《大地测量张月》PPT课件.ppt
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1、注册测绘师资格考试辅导注册测绘师资格考试辅导测绘综合能力之测绘综合能力之大地测量主要内容:主要内容:n n1、大地测量绪论n n2、常用坐标系及其转换n n3、GPS控制网n n4、高程控制网n n5、似大地水准面精华一、大地测量绪论一、大地测量绪论n n1.1大地测量的任务和作用n n1.2大地测量系统和参考框架n n1.3常用的地球形状表述的数学模型和物理模型1.1 大地测量的任务和作用n n1.1.1 1.1.1 大地测量是为研究地球形状及表面特性进大地测量是为研究地球形状及表面特性进行的实际测量工作,着重于研究地球形状大小的行的实际测量工作,着重于研究地球形状大小的几何特征及其最基本的
2、物理特征几何特征及其最基本的物理特征地球重力场。地球重力场。n n 经典大地测量的技术手段是使用光电仪器进经典大地测量的技术手段是使用光电仪器进行地面几何测量(边角测量、水准测量)、天文行地面几何测量(边角测量、水准测量)、天文测量、地面重力测量。其主要任务是建立国家或测量、地面重力测量。其主要任务是建立国家或大范围的精密控制测量网。大范围的精密控制测量网。n n1.1.2 1.1.2 现代大地测量的特点现代大地测量的特点n n 1 1)长距离、大范围;)长距离、大范围;2 2)高精度;)高精度;3 3)实时快速;)实时快速;4 4)四维;)四维;5 5)地心坐标;)地心坐标;6 6)学科融合
3、。)学科融合。1.1 大地测量的任务和作用n n1.1.3 大地测量的作用n n 为各种测绘提供统一、协调、法定的平面和为各种测绘提供统一、协调、法定的平面和高程系统。从而获得正确的点位和海拔高以及点高程系统。从而获得正确的点位和海拔高以及点位之间的空间关系和尺度位之间的空间关系和尺度。1.2 大地测量系统和参考框架n n大地测量系统包括坐标系统、高程系统、深度基大地测量系统包括坐标系统、高程系统、深度基准和重力参考系统。与系统相对应的大地参考框准和重力参考系统。与系统相对应的大地参考框架有坐标参考框架、高程参考框架和重力测量参架有坐标参考框架、高程参考框架和重力测量参考框架三种。考框架三种。
4、n n1.2.1 1.2.1 坐标系统根据其原点的位置不同分为地心坐坐标系统根据其原点的位置不同分为地心坐标系统和参心坐标系统;从表现形式上又分为空标系统和参心坐标系统;从表现形式上又分为空间直角坐标系(间直角坐标系(x x,y y,z z)和大地坐标系()和大地坐标系(L,B,L,B,H H)1.2 大地测量系统和参考框架n n1.2.2 大地测量的坐标框架n n1 1、参心坐标框架:是由天文大地网实现和维持的,、参心坐标框架:是由天文大地网实现和维持的,是区域性、二维静态的坐标框架。我们国家分别是区域性、二维静态的坐标框架。我们国家分别定义在定义在19541954北京坐标系和北京坐标系和1
5、9801980西安坐标系。西安坐标系。n n2 2、地心坐标框架:是由利用空间大地测量技术构、地心坐标框架:是由利用空间大地测量技术构成全球观测网点,是全球性的、三维动态的坐标成全球观测网点,是全球性的、三维动态的坐标框架。我国框架。我国20002000国家大地坐标系属于地心坐标系。国家大地坐标系属于地心坐标系。1.2 大地测量系统和参考框架n n1.2.3 高程系统和高程框架n n我们国家使用了两个高程基准:我们国家使用了两个高程基准:19561956黄海高程系黄海高程系统(统(72.289m72.289m)、)、19851985国家高程基准(国家高程基准(72.2604m72.2604m)
6、。)。高程基准定义了高程测量的起算点。高程基准定义了高程测量的起算点。n n高程系统采用正常高系统。高程系统采用正常高系统。n n高程框架:由国家一等水准网和一等水准复测的高程框架:由国家一等水准网和一等水准复测的高精度水准控制网来实现,以青岛水准原点为起高精度水准控制网来实现,以青岛水准原点为起算基准,以正常高系统为高差传递方式。另外一算基准,以正常高系统为高差传递方式。另外一种形式是通过大地水准面精华来实现。种形式是通过大地水准面精华来实现。1.3常用的数学模型和物理模型n n、大地水准面n n大地水准面是由静止海水面向大陆延伸所形成的不规大地水准面是由静止海水面向大陆延伸所形成的不规则的
