城市建設(shè)3S(RS、GIS、GPS)技術(shù)-空間信息技術(shù)基礎(chǔ)課件

第二章

空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

第二章空間信息技術(shù)基礎(chǔ)1第二章

空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

1、本章學(xué)習(xí)目的

通過(guò)本章學(xué)習(xí)，了解、掌握地球形態(tài)、空間與時(shí)間參考系統(tǒng)、空間直角人材系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和地圖投影等基本理論

2、本章學(xué)習(xí)內(nèi)容地球形態(tài)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)大氣構(gòu)造

第二章空間信息技術(shù)基礎(chǔ)1、本章學(xué)習(xí)目的2第一節(jié)

地球形態(tài)

地球形態(tài)

鉛垂線：地理空間中任意一點(diǎn)的重力作用線。

水準(zhǔn)面：自由靜止的水面。

大地水準(zhǔn)面：與平均海水面重合，并向大陸、島嶼延伸所形成的封閉曲面

由于大地體表面仍然是具有微小起伏的不規(guī)則曲面，無(wú)法用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述，地理空間中的各種要素，也無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)方法在大地體表面進(jìn)行表達(dá)與處理。由此，在地球科學(xué)領(lǐng)域，用一個(gè)與大地的形狀、大小最為接近、擬合最好、且能用數(shù)學(xué)函數(shù)表示的橢球體來(lái)代表大地體。由圖2．1可以看出，地理空間任意一點(diǎn)的鉛垂線與通過(guò)該點(diǎn)的地球橢球面法線，一般不重合，它們之間的差值稱為垂線偏差。第一節(jié)地球形態(tài)地球形態(tài)由于大地體表面仍然3參考橢球體地球橢球體是可以用數(shù)學(xué)公式表示的橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成。地球橢球體面（地球橢球體表面）雖然整體上與大地水準(zhǔn)面（大地體表面）擬合最佳，但不同地區(qū)的大地水準(zhǔn)面到地球橢球面的距離不同，該距離的大小，直接影響地理空間要素，歸算到地球橢球面上的精確度，因此，不同的國(guó)家和地區(qū)，根據(jù)不同時(shí)期的觀測(cè)資料，建立了與本區(qū)域大地水準(zhǔn)面擬合最佳的地球橢球體。第一節(jié)

地球形態(tài)

參考橢球體第一節(jié)地球形態(tài)4參考橢球體是建立空間參考系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我國(guó)常用坐標(biāo)系及其參考橢球體如下表：第一節(jié)

地球形態(tài)

在GPS中，美國(guó)使用1984年IUGG第十七屆大會(huì)推薦橢球參數(shù)建立了GPS專(zhuān)用的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。時(shí)間橢球體坐標(biāo)系1952年以前采用海福特(Hayford)橢球體1953年起前蘇聯(lián)建立的克拉索夫斯基橢球1954年北京坐標(biāo)系20世紀(jì)70年代末1975年IUGG第十六屆大會(huì)推薦橢球參數(shù)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系參考橢球體是建立空間參考系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我國(guó)常用坐標(biāo)系及其參考橢5參考橢球的點(diǎn)線面參考橢球短軸為橢球旋轉(zhuǎn)軸，一般與地球旋轉(zhuǎn)軸重合(或者平行)。旋轉(zhuǎn)軸與橢球面有兩個(gè)交點(diǎn)，位于北端的交點(diǎn)稱為北極點(diǎn)，用N表示；位于南端的交點(diǎn)稱為南極點(diǎn)，用S表示。通過(guò)橢球中心O且垂直于橢球旋轉(zhuǎn)軸NS的平面為赤道面．赤道面與橢球表面的交線為赤道。包含橢球旋轉(zhuǎn)軸的平面稱為子午面，子午面與橢球表面的交線稱為子午線。第一節(jié)

地球形態(tài)

參考橢球的點(diǎn)線面第一節(jié)地球形態(tài)6

GPS、RS、GIS研究與處理的對(duì)象，位于地理空間，包括地表面、地表層，也包括大氣層與太空?？臻g信息技術(shù)涉及空間對(duì)象在地理空間的位置、各種要素在地理空間的分布。確定位置與分布，需要建立相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)。1、GPS、RS涉及到人造衛(wèi)星，而衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡與地球的自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，通常建立與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)的天球坐標(biāo)系來(lái)描述；位于地表層、地面、大氣層的物體與對(duì)象，隨地球的連續(xù)自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)，一般建立隨地球自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)的地球坐標(biāo)系來(lái)描述；第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

GPS、RS、GIS研究與處理的對(duì)象，位7第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2、地面要素的表達(dá)，二維平面空間比二維球面空間更為方便，一般用平面坐標(biāo)系描述；

3、利用GPS確定目標(biāo)的空間位置，其基本觀測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，需要建立時(shí)間參考系統(tǒng)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2、地面要素的表達(dá)，二維平面空間比8一、天球坐標(biāo)系黃道面：地球繞地軸(地球旋轉(zhuǎn)軸)自轉(zhuǎn)，同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平面如果假定地球在空間的位置是靜止不變的，相對(duì)于地球質(zhì)心而言，也可認(rèn)為太陽(yáng)在黃道面內(nèi)繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)繞地球的運(yùn)動(dòng)，稱為視運(yùn)動(dòng)，亦與地球的自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。1、天球直角坐標(biāo)系2、天球球面坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

一、天球坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)9為描述衛(wèi)星空間位置簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)地球質(zhì)心位于地軸上，且假定地球質(zhì)心與地軸在宇宙空間的位置靜止不動(dòng)，則稱以O(shè)為球心，半徑無(wú)窮大的球?yàn)樘烨?。地軸無(wú)限延伸與天球交于天北極點(diǎn)PN、天南極點(diǎn)Ps。PN與Ps的連線稱為天軸，它與地軸重合。過(guò)天球球心O且垂直于天軸的平面稱為天球赤道面，它與天球相交的大圓稱為天球赤道。黃道面與天球相交的大圓稱為黃道，黃道與赤道交于春分點(diǎn)(γ)與秋分點(diǎn)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

注：無(wú)論是地球的自轉(zhuǎn)，還是太陽(yáng)繞地球的視運(yùn)動(dòng)(地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn))，其天軸、天球赤道、春分點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系固定不變。為描述衛(wèi)星空間位置簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)地球質(zhì)心位于地軸上，且假定地球101、天球直角坐標(biāo)系

以地球質(zhì)心O為原點(diǎn)，O點(diǎn)至天北極PN的方向?yàn)閆軸，O點(diǎn)至春分點(diǎn)y的方向?yàn)閄軸，由X軸、y軸、Z軸按右手坐標(biāo)系法則，在天球赤道面內(nèi)定義出y軸。O-XYZ空間直角坐標(biāo)系稱為地心天球直角坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱天球直角坐標(biāo)系。天體S的空間位置，由天球直角坐標(biāo)(X、y、Z)來(lái)描述。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1、天球直角坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)112、天球球面坐標(biāo)系

天體S的空間位置，又可由天球球面坐標(biāo)(λ，ψ，γ)來(lái)描述。其中，λ為S所在天球子午面與天球基準(zhǔn)子午面之間的夾角，稱為赤徑；ψ為O點(diǎn)至S的向徑與赤道面的夾角，稱為赤緯；r為地球質(zhì)心至S的徑向長(zhǎng)度。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

天球直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系，合稱為天球坐標(biāo)系。2、天球球面坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)天球直角坐標(biāo)12由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力作用，使得地球的旋轉(zhuǎn)軸(地軸)產(chǎn)生抖動(dòng)與進(jìn)動(dòng)，即地軸(天球直角坐標(biāo)系Z軸)的方向不是固定不變的。再者，日、月和恒星引力對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)，使得黃道平面產(chǎn)生變化；再加上地軸方向變化使得與地軸垂直的赤道面產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致黃道與赤道相交的春分點(diǎn)也發(fā)生變化。地軸方向與春分點(diǎn)的變化是十分復(fù)雜的，一般分為長(zhǎng)期變化(稱為歲差)和短周期變化(稱為章動(dòng))。歲差與章動(dòng)使得天軸坐標(biāo)系不是固定的，實(shí)際計(jì)算中，需要考慮歲差與章動(dòng)的影響。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力作用，使13二、地球坐標(biāo)系由天球坐標(biāo)系定義可知，地球上的任一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將隨地球的自轉(zhuǎn)而連續(xù)改變。為了使用上方便，必須建立與地球固定，隨地球同頻轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)系。地球坐標(biāo)系也分為地球直角坐標(biāo)系和地球球面坐標(biāo)系。在衛(wèi)星大地測(cè)量中，通常把地球球面坐標(biāo)系稱為大地坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

