大地测量学基础课程设计.doc
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1、大地测量课程设计大地测量学基础课程设计任务书本次课程设计主要目的是利用大地测量学知识完成高斯投影坐标的正反算、投影带间的高斯直角坐标的邻带换算和不同投影带间高斯坐标换算。一、课程设计目的1. 能根据给定椭球(1975国际大地测量协会推荐椭球和克拉索夫斯基椭球)上任一点大地坐标(大地经度和大地纬度),计算出对应高斯平面直角坐标,即能独立完成高斯投影坐标的正算工作。2. 能根据给定高斯平面直角坐标(1954北京坐标系和1980西安坐标系下的通用高斯平面直角坐标),计算出对应大地坐标,即能独立完成高斯投影坐标的反算工作。3. 能根据给定高斯平面直角坐标,将其换算到指定带高斯坐标系内坐标,包括6带和3
2、带投影的高斯直角坐标内部换算和6带和3带坐标转换。二、课程设计内容1. 已知椭球上有5个点,其大地坐标分别为: 试求它们对应6高斯投影的平面直角坐标系下对应的高斯通用坐标(横坐标包括带号),并利用所求结果,用高斯投影反算进行检核。2. 已知5个6度投影带高斯平面直角坐标:其纵横坐标分别为: 1) 试求点所在6带第18带中的坐标及在3带第36带中高斯坐标;2) 试求点所在6带第21带中的坐标及在3带第40带中高斯坐标;3) 试求点所在6带第19带中的坐标及在3带第37带中高斯坐标;4) 试求点所在6带第19带中的坐标及在3带第36带中高斯坐标;5) 试求点所在6带第20带中的坐标及在3带第40带
3、中高斯坐标。6) 试求点所在6带第20带中的坐标及在3带第38带中高斯坐标。三、要求1. 高斯投影坐标的正反算必须顾及克拉索夫斯基椭球和1975国际椭球上的正反算,即当给定大地标或高斯直角坐标后,正反算结果应包括以上两个椭球上的换算结果。2. 高斯平面直角坐标值正算最终结果应为通用坐标值,并且保留3位小数,单位米。3. 大地坐标反算结果最终形式为度分秒,并且秒位至少保留2位小数。4. 所有计算应能体现计算过程,即必要中间计算结果应用表格形式表示出来,不允许直接给出结果。具体可参阅大地测量学基础教材大地坐标正反算示例的表格:表4-9和表4-105. 本次课程设计任务必须在2周内完成,完成后需上交
4、一份打印形式纸质文档(封面不必彩色打印),并上交电子文档。6. 课程设计格式严格按照贵州大学矿业学院课程设计说明书要求进行。7课程设计必须独立完成,如果有困难,可通过商讨、学习或找指导老师帮助解决后再独立完成,如发现抄袭,本次课程设计成绩以零分记。(说明:本次课程设计按学号增加顺序分为8组,即每8人一组,各组按点号对应顺序完成相应数据的高斯投影正反算及邻带坐标换算)目录摘要51.高斯投影正反算61.1高斯投影正反算公式61.1.1高斯投影正算公式61.1.2高斯投影反算公式71.2高斯投影正反算实例91.2.1高斯投影正算电算公式及计算91.2.2高斯投影反算电算公式及计算112.高斯投影的邻
5、带坐标换算122.1高斯投影邻带换算原理132.2邻带换算算例142.2.1求点所在6带第20带中的平面直角坐标162.2.2求点所在3带第38带中的平面直角坐标17结语18参考文献18附件一:C语言程序及邻带换算19指导老师评语23摘要大地坐标系是大地测量的基本坐标系。常用于大地问题的细算,研究地球形状和大小,编制地图,火箭和卫星发射及军事方面的定位及运算,若将其直接用于工程建设规划、设计、施工等很不方便。所以要将球面上的大地坐标按一定数学法则归算到平面上,即采用地图投影的理论绘制地形图,才能用于规划建设。从而大地坐标与平面直角坐标的转化便可通过高斯投影的正反算来实现。本文即以此为出发点,介
6、绍了高斯投影正反算公式的推理并结合课程设计实例采用电算公式讲述其在克式椭球以及1975国际椭球上的正反算。除此之外,虽然高斯投影保证了角度不变,但是在长度上仍存在较大的变形,为控制误差的积累与放大以及测图、控制、GIS数据处理等的需要,这就要求我们掌握高斯投影的分带换算。本文在讨论正反算后对高斯投影的分带换算与邻带换算也进行了分析,并围绕实例讲述了其应用。关键词:高斯投影;克氏椭球;国际椭球;邻带换算1.高斯投影正反算 大地控制网在平面上计算和平差,要比在椭球面上简单得多。因此,当区域不大时,可将椭球面上的几何元素归算到平面上,然后在平面上进行计算和平差,并将所得的平面坐标直接用于测图。除此之
7、外,当要标定地面点或者地物在地球椭球上的位置或者地物间的相对位置时,例如地图的绘制的需要等,也需要进行平面坐标向大地坐标的转换。而随着GIS的发展,信息源具有多样性,而各种信息源所采用的坐标系往往并不一致,就产生了不可缺少的数据预处理 坐标转换和投影变换。因此,必须采用某种投影法来建立大地点在椭球面上的大地坐标与其平面直角坐标之间的严密的数学关系。并且在选择投影法时,要求采用投影变形小,计算公式简单的投影法。现代大地测量都采用正形投影法,最常用的便是高斯-克吕格投影,这种投影,将中央经线投影为直线,其长度没有变形,与球面实际长度相等,其余经线为向极点收敛的弧线,距中央经线愈远,变形愈大。 赤道
