高斯投影及高斯平面直角坐标系解析课件.ppt

1、第三章第三章 高斯投影及高斯平面直角坐标高斯投影及高斯平面直角坐标系系23.1 地图投影概述地图投影概述3.1.1 地图投影的意义与实现地图投影的意义与实现),(),(21LBFyLBFx由椭球面投影到平面,大地经纬度B,L，与平面坐标x,y的关系因椭球面是不可展曲面,要建立一一对应的关系,必然会产生投影变形，控制投影变形有各种不同的方法，对应于不同的投影。33.1.2 地图投影变形及其表述地图投影变形及其表述1、投影长度比、等量纬度及其表示式dSdsm 222dydxds长度比：长度比：投影平面上微分长度与椭球面上相应微分长度之比。)(cos )cos(coscos2222222222222

2、2222dLdqBNdLBNdBMBNBdLNdBMdS投影平面上微分长度：椭球面上微分长度：43.1.2 地图投影变形及其表述上式中BNMdBdqcos)sin1 ()sin1 (.2)24(lncos0BeBeeBtgdBBNMdBqBq为等量纬度，计算公式为 引入等量纬度后，使相同角度量的dq与dL所对应的椭球面上的弧长相同。3.1.2 地图投影变形及其表述上式中BNMdBdqcos)sin1 ()sin1 (.2)24(lncos0BeBeeBtgdBBNMdBqBq为等量纬度，计算公式为 引入等量纬度后，使相同角度量的dq与dL所对应的椭球面上的弧长相同。63.1.2 地图投影变形及

3、其表述上式中BNMdBdqcos)sin1 ()sin1 (.2)24(lncos0BeBeeBtgdBBNMdBqBq为等量纬度，计算公式为 引入等量纬度后，使相同角度量的dq与dL所对应的椭球面上的弧长相同。73.1.2 地图投影变形及其表述dllydqqydydllxdqqxdx),(),(21lqfylqfx引入等量纬度后，投影公式为：求微分，得：其中：l = L - L083.1.2 地图投影变形及其表述根据微分几何，其第一基本形式为：根据微分几何，其第一基本形式为：2222)()()()()()(lylxGlyqylxqxFqyqxE2222GdlFdqdlEdqds其中：93.1

4、.2 地图投影变形及其表述)(cos2222222222dldqBNGdlFdqdlEdqdSdsmdqdlMdBBdlNtgAcosBNAGAAFAEm22222cossinsincos2cos则，长度比公式为：将 代入上式，得：103.1.2 地图投影变形及其表述BNGmBcosBNEmLcos当A=0或180 ，得经线方向长度比：当A = 90或270 ，得纬线方向长度比：BNGBNEmcoscos 要使长度比与方向无关，只要：F = 0, E = G，则长度比可表示为：113.1.2 地图投影变形及其表述长度比与长度比与1之差，称为长度变形，即：之差，称为长度变形，即：dSdSdsmv

5、m1vm0，投影后长度变大，反之，投影后长度变短。123.1.2 地图投影变形及其表述2、主方向和变形椭圆2222222)cos.( coscos2 )cos.(BdlNmdqdlBNmmBdqNmdsBLBLcoscos)cos( )cos(222222BNmmFBNmGBNmELBBL主方向：主方向：在椭球面上正交的两个方向投影到平面上后仍然正交，则这两个方向称为主方向。性质：性质：主方向投影后具有最大和最小尺度比。dSABdlN cosBdqN cosBBdlmN cosLBdqmN cosds对照第一基本形式，得：且：EGFcos133.1.2 地图投影变形及其表述代入长度比公式，得：

6、02sin2coscos22sin)(sin2sincoscos02002222222AmAmmAmmdAdAmAmmAmmBLBLBLBL若使：220cos22LBLBmmmmAtg使长度比为极值的方向：22222222020sin4)(2112cosBLLBBLmmmmmmAtgA222222020sin4)(cos22cos12sinBLLBBLmmmmmmAA由三角公式得：143.1.2 地图投影变形及其表述222222222222222222sin4)()(21sin4)()(21BLLBLBBLLBLBmmmmmmbmmmmmma002222202sincos2cos22AmmAm