二、地球坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)141、地球直角坐標(biāo)系：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極(地球旋轉(zhuǎn)軸與地球表面或地球橢球面的交點(diǎn))，X軸為O點(diǎn)指向過(guò)英國(guó)格林尼治的起始子午面與地球橢球赤道的交點(diǎn)E，y軸垂直于XOZ平面且X、y、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1、地球直角坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)152、大地坐標(biāo)系：大地坐標(biāo)系的球面是長(zhǎng)半徑為a、短半徑為b的橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)后所形成的橢球面。橢球球心與地球直角坐標(biāo)系原點(diǎn)O(地球質(zhì)心)重合，短軸與地球直角坐標(biāo)系Z軸(地球旋轉(zhuǎn)軸)重合。包含橢球中心且垂直于短軸的平面稱為地球赤道面，包含橢球短軸的平面稱為橢球子午面，通過(guò)格林尼治天文臺(tái)的橢球子午面定義為起始子午面。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)162、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

地理空間P點(diǎn)的位置，用大地坐標(biāo)(L，B，H)表示。L為過(guò)P點(diǎn)的橢球子午面與起始子午面之間的夾角，稱為大地經(jīng)度；B為過(guò)P點(diǎn)的地球橢球面法線與地球赤道面的夾角，稱為大地緯度；H為P點(diǎn)沿P點(diǎn)橢球面法線方向至橢球面的距離，稱為大地高程。2、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)地理空間P點(diǎn)的位17三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系

大地體(大地水準(zhǔn)面所包圍的形體)是不規(guī)則的、近似于梨形的形體，相對(duì)于能用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的地球橢球體而言，不同地理位置的大地體，其凸凹程度存在較大差異。為了滿足不同用途和保證各區(qū)域定位精度和使用上的方便，地球坐標(biāo)系有公用的坐標(biāo)系，也有各個(gè)國(guó)家或地區(qū)建立地球坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)18第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系1)WGS-84坐標(biāo)系

WGS-84(WorldGeodeticSystem)坐標(biāo)系是美國(guó)國(guó)防部測(cè)量局從20世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)，分別建有WGS-60、WGS-66、WGS-72。經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，于1984年啟用WGS-84，GPS使用WGS-84。由于GPS在世界各個(gè)國(guó)家、各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，WGS-84順理成章地成為了全球公用的地球坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大192)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系

我國(guó)目前使用的國(guó)家大地坐標(biāo)系有兩個(gè)：1954年北京坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱BJ54)和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱GDZ80).(a)1954年北京坐標(biāo)系

我國(guó)1949年建國(guó)后，由于歷史條件限制，沒(méi)有建立橢球的足夠資料，暫時(shí)采用了克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年大地坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)、計(jì)算，建立了我國(guó)的大地坐標(biāo)系，命名為1954年北京坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)20第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)由于BJ54的橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)實(shí)際上是前蘇聯(lián)的1942年坐標(biāo)系，隨著測(cè)繪理論與技術(shù)的不斷發(fā)展、完善和我國(guó)區(qū)域內(nèi)測(cè)繪成果的實(shí)際驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)BJ54系統(tǒng)存在諸多缺陷（如在我國(guó)東部地區(qū)最大相差達(dá)68米；橢球短軸指向不明確；幾何大地測(cè)量與物理大地測(cè)量的參考面不統(tǒng)一等問(wèn)題）。(a)1954年北京坐標(biāo)系2)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)由于BJ54的橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)實(shí)21(b)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系

定義：直角坐標(biāo)系原點(diǎn)為參考橢球中心(不在地球質(zhì)心)，Z軸(橢球短軸方向)平行于地球自轉(zhuǎn)軸(地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)JYDl968.0的方向)，起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面。X軸位于起始子午面內(nèi)，且與Z軸垂直，指向大地零經(jīng)度方向，X軸、y軸與Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，橢球參數(shù)采用1975年IUGG第十六屆年會(huì)的推薦值。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(b)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)22四、站心坐標(biāo)系

在GPS定位中，通常采用以地面觀測(cè)站為坐標(biāo)原點(diǎn)的站心坐標(biāo)，來(lái)描述衛(wèi)星與測(cè)站之間的方位角、高度角和距離，以便確定觀測(cè)方案時(shí)了解衛(wèi)星在天空中的分布狀況。站心坐標(biāo)系分為站心地平直角坐標(biāo)系和站心地平極坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

四、站心坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)231、站心地平直角坐標(biāo)系

O點(diǎn)是地球橢球(以下簡(jiǎn)稱橢球)中心，O-XYZ為地球坐標(biāo)系。在GPS中，O-XYZ一般指WGS-84坐標(biāo)系。P為地面觀測(cè)站，S為空間衛(wèi)星。定義為：過(guò)P點(diǎn)的橢球面法線為z軸，指向P點(diǎn)天頂方向?yàn)檎?；垂直于Z軸且由P點(diǎn)指向橢球旋轉(zhuǎn)軸的方向?yàn)閤軸，指向北方為正；X軸、Y軸與z軸構(gòu)成左手坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

xPy平面為過(guò)測(cè)站P點(diǎn)且垂直于P點(diǎn)天頂方向的地平面，故以測(cè)站中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系P-xyz，稱為站心地平直角坐標(biāo)系。其x軸指向地平北方向，Y軸指向地平東方向，z軸指向測(cè)站天頂方向。1、站心地平直角坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)xPy平242、站心地平極坐標(biāo)系

站心地平極坐標(biāo)系定義：設(shè)xPy平面為基準(zhǔn)面，P點(diǎn)為極點(diǎn)，Px軸為極軸，zPx平面順時(shí)針量至zPS平面的夾角稱為方位角，用A表示，取值O~；PS直線與xPy平面之間的夾角，稱為高度角，用h表示，由xPy平面起算，取值O~；P點(diǎn)至S點(diǎn)的距離，用r表示。由于基準(zhǔn)面xPy為地平面，則稱P-Ahr為站心地平極坐標(biāo)系.第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2、站心地平極坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)25五、平面坐標(biāo)系與高程1、平面坐標(biāo)系

地面點(diǎn)的空間位置，可以用空間直角坐標(biāo)或用大地坐標(biāo)與大地高表示。在實(shí)際應(yīng)用中，地面點(diǎn)、地表要素，更多的是用平面直角坐標(biāo)與正高(高程)表示。國(guó)家平面直角坐標(biāo)系地方平面直角坐標(biāo)系假定平面直角坐標(biāo)系。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

五、平面坐標(biāo)系與高程第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)262、高程絕對(duì)高程：地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離，亦稱為海拔。假定高程：以某假定水準(zhǔn)面作為起算面，則地面點(diǎn)沿鉛垂線至假定水準(zhǔn)面的距離，亦稱為相對(duì)高程。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

HA、HB分別是A、B兩點(diǎn)的絕對(duì)高程，HA’,HB’是A、B兩點(diǎn)的相對(duì)高程。通過(guò)聯(lián)測(cè)一點(diǎn)A(或其他點(diǎn))，求出A點(diǎn)絕對(duì)高程HA和假定高程HA’，即可獲得假定水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面之間的高差△H，其他各點(diǎn)通過(guò)△H，便可進(jìn)行絕對(duì)高程與假定高程的換算。

2、高程第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)HA、HB分別是A、B27表示地面點(diǎn)的高程，在大地坐標(biāo)系中，使用大地高，大地高是地面點(diǎn)沿參考橢球面法線至參考橢球面的距離。如圖2-10，設(shè)A點(diǎn)絕對(duì)高程為HA，A點(diǎn)在大地坐標(biāo)系里的大地高為H大地高，由于大地水準(zhǔn)面與參考橢球面不重合，它們之間的距離稱為高程異常，用ξ表示，則有：ξ=H大地高-HA

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

表示地面點(diǎn)的高程，在大地坐標(biāo)系中，使用大地高，大地高是地面點(diǎn)28六、時(shí)間系統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)航，需要獲得若干顆衛(wèi)星的空間位置以及該位置上衛(wèi)星至目標(biāo)的距離。實(shí)際上，衛(wèi)星的位置并不是靜止不動(dòng)的，它以約3.9km／s的速度在軌道上高速運(yùn)動(dòng)。不同的時(shí)刻，衛(wèi)星的位置不同，衛(wèi)星位置是時(shí)間的函數(shù)。再者，衛(wèi)星至目標(biāo)的距離，是依據(jù)衛(wèi)星在某一位置上發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻與目標(biāo)點(diǎn)的接收機(jī)收到同一信號(hào)的時(shí)刻之間的時(shí)間差，再乘以信號(hào)的傳播速度而間接得到的。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

