹角各点上正法截线之夹角)将不

14、能构成闭合三角将不能构成闭合三角形。为了克服这个矛盾，在两点间另选一条单形。为了克服这个矛盾，在两点间另选一条单一的大地线代替相对法截线，从而得到由大地一的大地线代替相对法截线，从而得到由大地线构成的单一的三角形。线构成的单一的三角形。大地线大地线39大地线大地线大地线的定义和性质大地线的定义和性质椭球面上两点间的最短程曲线叫椭球面上两点间的最短程曲线叫大地线大地线。40 大地线的性质大地线的性质:大地线是两点间惟一最短线，而且位于相对法大地线是两点间惟一最短线，而且位于相对法截线之间，并靠近正法截线，它与正法截线间截线之间，并靠近正法截线，它与正法截线间的夹角的夹角 在椭球面上进行测量计算时

15、，应当以两点间的在椭球面上进行测量计算时，应当以两点间的大地线为依据。在地面上测得的方向、距离等，大地线为依据。在地面上测得的方向、距离等，应当归算成相应大地线的方向、距离。应当归算成相应大地线的方向、距离。长度差异可忽略长度差异可忽略,方向差异需改化。方向差异需改化。大地线大地线41大地线的微分方程和克莱劳方程大地线的微分方程和克莱劳方程 大地线的微分方程大地线的微分方程42大地线的微分方程大地线的微分方程43大地线的微分方程大地线的微分方程大地线的克莱劳方程大地线的克莱劳方程 在旋转椭球面上，大地线各点的平行圈半径在旋转椭球面上，大地线各点的平行圈半径与大地线在该点的大地方位角的正弦的乘积

16、等于与大地线在该点的大地方位角的正弦的乘积等于常数。式中常数常数。式中常数C也叫大地线常数也叫大地线常数 44当大地线穿越赤道时当大地线穿越赤道时当大地线达极小平行圈时当大地线达极小平行圈时由克莱劳方程可以写出由克莱劳方程可以写出 454.6 将地面观测值归算至椭球面将地面观测值归算至椭球面 观测的基准线不是各点相应的椭球面的法线，而观测的基准线不是各点相应的椭球面的法线，而是各点的垂线，各点的垂线与法线存在着垂线偏差。是各点的垂线，各点的垂线与法线存在着垂线偏差。归算的两条基本要求：归算的两条基本要求：以椭球面的法线为基准；以椭球面的法线为基准；将地面观测元素化为椭球面上大地线的相应元素将地

17、面观测元素化为椭球面上大地线的相应元素。将地面观测的水平方向归算至椭球面将地面观测的水平方向归算至椭球面 将水平方向归算至椭球面上，包括垂线偏差改正、将水平方向归算至椭球面上，包括垂线偏差改正、标高差改正及截面差改正，习惯上称此三项改正为标高差改正及截面差改正，习惯上称此三项改正为三三差改正差改正。46垂线偏差改正垂线偏差改正 以测站以测站A为中心为中心作出单位半径的作出单位半径的辅助球辅助球,u是垂线是垂线偏差，它在子午偏差，它在子午圈和卯酉圈上的圈和卯酉圈上的分量分别以分量分别以,表示，表示，M是地面观测目标是地面观测目标m在球在球面上的投影。垂线偏差对水平方向的影响是面上的投影。垂线偏差

18、对水平方向的影响是(R-R1)地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面47标高差改正 地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面48截面差改正截面差改正 地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面49 将地面观测的长度归算至椭球面将地面观测的长度归算至椭球面 基线尺量距的归算基线尺量距的归算 将基线尺量取的长度加上测段倾斜改正后，将基线尺量取的长度加上测段倾斜改正后，可以认为它是基线平均高程面上的长度，以可以认为它是基线平均高程面上的长度，以表表示，现要把它归算至参考椭球面上的大地线长度示，现要把它归算至参考椭球面上的大地线长度S。1.1.垂线偏差对长度归算的影响垂线偏差对长度归算的影