7、mmmmLBBLLB由此得，长度比极值为：2222222220sin4)()(21BLLBLBmmmmmmm将三角展开式代入得：因此，最大长度比a与最小长度比b可表示为：153.1.2 地图投影变形及其表述222222sin2)(sin2)(BBLLBBLLmmmmbammmmbasin2222BLLBmmabmmba不难得出下列关系：163.1.2 地图投影变形及其表述 若对应于最大和若对应于最大和最小长度比方向在椭球面上为最小长度比方向在椭球面上为x轴轴和和y轴方向，在投影面上为轴方向，在投影面上为x1和和y1方向，则有：方向，则有：2222222222222121sincosbayxyb

8、xayxyxm1 1 , 2212212211byaxyxbyyaxxyxP,椭球面上111, yxP投影面上173.1.2 地图投影变形及其表述)sin()sin(coscos)sin(coscos)sin(11111111ababtgaabtgtgtgaabtgtgtgabaxbyxytg1113、方向变形与角度变形、方向变形与角度变形某方向（以主方向起始） 投影后为1，则有：由三角公式，得：显然，当 +1 = 90或 270 时，方向变形最大183.1.2 地图投影变形及其表述abtgbatg1,若与1表示最大变形方向，则最大变形量可表示为：ababuarcsin1max顾及：11)90

9、(tgabtgctgtgtg解得最大变形方向为：193.1.2 地图投影变形及其表述)sin(arcsin)sin(arcsin)()(1111abababab两方向、所夹角的变形称为角度变形，用表示。即：ababababababarcsin2arcsinarcsinmax 显然，当 +1 = 90、 + 1 = 270 或 +1 = 270、 + 1 = 90 时，角度变形最大，最大角度变形可表示为：203.1.2 地图投影变形及其表述4、面积比与面积变形sin11/BLnmmnabnVababn 椭球面上单位圆面积为 ，投影后的面积为ab，则面积变形为：213.1.3 地图投影的分类1、按

10、投影变形的性质分类 (1). 等面积投影 a b = 1 (2). 等角投影 a = b (3). 等距离投影 某一方向的长度比为某一方向的长度比为1。223.1.3 地图投影的分类2、按采用的投影面和投影方式分类sin)(sincos)(cosZfyZfx(1). 方位投影方位投影 投影面与椭球面相切，切点为投影中心，按一定条件将椭球面上的物投影到平面上。233.1.3 地图投影的分类(2). 正轴或斜、横轴圆柱投影 正轴圆柱投影：投影圆柱面与某纬线相切投影圆柱面与某纬线相切(切圆柱投切圆柱投影影)、或相割、或相割(割圆柱投影割圆柱投影) 切圆柱投影：投影圆柱面与赤道相切，纬线投影成投影圆柱

11、面与赤道相切，纬线投影成 一组平行直线，经线投影成与纬线正交一组平行直线，经线投影成与纬线正交 的另一组平行直线。的另一组平行直线。 割圆柱投影：投影圆柱面与两条对称纬线相割，纬线投影圆柱面与两条对称纬线相割，纬线 投影成一组平行直线，经线投影成与纬投影成一组平行直线，经线投影成与纬 线正交的另一组平行直线。线正交的另一组平行直线。243.1.3 地图投影的分类横轴圆柱投影：投影圆柱面与某经线相切。投影圆柱面与某经线相切。斜轴圆柱投影：用于小比例尺投影，将地球视为圆球，用于小比例尺投影，将地球视为圆球， 投影圆柱体斜切于圆球进行投影。投影圆柱体斜切于圆球进行投影。(3). 圆锥投影：圆锥面与椭

12、球面相切或相割，将椭球面上圆锥面与椭球面相切或相割，将椭球面上 物投影到圆锥面上，展开圆锥面得投影平物投影到圆锥面上，展开圆锥面得投影平 面。面。 根据圆锥顶点位置不同，分正圆锥根据圆锥顶点位置不同，分正圆锥 投影、斜圆锥投影。投影、斜圆锥投影。253.1.3 地图投影的分类26习 题1. 给出等量纬度的定义，引入等量纬度有何作用。给出等量纬度的定义，引入等量纬度有何作用。2. 投影变形与长度无关时应满足哪些条件？并给出证明。投影变形与长度无关时应满足哪些条件？并给出证明。3. 变形主方向有什么性质？变形主方向有什么性质？4. 最大方向变形与最大角度变形的方向满足什么条件？最大方向变形与最大角