8、线投影后是直线,但有长度变形。除赤道外的其余纬线,投影后为凸向赤道的曲线,并以赤道为对称轴。经线和纬线投影后仍然保持正交。所有长度变形的线段,其长度变形比均大于1. 随远离中央经线,面积变形也愈大。若采用分带投影的方法,可使投影边缘的变形不致过大。我国各种大、中比例尺地形图采用了不同的高斯-克吕格投影带。其中大于1:1万的地形图采用3带;1:2.5万至1:5万的地形图采用6带。故研究大地点在椭球面上的大地坐标与其平面直角坐标之间的严密的数学关系也即是研究高斯投影的正反算。 高斯投影是正形投影的典型代表,它满足正形投影条件,即柯西黎曼条件,但仅有这一个条件并无法确定平面坐标(x,y)与大地坐标(
9、L,B)之间的具体函数关系,故无法完成平面坐标与大地坐标之间的转换,所以,我们应该考虑高斯投影的特殊条件,在此特殊条件的约束下,导出平面坐标与大地坐标之间的函数关系,也即高斯投影的正反算公式。 本文则根据投影椭球面的不同,分别讨论高斯投影在克拉索夫斯基椭球及1975国际椭球上的坐标转换关系。1.1高斯投影正反算公式任何一种投影坐标对应关系是最主要的;如果是正形投影,除了满足正形投影的条件外(C-R偏微分方程),还有它本身的特殊条件。1.1.1高斯投影正算公式即由大地坐标(L,B)求平面坐标(x,y)。原面是椭球面,投影面是高斯平面。高斯投影作为一种特殊的等角投影,需要满足三个条件:(1)中央子
10、午线投影后为直线(2)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 (1-1)高斯投影正算公式的简单推导如下: a)平面坐标与大地坐标的函数关系式: (1-2)由(1)知:由于地球椭球体是一个旋转的椭球体,则中央子午线东西两侧的投影必对称于中央子午线。那么,由对称性质可得:为的偶函数,为的奇函数。其中,为经差,为等量纬度。并且由于高斯投影按带投影,故每带的经差很小,为微小量,则由奇偶性可将(1-1)转换为经差的幂级数。其中是待定系数,且为纬度的函数。 (1-3) b)分别对(1-3)中,求和的导数,并带入(1-1)得: (1-4)为使上面两式两边相等,其充分必要条件是的同次幂
11、系数相等,则可分别表示出并且顾及条件(2):位于中央子午线上的点,投影后纵坐标等于投影前赤道至该点的子午线弧长这个特点,运用子午弧长微分公式,消去,经过推导,求得: (1-5)c)将上式各系数带入(1-3)中,即得高斯投影正算公式: (1-6)当时,上述公式换算的精度为,且精度可随高次项的扩充而提高。以满足更高精度的要求。1.1.2高斯投影反算公式 即由平面坐标(x,y)求大地坐标(L,B)。原面是高斯平面,投影面是椭球面。 与正算一样,它也需要满足三个条件:(1)坐标轴投影成中央子午线,是投影的对称轴(2)轴上的长度投影保持不变(3)正形投影条件 (1-7)高斯投影反算公式的简单推导如下:
12、a)投影方程: (1-8) 由(1)知,由于该投影为对称投影,故大地纬度是的偶函数,大地经差是的奇函数。且由于值相对于椭球半径R很小,则顾及奇偶性可将大地坐标及展开成的幂级数。其中,是待定系数,且为纵坐标的函数。 (1-9)b)等量纬度微分: (1-10) 联立(1-7)与(1-10)得: (1-11) 分别对与求偏导并带入(1-11)得: (1-12)为使上面两式两边相等,其充分必要条件是的同次幂系数相等,则可分别表示出并且顾及条件(2):时,;为底点纬度。则通过对求导并带入可得各系数表达式: (1-13)c)将上式各系数带入(1-9)中,即得高斯投影反算公式:(1-14)及的单位为弧度。且
13、当时,公式换算的精度为。且精度可随高次项的扩充而提高。以满足更高精度1.1.3.高斯投影坐标正反算公式的几何解释当B=0时x=X=0,y则随l的变化而变化,这就是说,赤道投影为一直线且为y轴。当l=0时,则y=0,x=X,这就是说,中央子午线投影亦为直线,且为x轴,其长度与中央子午线长度相等。两轴的交点为坐标原点。当l=常数时(经线),随着B值增加,x值增大,y值减小,这就告诉我们,经线是凹向中央子午线的曲线,且收敛于两极。又因,即当用-B代替B时,y值不变,而x值数值相等符号相反,这就说明赤道是投影的对称轴。当B=常数时(纬线),随着的l增加,x值和y值都增大,这就是说,纬线是凸向赤道的曲线