19、响 地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面502.高程对长度归算的影响高程对长度归算的影响 地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面51电磁波测距的归算电磁波测距的归算 地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面52地面观测值归算至椭球面地面观测值归算至椭球面53 大地测量主题解大地测量主题解算算4.7.1 大地主题解算的一般说明大地主题解算的一般说明 主题解算分为主题解算分为:短距离短距离(400(400kmkm)中距离中距离(1000(1000km)km)长距离长距离(1000(1000kmkm以上以上)541.以大地线在大地坐标系中的微分方程为基础，直以大地线在大地坐标系中的

20、微分方程为基础，直接在地球椭球面上进行积分运算。接在地球椭球面上进行积分运算。主要特点：解算精度与距离有关，距离越长，收主要特点：解算精度与距离有关，距离越长，收敛越慢，因此只适用于较短的距离敛越慢，因此只适用于较短的距离 典型解法：典型解法：高斯平均引数法高斯平均引数法 大地测量主题解算大地测量主题解算552.以白塞尔大地投影为基础以白塞尔大地投影为基础1)1)按按椭椭球面上的已知球面上的已知值计值计算球面相算球面相应值应值，即，即实现椭实现椭球面球面 向球面的向球面的过过渡；渡；2)2)在球面上解算大地在球面上解算大地问题问题；3)3)按按球球面面上上得得到到的的数数值值计计算算椭椭球球面

21、面上上的的相相应应数数值值，即即实实现现从从圆圆球向球向椭椭球的球的过过渡。渡。典型解法：典型解法：白塞尔大地主题解算白塞尔大地主题解算 特点：特点：解算精度与距离长短无关，它既适用于短距离解算精度与距离长短无关，它既适用于短距离解算，也适用于长距离解算。可适应解算，也适用于长距离解算。可适应20 00020 000kmkm或更长的或更长的距离，这对于国际联测，精密导航，远程导弹发射等都距离，这对于国际联测，精密导航，远程导弹发射等都具有重要意义。具有重要意义。大地测量主题解算大地测量主题解算564.7.2 勒让德级数式勒让德级数式 为了计算为了计算 的级数展开式，关键问题是推求的级数展开式，

22、关键问题是推求各阶导数。各阶导数。大地测量主题解算大地测量主题解算57一阶导数：一阶导数：二阶导数：二阶导数：大地测量主题解算大地测量主题解算58三阶导数三阶导数 大地测量主题解算大地测量主题解算59 大地测量主题解算大地测量主题解算60 大地测量主题解算大地测量主题解算61 大地测量主题解算大地测量主题解算624.7.3 高斯平均引数正算公式高斯平均引数正算公式 高高斯斯平平均均引引数数正正算算公公式式推推导导的基本思想：的基本思想：首首先先把把勒勒让让德德级级数数在在 P P点点展展开开改改在在大大地地线线长长度度中中点点M M展展开开，以以使使级级数数公公式式项项数数减减少少，收收敛敛快

23、快，精精度度高高；其其次次，考考虑虑到到求求定定中中点点 M M 的的复复杂杂性性，将将 M M 点点用用大大地地线线两两端端点点平平均均纬纬度度及及平平均均方方位位角角相相对对应应的的 m m 点点来来代代替替，并并借借助助迭迭代代计计算算便便可可顺利地实现大地主题正解。顺利地实现大地主题正解。大地测量主题解算大地测量主题解算63(1)建立级数展开式建立级数展开式:大地测量主题解算大地测量主题解算64同理可得同理可得:(2)大地测量主题解算大地测量主题解算65 大地测量主题解算大地测量主题解算66 大地测量主题解算大地测量主题解算(3)由大地线微分方程依次求偏导数由大地线微分方程依次求偏导数