13、度变形的方向满足什么条件？5. 地图投影按变形性质分哪几类？按投影方式分哪几类？地图投影按变形性质分哪几类？按投影方式分哪几类？273.2 正形投影与高斯-克吕格投影02222lyqylxqxlylxqyqxqxlyqylx3.2.1 正形投影的概念和投影方程正形投影的概念和投影方程 长度比与方位角无关的投影称为正形投影，必须满足条件E = G, F = 0，即：由第二式解得：1283.2.1 正形投影的概念和投影方程代入第一式，得：代入第一式，得：22222222 :qxlyqyqxqxlyqyqx即为lyqx考虑到导数的方向，开方根得：qylx再代入 式，得：123293.2.1 正形投影

14、的概念和投影方程)(,)(WfZilqWiyxZilqfiyx2 ， 式称为Kauchi-Rimann方程，满足该方程的复变函数为解析函数，可展开成幂级数，即有：3)()(ZFWiyxFilq其反函数也是复变函数，可以写成：303.2.2 高斯-克吕格投影的条件和性质高斯高斯-克吕格投影的条件：克吕格投影的条件： 1. 是正形投影 2. 中央子午线不变形313.2.2 高斯-克吕格投影的条件和性质高斯投影的性质：1. 投影后角度不变投影后角度不变 2. 长度比与点位有关，与方向无关长度比与点位有关，与方向无关 3. 离中央子午线越远变形越大离中央子午线越远变形越大 为控制投影后的长度变形，采用

15、分带投影的方法。常用3度带或6度带分带，城市或工程控制网坐标可采用不按3度带中央子午线的任意带。323.2.2 高斯-克吕格投影的条件和性质33) 3(61360000LnnLLnnL或为或为333.2.2 高斯-克吕格投影的条件和性质 中央子午线在平面上的投影是中央子午线在平面上的投影是 x 轴，赤道的投轴，赤道的投影是影是 y 轴，其交点是坐标原点。轴，其交点是坐标原点。x 坐标是点至赤道的垂直距离；y 坐标是点至中央子午线的垂直距离，有正负。为了避免 y 坐标出现负值，其名义坐标加上 500 公里。 为了区分不同投影带中的点，在点的为了区分不同投影带中的点，在点的Y坐标值上坐标值上加带号

16、加带号N 所以点的所以点的横坐标的名义横坐标的名义值为值为 y = N 1000000+500000+y343.3 高斯投影坐标正算和反算公式ByknkkkMdBXqfXxkildqqfdqfiyx001)(!)(.)()(3.2.1 高斯投影正算公式赤 道OXH0LLllqP,OXh0LLyxP,xyxy因正形投影的导数与方向无关，将投影点坐标在H点展开，得：353.3.1 高斯投影正算公式 因此，高斯投影级数展开式可表示为：因此，高斯投影级数展开式可表示为：)3302705861(cossin)5814185(cos)495(cossin)1(coscossin ,cos222425662

17、22425554223442233322tttBBNdqXdtttBNdqXdtBBNdqXdtBNdqXdBBNdqdBdqdXdBddqXdBNdqdX!)(.1kildqXdXiyxknkkk其各阶导数为：363.3.1 高斯投影正算公式522242532236425442232)5814185(cos120)1 (cos6cos)5861(cossin720 495(cossin24cossin2ltttBNltBNBlNylttBBNltBBNBlBNXx） 将导数代入展开式，虚实分开后，得到高斯投影正算公式如下：373.3.1 高斯投影正算公式为便于编程计算，可将正算公式改写成如下

18、形式：为便于编程计算，可将正算公式改写成如下形式：4222424222244244422222)5814185(cos1201 )1 (cos611cos)5861(cos7201 495(cos24121cosltttBltBBlNylttBltBBlNtXx）383.3.2 高斯投影反算公式!)(1kiydXqdqilqkfnkkkfOfXf0LLyxP,xyxyl 在中央子午线投影成的x轴上取点 Xf = x，该点称为底点，用子午弧长反算公式求得底点的纬度 Bf 和相应的等量纬度qf ，以底点为展开点进行级数展开，得：393.3.2 高斯投影反算公式相应的各阶导数为：相应的各阶导数为：6