7、封闭曲面。它是重力等位面,即物体沿该面运动时,则的封闭曲面。它是重力等位面,即物体沿该面运动时,重力不做功(如水在这个面上是不会流动的)。大地水准重力不做功(如水在这个面上是不会流动的)。大地水准面是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高程面是描述地球形状的一个重要物理参考面,也是海拔高程系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭系统的起算面。大地水准面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距球面的间距大地水准面差距(对于似大地水准面而言,大地水准面差距(对于似大地水准面而言,则称为高程异常)来实现的。则称为高程异常)来实现的。n n 大地水准面所包围的形体成为大地体。大地体与真实大
8、地水准面所包围的形体成为大地体。大地体与真实地球在大小、形状方面十分接近,大地水准面可以看成地地球在大小、形状方面十分接近,大地水准面可以看成地球形状的一个近似表述。适宜作为地面点高程的起算面。球形状的一个近似表述。适宜作为地面点高程的起算面。1.3常用的数学模型和物理模型n n、参考椭球面n n在测量中,在各个国家和地区,采用各自的区域在测量中,在各个国家和地区,采用各自的区域性大地水准面,最佳拟合于某一区域性大地水准性大地水准面,最佳拟合于某一区域性大地水准面的旋转椭球面,一般称为参考椭球面。面的旋转椭球面,一般称为参考椭球面。n n国家参考椭球面作为以往国家大地测量计算的基国家参考椭球面
9、作为以往国家大地测量计算的基准面,其椭球几何元素的选定和定向的确定是和准面,其椭球几何元素的选定和定向的确定是和国家二维大地坐标系的建立有着密切的关系,由国家二维大地坐标系的建立有着密切的关系,由此确定的参考椭球面只适用于所在的地区。此确定的参考椭球面只适用于所在的地区。1.3常用的数学模型和物理模型n n我国现行四种国家大地坐标系并对映着不同的参考椭球面:n n1、1954年北京坐标系n n2、1980年西安坐标系n n3、新1954年大地坐标系n n4、2000国家大地坐标系(CGCS2000)二、常用坐标系及其转换二、常用坐标系及其转换n n2.1 常用坐标系n n2.1.1 大地坐标系
10、n n2.1.2 地心坐标系n n2.1.3 空间直角坐标系n n2.1.4 站心坐标系n n2.1.5 高斯直角坐标系n n2.1.6 平面坐标系的选择与确定2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.1 2.1.1 大地坐标系大地坐标系n n n n大地坐标系以参考椭大地坐标系以参考椭球面为基准面,用大球面为基准面,用大地经度地经度L L、纬度、纬度B B和大和大地高地高H H表示地面点位置。表示地面点位置。n n大地坐标系是参心坐大地坐标系是参心坐标系,其坐标系统的标系,其坐标系统的原点位于参考椭球中原点位于参考椭球中心。心。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n地心坐标系也是
11、以参地心坐标系也是以参考椭球为基准面,地考椭球为基准面,地心坐标与上述的大地心坐标与上述的大地坐标不同之处是,地坐标不同之处是,地面点面点A A的纬度是以的纬度是以AA的向径的向径AOAO与大地赤与大地赤道面的交角道面的交角BB表示的。表示的。BB叫地心纬度,地心叫地心纬度,地心经度与大地经度是一经度与大地经度是一致的。致的。n n2.1.2 2.1.2 地心坐标系地心坐标系2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.3 2.1.3 空间直角坐标空间直角坐标空间直角坐标空间直角坐标系系系系n n以地心或参考椭球中以地心或参考椭球中心为直角坐标系的原心为直角坐标系的原点,椭球旋转轴为点,椭
12、球旋转轴为Z Z轴,轴,X X轴位于起始子午面与轴位于起始子午面与赤道的交线上,赤道赤道的交线上,赤道面上与面上与X X轴正交的方向轴正交的方向为为Y Y轴,指向符合右于轴,指向符合右于规则,便构成了直接规则,便构成了直接坐标系坐标系2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n在测量应用中,常将空间直在测量应用中,常将空间直角坐标系的原点选在地球参角坐标系的原点选在地球参考椭球的中心,考椭球的中心,Z Z轴与地球轴与地球自转轴平行并指向参考椭球自转轴平行并指向参考椭球的北极,的北极,X X轴指向参考椭球轴指向参考椭球的本初(起始)子午线,的本初(起始)子午线,Y Y轴与轴与X X轴和轴和Z Z轴