24、:67大地测量主题解算大地测量主题解算69同理可得：同理可得：大地测量主题解算大地测量主题解算70 注意：从公式可知，欲求，及，必先有及。但由于2和21未知，故精确值尚不知，为此须用逐次趋近的迭代方法进行公式的计算。除此之外，此方法适合与200公里以下的大地问题解算，其计算经纬计算精度可达到0.0001”,方位角计算精度可达到0.001”。714.7.4 高斯平均引数反算公式高斯平均引数反算公式 高斯平均引数反算公式可以依正算公式导出:上述两式的主式为:7273已知：求得：744.7.5 白塞尔大地主题解算方法白塞尔大地主题解算方法 白塞尔法解算大地主题的基本思想白塞尔法解算大地主题的基本思想

25、:以辅助球面为基础以辅助球面为基础,将椭球面三角形转换为辅将椭球面三角形转换为辅助球面的相应三角形助球面的相应三角形,由三角形对应元素关系由三角形对应元素关系,将椭将椭球面上的大地元素按照白塞尔投影条件投影到辅球面上的大地元素按照白塞尔投影条件投影到辅助球面上，然后在球面上进行大地主题解算，最助球面上，然后在球面上进行大地主题解算，最后再将球面上的计算结果换算到椭球面上。后再将球面上的计算结果换算到椭球面上。这种方法的关键问题是找出椭球面上的大地这种方法的关键问题是找出椭球面上的大地元素与球面上相应元素之间的关系式元素与球面上相应元素之间的关系式,同时也要解同时也要解决在球面上进行大地主题解算

26、的方法。决在球面上进行大地主题解算的方法。75在球面上进行大地主题解算在球面上进行大地主题解算 球面上大地主题正算球面上大地主题正算:已知已知 求解求解 球面上大地主题反算球面上大地主题反算:已知已知 求解求解761、球面三角元素间的相互关系、球面三角元素间的相互关系77 球面上大地主题正解78 球面上大地主题反解方法球面上大地主题反解方法 792 2 、椭球面和球面上坐标关系式、椭球面和球面上坐标关系式80在椭球面上与单位球面上的大地线微分方程为在椭球面上与单位球面上的大地线微分方程为:81白塞尔提出如下三个投影条件：白塞尔提出如下三个投影条件：1.1.椭球面大地线投影到球面上为大圆弧椭球面

27、大地线投影到球面上为大圆弧2.2.大地线和大圆弧上相应点的方位角相等；大地线和大圆弧上相应点的方位角相等；3.3.球球面面上上任任意意一一点点纬纬度度等等于于椭椭球球面面上上相相应应点点的的归归化纬度化纬度。8283以上为白塞尔微分方程以上为白塞尔微分方程.84 3 、白塞尔微分方程的积分白塞尔微分方程的积分8586积分得到下式：积分得到下式：87反算反算:正算正算:迭代法迭代法:直接法:88适合于反算:适合于正算:迭代法:直接法:8990将三角函数幂级数用倍角函数代替，合并同类项，积分。截去4倍角项，其值小于0.0001秒。91正算：正算：反算：反算：924 白塞尔法大地主题正算步骤白塞尔法

28、大地主题正算步骤 1.计算起点的归化纬度计算起点的归化纬度2.计算辅助函数值，解球面三角形可得计算辅助函数值，解球面三角形可得:3.3.按公式计算相关系数按公式计算相关系数A,B,CA,B,C以及以及,934.计算球面长度计算球面长度 迭代法:直接法:945.计算经度差改正数计算经度差改正数6.计算终点大地坐标及大地方位角计算终点大地坐标及大地方位角 95965 白塞尔法大地主题反算步骤白塞尔法大地主题反算步骤 1.1.辅助计算辅助计算972.用用逐逐次次趋趋近近法法同同时时计计算算起起点点大大地地方方位位角角、球球面面长长度度及及经差经差 ，第一次趋近时，取第一次趋近时，取。98计算下式计算