六、時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)29第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)六、時(shí)間系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)的傳播速度，可以證明，如果要使衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，其測(cè)定時(shí)間的精度應(yīng)達(dá)到2.6×10-6s；如果要求測(cè)定距離的精度也小于1cm，信號(hào)傳播的時(shí)間誤差應(yīng)小于3.0×10-11s。由此可見(jiàn)，時(shí)間系統(tǒng)對(duì)于GPS的定位與導(dǎo)航，具有特別重要的作用。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)六、時(shí)間系統(tǒng)30(1)基本時(shí)間系統(tǒng)1)恒星時(shí)2)平太陽(yáng)時(shí)3)世界時(shí)4)國(guó)際原子時(shí)5)協(xié)調(diào)世界時(shí)(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(1)基本時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)311)恒星時(shí)以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為恒星時(shí)。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔定為一個(gè)恒星日，等分為24個(gè)恒星時(shí)。恒星時(shí)具有地方性，亦稱為地方恒星時(shí)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1)恒星時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)32第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2)平太陽(yáng)時(shí)由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的開(kāi)普勒定律可知，真太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是變化的。為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)的這一變化缺陷，設(shè)想存在一個(gè)假太陽(yáng)存在，它以真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度，在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，且周期與真太陽(yáng)相同，稱這個(gè)假太陽(yáng)為平太陽(yáng)，以平太陽(yáng)為參考點(diǎn)，根據(jù)平太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為平太陽(yáng)時(shí)。與恒星時(shí)類(lèi)似，平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽(yáng)日，等分為24個(gè)平太陽(yáng)時(shí)，某地某一時(shí)刻的平太陽(yáng)時(shí)，在數(shù)值上等于本地子午圈相對(duì)于平太陽(yáng)的時(shí)角。同一時(shí)刻不同點(diǎn)的平太陽(yáng)時(shí)不同，平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，亦稱為地方平太陽(yáng)時(shí)或地方平時(shí)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2)平太陽(yáng)時(shí)33

3)世界時(shí)以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)，稱為世界時(shí)，世界時(shí)以地球自轉(zhuǎn)軸為基礎(chǔ)。世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)尺度相同，但起算點(diǎn)與格林尼治平太陽(yáng)時(shí)起算點(diǎn)相差12h。若以GMST表示格林尼治的平太陽(yáng)時(shí)，則世界時(shí)UT為：UT=GMST+12h

4)國(guó)際原子時(shí)

原子時(shí)是利用原子鐘所建立的時(shí)間系統(tǒng)。原子時(shí)采用國(guó)際制秒(SI)。國(guó)際時(shí)間局從1977年開(kāi)始，根據(jù)全球精選出的不同地點(diǎn)約一百臺(tái)原子鐘，經(jīng)高精度時(shí)間對(duì)比和數(shù)據(jù)處理后推算出的一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)，稱為國(guó)際原子時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

3)世界時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)345)協(xié)調(diào)世界時(shí)為了利用原子時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又滿足對(duì)世界時(shí)的實(shí)際應(yīng)用需要，國(guó)際無(wú)線電科技協(xié)會(huì)和國(guó)際天文學(xué)會(huì)建立了一個(gè)兩者兼而有之的時(shí)間系統(tǒng)。即，以原子時(shí)的國(guó)際制秒(SI)為基礎(chǔ)，用正負(fù)閏秒的方法保持與世界時(shí)相差在一秒以內(nèi)的一種時(shí)間，這種時(shí)間稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長(zhǎng)，即使用國(guó)際制秒。目前幾乎所有國(guó)家發(fā)布的時(shí)號(hào)，均以UTC為標(biāo)準(zhǔn)。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

5)協(xié)調(diào)世界時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)35(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)航，其衛(wèi)星在太空的瞬時(shí)位置，衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射、傳播和接收，都依賴于時(shí)間，為此，GPS建立了自己的專(zhuān)用時(shí)間系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)間系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為GPST(GPS時(shí)：GPSTime)，它由GPS主控站的高精度原子鐘守時(shí)與授時(shí)。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)36(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)

GPST使用原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長(zhǎng)等于原子時(shí)秒長(zhǎng)，原點(diǎn)與1980年1月6日零時(shí)時(shí)刻的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)相同，而與該同一時(shí)刻的原子時(shí)相差19s，此時(shí)，協(xié)調(diào)世界時(shí)已累計(jì)閏19s。

GPST啟動(dòng)后不跳秒，保持時(shí)間的連續(xù)性。GPST與UTC的整秒差以及秒以下的差異，通過(guò)時(shí)間服務(wù)部門(mén)定期公布。在利用GPST進(jìn)行時(shí)間校對(duì)時(shí)，需注意其與UTC的整秒差n.第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)371天球直角坐標(biāo)系與地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換由天球直角坐標(biāo)系O-XYZ與地球直角坐標(biāo)系o-xyz的定義可知，兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球質(zhì)心O，O-XYZ的Z軸和o-xyz的z軸均為地球旋轉(zhuǎn)軸，O-XYZ的X、Y軸所在平面XOY(天球赤道面)與O-xyz的x、y軸所在平面xoy(地球赤道面)重合，均為過(guò)地球質(zhì)心且垂直于地球旋轉(zhuǎn)軸的平面。設(shè)O-XYZ中的X軸與o-xyz的x軸之間的夾角為GAST，由恒星時(shí)的定義可知，GASI等于格林尼治的恒星時(shí)角，是時(shí)間的函數(shù).坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需將O-XYZ坐標(biāo)系繞o-xyz坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)GAST角即可1天球直角坐標(biāo)系與地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換第三節(jié)空間382不同地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

目前世界上各國(guó)所使用的地球直角坐標(biāo)系，與全球的統(tǒng)一地球直角坐標(biāo)系，在原點(diǎn)位置、三個(gè)軸的方向上，立的直角坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系(BJ54)和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系(GDZ80)，它們屬于三個(gè)不同的地球坐標(biāo)系，且BJ54與GDZ80屬于兩個(gè)不同參心(參考橢球中心)的地球坐標(biāo)系.地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，包括地心直角坐標(biāo)與參心直角坐標(biāo)，不同的兩參心直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)于我國(guó)，主要WGS-84與BJ54或GDZ80之間的轉(zhuǎn)換和BJ54與GDZ80之間相互轉(zhuǎn)換等.進(jìn)行不同的地球直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換2不同地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換39由于球面的不可展示性，為了用平面坐標(biāo)來(lái)表示球面上目標(biāo)的空間位置，必須進(jìn)行球面坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，這就是地圖的投影變換。地球曲面轉(zhuǎn)換成地圖平面，不僅僅存在著比例尺變換，而且還存在著投影轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。將橢球面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)，按著一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)，稱之為地圖投影。地圖投影的方法很多，我國(guó)主要采用高斯—克呂格投影。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

由于球面的不可展示性，為了用平面坐標(biāo)來(lái)表示球面上目標(biāo)的空間位40地圖投影的實(shí)質(zhì)是建立球面和平面之間的函數(shù)關(guān)系，使球面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)到平面上或可展示的平面上，其轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)函數(shù)是：X=f1(，）；Y=f2(，）其中（X，Y）是平面直角坐標(biāo)；(，）是地球表面的地理坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)換解算方法主要可歸為正解變換和反解變換

正解變換：一般地把由地理坐標(biāo)求出地圖平面直角坐標(biāo)的形式稱為正算式，稱正解變換，也稱直接變換法。反解變換：把由地圖直角坐標(biāo)求出地理坐標(biāo)的形式稱為反算式，稱反解變換，也稱間接變換法。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

地圖投影的實(shí)質(zhì)是建立球面和平面之間的函數(shù)關(guān)系，使球面上的點(diǎn)對(duì)41一、地圖投影的種類(lèi)

地球表面經(jīng)投影變換后其角度、面積、形狀、距離會(huì)產(chǎn)生某種變形，變形雖不可避免，但可以控制，也就是可以使某一種變形為零，也可以使各種變形減少到最小程度，產(chǎn)生了各種不同的投影變換。1、按變形的性質(zhì)分等角投影，等積投影，等距投影；2、按展開(kāi)方式分方位投影、圓柱投影、圓錐投影；3、按投影面與地球相割或相切分割投影和切投影?？傊貓D的投影變換是空間數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容之一第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

一、地圖投影的種類(lèi)第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)42投影面和球面的關(guān)系第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

投影面和球面的關(guān)系第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)43幾種投影方式展開(kāi)圖方位投影展開(kāi)圖圓錐投影展開(kāi)圖圓柱投影展開(kāi)圖第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

幾種投影方式展開(kāi)圖方位投影展開(kāi)圖圓錐投影展開(kāi)圖圓柱投影展開(kāi)圖44第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)45二、GIS中地圖投影的選擇

