第四章GIS的空間信息基礎(chǔ)

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1、第四章GIS的空間信息基礎(chǔ)一、常規(guī)的地理空間信息描述1、地球空間模型描述為了研究地理空間，冇必要建立地球表而的幾何模型。以便定義合適的地理參照系統(tǒng)。根據(jù)大地測(cè)量學(xué)的研究，球表面幾何模型分為4類：（1）地球的自然表面，起伏不規(guī)則。難以簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)描述。（2）大地水準(zhǔn)面，靜止的平均海水面穿過(guò)大陸和島嶼形成的處處與重力方向正交閉合曲面。由于重力等影響，也是一個(gè)不規(guī)則曲面。橢球面（3）橢球模型，以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立的地球橢球體模型。為了測(cè)量成果計(jì)算的需要，選用一個(gè)同大地體相近的、可以用數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá)的旋轉(zhuǎn)橢球來(lái)代替地球，且這個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球是由一個(gè)橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的。凡是與局

2、部地區(qū)（一個(gè)或幾個(gè)國(guó)家）的大地水準(zhǔn)面符合得最好的旋轉(zhuǎn)橢球，稱為參考橢球。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)、分析和計(jì)算，世界上許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)算出了參考橢球的長(zhǎng)短半徑的數(shù)值。我國(guó)1952年前采用的海福特橢球，1953年起改用克拉索夫斯基橢球，1978年后開(kāi)始采用1975年國(guó)際橢球，并以此建立了我國(guó)新的、獨(dú)立的大地坐標(biāo)系。Spheroid(Ellipsoid)當(dāng)制圖比例尺小于1：5,000,000時(shí)，使用球體；表達(dá)精度與橢球體差別不大?；趫A的旋轉(zhuǎn)體。當(dāng)制圖比例尺大于1：1,000,000時(shí)，使用橢球體；以取得更高的表達(dá)精度?；跈E圓的旋轉(zhuǎn)體。用扁率描述橢球體的形狀（a為長(zhǎng)半軸，b為短半

3、軸）a=（a-b）/bQ通常為小值，通常用1/a表示。例：WGS1984地理處標(biāo)系統(tǒng)：a=6378137.0meters1/ci=298.257223563橢球體的選擇原則是：能最好地?cái)M合一個(gè)國(guó)家或地區(qū)為原則。例：北美地區(qū)的旋轉(zhuǎn)橢球體選用的是CLARKEI8660長(zhǎng)半軸6,378,206.4meters,短半軸6,356,583.8meters.(4)數(shù)學(xué)模型，為解決其它大地測(cè)量問(wèn)題提出的。2、地理空間坐標(biāo)系的建立為確定地面點(diǎn)的位置，而定義的空間參照系。主要是確定地面點(diǎn)與大地水準(zhǔn)而Z間的關(guān)系。最直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ堑乩碜鴺?biāo)(經(jīng)緯度)。(1)地理坐標(biāo)系(GCS)根據(jù)地理

4、坐標(biāo)，地面任意點(diǎn)的位置由經(jīng)緯度表示。Parallels(Linesoflatitude)Meridians(Linesoflongitude)經(jīng)緯度具冇深刻的地理意義，它標(biāo)示物體在地面上的位置，顯示其地理方位（經(jīng)線與南北相應(yīng)，緯線與東西相應(yīng)），表示時(shí)差，此外，經(jīng)緯線還標(biāo)示許多地理現(xiàn)彖所處的地理帶，如氣候、土壤等部門(mén)都要利用經(jīng)緯度來(lái)推斷地理規(guī)律。經(jīng)緯度的測(cè)定方法主要有兩種，即天文測(cè)量和大地測(cè)量。以大地水準(zhǔn)面和鉛垂線為依據(jù)，用天文測(cè)量的方法，可獲得地面點(diǎn)的天文經(jīng)緯度。測(cè)有天文經(jīng)緯度坐椒入，①）的地面點(diǎn)，稱為天文點(diǎn)。以旋轉(zhuǎn)橢球和法線為基準(zhǔn)，用人地測(cè)量的方法，根據(jù)人地原點(diǎn)

5、和大地基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，由大地控制網(wǎng)逐點(diǎn)推算各控制點(diǎn)的坐標(biāo)（L,B）,稱為大地經(jīng)緯度。解放前，我國(guó)實(shí)際上沒(méi)有統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系。解放初期從原蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系經(jīng)聯(lián)測(cè)和平差計(jì)算引伸到我國(guó)，建立了1954年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面不能很好地符合，產(chǎn)生的謀差較人，不能滿足我國(guó)空間技術(shù)、國(guó)防尖端技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的要求。我國(guó)在積累了30年測(cè)繪資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)全國(guó)天文大地網(wǎng)整休平差建立了我國(guó)的大地坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系采用1975年國(guó)際橢球參數(shù)，國(guó)家人地原點(diǎn)設(shè)在陜西省。該系統(tǒng)坐標(biāo)統(tǒng)一、精度優(yōu)良，可直接滿足1：5000甚至更大比例尺測(cè)圖的需要。我國(guó)已開(kāi)始用該80年坐標(biāo)系，

6、取代T1954年北京坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)是一種球面坐標(biāo)，可以用于地球表面的定位。但由于量測(cè)單位的不一致，導(dǎo)致相同的角度代表不同的距離。例:OntheClarke1866spheroid,onedegreeoflongitudeattheequatorequals111.321km,whileat60°latitudeitisonly55.802km.經(jīng)緯度不具有標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位。因此，直接利用地理坐標(biāo)難以進(jìn)行距離、面積和方向等參數(shù)運(yùn)算。也不能方便顯示數(shù)據(jù)到平面上。為此，最好把地面點(diǎn)表示在平面上，采用笛卡兒坐標(biāo)系（平面直角坐標(biāo)）。所以要用平面坐標(biāo)系表示地面上的任何一點(diǎn)的位置

7、，首先要把曲面展開(kāi)為平面，但地球表面是不可展開(kāi)的曲面，因此必須應(yīng)用投影的方法，建立建立地球表面與平面上的點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系。因此產(chǎn)生了不同的地圖投影變換方法。（2）投影坐標(biāo)系統(tǒng)（平面坐標(biāo)系）將橢球面上的點(diǎn)通過(guò)投影的方法投影到平面上時(shí)，通常使用平面坐標(biāo)系。平面坐標(biāo)系分為平面極坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系。平面極坐標(biāo)系采用極坐標(biāo)法，即用某點(diǎn)至極點(diǎn)的距離和方向來(lái)表示該點(diǎn)的位置的方法，來(lái)表示地面點(diǎn)的坐標(biāo)。主耍用于地圖投影理論的研究。平面直角坐標(biāo)采用直角坐標(biāo)（笛卡爾坐標(biāo)）來(lái)確定地面點(diǎn)的平面位置?？梢酝ㄟ^(guò)投影將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平而坐標(biāo)。投影坐標(biāo)系統(tǒng)是定義在平面上的坐標(biāo)系統(tǒng)。具有在X和Y方向

8、長(zhǎng)度、面積