29、下式,重复上述计算过程重复上述计算过程2.3.计算大地线长度计算大地线长度S 4.计算反方位角计算反方位角991001014.8 地图数学投影变换的基本概念地图数学投影变换的基本概念 1、地图数学投影变换的意义和投影方程、地图数学投影变换的意义和投影方程 所谓地图数学投影，简略地说来就是将椭球面上元素所谓地图数学投影，简略地说来就是将椭球面上元素(包括坐标，方位和距离包括坐标，方位和距离)按一定的数学法则投影到平按一定的数学法则投影到平面上，研究这个问题的专门学科叫地图投影学。面上，研究这个问题的专门学科叫地图投影学。投影变换的基本概念投影变换的基本概念102 2、地图投影的变形地图投影的变形

30、1.长度比:长度比长度比m就是投影面上一段无限小的微分线段就是投影面上一段无限小的微分线段ds，与椭球面上相应的微分线段与椭球面上相应的微分线段dS二者之比。二者之比。不不同点上的长同点上的长度比不相同，而且同一点上不同方向的长度比也不相同度比不相同，而且同一点上不同方向的长度比也不相同 投影变换的基本概念投影变换的基本概念1032.主方向和变形椭圆主方向和变形椭圆 投影后一点的长度比依方向不同而变化。其中最大及最投影后一点的长度比依方向不同而变化。其中最大及最小长度比的方向，称为主方向。小长度比的方向，称为主方向。在椭球面的任意点上，必定有一对相互垂直的方向，它在椭球面的任意点上，必定有一对

31、相互垂直的方向，它在平面上的投影也必是相互垂直的。这两个方向就是长度比在平面上的投影也必是相互垂直的。这两个方向就是长度比的极值方向，也就是主方向。的极值方向，也就是主方向。投影变换的基本概念投影变换的基本概念104 投影变换的基本概念投影变换的基本概念 以定点为中心，以长度比的数值为向径，构成以两个长以定点为中心，以长度比的数值为向径，构成以两个长度比的极值为长、短半轴的椭圆，称为变形椭圆。度比的极值为长、短半轴的椭圆，称为变形椭圆。105 3.投影变形 1 1）长度变形长度变形 投影变换的基本概念投影变换的基本概念1062）方向变形方向变形 投影变换的基本概念投影变换的基本概念1073）角

32、度变形：角度变形：角度变形就是投影前的角度角度变形就是投影前的角度u u 与投影后对应角度与投影后对应角度u u之差之差 投影变换的基本概念投影变换的基本概念1084）面积变形：面积变形：P-1P-14.8.3 4.8.3 地图投影的分类地图投影的分类1.1.按变形性质分类按变形性质分类1 1）等角投影：投影前后的角度不变形，投影的长度比等角投影：投影前后的角度不变形，投影的长度比与方向无关，即某点的长度比是一个常数，又把等与方向无关，即某点的长度比是一个常数，又把等角投影称为正形投影。角投影称为正形投影。2）等积投影：投影前后的面积不变形等积投影：投影前后的面积不变形.3）任意投影：既不等角

33、，又不等积任意投影：既不等角，又不等积.投影变换的基本概念投影变换的基本概念1092.按经纬网投影形状分类按经纬网投影形状分类 1）方位投影方位投影 取一平面与椭球极点相切，取一平面与椭球极点相切，将极点附近区域投影在该将极点附近区域投影在该平面上。纬线投影后为以平面上。纬线投影后为以极点为圆心的同心圆，而极点为圆心的同心圆，而经线则为它的向径，且经经线则为它的向径，且经线交角不变。线交角不变。Light Source投影变换的基本概念投影变换的基本概念110 2）圆锥投影圆锥投影:取一圆锥面与椭球某条纬线相切，将纬取一圆锥面与椭球某条纬线相切，将纬圈附近的区域投影于圆锥面上，再将圆锥面沿某条