隨區(qū)域經(jīng)緯度不同、地圖比例尺不同、及地圖用途不同，地圖投影方法也不同，現(xiàn)有地圖投影方法共有200多種。但常用的也就20多種。

1、選擇的投影系統(tǒng)應(yīng)與國(guó)家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國(guó)家大地圖集）投影系統(tǒng)一致； 2、系統(tǒng)一般采用兩種投影系統(tǒng)；

一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出；一種服務(wù)于中小比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出；第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

二、GIS中地圖投影的選擇第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅463、所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。GIS投影為例：加拿大：>=1:50萬(wàn)——采用UTM（墨卡托投影）<1:50萬(wàn)——采用Lambert（蘭勃特）;美國(guó)：>=1:50萬(wàn)——采用UTM;<1:50萬(wàn)——采用州平面坐標(biāo)系統(tǒng)(以高斯投影和Lambert投影為主，局部地區(qū)采用HOM投影)；

中國(guó)：>=1:50萬(wàn)——采用高斯投影；<1:50萬(wàn)——采用Lambert（蘭勃特）。

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

3、所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投47三、我國(guó)的地圖投影

（一）我國(guó)常用的地圖投影1、我國(guó)基本比例尺地形圖(>100萬(wàn))，采用高斯—克呂格投影（橫軸等角切圓柱投影）；2、我國(guó)1：100萬(wàn)地形圖采用了Lambert(蘭勃特)投影（正軸等角割圓錐投影）；3、我國(guó)大部分省區(qū)地圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Alberts(阿爾伯斯)投影（正軸等面積割圓錐投影）；總之，在我國(guó)大比例尺時(shí)，采用高斯—克呂格投影，中小比例尺采用蘭勃特投影。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

三、我國(guó)的地圖投影第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)48（二）高斯—克呂格投影(簡(jiǎn)稱高斯投影)

高斯—克呂格投影是橫軸等角切橢圓柱投影。從幾何上看，它用一個(gè)橢圓柱套在地球橢球體外面，并與某一子午線相切（此子午線稱做中央經(jīng)線），使橢圓柱的中心軸位于橢球體的赤道面上.經(jīng)緯線的投影是首先將中央經(jīng)線向東和向西按一定經(jīng)差范圍，將經(jīng)緯線交點(diǎn)投影到橢圓柱面上，再將此橢圓柱面展為平面。高斯－克呂格投影不僅在我國(guó)而且在東歐一些國(guó)家也采用其作為地形圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，美國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家也有局部地區(qū)采用該投影作為大比例尺地圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

（二）高斯—克呂格投影(簡(jiǎn)稱高斯投影)第四節(jié)地圖投影與地491、高斯投影特征：

（1）中央經(jīng)線和赤道投影后為互相垂直的直線，且為投影的對(duì)稱軸；（2）投影具有等角的性質(zhì)(投影后經(jīng)緯線相垂直)；（3）中央經(jīng)線投影后保持長(zhǎng)度不變。由于高斯－克呂格投影的變形大小與經(jīng)差有關(guān)，經(jīng)差愈大則變形愈大，因此這種投影在用于大比例尺地圖中時(shí)都采用分帶的方法，即將地球按一定的經(jīng)差（6度，3度）分成若干互不重疊的帶，各帶分別投影，從而將變形控制在一定的精度范圍內(nèi)。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

1、高斯投影特征：第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)502、我國(guó)高斯投影的分帶方法

1:2.5萬(wàn)至1:50萬(wàn)的地形圖，采用6°帶，全球共分為60個(gè)投影帶；我國(guó)位于東經(jīng)72°到136°間，共含11個(gè)投影帶；1:1萬(wàn)及更大比例尺圖采用3°帶，全球共120個(gè)帶。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

2、我國(guó)高斯投影的分帶方法第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與513、高斯--克呂格投影的優(yōu)點(diǎn)：

（1）等角性適合系列比例尺地圖的使用與編制；（2）經(jīng)緯網(wǎng)和直角坐標(biāo)的偏差小，便于閱讀使用；（3）計(jì)算工作量小，直角坐標(biāo)和子午收斂角值只需計(jì)算一個(gè)帶。由于高斯-克呂格投影采用分帶投影，各帶的投影完全相同，所以各投影帶的直角坐標(biāo)值也完全一樣，所不同的僅是中央經(jīng)線或投影帶號(hào)不同。為了確切表示某點(diǎn)的位置，需要在Y坐標(biāo)值前面冠以帶號(hào)。如表示某點(diǎn)的橫坐標(biāo)為米，前面兩位數(shù)字“20”即表示該點(diǎn)所處的投影帶號(hào)。

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

3、高斯--克呂格投影的優(yōu)點(diǎn)：第四節(jié)地圖投影與地形圖的分52經(jīng)過(guò)高斯分帶投影后，每個(gè)投影帶均可建立一個(gè)以所在帶中央子午線為縱軸x，赤道為橫軸y的高斯平面直角坐標(biāo)系。我國(guó)位于北半球，x坐標(biāo)均為正，而每帶中的Y坐標(biāo)有正有負(fù)。為了避免Y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，需將每帶投影后的x軸向西平移500km。為了表明某點(diǎn)位于哪一投影帶，還需在Y坐標(biāo)前再加入所在帶帶號(hào)。例如，設(shè)位于高斯3°投影帶第38帶的A、B兩點(diǎn)在沒(méi)有平移x軸且沒(méi)有加入代號(hào)的橫坐標(biāo)分別為：y’A=+116865.569my’B=-157239.678m當(dāng)考慮x軸向西平移500km，并加入帶號(hào)后，其A、B兩點(diǎn)的實(shí)際橫坐標(biāo)為：YA=38616865.569mYB=38342760.322m第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

經(jīng)過(guò)高斯分帶投影后，每個(gè)投影帶均可建立一個(gè)以所在帶中央子午53（二）蘭勃特投影

我國(guó)1：1000000比例尺地形圖使用蘭勃特投影，該投影實(shí)質(zhì)上是正軸等角割圓錐投影。蘭勃特投影采用分帶投影方法。即，從緯度(赤道)0o開(kāi)始，至緯度60o處，按緯差4o為一投影帶，從南向北，共分為15個(gè)投影帶。我國(guó)1：1000000比例尺地形圖，在分帶投影基礎(chǔ)上，從經(jīng)度0o開(kāi)始，自西向東，每隔經(jīng)差6o進(jìn)行分幅。這樣，每幅圖的范圍為經(jīng)差6o的兩條經(jīng)線和緯差4o的兩條緯線為邊界的橢球面區(qū)域。有關(guān)蘭勃特投影的投影變形分析以及投影的坐標(biāo)計(jì)算公式與方法可參考有關(guān)地圖制圖的文獻(xiàn)。

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

（二）蘭勃特投影第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)54四、地形圖的分幅與編號(hào)

我國(guó)，基本地形圖的分幅和編號(hào)按國(guó)際規(guī)定的在1:100萬(wàn)地形圖基礎(chǔ)上，按經(jīng)緯度進(jìn)行。1:100萬(wàn)地形圖的分幅和編號(hào)：按緯差4度，經(jīng)差6度分,J-50；1:50萬(wàn)，1:20萬(wàn)，1:10萬(wàn)地形圖的分幅和編號(hào),這三種圖在1:100萬(wàn)地形圖基礎(chǔ)上，按經(jīng)緯度劃分。1:50萬(wàn)按緯差2度，經(jīng)差3度分,分4幅圖,J-50-A；1:20萬(wàn)按緯差40’，經(jīng)差1度分,分36幅圖,J-50-A-[1]；1:10萬(wàn)按緯差20’，經(jīng)差30’,分144幅圖,J-50-144。

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

四、地形圖的分幅與編號(hào)第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)55

3、1:5，1:2.5萬(wàn)，1:1萬(wàn)地形圖的分幅和編號(hào)，這三種圖在1:10萬(wàn)地形圖基礎(chǔ)上，按經(jīng)緯度劃分。1:5萬(wàn)按緯差10’，經(jīng)差15’,分4幅圖,J-50-144-A；1:2.5萬(wàn)按緯差5’，經(jīng)差7.5’,分16幅圖,J-50-144-A-10；1:1萬(wàn)按緯差2.5’，經(jīng)差3.75’,分64幅圖,J-50-144-A-[1]。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

3、1:5，1:2.5萬(wàn)，1:1萬(wàn)地形圖的分幅和編號(hào)，561：10萬(wàn)1：50萬(wàn)1：20萬(wàn)緯差4度經(jīng)差6度

1:50萬(wàn)，1:20萬(wàn)，1:10萬(wàn)地形圖的分幅和編號(hào)以1:100萬(wàn)地形圖為基礎(chǔ)第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

1：10萬(wàn)1：50萬(wàn)1：20萬(wàn)緯差4度經(jīng)差6度1:50萬(wàn)，57第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)58五、地形圖的公里網(wǎng)

