第8章-地图投影与高斯投影课件.ppt
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- 地图投影 投影 课件
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1、 本章介绍从椭球面上大地坐标系到平面上直角坐标系的正形投影过程。研究如何将大地坐标、大地线长度和方向以及大地方位角等向平面转化的问题。重点讲述高斯投影的原理和方法,解决由球面到平面的换算问题,解决相邻带的坐标坐标换算。讨论在工程应用中,工程测量投影面与投影带选择。 知识点及学习要求知识点及学习要求 1高斯投影的基本概念;2正形投影的一般条件;3高斯平面直角坐标与大地坐标的相互转换高斯投影的正算与反算4椭球面上观测成果(水平方向、距离)归化到高斯平面上的计算;5高斯投影的邻带换算;6工程测量投影面与投影带的选择。难点在对本章的学习中,首先要理解和掌握高斯投影的概念。高斯正算和反算计算;方向改化和
2、距离改化计算;高斯投影带的换算与应用;工程测量中投影面与投影带的选择。返回本章首页7.1 7.1 高斯投影概述高斯投影概述1 投影与变形 地图投影:就是将椭球面各元素(包括坐标、方向和长度)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。可用下面两个方程式(坐标投影公式)表示:),(),(21BLFyBLFx式中L,B是椭球面上某点的大地坐标,而是x,y该点投影后的平面直角坐标。等角投影投影前后的角度相等,但长度和面积有变形;等距投影投影前后的长度相等,但角度和面积有变形;等积投影投影前后的面积相等,但角度和长度有变形。地图投影的方式投影变形:椭球面是一个凸起的、不可展平的曲
3、面。将这个曲面上的元素(距离、角度、图形)投影到平面上,就会和原来的距离、角度、图形呈现差异,这一差异称为投影变形。投影变形的形式:角度变形、投影变形的形式:角度变形、长度变形和面积变形。长度变形和面积变形。1 投影与变形2 控制测量对地图投影的要求应当采用等角投影(又称为正形投影)采用正形投影时,在三角测量中大量的角度观测元素在投影前后保持不变;在测制的地图时,采用等角投影可以保证在有限的范围内使得地图上图形同椭球上原形保持相似。在采用的正形投影中,要求长度和面积变形不大,并能够应用简单公式计算由于这些变形而带来的改正数。能按分带投影3 高斯投影的基本概念(1)基本概念:)基本概念:如下图所
4、示,假想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(此子午线称为中央子午线或轴子午线)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,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,此投影为高斯投影。高斯投影是正形投影的一种。(2)分带投影)分带投影高斯投影 带:自 子午线起每隔经差 自西向东分带,依次编号1,2,3,。我国 带中央子午线的经度,由 起每隔 而至 , 共计11带(1323带),带号用 表示,中央子午线的经度用 表示,它们的关系是 ,如下图所示。高斯投影 带:它的中央子午线一部分同 带中央子午线重合,一部分同 带的分界子午线重
5、合,如用 表示 带的带号, 表示 带中央子午线经度,它们的关系 下图所示。我国 带共计22带(2445带)。6066756135n0L360 nL366n3nL 33L3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 作为坐标原点,以中央子午线的投影为纵坐标 轴,以赤道的投影为横坐标 轴。OxyABBByxyAAxxyByxBByAxAAxy500Km(3)高斯平面直角坐标系)高斯平面直角坐标系在我国 坐标都是正的, 坐标的最大值(在赤道上)约为330km。为了避免出现负的横坐标,可在横坐标上加上500 000m。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为国家统一坐标