34、经线剪圈附近的区域投影于圆锥面上，再将圆锥面沿某条经线剪开成平面。开成平面。Standard LineTrue Length Exaggerated投影变换的基本概念投影变换的基本概念1113）圆柱圆柱(或椭圆柱或椭圆柱)投影投影 取圆柱取圆柱(或椭圆柱或椭圆柱)与椭球赤道相切，将赤道附近区域投与椭球赤道相切，将赤道附近区域投影到圆柱面影到圆柱面(或椭圆柱面或椭圆柱面)上，然后将圆柱或椭圆柱展开成上，然后将圆柱或椭圆柱展开成平面。平面。Standard LineTrue Length Exaggerated投影变换的基本概念投影变换的基本概念1123.3.按投影面和原面的相对位置关系分类按投影

35、面和原面的相对位置关系分类1)1)正正轴轴投投影影：圆圆锥锥轴轴(圆圆柱柱轴轴)与与地地球球自自转转轴轴相相重重合合的的投投影影，称称正正轴轴圆圆锥锥投投影影或正或正轴圆轴圆柱投影。柱投影。2)2)斜斜轴轴投投影影：投投影影面面与与原原面面相相切切于于除除极极点和赤道以外的某一位置所得的投影。点和赤道以外的某一位置所得的投影。3)3)横横轴轴投投影影：投投影影面面的的轴轴线线与与地地球球自自转转轴轴相相垂垂直直，且且与与某某一一条条经经线线相相切切所所得得的投影。比如横的投影。比如横轴椭圆轴椭圆柱投影等。柱投影等。除除此此之之外外，投投影影面面还还可可以以与与地地球球椭椭球球相相割割于于两两条

36、条标标准准线线，这这就就是是所所谓谓割割圆圆锥锥，割割圆圆柱柱投影等。投影等。投影变换的基本概念投影变换的基本概念1134.9 高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 1、高斯投影概述高斯投影概述v 控制测量对地图投影的要求控制测量对地图投影的要求 （1）采用等角投影）采用等角投影(又称为正形投影又称为正形投影)（2）长度和面积变形不大）长度和面积变形不大 （3）能按高精度的、简单的、同样的计算公式把各区）能按高精度的、简单的、同样的计算公式把各区域联成整体域联成整体 v 高斯投影描述高斯投影描述 高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系114高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 想象有一个椭圆柱面

37、横套在地球椭球体外面，并与某想象有一个椭圆柱面横套在地球椭球体外面，并与某一条子午线一条子午线(此子午线称为中央子午线或轴子午线此子午线称为中央子午线或轴子午线)相切，相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定投影方法，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定投影方法，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面面上，再将此柱面展开即成为投影面。115投影带：投影带：以中央子午线为轴，两边对称划出一定区域以中央子午线为轴，两边对称划出一定区域作为投影范围；作为投影范围；1）分带原则）分带原则 （1）限制

38、长度变形使其不大于测图误差；）限制长度变形使其不大于测图误差；（2）带数不应过多以减少换带计算工作。）带数不应过多以减少换带计算工作。l 我国规定按经差我国规定按经差6和和3进行投影分带。进行投影分带。高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系2）分带方法）分带方法116高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 6带带:自自0子午线起每隔经差子午线起每隔经差6自西向东分带，依次自西向东分带，依次编号编号1，2，3，60。我国。我国6带中央子午线的经度，由带中央子午线的经度，由73起每隔起每隔6而至而至135，共计，共计11带，带号用带，带号用n表示，中央子午线表示，中央子午线的经度用的经度用表示。表示。

39、带号及中央子午线经度的关系：带号及中央子午线经度的关系：3带带:自东经自东经1.5子午线起，每隔子午线起，每隔3设立一个投影带，设立一个投影带，依次编号为依次编号为1，2，3，120带；中央子午线经度依次带；中央子午线经度依次为为3,6,9,360。带号及中央子午线经度的关系：带号及中央子午线经度的关系：117 .5带或任意带带或任意带:工程测量控制网也可采用工程测量控制网也可采用.5带或任意带，但为了测量成果的通用，需同国家带或任意带，但为了测量成果的通用，需同国家6或或3带相联系。带相联系。n=L/3(四舍五入四舍五入)3高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系118高斯平面直角坐标系高斯平面