大于1:10萬(wàn)的地形圖上繪有高斯－克呂格投影平面直角坐標(biāo)網(wǎng)，其方格為正方形，以公里為單位，故又稱公里網(wǎng)。公里網(wǎng)在地圖上間隔，隨地圖比例尺大小不同而不同。1﹕1萬(wàn)地形圖公里網(wǎng)間隔10cm實(shí)地距離1km1﹕2.5萬(wàn)地形圖公里網(wǎng)間隔4cm實(shí)地距離1km1﹕5萬(wàn)地形圖公里網(wǎng)間隔2cm實(shí)地距離1km1﹕10萬(wàn)地形圖公里網(wǎng)間隔2cm實(shí)地距離2km第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

五、地形圖的公里網(wǎng)1﹕1萬(wàn)地形圖公里網(wǎng)間隔10cm實(shí)地距59地面以上的空間大氣，人們把它比喻為地球生命的保護(hù)傘、地球體的空調(diào)器；它是地球生命呼吸所需氧氣的源泉，也是風(fēng)云變幻的舞臺(tái)，可見(jiàn)地球大氣對(duì)自然環(huán)境、人類(lèi)生存的重要性與影響力。在GPS定位和遙感信息獲取中，太空中的GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號(hào)到達(dá)地面，地面物體反射的太陽(yáng)電磁波和物體本身的熱輻射到達(dá)太空中遙感衛(wèi)星上的探測(cè)器，它們的路徑都要穿越大氣層，并受到大氣的影響。第五節(jié)大氣構(gòu)造地面以上的空間大氣，人們把它比喻為地球生命的保護(hù)傘、地球體的60大氣對(duì)電磁波傳播的影響

GPS定位和遙感對(duì)地探測(cè)技術(shù)中，都涉及電磁波在大氣中的傳播，并受到大氣影響。

(1)大氣對(duì)GPS電磁波傳播的影響

利用GPS進(jìn)行定位、導(dǎo)航時(shí)，通過(guò)安裝在目標(biāo)上的GPS接收機(jī)獲取GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波或測(cè)距碼信號(hào)(電磁波信號(hào))傳播時(shí)間，測(cè)定GPS衛(wèi)星至GPS接收機(jī)天線之間的距離，從而確定目標(biāo)在空間的位置。GPS衛(wèi)星發(fā)射的定位信號(hào)需要穿越大氣才能到達(dá)定位、導(dǎo)航目標(biāo)，信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣后的傳播距離與實(shí)際幾何距離之間的差值，是信號(hào)受大氣影響的傳播誤差。大氣主要在兩個(gè)方面影響信號(hào)的傳播：1)電離層折射；2)對(duì)流層折射。第五節(jié)大氣構(gòu)造大氣對(duì)電磁波傳播的影響第五節(jié)大氣構(gòu)造61(2)大氣對(duì)遙感電磁波輻射能的影響遙感衛(wèi)星上的傳感器探測(cè)到的地面物體信息，是太陽(yáng)或人工的發(fā)射輻射電磁波穿越大氣到達(dá)地面物體，經(jīng)地面物體反射再次穿越大氣到達(dá)衛(wèi)星傳感器的信息，或地面物體自身的熱輻射電磁波穿越大氣到達(dá)傳感器的信息。遙感影像在下述幾個(gè)方面受到大氣影響。

1)大氣反射；2)大氣散射：3)大氣吸收；4)大氣折射。第五節(jié)大氣構(gòu)造(2)大氣對(duì)遙感電磁波輻射能的影響第五節(jié)大氣構(gòu)造62第二章

空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

第二章空間信息技術(shù)基礎(chǔ)63第二章

空間信息技術(shù)基礎(chǔ)

1、本章學(xué)習(xí)目的

通過(guò)本章學(xué)習(xí)，了解、掌握地球形態(tài)、空間與時(shí)間參考系統(tǒng)、空間直角人材系統(tǒng)轉(zhuǎn)換和地圖投影等基本理論

2、本章學(xué)習(xí)內(nèi)容地球形態(tài)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)大氣構(gòu)造

第二章空間信息技術(shù)基礎(chǔ)1、本章學(xué)習(xí)目的64第一節(jié)

地球形態(tài)

地球形態(tài)

鉛垂線：地理空間中任意一點(diǎn)的重力作用線。

水準(zhǔn)面：自由靜止的水面。

大地水準(zhǔn)面：與平均海水面重合，并向大陸、島嶼延伸所形成的封閉曲面

由于大地體表面仍然是具有微小起伏的不規(guī)則曲面，無(wú)法用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述，地理空間中的各種要素，也無(wú)法通過(guò)數(shù)學(xué)方法在大地體表面進(jìn)行表達(dá)與處理。由此，在地球科學(xué)領(lǐng)域，用一個(gè)與大地的形狀、大小最為接近、擬合最好、且能用數(shù)學(xué)函數(shù)表示的橢球體來(lái)代表大地體。由圖2．1可以看出，地理空間任意一點(diǎn)的鉛垂線與通過(guò)該點(diǎn)的地球橢球面法線，一般不重合，它們之間的差值稱為垂線偏差。第一節(jié)地球形態(tài)地球形態(tài)由于大地體表面仍然65參考橢球體地球橢球體是可以用數(shù)學(xué)公式表示的橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成。地球橢球體面（地球橢球體表面）雖然整體上與大地水準(zhǔn)面（大地體表面）擬合最佳，但不同地區(qū)的大地水準(zhǔn)面到地球橢球面的距離不同，該距離的大小，直接影響地理空間要素，歸算到地球橢球面上的精確度，因此，不同的國(guó)家和地區(qū)，根據(jù)不同時(shí)期的觀測(cè)資料，建立了與本區(qū)域大地水準(zhǔn)面擬合最佳的地球橢球體。第一節(jié)

地球形態(tài)

參考橢球體第一節(jié)地球形態(tài)66參考橢球體是建立空間參考系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我國(guó)常用坐標(biāo)系及其參考橢球體如下表：第一節(jié)

地球形態(tài)

在GPS中，美國(guó)使用1984年IUGG第十七屆大會(huì)推薦橢球參數(shù)建立了GPS專(zhuān)用的WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。時(shí)間橢球體坐標(biāo)系1952年以前采用海福特(Hayford)橢球體1953年起前蘇聯(lián)建立的克拉索夫斯基橢球1954年北京坐標(biāo)系20世紀(jì)70年代末1975年IUGG第十六屆大會(huì)推薦橢球參數(shù)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系參考橢球體是建立空間參考系統(tǒng)的基礎(chǔ)。我國(guó)常用坐標(biāo)系及其參考橢67參考橢球的點(diǎn)線面參考橢球短軸為橢球旋轉(zhuǎn)軸，一般與地球旋轉(zhuǎn)軸重合(或者平行)。旋轉(zhuǎn)軸與橢球面有兩個(gè)交點(diǎn)，位于北端的交點(diǎn)稱為北極點(diǎn)，用N表示；位于南端的交點(diǎn)稱為南極點(diǎn)，用S表示。通過(guò)橢球中心O且垂直于橢球旋轉(zhuǎn)軸NS的平面為赤道面．赤道面與橢球表面的交線為赤道。包含橢球旋轉(zhuǎn)軸的平面稱為子午面，子午面與橢球表面的交線稱為子午線。第一節(jié)

地球形態(tài)

參考橢球的點(diǎn)線面第一節(jié)地球形態(tài)68

GPS、RS、GIS研究與處理的對(duì)象，位于地理空間，包括地表面、地表層，也包括大氣層與太空。空間信息技術(shù)涉及空間對(duì)象在地理空間的位置、各種要素在地理空間的分布。確定位置與分布，需要建立相應(yīng)的空間參考系統(tǒng)。1、GPS、RS涉及到人造衛(wèi)星，而衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡與地球的自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)，通常建立與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)的天球坐標(biāo)系來(lái)描述；位于地表層、地面、大氣層的物體與對(duì)象，隨地球的連續(xù)自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)，一般建立隨地球自轉(zhuǎn)而同步運(yùn)動(dòng)的地球坐標(biāo)系來(lái)描述；第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

GPS、RS、GIS研究與處理的對(duì)象，位69第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2、地面要素的表達(dá)，二維平面空間比二維球面空間更為方便，一般用平面坐標(biāo)系描述；

3、利用GPS確定目標(biāo)的空間位置，其基本觀測(cè)量是時(shí)間的函數(shù)，需要建立時(shí)間參考系統(tǒng)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2、地面要素的表達(dá)，二維平面空間比70一、天球坐標(biāo)系黃道面：地球繞地軸(地球旋轉(zhuǎn)軸)自轉(zhuǎn)，同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的平面如果假定地球在空間的位置是靜止不變的，相對(duì)于地球質(zhì)心而言，也可認(rèn)為太陽(yáng)在黃道面內(nèi)繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)繞地球的運(yùn)動(dòng)，稱為視運(yùn)動(dòng)，亦與地球的自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。1、天球直角坐標(biāo)系2、天球球面坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