19、62224266552224255444224433223322221cos7204846120180617201cos12086242851201cos24465241 cos61261cos22121cos11 bBNttttdXqdbBNtttdXqdbBNttdXqdbBNtdXqdbBNtdXdqdqdBdXdqdBddXqdbBNdqdXdXdqffffffffffffffffffffffffffffffffffffff403.3.2 高斯投影反算公式代入级数展开式，虚实分开得：代入级数展开式，虚实分开得：66442252224253223)8624285(cos1201 )21

20、(cos61cos1ybybybqqqytttBNytBNyBNlffffffffffffff4413.3.2 高斯投影反算公式33221qcqcqcBBBf将大地纬度展开成等量纬度的级数式244222233324222222212771351cos6161341cos21211coscoscos!1ffffffffffffffffffffkkktttBdqBdcBtdqBdcBBVMBNdqdBcdqBdkc其中：5423.3.2 高斯投影反算公式由由 式，得：式，得：6323364242222)(2)(ybqqqybbybqqqff632342261422241221)2()(ybcbbc

21、bcybcbcybcBBf4代入 式，得：5433.3.2 高斯投影反算公式将各系数代入上式，得纬度将各系数代入上式，得纬度 B 的反算公式的反算公式：64254222232)459061(720 )935(242yttNMtyttNMtyNMtBBffffffffffffffff443.3.2 高斯投影反算公式442222224590613601 93512112ffffffffffffNyttNyttNyyMtBB4222422286242851201 )21 (611cos1fffffffffffNytttNytNyBl为便于编程计算，可将反算公式改写成如下形式：为便于编程计算，可将反算

22、公式改写成如下形式：453.3.2 高斯投影反算公式 利用高斯投影的正反算公式，亦可进行不同投利用高斯投影的正反算公式，亦可进行不同投影带坐标的换带计算。其计算步骤如下：影带坐标的换带计算。其计算步骤如下： 1. 根据高斯投影坐标根据高斯投影坐标 x, y，反算得纬度，反算得纬度B和经度差和经度差l； 2. 由中央子午线的经度由中央子午线的经度L0, 求得经度求得经度 L = L0 +l； 3. 根据换带后新的中央子午线经度根据换带后新的中央子午线经度L0 ，计算相应的，计算相应的经差：经差： 4. 由高斯投影正算，求得新的高斯投影坐标由高斯投影正算，求得新的高斯投影坐标 x，y。0LLl46

23、习 题1. 高斯投影的条件是什么？高斯投影的条件是什么？2. 简述高斯投影投影正算公式的推导；简述高斯投影投影正算公式的推导；3. 已知某点的坐标：已知某点的坐标：B = 29 04 05.3373 L = 121 10 33.2012 计算：计算：1). 该点的该点的3 带和带和6 带带号；带带号； 2). 该点的该点的3 带高斯投影坐标并反带高斯投影坐标并反 算检核；算检核；473.4 平面子午线收敛角和长度比dldydldxdydxtgdllydydllxdx ,3.4.1 平面子午线收敛角的计算公式平面子午线收敛角的计算公式oxydydx平行圈子午线沿平行圈纬度不变，求微分得：483.

24、4.1 平面子午线收敛角的计算公式对高斯投影公式求偏导数，得：对高斯投影公式求偏导数，得：422242422224424242225814185cos241 1cos211cos185cos1201 495cos611sincosltttBltBBNlylttBltBBlBNlx493.4.1 平面子午线收敛角的计算公式)242(cossin15231cossin3sintg424542223ttBBltBBlBl代入上式，得：)2(cossin15)231 (cossin3sin5131245422353tBBlBBlBltgtgtg将 展开成 tg 的级数，得：503.4.1 平面子午线收

25、敛角的计算公式 由此可见，由此可见， 是经差的奇函数，在是经差的奇函数，在 x 轴为对称轴，轴为对称轴，东侧为正，西侧为负。东侧为正，西侧为负。 子午线收敛角在赤道为子午线收敛角在赤道为0，在两极等于，在两极等于经差经差 l，其，其余点上均小于余点上均小于经差经差 l 。513.4.1 平面子午线收敛角的计算公式子午线收敛角也可以表示成高斯平面坐标的级数展开式。子午线收敛角也可以表示成高斯平面坐标的级数展开式。 , cos dyyldldyyqdqdldqBdlmNMdBmtgP yox平行圈L =常数PL+dl = 常数BdlN cosMdBP P点沿与y轴平行方问微分变动到P点，子午线收敛