40、直角坐标系例：某控制点例：某控制点 P 点点按按3带：带：按按6带：带：119 在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线，并且以中央子午线和赤道的交点线，并且以中央子午线和赤道的交点O作为坐标原点，作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴，以赤道的投影为以中央子午线的投影为纵坐标轴，以赤道的投影为横坐标轴。横坐标轴。高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系120 6带与带与3带的区别与联系区别带的区别与联系区别 6带：从带：从 0子午线起划分，带宽子午线起划分，带宽6，用于中小比例，用于中小比例尺（尺（1：25000以下）测图；以下）测图；3带：从带：从

41、 1.5子午线起划分，带宽子午线起划分，带宽3，用于大比例尺，用于大比例尺（如（如1：10000）测图。）测图。3带是在带是在6带的基础上划分的，带的基础上划分的，6带的中央子午线及带的中央子午线及分带子午线均作为分带子午线均作为3带的中央子午线，其带的中央子午线，其奇数带奇数带的中的中央子午线与央子午线与6带带中央子午线中央子午线重合，重合，偶数带偶数带与与分带子午分带子午线线重合。重合。高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系121高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系l国家统一坐标国家统一坐标在我国在我国x坐标都是正的，坐标都是正的，y坐标的最大值坐标的最大值(在赤道上在赤道上)约为约为330

42、km。为了避免出现负的横坐标，规定在横坐标上加为了避免出现负的横坐标，规定在横坐标上加上上500 000m。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为标称为国家统一坐标国家统一坐标。例如：例如：Y=19 123 456.789m该点位在该点位在19带内，横坐标的真值：首先去掉带号，再带内，横坐标的真值：首先去掉带号，再减去减去 500 000m，最后得最后得 y=-376 543.211(m)。122高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系分带存在的问题？分带存在的问题？边界子午线两侧的控制点与地形图边界子午线两侧的控制点与地形图位于不同的投影带内，使得地形图不

43、能正确拼接，采位于不同的投影带内，使得地形图不能正确拼接，采用带重叠的方法解决此问题。用带重叠的方法解决此问题。123高斯投影特点：高斯投影特点：正形投影，保证了投影的角度的不变性，图形的正形投影，保证了投影的角度的不变性，图形的相似性以及在某点各方向上的长度比的同一性。相似性以及在某点各方向上的长度比的同一性。由于采用了同样法则的分带投影，这既限制了长由于采用了同样法则的分带投影，这既限制了长度变形，又保证了在不同投影带中采用相同的简便公度变形，又保证了在不同投影带中采用相同的简便公式和数表进行由于变形引起的各项改正的计算，并且式和数表进行由于变形引起的各项改正的计算，并且带与带间的互相换算

44、也能用相同的公式和方法进行。带与带间的互相换算也能用相同的公式和方法进行。高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系1242、椭球面元素化算到高斯投影面、椭球面元素化算到高斯投影面125 3)将椭球面上各三角形内角归算到高斯平面上的由将椭球面上各三角形内角归算到高斯平面上的由相应直线组成的三角形内角。这是通过计算相应直线组成的三角形内角。这是通过计算方向的曲方向的曲率改化率改化即方向改化来实现的。即方向改化来实现的。椭球面三角系归算到高斯投影面的计算椭球面三角系归算到高斯投影面的计算 1）将起始点）将起始点P的大地坐标的大地坐标(L，B)归算为高斯平面归算为高斯平面直角坐标直角坐标 x,y；为了检核

45、还应进行反算，亦即根据为了检核还应进行反算，亦即根据 x,y反算反算B，L，这项工作统称为这项工作统称为高斯投影坐标计算高斯投影坐标计算。2）将椭球面上起算边大地方位角归算到高斯平面）将椭球面上起算边大地方位角归算到高斯平面上相应边上相应边PK的坐标方位角，这是通过计算该点的的坐标方位角，这是通过计算该点的子子午线收敛角午线收敛角及及方向改化方向改化实现的。实现的。126 因此将椭球面三角系归算到平面上，包括坐标、曲因此将椭球面三角系归算到平面上，包括坐标、曲率改化、距离改化和子午线收敛角等项计算工作。率改化、距离改化和子午线收敛角等项计算工作。当控制网跨越两个相邻投影带，以及为将各投影带当控