一、天球坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)71為描述衛(wèi)星空間位置簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)地球質(zhì)心位于地軸上，且假定地球質(zhì)心與地軸在宇宙空間的位置靜止不動(dòng)，則稱以O(shè)為球心，半徑無(wú)窮大的球?yàn)樘烨颉５剌S無(wú)限延伸與天球交于天北極點(diǎn)PN、天南極點(diǎn)Ps。PN與Ps的連線稱為天軸，它與地軸重合。過(guò)天球球心O且垂直于天軸的平面稱為天球赤道面，它與天球相交的大圓稱為天球赤道。黃道面與天球相交的大圓稱為黃道，黃道與赤道交于春分點(diǎn)(γ)與秋分點(diǎn)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

注：無(wú)論是地球的自轉(zhuǎn)，還是太陽(yáng)繞地球的視運(yùn)動(dòng)(地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn))，其天軸、天球赤道、春分點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系固定不變。為描述衛(wèi)星空間位置簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)地球質(zhì)心位于地軸上，且假定地球721、天球直角坐標(biāo)系

以地球質(zhì)心O為原點(diǎn)，O點(diǎn)至天北極PN的方向?yàn)閆軸，O點(diǎn)至春分點(diǎn)y的方向?yàn)閄軸，由X軸、y軸、Z軸按右手坐標(biāo)系法則，在天球赤道面內(nèi)定義出y軸。O-XYZ空間直角坐標(biāo)系稱為地心天球直角坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱天球直角坐標(biāo)系。天體S的空間位置，由天球直角坐標(biāo)(X、y、Z)來(lái)描述。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1、天球直角坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)732、天球球面坐標(biāo)系

天體S的空間位置，又可由天球球面坐標(biāo)(λ，ψ，γ)來(lái)描述。其中，λ為S所在天球子午面與天球基準(zhǔn)子午面之間的夾角，稱為赤徑；ψ為O點(diǎn)至S的向徑與赤道面的夾角，稱為赤緯；r為地球質(zhì)心至S的徑向長(zhǎng)度。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

天球直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系，合稱為天球坐標(biāo)系。2、天球球面坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)天球直角坐標(biāo)74由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力作用，使得地球的旋轉(zhuǎn)軸(地軸)產(chǎn)生抖動(dòng)與進(jìn)動(dòng)，即地軸(天球直角坐標(biāo)系Z軸)的方向不是固定不變的。再者，日、月和恒星引力對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)，使得黃道平面產(chǎn)生變化；再加上地軸方向變化使得與地軸垂直的赤道面產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致黃道與赤道相交的春分點(diǎn)也發(fā)生變化。地軸方向與春分點(diǎn)的變化是十分復(fù)雜的，一般分為長(zhǎng)期變化(稱為歲差)和短周期變化(稱為章動(dòng))。歲差與章動(dòng)使得天軸坐標(biāo)系不是固定的，實(shí)際計(jì)算中，需要考慮歲差與章動(dòng)的影響。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

由于地球不是均質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)橢球體，以及日、月等對(duì)地球的引力作用，使75二、地球坐標(biāo)系由天球坐標(biāo)系定義可知，地球上的任一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將隨地球的自轉(zhuǎn)而連續(xù)改變。為了使用上方便，必須建立與地球固定，隨地球同頻轉(zhuǎn)動(dòng)的坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)系。地球坐標(biāo)系也分為地球直角坐標(biāo)系和地球球面坐標(biāo)系。在衛(wèi)星大地測(cè)量中，通常把地球球面坐標(biāo)系稱為大地坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

二、地球坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)761、地球直角坐標(biāo)系：原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極(地球旋轉(zhuǎn)軸與地球表面或地球橢球面的交點(diǎn))，X軸為O點(diǎn)指向過(guò)英國(guó)格林尼治的起始子午面與地球橢球赤道的交點(diǎn)E，y軸垂直于XOZ平面且X、y、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1、地球直角坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)772、大地坐標(biāo)系：大地坐標(biāo)系的球面是長(zhǎng)半徑為a、短半徑為b的橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)后所形成的橢球面。橢球球心與地球直角坐標(biāo)系原點(diǎn)O(地球質(zhì)心)重合，短軸與地球直角坐標(biāo)系Z軸(地球旋轉(zhuǎn)軸)重合。包含橢球中心且垂直于短軸的平面稱為地球赤道面，包含橢球短軸的平面稱為橢球子午面，通過(guò)格林尼治天文臺(tái)的橢球子午面定義為起始子午面。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)782、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

地理空間P點(diǎn)的位置，用大地坐標(biāo)(L，B，H)表示。L為過(guò)P點(diǎn)的橢球子午面與起始子午面之間的夾角，稱為大地經(jīng)度；B為過(guò)P點(diǎn)的地球橢球面法線與地球赤道面的夾角，稱為大地緯度；H為P點(diǎn)沿P點(diǎn)橢球面法線方向至橢球面的距離，稱為大地高程。2、大地坐標(biāo)系：第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)地理空間P點(diǎn)的位79三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系

大地體(大地水準(zhǔn)面所包圍的形體)是不規(guī)則的、近似于梨形的形體，相對(duì)于能用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的地球橢球體而言，不同地理位置的大地體，其凸凹程度存在較大差異。為了滿足不同用途和保證各區(qū)域定位精度和使用上的方便，地球坐標(biāo)系有公用的坐標(biāo)系，也有各個(gè)國(guó)家或地區(qū)建立地球坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)80第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系1)WGS-84坐標(biāo)系

WGS-84(WorldGeodeticSystem)坐標(biāo)系是美國(guó)國(guó)防部測(cè)量局從20世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)，分別建有WGS-60、WGS-66、WGS-72。經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，于1984年啟用WGS-84，GPS使用WGS-84。由于GPS在世界各個(gè)國(guó)家、各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，WGS-84順理成章地成為了全球公用的地球坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)三、WGS-84坐標(biāo)系和我國(guó)國(guó)家大812)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系

我國(guó)目前使用的國(guó)家大地坐標(biāo)系有兩個(gè)：1954年北京坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱BJ54)和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱GDZ80).(a)1954年北京坐標(biāo)系

我國(guó)1949年建國(guó)后，由于歷史條件限制，沒(méi)有建立橢球的足夠資料，暫時(shí)采用了克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并與前蘇聯(lián)1942年大地坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)、計(jì)算，建立了我國(guó)的大地坐標(biāo)系，命名為1954年北京坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)82第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)由于BJ54的橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)實(shí)際上是前蘇聯(lián)的1942年坐標(biāo)系，隨著測(cè)繪理論與技術(shù)的不斷發(fā)展、完善和我國(guó)區(qū)域內(nèi)測(cè)繪成果的實(shí)際驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)BJ54系統(tǒng)存在諸多缺陷（如在我國(guó)東部地區(qū)最大相差達(dá)68米；橢球短軸指向不明確；幾何大地測(cè)量與物理大地測(cè)量的參考面不統(tǒng)一等問(wèn)題）。(a)1954年北京坐標(biāo)系2)我國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)由于BJ54的橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)實(shí)83(b)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系

定義：直角坐標(biāo)系原點(diǎn)為參考橢球中心(不在地球質(zhì)心)，Z軸(橢球短軸方向)平行于地球自轉(zhuǎn)軸(地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)JYDl968.0的方向)，起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面。X軸位于起始子午面內(nèi)，且與Z軸垂直，指向大地零經(jīng)度方向，X軸、y軸與Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系，橢球參數(shù)采用1975年IUGG第十六屆年會(huì)的推薦值。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(b)1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)84四、站心坐標(biāo)系

在GPS定位中，通常采用以地面觀測(cè)站為坐標(biāo)原點(diǎn)的站心坐標(biāo)，來(lái)描述衛(wèi)星與測(cè)站之間的方位角、高度角和距離，以便確定觀測(cè)方案時(shí)了解衛(wèi)星在天空中的分布狀況。站心坐標(biāo)系分為站心地平直角坐標(biāo)系和站心地平極坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