14、。又当用-l代替l时,x值不变,而y值数值相等符号相反,这就说明,中央子午线是投影对称轴。由于满足正形投影条件,所以经线和纬线的投影是互相垂直的。距中央子午线愈远的子午线,投影后弯曲愈厉害,表明长度变形愈大。1.1.4归纳由求的基本思想:由点得到底点,将底点f作为过渡,也就是说将坐标原点o移到f点,先求关系式,再将关系式代入关系式得关系式,最后将坐标原点移回到o点,从而求得点1.2高斯投影正反算实例 高斯投影的正反算有查表和电算两种方法,且针对不同的计算方法有不同的计算公式。现行的高斯投影用表都是采用克拉索夫斯基椭球参数,我国1980国家大地坐标系采用1975国际椭球参数,故现有的各种数据表已
15、不再适用。而随着电子计算机的出现,各种复杂的计算可通过编程实现,则推动了其在测量上的应用,本文即以电算的方法来进行正反算。为适用于电算程序的编写,则需对(1-6),(1-14)进行变换,从而得出高斯投影正反算电算公式。实例:已知某椭球上有点,其大地坐标为。,。由可知该点属于6带中的第18带,其中央子午线经度为=105。试求其在6高斯投影的平面直角坐标系下对应的高斯通用坐标(横坐标包括带号),并利用所求结果,用高斯投影反算进行检核。1.2.1高斯投影正算电算公式及计算 a)克氏椭球大地坐标换算至高斯平面坐标 在计算过程中带入克氏椭球参数,得正算电算公式如下: (1-15) 其中: (1-16)
16、带入,及,求得各中间参数及高斯平面坐标。结果见表1-1。 b )1975椭球大地坐标换算至高斯平面坐标在计算过程中带入1975国际椭球参数,得正算电算公式如下: (1-17)其中: (1-18)同样带入,及,求得各中间参数及高斯平面坐标。结果见表1-1。表1-1序号公式结果克氏椭球1975年国际椭球1234567891011121314151617181920212223BBB/sinBcosBcos2Bl=LL0ll=l/Na0a4a6a3a5sinBcosBl2Nl26367 558.496 9B/6367 452.132 8B/x1+(a3+a5l2)l221lcosBy260244.3
17、3093764.33000.4545822998406930.4390870717049480.8984445132903720.80720254346157404538.8212738.82100.0132781789091016382364.46753668232031.625112198820.1617826072497440.0403565934135860.1031325073679900.0040732972554060.3944953704300470.00017631003514209471125.2749035610492894579.3858909482882165.028
18、6095561.0000181834226180.01192992391027476141.12246534646260244.33093764.33000.4545822998406930.4390870717049480.8984445132903720.80720254346157404538.8212738.82100.0132781789091016382259.99484784732035.708412695460.1617791230092060.0418153719032190.1031325073679900.0041983364513800.3944953704300470
19、.00017631003514209471125.2564839776092894531.0346537492882115.0628955361.0000181834265050.01192992391032076139.87611441391克氏正算结果平面坐标为: 克氏正算结果国家统一坐标为: 1975国际椭球正算结果平面坐标为: 1975国际椭球正算结果国家统一坐标为: 1.2.2高斯投影反算电算公式及计算 a)高斯平面坐标换算至克氏椭球大地坐标 在计算过程中带入克氏椭球参数,得反算电算公式如下: (1-19) 其中: (1-20) 带入克氏椭球正算高斯平面坐标,求得中间参数和反算后的克
20、氏椭球大地坐标,并进行检核。结果见表1-2。 b)高斯平面坐标换算至1975椭球大地坐标 在计算过程中带入1975椭球参数,得反算电算公式如下: (1-21) 其中: (1-22)带入1975国际椭球正算高斯平面坐标,求得中间参数和反算后的1975椭球大地坐标,并进行检核。结果见表1-2。表1-2 序号公式结果克氏椭球1975年国际椭球1234567891011121314151617181920212223242526,弧度sincoscos2Bf ,弧度BfBfsinBfcosBfcos2BfNfb2b3b4b5Nf cosBfZZ21(b40.12 Z2) Z2 Z2b21(b40.14
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