46、制网跨越两个相邻投影带，以及为将各投影带联成统一的整体，还需要进行平面坐标的联成统一的整体，还需要进行平面坐标的邻带换算邻带换算。4)将椭球面上起算边将椭球面上起算边PK的的长度长度S归算归算到高斯平面到高斯平面上的直线长度上的直线长度s。这是通过计算距离改化这是通过计算距离改化实现的。实现的。127正形投影的一般条件正形投影的一般条件4.9.2 正形投影的一般条件正形投影的一般条件1、长度比的通用公式、长度比的通用公式128正形投影的一般条件正形投影的一般条件129正形投影的一般条件正形投影的一般条件将上述两式代入（将上述两式代入（4-334）式，整理，令）式，整理，令130正形投影的一般条

47、件正形投影的一般条件131正形投影的一般条件正形投影的一般条件2、柯西、柯西.黎曼条黎曼条件件132正形投影的一般条件正形投影的一般条件正形条件正形条件m m与与A A无关，即满足：无关，即满足：133正形投影的一般条件正形投影的一般条件则有：则有：柯西柯西-黎曼条件黎曼条件134正形投影的一般条件正形投影的一般条件考虑到考虑到F=0，E=G，长度比公式简化为，长度比公式简化为135把把 代入（代入（4-347），考虑下式），考虑下式正形投影的一般条件正形投影的一般条件136柯西柯西-黎曼条件的另一种解释方法黎曼条件的另一种解释方法正形投影的一般条件正形投影的一般条件137正形投影的一般条件正

48、形投影的一般条件l如果点在子午线上：如果点在子午线上：L=常数，常数，dl=0l如果点在平行圈上：如果点在平行圈上：B=常数常数 dB=0138正形投影的一般条件正形投影的一般条件 三角形三角形ABB与与ACC相似相似139高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算4.9.3 高斯投影坐标正反算公式高斯投影坐标正反算公式1、高斯投影坐标正算公式、高斯投影坐标正算公式 高斯投影必须满足以下三个条件：高斯投影必须满足以下三个条件：(1)中央子午线投影后为直线；中央子午线投影后为直线；(2)中央子午线投影后长度不变；中央子午线投影后长度不变；(3)投影具有正形性质，即正形投影条件。投影具有正形性质，即正形投影

49、条件。高斯投影坐标正算公式推导如下：高斯投影坐标正算公式推导如下：140高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算1)由由第一个条件第一个条件可知，由于地球椭球体是一个旋转椭球可知，由于地球椭球体是一个旋转椭球体，即中央子午线东西两侧的投影必然对称于中央子午体，即中央子午线东西两侧的投影必然对称于中央子午线。线。x为为l的偶函数，而的偶函数，而y则为则为l的奇函数。的奇函数。2)由由第三个条件第三个条件正形投影条件正形投影条件141由恒等式两边对应系数相等，建立求解待定系数的由恒等式两边对应系数相等，建立求解待定系数的递推公式递推公式高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算142高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算

50、m0=?)由第二条件由第二条件可知，位于中央子午线上的点，投影可知，位于中央子午线上的点，投影后的纵坐标后的纵坐标 x 应该等于投影前从赤道量至该点的子应该等于投影前从赤道量至该点的子午弧长。午弧长。即当即当 l=0 时时,143高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算144高斯投影坐标正算高斯投影坐标正算将各系数代入，略去高次项，精度为将各系数代入，略去高次项，精度为0.001m145高斯投影坐标反算高斯投影坐标反算2、高斯投影坐标反算公式、高斯投影坐标反算公式 在高斯投影坐标反算时，原面是高斯平面，投影面在高斯投影坐标反算时，原面是高斯平面，投影面是椭球面，已知的是平面坐标是椭球面，已知的是平面坐