6、。例如,有一点 =19 123 456.789m,该点位在带内,其相对于中央子午线而言的横坐标则是:首先去掉带号,再减去500000m,最后得 =-376 543.211m。xyYy(3)高斯平面直角坐标系)高斯平面直角坐标系(4)高斯平面投影的特点:)高斯平面投影的特点:(5) 椭球面三角系化算到高斯投影面椭球面三角系化算到高斯投影面将椭球面三角系归算到高斯投影面的主要内容是:将椭球面三角系归算到高斯投影面的主要内容是:将起始点的大地坐标归算为高斯平面直角坐标;为了检核还应进行反算,亦即根据反算。通过计算该点的子午线收敛角及方向改正,将椭球面上起算边大地方位角归算到高斯平面上相应边的坐标方位
7、角。通过计算各方向的曲率改正和方向改正,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。通过计算距离改正,将椭球面上起算边的长度归算到高斯平面上的直线长度。当控制网跨越两个相邻投影带,需要进行平面坐标的邻带换算。返回本章首页7.2 7.2 正形投影的一般条件正形投影的一般条件高斯投影首先必须满足正形投影的一般条件。图a为椭球面,图b为它在平面上的投影。在椭球面上有无限接近的两点和 ,投影后为和 ,其坐标均已注在图上, 为大地线的微分弧长,其方位角为 。在投影面上,建立如图b所示的坐标系, 的投影弧长为 。1P2p2pdSAdSds图a图b椭球面到平面的正形投影一般公式称柯西
8、-黎曼条件:qylxlyqx平面正形投影到椭球面上的一般条件:yqxlylxq返回本章首页7.3 7.3 高斯平面直角坐标系与大地坐标系高斯平面直角坐标系与大地坐标系1 高斯投影坐标正算公式(1)高斯投影正算高斯投影正算:已知椭球面上某点的大地坐标 ,求该点在高斯投影平面上的直角坐标 ,即 的坐标变换。(2)投影变换必须满足的条件:投影变换必须满足的条件: 中央子午线投影后为直线; 中央子午线投影后长度不变; 投影具有正形性质,即正形投影条件。(3)投影过程投影过程 在椭球面上有对称于中央子午线的两点 和 ,它们的大地坐标分别为( )及( ),式中 为椭球面上 点的经度与中央子午线 的经度差:
9、 , 点在中央子午线之东, 为正,在西则为负,则投影后的平面坐标一定 为 和。 BL,yx,),(,yxBL1P2PBL,Bl,lP)(0L0LLlPl),(1yxP),(2yxP(4)计算公式)计算公式 5425532234223422)185(cos120)1 (6cos)95(cossin2sin2lttBNltBNlBNyltBBNlBNXx当要求转换精度精确至0.00lm时,用下式计算 52224255322336425644223422)5814185(cos720)1 (cos6cos)5861(cossin720)495(cossin24sin2ltttBNltBNlBNylt
10、tBBNltBBNlBNXx(1)高斯投影反算:已知某点的高斯投影平面上直角坐标 ,求该点在椭球面上的大地坐标 ,即 的坐标变换。(2)投影变换必须满足的条件 坐标轴投影成中央子午线,是投影的对称轴; 轴上的长度投影保持不变; 投影具有正形性质,即正形投影条件。yx,BL,),(,BLyxxx(3)投影过程根据计算纵坐标在椭球面上的投影的底点纬度 ,接着按 计算( )及经差 ,最后得到 、 。fBfBBBfl)(BBBBfflLL02 高斯投影坐标反算公式(4)计算公式5222425322364254222332)8624285(cos1201)21(cos61cos1)459061(720)
11、935(242ytttBNytBNyBNlyttNMtyttNMtyNMtBBfffffffffffffffffffffffffffff当要求转换精度至 时,可简化为下式:10 . 0 542532234222232)24285(cos1201)21(cos61cos1)935(242yttBNytBNyBNlyttNMtyNMtBBfffffffffffffffffffff3 高斯投影相邻带的坐标换算(1)产生换带的原因 高斯投影为了限制高斯投影的长度变形,以中央子午线进行分带,把投影范围限制在中央子午线东、西两侧一定的范围内。因而,使得统一的坐标系分割成各带的独立坐标系。在工程应用中,往往