13、相互垂直。点轴相互垂直。点在此坐标系下的点的位置由在此坐标系下的点的位置由该点在各个坐标轴上的投影该点在各个坐标轴上的投影x x、y y、z z坐标所定义。当原坐标所定义。当原点位于地球质心时,这样定点位于地球质心时,这样定义的坐标系又称为地心系。义的坐标系又称为地心系。否则,则称为参心系。否则,则称为参心系。n n空间直角坐标系空间直角坐标系2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.4 站心坐标系站心坐标系 n n在描述两点间关系时,为方便直观,一般采用站在描述两点间关系时,为方便直观,一般采用站心坐标系。心坐标系。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.5 高斯直角坐标系
14、高斯直角坐标系 n n1 1、地图投影:通常都要将椭球面诸元素(包括坐、地图投影:通常都要将椭球面诸元素(包括坐标、方向和长度)按一定的数学法则归算(投影)标、方向和长度)按一定的数学法则归算(投影)到某个平面,这就是地图投影。到某个平面,这就是地图投影。n n由椭球面元素投影成平面元素必然会产生投影变由椭球面元素投影成平面元素必然会产生投影变形。投影变形包括长度变形、角度变形和面积变形。投影变形包括长度变形、角度变形和面积变形,选取某种合适的投影方程,可使其中的一种形,选取某种合适的投影方程,可使其中的一种变形减小或消失,然而绝不存在使用三种变形同变形减小或消失,然而绝不存在使用三种变形同时
15、消失的投影方式,这是由椭球面的不可展性决时消失的投影方式,这是由椭球面的不可展性决定的。定的。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.5 高斯直角坐标系高斯直角坐标系n n1、地图投影:按投影变形的性质分类,可分为:等面积投影、等角投影、等距离投影;按所采用的投影面和投影方式分类,可分为:方位投影、正轴或斜、横轴圆柱投影、圆锥投影。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.5 高斯直角坐标系高斯直角坐标系n n2、正形投影与高斯克吕格投影n n正形投影就是使椭球面上的微小图形投影后保持形正形投影就是使椭球面上的微小图形投影后保持形状相似的一种投影。亦即等角投影。状相似的一种投
16、影。亦即等角投影。n n高斯投影属于正形投影,属等角横轴切椭圆柱投影高斯投影属于正形投影,属等角横轴切椭圆柱投影2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n 除了正形投影条件,高斯投影还要求中央子午线投影后不仅成为呈直线的纵坐标轴,而且长度保持不变,亦即对于经度为L0的中央子午线上任一点上的投影长度比均等于1。满足上述两个条件的高斯投影就没有角度变形,在中央子午线上也没有长度变形,但不在中央子午线上的各点长度比均大于1,且相距中央子午线愈远,长度变形愈甚。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n 我国所采用的“6带”或“3带”是将中央子午线左右两侧各取3或1.5经差划分为一带。可在全球范围内对
17、投影带统一编号。以经度为3的经线作6带的第1带的中央子午线,其投影范围则自0至6,每隔6的经差自西向东分带,带号n随之递增,可得出6带的中央子午线经度L0与6带带号n的关系式为2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n 至于3带,亦取经度为3的经线为第1带的中央子午线,但投影范围则自1.5至4.5,每隔3经差自西向东分带,其中央子午线经度L0与3带带号n的关系式为:2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n 采用横切圆柱投影高斯克吕格投影的方法来建立平面直角坐标系统,称为高斯克吕格直角坐标系,简称为高斯直角坐标系。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n2.1.6 平面坐标系的选择与确定平面
18、坐标系的选择与确定 n n(一)确定坐标系的原则(一)确定坐标系的原则n n1.1.按面积大小来确定按面积大小来确定n n2.2.按长度相对变形决定按长度相对变形决定n n3.3.两种地方独立坐标系的选择两种地方独立坐标系的选择 n n a a 以测区的平均高程面为投影面的任意带高以测区的平均高程面为投影面的任意带高斯平面直接坐标系斯平面直接坐标系 n n b b 以抵偿高程面为投影面的以抵偿高程面为投影面的33带高斯平面直带高斯平面直角坐标系角坐标系2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n4.4.4.4.尽可能采用与国家点坐标差异较小的坐标值尽可能采用与国家点坐标差异较小的坐标值尽可能采用
