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3、地理坐标系
地球的形状与大小确定之后,还必须确定椭球体与大地水准面的相对关系,这项工作称为椭球定位与定向。与大地水准面符合得最好的一个地球椭球体,称为参考椭球体,是地球形体三级逼近。
说到这里,我们需要对这几个词汇做区分:
球体:小比例尺,视作球体。
椭球体/旋转椭球体:大比例尺,两个概念不区分。
地球椭球体:限地球椭球体模型。
参考椭球体:定位相关,与局部或全局大地水准面最为吻合的椭球体模型。
3.1 大地基准面
大地基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。ArcGIS中,基准面用于定义旋转椭球体相对于地心的位置。大地基准面分为地心基准面、区域基准面。
地心基准面:由卫星数据得到,使用地球的质心作为原点,使用最广泛的是 WGS 1984。
区域基准面:特定区域内与地球表面吻合,大地原点是参考椭球与大地水准面相切的点,例如Beijing54、Xian80。
每个国家或地区均有各自的大地基准面。我们通常称谓的Beijing54、Xian80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。相对同一地理位置,不同的大地基准面,它们的经纬度坐标是有差异的。
椭球体与大地基准面之间的关系是一对多的关系。因为基准面是在椭球体的基础上建立的,但椭球体不能代表基准面,同样的椭球体能定义不同的基准面。
在目前的GIS商用软件中,大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义,即:
– 三个平移参数ΔX、ΔY、ΔZ表示两坐标原点的平移值。
– 三个旋转参数εx、εy、εz表示当地坐标系旋转至与地心坐标系平行时,分别绕Xt、Yt、Zt的旋转角。
– 最后是比例校正因子,用于调整椭球大小。
Beijing54、Xian80相对WGS84的转换参数至今也没有公开,实际工作中可利用工作区内已知的北京54或西安80坐标控制点进行与WGS84坐标值的转换,在只有一个已知控制点的情况下(往往如此),用已知点的北京54与WGS84坐标之差作为平移参数,当工作区范围不大时,如青岛市(10654平方公里),精度也足够了。
3.2 地理坐标系建立
地理坐标系(大地坐标系)是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用经度、纬度、和大地高度表示。大地坐标系可分为参心大地坐标系和地心大地坐标系。
参心大地坐标系:指经过定位与定向后,地球椭球的中心不与地球质心重合而是接近地球质心。区域性大地坐标系。是我国基本测图和常规大地测量的基础。如Beijing54、Xian80。
地心大地坐标系:指经过定位与定向后,地球椭球的中心与地球质心重合。如CGCS2000、WGS84。
建立地理坐标系的过程如下:
i. 选择一个椭球体:Krasovsky_1940椭球体。
ii. 椭球定位与定向利用“Datum:D_Beijing_1954”大地基准面将这个椭球定位。
有了 Spheroid 和 Datum 两个基本条件,就确定了大地基准面,地理坐标系统便也可以确定,即经纬度。
3.3 我国常用地理坐标系
ArcGIS中这4个地理坐标系的定义如下:3.4 我国常用高程系
大地控制的主要任务是确定地面点在地球椭球体上的位置,这种位置包括两个方面:一是点在地球椭球面上的平面位置,即经度和纬度;二是确定点到大地水准面的高度,即高程。
高程控制网的建立,必须规定一个统一的高程基准面。我国利用青岛验潮站1950~1956年的观测记录,确定黄海平均海水面为全国统一的高程基准面,并在青岛观象山埋设了永久性的水准原点。以黄海平均海水面建立起来的高程控制系统,统称“1956年黄海高程系”。
1987年,因多年观测资料显示,黄海平均海平面发生了微小的变化,由原来的72.289m变为72.260m,国家决定启用新的高程基准面,即“1985年国家高程基准”。高程控制点的高程也发生微小的变化,但对已成图上的等高线的影响则可忽略不计。
国家高程控制网是确定地貌地物海拔高程的坐标系统。按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个,水准路线长度为416619.1公里。