12、要用到相邻带中的点坐标,有时工程测量中要求采用 带、 带或任意带,而国家控制点通常只有 带坐标,这时就产生了 带同 带(或 带、任意带)之间的相互坐标换算问题,如下图所示:35 . 16635 . 1把椭球面上的大地坐标作为过渡坐标。首先把某投影带(比如带)内有关点的平面坐标 ,利用高斯投影反算公式换算成椭球面上的大地坐标,进而得到;然后再由大地坐标 利用投影正算公式换算成相邻带的(第带)的平面坐标。在这一步计算时,要根据第带的中央子午线来计算经差,亦即此时I),(yx),( BllLLI0),(lBII),(yxII0LlII0LLl(2)应用高斯投影正、反算公式间接进行换带计算计算过程:计
13、算步骤计算步骤:根据,利用高斯反算公计算换算,,得到 ,。采用已求得的,,并顾及到第带的中央子午线,求得,利用高斯正算公式计算第带的直角坐标 , 。为了检核计算的正确性,要求每步都应进行往返计算1x1y1B1L4902.4383511 B2136.13201261 L1B1L129II0L486.46752 lIIxIIy算例算例在中央子午线 的带中,有某一点的平面直角坐标,现要求计算该点在中央子午线 的第带的平面直角坐标。 123I0Lm726.57283741xm193.2101981y129II0L4 子午线收敛角公式(1)子午线收敛角的概念 如右图所示,、 及 分别为椭球面点、过点的子
14、午线 及平行圈 在高斯平面上的描写。由图可知,所谓点 子午线收敛角就是 在 上的切线 与 坐标北之间的夹角,用 表示。 在椭球面上,因为子午线同平行圈正交,又由于投影具有正形性质,因此它们的描写线 及 也必正交,由图可见,平面子午线收敛角也就是等于 在 点上的切线同平面坐标系横轴 的倾角。 pNpQppppNpQpNppnp tp NpQpQppqp y (2)由大地坐标 计算平面子午线收敛角公式),(BL)2(cossin151)231 (cossin31sin2544232tlBBlBBlB(3)由平面坐标计算平面子午线收敛角的公式),(yx )1(31tan2232ffffftNyByN
15、上式计算精度可达1。如果要达到0.001计算精度,可用下式计算:)352(15)1 (342552232fffffffffftttNyttNyytN (4)实用公式已知大地坐标 计算子午线收敛角),(BL BlBllBBsincos)0067. 0cos2 . 0()cos00674. 033333. 0(122222已知平面坐标已知平面坐标计算子午线收敛角),(yx fffBZZZBBsin)cos067. 02 . 0()cos00225. 033333. 0(12224返回本章首页7.4 7.4 椭球面上观测成果归化到高斯平面上计算椭球面上观测成果归化到高斯平面上计算1 概述由于高斯投影
16、是正形投影,椭球面上大地线间的夹角与它们在高斯平面上的投影曲线之间的夹角相等。为了在平面上利用平面三角学公式进行计算,须把大地线的投影曲线用其弦线来代替。控制网归算到高斯平面上的内容有:起算点大地坐标的归算将起算点大地坐标 归算为高斯平面直角坐标。起算方向角的归算。距离改化计算椭球面上已知的大地线边长(或观测的大地线边长)归算至平面上相应的弦线长度。方向改计算椭球面上各大地线的方向值归算为平面上相应的弦线方向值。),(BL),(yx 2 方向改化(1)概念如图所示,若将椭球面上的大地线方向改化为平面上的弦线ab方向,其相差一个角值,即称为方向改化值。ABab(2)方向改化的过程 如图所示,若将
17、大地线 方向改化为弦线ab方向。过A,B点,在球面上各作一大圆弧与轴子午线正交,其交点分别为D,E,它们在投影面上的投影分别为ad和be。由于是把地球近似看成球,故和都是垂直于x轴的直线。在a,b点上的方向改化分别为 和 。当大地线长度不大于10km,y坐标不大于l00km时,二者之差不大于0.05,因而可近似认为 =ABabbaabba(3)计算公式球面角超公式为:2)()(2babayyyxR 适用于三、四等三角测量的方向改正的计算公式: )(2)(222bambabamabxxyRxxyR式中 ,为a、b两点的y坐标的自然的平均值。)(21bamyyy(1)概念如右图所示,设椭球体上有两
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