19、与国家点坐标差异较小的坐标值尽可能采用与国家点坐标差异较小的坐标值 为了使地方独立坐标系中的点位坐标与国家坐标相接近,可以把该控制网的起始点和起始方位角分别取3带中的的国家坐标及其坐标方位角。2.1 2.1 常用坐标系常用坐标系n n(二)确定坐标系的三大要素(二)确定坐标系的三大要素n n1 1投影面(边长归算的高程基准面)的高程投影面(边长归算的高程基准面)的高程n n2 2中央子午线的经度或其所在位置中央子午线的经度或其所在位置n n3 3起始点坐标、起始方位角、起始边长起始点坐标、起始方位角、起始边长2.2 2.2 坐标转换坐标转换n n2.2.1 空间直角坐标与大地坐标间的转换n n
20、2.2.2 空间直角坐标与站心直角坐标间的转换n n2.2.3 球面坐标与平面坐标间的转换n n2.2.4 不同大地坐标系三维转换2.2 2.2 坐标转换坐标转换n n2.2.4 不同大地坐标系三维转换n n1、Bursa-Woif转换模型(B模型):设任意点在01和02为原点的两坐标系中坐标分别为X1i,Y1i,Z1i和X2i,Y2i,Z2i,它们的原点O1和O2并不一致,坐标轴互不平行,长度标准(尺度)也有差异.则布尔沙模型为2.2 2.2 坐标转换坐标转换n n2 2、莫洛金斯基转换模型、莫洛金斯基转换模型(M M模型):模型):n n以以P PK K为坐标原点的原坐标系设为坐标原点的原
21、坐标系设为为P PK K-X-XK KY YK KZ ZK K,对其先进行,对其先进行旋转和尺度变换,使其坐标轴旋转和尺度变换,使其坐标轴指向及尺度与新坐标系指向及尺度与新坐标系O-XYZO-XYZ相一致,再将坐标原点平移到相一致,再将坐标原点平移到原坐标系的参心,所得的坐标原坐标系的参心,所得的坐标系设为系设为O-XYZO-XYZ,然后,然后对其作坐标平移,从而转换到对其作坐标平移,从而转换到新坐标系,此即是莫洛金斯基新坐标系,此即是莫洛金斯基坐标转换模型。坐标转换模型。2.2 2.2 坐标转换坐标转换n n理论上讲,B模型和M模型的转换结果是等价的,但在应用中有差别,B模型在全球和较大范围
22、的基准转换时较为常用,在局部网的转换中采用M模型比较有利。三、三、GPSGPS控制网控制网n nGPSGPS控制网的转换控制网的转换:n n由于基线向量是由于基线向量是由于基线向量是由于基线向量是WGS84WGS84WGS84WGS84坐标系中的三维坐标差,须坐标系中的三维坐标差,须坐标系中的三维坐标差,须坐标系中的三维坐标差,须将将将将GPSGPSGPSGPS网成果纳入到国家大地坐标系或地方独立坐网成果纳入到国家大地坐标系或地方独立坐网成果纳入到国家大地坐标系或地方独立坐网成果纳入到国家大地坐标系或地方独立坐标系,这就需要进行两类不同坐标系之间的坐标标系,这就需要进行两类不同坐标系之间的坐标
23、标系,这就需要进行两类不同坐标系之间的坐标标系,这就需要进行两类不同坐标系之间的坐标转换转换转换转换 3.13.1关于关于GPSGPS网和地面网之间的坐标转换模型网和地面网之间的坐标转换模型:n n 两个空间直角坐标系之间的坐标转换可采用两个空间直角坐标系之间的坐标转换可采用含有含有7 7个转换参数的布尔莎、莫洛金斯基等模型,个转换参数的布尔莎、莫洛金斯基等模型,这仅适用于例如两个这仅适用于例如两个GPSGPS网之间的转换。而向地面网之间的转换。而向地面网转换,我们国内一般使用范士模型网转换,我们国内一般使用范士模型 来进行转换。来进行转换。如:如:TGPPSTGPPS及及POWERADJ P
24、OWERADJ 软件。软件。3.2 按附合网还是按独立网进行平差定位按附合网还是按独立网进行平差定位n n采用采用GPSGPS技术来改善原有地面控制网,如何合理对技术来改善原有地面控制网,如何合理对待、处理地面网的已知数据须根据网的用途、地待、处理地面网的已知数据须根据网的用途、地面网的实际精度作认真细致的分析、比较而定。面网的实际精度作认真细致的分析、比较而定。n n1 1、GPSGPS网的无约束平差网的无约束平差 n n2 2、GPSGPS网的附合网平差网的附合网平差 3.3 从投影变换方面保持与高斯平面上边长尺从投影变换方面保持与高斯平面上边长尺度的一致性。度的一致性。n n采用与地面网
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