26、角可表示为：沿y坐标的微分，得：523.4.1 平面子午线收敛角的计算公式442522235426342225634224285cos241)21 (cos21cos112018061cos120465cos642yttBNytBNBNylyttBNtytyBNtybybybyqfffffffffffffffffffffylyqtg代入子午线收敛角公式，得：由高斯投影反算公式求出偏导数，得：533.4.1 平面子午线收敛角的计算公式代入上式子午线收敛角计算公式，得：代入上式子午线收敛角计算公式，得：5425342235355342335215)21 (3 5131152213yttNtytNt

27、yNttgtgtgyNtyNtyNttgffffffffffffffffff将 展开成 tg 的级数，得：543.4.2 长度比计算公式BNlylxBNGm2222222coscos由高斯投影长度比的定义式，得：)2(cos3)1 (cos12442222tBlBlm)45(cos24)1 (cos21244222tBlBlm将前面的偏导数代入上式，得：开方后得出以大地坐标表示的长度比公式：553.4.2 长度比计算公式 为给出由高斯投影坐标表示的长度比公式，反解高为给出由高斯投影坐标表示的长度比公式，反解高斯投影的斯投影的 y 坐标正算公式，得：坐标正算公式，得：)1 (6cos223tNy

28、NyBl444422442222cos)1 (3cosNyBltNyNyBl对上式求平方和四次方，得：563.4.2 长度比计算公式)41 (24121244222NyNym代入用大地坐标表示的长度比公式，得：222221NVNRm44222421mmRyRym顾及：代入上式，得：可见，长度比是y坐标的偶函数，且只与y坐标有关。573.5 高斯投影距离与方向改化以及坐标方位角ssDdsvdDvdsvdsdDsD ,2121cos0202即：3.5.1 高斯投影的距离改化高斯投影的距离改化dsdDvdsdD1P2PxyOsvdsvss2 22max02 椭球面上的大地线投影到高斯平面上为曲线，与

29、平面上两点相连的直线相比， 其微分线段间的差异极小，可表示为：其中：583.5.1 高斯投影的距离改化smdSsDmdSdsdD0 此弧线与直线间的最大偏角即为方向投影改化，本为二次小项,故此相对长度差异仅为4次项,相对于距离测量的最高精度亦可忽略,因此可认为： )4(621mmmSDM用辛卜生公式数值积分得：2 2maxss593.5.1 高斯投影的距离改化将长度比公式将长度比公式代入上式，得：代入上式，得：442222424414222212242421)4(24142166mmmmmmmmmRyRyRySDyyyRyyyRSD44222421mmRyRym603.5.1 高斯投影的距离改

30、化距离改化距离改化 S可表示为：可表示为：44222224242mmmmmRyRyRySSDS其中：111221 ,yyyyyym 在城市及工程应用中测边离中央子午线不会超过45公里，则距离改化公式可进一步简化为：222mmRySSDS613.5.2 高斯投影方向改化1、高斯投影曲线的形状、高斯投影曲线的形状 高斯投影曲线的形状向 x 轴弯曲，并向两极收敛。Oyx623.5.2 高斯投影方向改化2、高斯投影方向改化2112360360SR1P2PSR2P1PxyO1221保角投影前后角度相同，即：2 21122112633.5.2 高斯投影方向改化将球面角超计算公式代入上式，得：将球面角超计算

31、公式代入上式，得：2122222xxRyRFmmmkimmikxxRy22 因方向值顺时针方向增加，考虑其正负号后，方向改化公式可表示如下： 上式具有0.1 的计算精度，适用于三、四等控制网的方向改化计算。改化公式中的曲率半径可足够近似地取6370km643.5.3 坐标方位角和大地方位角的关系式1212121211212xxyytgTATOyxA121P2P112T1265习 题1. 已知某点的坐标：已知某点的坐标：B = 29 04 05.3373 L = 121 10 33.2012 计算：计算：1). 该点的该点的3 带高斯投影后的中央子午带高斯投影后的中央子午 线收敛角；线收敛角；