四、站心坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)851、站心地平直角坐標(biāo)系

O點(diǎn)是地球橢球(以下簡(jiǎn)稱橢球)中心，O-XYZ為地球坐標(biāo)系。在GPS中，O-XYZ一般指WGS-84坐標(biāo)系。P為地面觀測(cè)站，S為空間衛(wèi)星。定義為：過(guò)P點(diǎn)的橢球面法線為z軸，指向P點(diǎn)天頂方向?yàn)檎淮怪庇赯軸且由P點(diǎn)指向橢球旋轉(zhuǎn)軸的方向?yàn)閤軸，指向北方為正；X軸、Y軸與z軸構(gòu)成左手坐標(biāo)系。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

xPy平面為過(guò)測(cè)站P點(diǎn)且垂直于P點(diǎn)天頂方向的地平面，故以測(cè)站中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系P-xyz，稱為站心地平直角坐標(biāo)系。其x軸指向地平北方向，Y軸指向地平東方向，z軸指向測(cè)站天頂方向。1、站心地平直角坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)xPy平862、站心地平極坐標(biāo)系

站心地平極坐標(biāo)系定義：設(shè)xPy平面為基準(zhǔn)面，P點(diǎn)為極點(diǎn)，Px軸為極軸，zPx平面順時(shí)針量至zPS平面的夾角稱為方位角，用A表示，取值O~；PS直線與xPy平面之間的夾角，稱為高度角，用h表示，由xPy平面起算，取值O~；P點(diǎn)至S點(diǎn)的距離，用r表示。由于基準(zhǔn)面xPy為地平面，則稱P-Ahr為站心地平極坐標(biāo)系.第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

2、站心地平極坐標(biāo)系第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)87五、平面坐標(biāo)系與高程1、平面坐標(biāo)系

地面點(diǎn)的空間位置，可以用空間直角坐標(biāo)或用大地坐標(biāo)與大地高表示。在實(shí)際應(yīng)用中，地面點(diǎn)、地表要素，更多的是用平面直角坐標(biāo)與正高(高程)表示。國(guó)家平面直角坐標(biāo)系地方平面直角坐標(biāo)系假定平面直角坐標(biāo)系。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

五、平面坐標(biāo)系與高程第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)882、高程絕對(duì)高程：地面點(diǎn)沿鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離，亦稱為海拔。假定高程：以某假定水準(zhǔn)面作為起算面，則地面點(diǎn)沿鉛垂線至假定水準(zhǔn)面的距離，亦稱為相對(duì)高程。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

HA、HB分別是A、B兩點(diǎn)的絕對(duì)高程，HA’,HB’是A、B兩點(diǎn)的相對(duì)高程。通過(guò)聯(lián)測(cè)一點(diǎn)A(或其他點(diǎn))，求出A點(diǎn)絕對(duì)高程HA和假定高程HA’，即可獲得假定水準(zhǔn)面與大地水準(zhǔn)面之間的高差△H，其他各點(diǎn)通過(guò)△H，便可進(jìn)行絕對(duì)高程與假定高程的換算。

2、高程第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)HA、HB分別是A、B89表示地面點(diǎn)的高程，在大地坐標(biāo)系中，使用大地高，大地高是地面點(diǎn)沿參考橢球面法線至參考橢球面的距離。如圖2-10，設(shè)A點(diǎn)絕對(duì)高程為HA，A點(diǎn)在大地坐標(biāo)系里的大地高為H大地高，由于大地水準(zhǔn)面與參考橢球面不重合，它們之間的距離稱為高程異常，用ξ表示，則有：ξ=H大地高-HA

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

表示地面點(diǎn)的高程，在大地坐標(biāo)系中，使用大地高，大地高是地面點(diǎn)90六、時(shí)間系統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)航，需要獲得若干顆衛(wèi)星的空間位置以及該位置上衛(wèi)星至目標(biāo)的距離。實(shí)際上，衛(wèi)星的位置并不是靜止不動(dòng)的，它以約3.9km／s的速度在軌道上高速運(yùn)動(dòng)。不同的時(shí)刻，衛(wèi)星的位置不同，衛(wèi)星位置是時(shí)間的函數(shù)。再者，衛(wèi)星至目標(biāo)的距離，是依據(jù)衛(wèi)星在某一位置上發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻與目標(biāo)點(diǎn)的接收機(jī)收到同一信號(hào)的時(shí)刻之間的時(shí)間差，再乘以信號(hào)的傳播速度而間接得到的。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

六、時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)91第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)六、時(shí)間系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)的傳播速度，可以證明，如果要使衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，其測(cè)定時(shí)間的精度應(yīng)達(dá)到2.6×10-6s；如果要求測(cè)定距離的精度也小于1cm，信號(hào)傳播的時(shí)間誤差應(yīng)小于3.0×10-11s。由此可見(jiàn)，時(shí)間系統(tǒng)對(duì)于GPS的定位與導(dǎo)航，具有特別重要的作用。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)六、時(shí)間系統(tǒng)92(1)基本時(shí)間系統(tǒng)1)恒星時(shí)2)平太陽(yáng)時(shí)3)世界時(shí)4)國(guó)際原子時(shí)5)協(xié)調(diào)世界時(shí)(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(1)基本時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)931)恒星時(shí)以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為恒星時(shí)。地球自轉(zhuǎn)時(shí)，春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔定為一個(gè)恒星日，等分為24個(gè)恒星時(shí)。恒星時(shí)具有地方性，亦稱為地方恒星時(shí)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

1)恒星時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)94第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2)平太陽(yáng)時(shí)由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓，根據(jù)天體運(yùn)動(dòng)的開(kāi)普勒定律可知，真太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是變化的。為了彌補(bǔ)真太陽(yáng)的這一變化缺陷，設(shè)想存在一個(gè)假太陽(yáng)存在，它以真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度，在天球赤道上作周年視運(yùn)動(dòng)，且周期與真太陽(yáng)相同，稱這個(gè)假太陽(yáng)為平太陽(yáng)，以平太陽(yáng)為參考點(diǎn)，根據(jù)平太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間，稱為平太陽(yáng)時(shí)。與恒星時(shí)類(lèi)似，平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一個(gè)平太陽(yáng)日，等分為24個(gè)平太陽(yáng)時(shí)，某地某一時(shí)刻的平太陽(yáng)時(shí)，在數(shù)值上等于本地子午圈相對(duì)于平太陽(yáng)的時(shí)角。同一時(shí)刻不同點(diǎn)的平太陽(yáng)時(shí)不同，平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，亦稱為地方平太陽(yáng)時(shí)或地方平時(shí)。第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)2)平太陽(yáng)時(shí)95

3)世界時(shí)以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)，稱為世界時(shí)，世界時(shí)以地球自轉(zhuǎn)軸為基礎(chǔ)。世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)尺度相同，但起算點(diǎn)與格林尼治平太陽(yáng)時(shí)起算點(diǎn)相差12h。若以GMST表示格林尼治的平太陽(yáng)時(shí)，則世界時(shí)UT為：UT=GMST+12h

4)國(guó)際原子時(shí)

原子時(shí)是利用原子鐘所建立的時(shí)間系統(tǒng)。原子時(shí)采用國(guó)際制秒(SI)。國(guó)際時(shí)間局從1977年開(kāi)始，根據(jù)全球精選出的不同地點(diǎn)約一百臺(tái)原子鐘，經(jīng)高精度時(shí)間對(duì)比和數(shù)據(jù)處理后推算出的一個(gè)時(shí)間系統(tǒng)，稱為國(guó)際原子時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

3)世界時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)965)協(xié)調(diào)世界時(shí)為了利用原子時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又滿足對(duì)世界時(shí)的實(shí)際應(yīng)用需要，國(guó)際無(wú)線電科技協(xié)會(huì)和國(guó)際天文學(xué)會(huì)建立了一個(gè)兩者兼而有之的時(shí)間系統(tǒng)。即，以原子時(shí)的國(guó)際制秒(SI)為基礎(chǔ)，用正負(fù)閏秒的方法保持與世界時(shí)相差在一秒以內(nèi)的一種時(shí)間，這種時(shí)間稱為協(xié)調(diào)世界時(shí)。協(xié)調(diào)世界時(shí)的秒長(zhǎng)嚴(yán)格等于原子時(shí)的秒長(zhǎng)，即使用國(guó)際制秒。目前幾乎所有國(guó)家發(fā)布的時(shí)號(hào)，均以UTC為標(biāo)準(zhǔn)。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

5)協(xié)調(diào)世界時(shí)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)97(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)利用GPS定位與導(dǎo)航，其衛(wèi)星在太空的瞬時(shí)位置，衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射、傳播和接收，都依賴于時(shí)間，為此，GPS建立了自己的專(zhuān)用時(shí)間系統(tǒng)。這個(gè)時(shí)間系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為GPST(GPS時(shí)：GPSTime)，它由GPS主控站的高精度原子鐘守時(shí)與授時(shí)。

第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)98(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)

GPST使用原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長(zhǎng)等于原子時(shí)秒長(zhǎng)，原點(diǎn)與1980年1月6日零時(shí)時(shí)刻的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)相同，而與該同一時(shí)刻的原子時(shí)相差19s，此時(shí)，協(xié)調(diào)世界時(shí)已累計(jì)閏19s。