32、2). 该点的该点的3 带高斯投影的长度比。带高斯投影的长度比。2. 已知起始点坐标：已知起始点坐标：x3 = 3239387.624 m y3 = 40446822.368m 起始平面方位角起始平面方位角T31=192 37 08.51 ， 距离距离S31=7619.245m，各方向观测值如下：各方向观测值如下： 13：0 00 00.00 23：0 00 00.00 31： 0 00 00.00 12：257 17 47.71 21：39 51 12.50 32：37 26 36.65 将上述边长和方向归算到高斯平面上。将上述边长和方向归算到高斯平面上。312663.6 通用横轴墨卡托投影

33、3.6.1 墨卡托投影 墨卡托投影为等角割圆柱投影，圆柱与椭球面相割于B0的两条纬线，投影后不变形。特性：特性：等角航线在投影平面上为直线。因此，该投影便于在航海中应用。673.6.2 通用横轴墨卡托投影5522242332266222424442222cos58141851201cos161cos9996. 0cos33027058617201cos495241cos219996. 0BltttNlBtNlBNyBltttNtlBtNtlBNtXx 简称为UTM，与高斯投影相比，仅仅是中央子午线的尺度比为0.9996，其投影公式如下：683.6.2 通用横轴墨卡托投影长度比和子午线收敛角计算

34、公式。长度比和子午线收敛角计算公式。4223244222231cossin3sin45cos241cos219996. 0BBlBltBlBlm693.6.2 通用横轴墨卡托投影通用横轴墨卡托投影的反算步骤：通用横轴墨卡托投影的反算步骤：1. 先由通用横轴墨卡托投影坐标计算高斯投影坐标；先由通用横轴墨卡托投影坐标计算高斯投影坐标； 2. 再利用高斯投影反算公式，计算大地纬度和经度。再利用高斯投影反算公式，计算大地纬度和经度。9996. 0 ,9996. 0墨高墨高yyxx703.6.2 通用横轴墨卡托投影与高斯投影的比较B L01.53600(-0.00040)0.00009 (-0.0003

35、1)0.00034 (-0.00006)500(-0.00040)0.00014 (-0.00026)0.00057(0.00017)400(-0.00040)0.00020 (-0.00020)0.00081(0.00041)300(-0.00040)0.00026 (-0.00014)0.00103(0.00063)200(-0.00040)0.00030 (-0.00010)0.00122(0.00082)713.7 局部区域中的高斯投影及其相应的区域性椭球 局部区域中常采用地方独立坐标系，其局部区域中常采用地方独立坐标系，其高斯高斯坐标以往并非由经纬度求得坐标以往并非由经纬度求得，而是

36、直接将边，而是直接将边长投影到边长归算的高程基准面（投影面）长投影到边长归算的高程基准面（投影面）, 再选定过测区中心附近的坐标纵轴，计算高再选定过测区中心附近的坐标纵轴，计算高斯投影边长和方向改正，在平面上由起始点斯投影边长和方向改正，在平面上由起始点坐标、起始方位角来平差计算各控制点坐标坐标、起始方位角来平差计算各控制点坐标 。 723.7 局部区域中的高斯投影及其相应的区域性椭球地方独立坐标系的参数：地方独立坐标系的参数：1. 投影面：一般采用区域的平均高程面；2. 中央子午线的经度或位置：一般取用过区域中心附近一控制点的经度，或采用整分或整度的经度。3. 起始坐标、起始方位角、起始边长

37、。733.7 局部区域中的高斯投影及相应的区域性椭球 城市及工程控制网采用地方独立坐标系，边长的投影面城市及工程控制网采用地方独立坐标系，边长的投影面是区域的边长归算的高程基准面而并不是国家参考椭是区域的边长归算的高程基准面而并不是国家参考椭球面。其高斯坐标所对应的椭球面应是与投影面相接球面。其高斯坐标所对应的椭球面应是与投影面相接近的区域性椭球面，而不是国家参考椭球面。近的区域性椭球面，而不是国家参考椭球面。74习 题1. 已知某点的坐标：已知某点的坐标：B = 29 04 05.3373 L = 121 10 33.2012 计算：计算：1). 该点的该点的3 带带UTM投影坐标；投影坐标； 2). 该点该点UTM投影的长度变形。投影的长度变形。