GPST啟動(dòng)后不跳秒，保持時(shí)間的連續(xù)性。GPST與UTC的整秒差以及秒以下的差異，通過(guò)時(shí)間服務(wù)部門(mén)定期公布。在利用GPST進(jìn)行時(shí)間校對(duì)時(shí)，需注意其與UTC的整秒差n.第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)

(2)GPS時(shí)間系統(tǒng)第二節(jié)空間與時(shí)間參考系統(tǒng)991天球直角坐標(biāo)系與地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換由天球直角坐標(biāo)系O-XYZ與地球直角坐標(biāo)系o-xyz的定義可知，兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球質(zhì)心O，O-XYZ的Z軸和o-xyz的z軸均為地球旋轉(zhuǎn)軸，O-XYZ的X、Y軸所在平面XOY(天球赤道面)與O-xyz的x、y軸所在平面xoy(地球赤道面)重合，均為過(guò)地球質(zhì)心且垂直于地球旋轉(zhuǎn)軸的平面。設(shè)O-XYZ中的X軸與o-xyz的x軸之間的夾角為GAST，由恒星時(shí)的定義可知，GASI等于格林尼治的恒星時(shí)角，是時(shí)間的函數(shù).坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需將O-XYZ坐標(biāo)系繞o-xyz坐標(biāo)系的z軸旋轉(zhuǎn)GAST角即可1天球直角坐標(biāo)系與地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換第三節(jié)空間1002不同地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

目前世界上各國(guó)所使用的地球直角坐標(biāo)系，與全球的統(tǒng)一地球直角坐標(biāo)系，在原點(diǎn)位置、三個(gè)軸的方向上，立的直角坐標(biāo)系為1954年北京坐標(biāo)系(BJ54)和1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系(GDZ80)，它們屬于三個(gè)不同的地球坐標(biāo)系，且BJ54與GDZ80屬于兩個(gè)不同參心(參考橢球中心)的地球坐標(biāo)系.地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，包括地心直角坐標(biāo)與參心直角坐標(biāo)，不同的兩參心直角坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。對(duì)于我國(guó)，主要WGS-84與BJ54或GDZ80之間的轉(zhuǎn)換和BJ54與GDZ80之間相互轉(zhuǎn)換等.進(jìn)行不同的地球直角坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵是建立兩個(gè)坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型。第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換2不同地球直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換第三節(jié)空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換101由于球面的不可展示性，為了用平面坐標(biāo)來(lái)表示球面上目標(biāo)的空間位置，必須進(jìn)行球面坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，這就是地圖的投影變換。地球曲面轉(zhuǎn)換成地圖平面，不僅僅存在著比例尺變換，而且還存在著投影轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。將橢球面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)，按著一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)，稱之為地圖投影。地圖投影的方法很多，我國(guó)主要采用高斯—克呂格投影。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

由于球面的不可展示性，為了用平面坐標(biāo)來(lái)表示球面上目標(biāo)的空間位102地圖投影的實(shí)質(zhì)是建立球面和平面之間的函數(shù)關(guān)系，使球面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)到平面上或可展示的平面上，其轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)函數(shù)是：X=f1(，）；Y=f2(，）其中（X，Y）是平面直角坐標(biāo)；(，）是地球表面的地理坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)換解算方法主要可歸為正解變換和反解變換

正解變換：一般地把由地理坐標(biāo)求出地圖平面直角坐標(biāo)的形式稱為正算式，稱正解變換，也稱直接變換法。反解變換：把由地圖直角坐標(biāo)求出地理坐標(biāo)的形式稱為反算式，稱反解變換，也稱間接變換法。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

地圖投影的實(shí)質(zhì)是建立球面和平面之間的函數(shù)關(guān)系，使球面上的點(diǎn)對(duì)103一、地圖投影的種類(lèi)

地球表面經(jīng)投影變換后其角度、面積、形狀、距離會(huì)產(chǎn)生某種變形，變形雖不可避免，但可以控制，也就是可以使某一種變形為零，也可以使各種變形減少到最小程度，產(chǎn)生了各種不同的投影變換。1、按變形的性質(zhì)分等角投影，等積投影，等距投影；2、按展開(kāi)方式分方位投影、圓柱投影、圓錐投影；3、按投影面與地球相割或相切分割投影和切投影?？傊?，地圖的投影變換是空間數(shù)據(jù)處理的重要內(nèi)容之一第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

一、地圖投影的種類(lèi)第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)104投影面和球面的關(guān)系第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

投影面和球面的關(guān)系第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)105幾種投影方式展開(kāi)圖方位投影展開(kāi)圖圓錐投影展開(kāi)圖圓柱投影展開(kāi)圖第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

幾種投影方式展開(kāi)圖方位投影展開(kāi)圖圓錐投影展開(kāi)圖圓柱投影展開(kāi)圖106第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)107二、GIS中地圖投影的選擇

隨區(qū)域經(jīng)緯度不同、地圖比例尺不同、及地圖用途不同，地圖投影方法也不同，現(xiàn)有地圖投影方法共有200多種。但常用的也就20多種。

1、選擇的投影系統(tǒng)應(yīng)與國(guó)家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國(guó)家大地圖集）投影系統(tǒng)一致； 2、系統(tǒng)一般采用兩種投影系統(tǒng)；

一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出；一種服務(wù)于中小比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出；第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

二、GIS中地圖投影的選擇第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅1083、所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。GIS投影為例：加拿大：>=1:50萬(wàn)——采用UTM（墨卡托投影）<1:50萬(wàn)——采用Lambert（蘭勃特）;美國(guó)：>=1:50萬(wàn)——采用UTM;<1:50萬(wàn)——采用州平面坐標(biāo)系統(tǒng)(以高斯投影和Lambert投影為主，局部地區(qū)采用HOM投影)；

中國(guó)：>=1:50萬(wàn)——采用高斯投影；<1:50萬(wàn)——采用Lambert（蘭勃特）。

第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

3、所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投109三、我國(guó)的地圖投影

（一）我國(guó)常用的地圖投影1、我國(guó)基本比例尺地形圖(>100萬(wàn))，采用高斯—克呂格投影（橫軸等角切圓柱投影）；2、我國(guó)1：100萬(wàn)地形圖采用了Lambert(蘭勃特)投影（正軸等角割圓錐投影）；3、我國(guó)大部分省區(qū)地圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Alberts(阿爾伯斯)投影（正軸等面積割圓錐投影）；總之，在我國(guó)大比例尺時(shí)，采用高斯—克呂格投影，中小比例尺采用蘭勃特投影。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

三、我國(guó)的地圖投影第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)110（二）高斯—克呂格投影(簡(jiǎn)稱高斯投影)

高斯—克呂格投影是橫軸等角切橢圓柱投影。從幾何上看，它用一個(gè)橢圓柱套在地球橢球體外面，并與某一子午線相切（此子午線稱做中央經(jīng)線），使橢圓柱的中心軸位于橢球體的赤道面上.經(jīng)緯線的投影是首先將中央經(jīng)線向東和向西按一定經(jīng)差范圍，將經(jīng)緯線交點(diǎn)投影到橢圓柱面上，再將此橢圓柱面展為平面。高斯－克呂格投影不僅在我國(guó)而且在東歐一些國(guó)家也采用其作為地形圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，美國(guó)、加拿大、法國(guó)等國(guó)家也有局部地區(qū)采用該投影作為大比例尺地圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

（二）高斯—克呂格投影(簡(jiǎn)稱高斯投影)第四節(jié)地圖投影與地1111、高斯投影特征：

（1）中央經(jīng)線和赤道投影后為互相垂直的直線，且為投影的對(duì)稱軸；（2）投影具有等角的性質(zhì)(投影后經(jīng)緯線相垂直)；（3）中央經(jīng)線投影后保持長(zhǎng)度不變。由于高斯－克呂格投影的變形大小與經(jīng)差有關(guān)，經(jīng)差愈大則變形愈大，因此這種投影在用于大比例尺地圖中時(shí)都采用分帶的方法，即將地球按一定的經(jīng)差（6度，3度）分成若干互不重疊的帶，各帶分別投影，從而將變形控制在一定的精度范圍內(nèi)。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)

1、高斯投影特征：第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)1122、我國(guó)高斯投影的分帶方法

1:2.5萬(wàn)至1:50萬(wàn)的地形圖，采用6°帶，全球共分為60個(gè)投影帶；我國(guó)位于東經(jīng)72°到136°間，共含11個(gè)投影帶；1:1萬(wàn)及更大比例尺圖采用3°帶，全球共120個(gè)帶。第四節(jié)地圖投影與地形圖的分幅與編號(hào)