土地信息系统的几种坐标系

经度和纬度不具有标准长度，无法对距离或面积进行精确测量，或者无
法很容易地在平面地图或计算机屏幕上显示数据。
二、空间大地直角坐标系
坐标系定义
▪ 原点——空间直角坐标系的坐标原点位于参 考椭球的中心
▪ Z 轴——Z轴与椭球的旋转轴一致，指向参考 椭球的北极
▪ X 轴——X轴指向起始子午面与赤道的交点 ▪ Y 轴——Y轴位于赤道面上，按右手系与X轴
式中H85、H56——分别表示1956年黄海高程系和1956年国家高程系原点的正常高程。
应用要求
▪ 在建立土地信息系统时，若需采用不同高程基准的地形图或工程图作为基础数 据时，应将高程基准全部统一到1985国家高程基准。
六、设备坐标系
设备坐标
▪ 设备坐标（Device Coordinate）又称物理坐标（Physical Coordinate）。 设备坐标系是指绘图仪、数字化仪、显示屏等图形输入、输出设备上的坐标系 。
▪ 我国目前采用高斯-克吕格投影平面作为计算面积的参 考面。
四、城市坐标系
▪ 由于国家控制网的精度只能满足中、小比例尺测图的要求，许多城市为适应 城市规划与建设管理，各类工程的勘察设计、施工和管理、地形图测绘、城镇 地籍测量等需要，建设了高精度的城市坐标系。城市坐标系有以下几种形式：
（1）与国家坐标系统一致的城市坐标系统
三、投影坐标系
坐标系定义
▪ 由地理坐标系经过地图投影变换在二维平面中进行建 立的坐标系即投影坐标系。如图所示:
南北方向为坐标纵轴X′ oX，东西方向为坐标横轴Y′ oY ，交点为坐标原点o;
原点上方的水平线oX、原点右侧的垂直线oY具有正值 ，原点下方的水平线oX′、原点左侧的垂直线oY′具有负 值，在 x 和 y 值域范围内，单位保持不变且间隔相等。
2.2 土地信息系统的几种坐标系
地理坐标系（Geography Coordinate System，GCS） 空间大地直角坐标系 投影坐标系 城市坐标系 高程参考系统 设备坐标系
一、地理坐标系
基本定义
▪ 地理坐标系使用三维球面来定义地球上的位置，是以经度和纬度表示地面点位置 的球面坐标系统。
经线和纬线——在球面系统中，水平线（或东西线）是等纬度线或纬线。垂直线（或 南北线）是等经度线或经线。这些线包络着地球，构成了一个称为经纬网的格网化网 络。 • 赤道——位于两极点中间的纬线称为赤道，它定义的是零纬度线。 • 本初子午线——零经度线称为本初子午线。
▪ 我国高程参考系统
新中国成立后我国大地水准面取青岛验潮站1950年至1956年验潮结果推算的黄海平 均海水面，原点高程值为72.289米，并以此作为全国的高程起算面，亦称1956年黄 海高程系。
1988年1月1日起，我国又启用了1985年国家高程基准，原点高程为72.260米。 1985年与1956年国家高程基准之水准原点间的转换关系为：H85=H56–0.029 。
• 纬度值——相对于赤道进行测量，其范围是 -90°（南极点）到 +90°（北极点）。 • 经度值——相对于本初子午线进行测量。其范围是0°～-180°（向西行进时）到0°～180°
（向东行进时）。如图所示。
0°经度（主子午线）
0°纬度（赤道） -20°纬度 150°经度
一、地理坐标系
经度和纬度
• 对于绝大多数地理坐标系，本初子午线是指通过英国格林尼治的经线。 • 其他国家/地区使用通过伯尔尼、波哥达和巴黎的经线作为本初子午线。
• 原点——经纬网的原点(0,0) 定义在赤道和本初子午线的交点处。 经度和纬度——经度和纬度是从地心到地球表面上某点的测量角，通常十进制度为单
位或以度、分和秒 (DMS) 为单位进行测量该角度。
• 在赤道上方和下方，用来定义纬度线的圆将逐渐变小，直到最终在南 极点和北极点处变为一个点，所有经线均在此处相交。
• 由于经线沿极点方向逐渐集中，所以1经度所表示的距离最终将减小 为零。
• 在 Clarke 1866 旋转椭圆体上，赤道上的1经度等于111.321km，而 在纬度为 60°度位置，只有 55.802 km。
五、高程参考系统
基本定义
▪ 高程参考系统
高程参考系统又称垂直坐标系。 空间点的高程是以地球重力场决定的大地水准面为基准为建立的。由于地球重力场确
定的复杂性，我们还不能唯一地确定大地水准面。各个国家或地区均选择一个平均海 水面来代替它，以便建立本国家或本地区的高程基准。 采用不同的平均海水面就产生不同的高程基准，也就产生不同的高程系统。
从东北象限开始顺时针记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。4个 象限分别表示正负 X 坐标和 Y 坐标的四种可能组合。
二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定 ，平面上任一点的位置可以用极坐标或直角坐标表示。
▪ 最常用投影坐标系是平面直角坐标系，通常是将大地 坐标应用地图投影方法投影到某一平面上建立的，如 高斯-克吕格投影、横轴墨卡托投影、方位投影等，都 建立了自己的平面直角坐标系。
▪ 如图2-5所示，而图形屏幕显示器的坐标原点则在其左上角，数字化仪或绘图 仪坐标系的坐标原点在其板面的左下角，它们使用的坐标都是设备相对坐标。
显示器
数字化仪或绘图仪
wenku.baidu.com
▪ 通常将屏幕上的设备坐标称为屏幕坐标，屏幕坐标用对象距离窗口左上角坐标 原点的水平距离和垂直距离来指定对象的位置，以像素为单位来表示的，设备 坐标的X轴向右为正，Y轴向下为正。
天文纬度的起算面为过地球质心且与地 轴垂直的平面，即地球赤道面。大地水 准面上任一点M的天文纬度则是该点测 站子午面内的铅垂线与地球赤道面的交 角，其值域为北纬0°～90°，南纬0°～ 90°。
天文经纬度是直接测得的。
一、地理坐标系
经度和纬度
经度λ和纬度φ特点
经度和纬度测量单位不同
• 尽管使用经度和纬度可在地球表面上定位确切位置，但二者的测量单 位是不同的。只有在赤道上，1经度所表示的距离才约等于1纬度所表 示的距离。
大地纬度的起算面是过椭球中心且与短轴正交的 平面，即赤道面。椭球面上任一点P的大地纬度就 是过该点的法线与赤道面的夹角，用B表示，自赤 道面起算，向北量度称为北纬（正），向南量度 称南纬（负），其值各为0°～90°。
大地经纬度却不能直接测得，它是在椭球面上的 大地控制网中推算出来的。
一、地理坐标系
正交成90°夹角 ▪ 空间直角坐标系可用如图所示，某点的坐标
可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影 （X、Y、Z）来表示。
坐标系应用
▪ 在卫星大地测量中，常采用空间大地直角坐 标系来确定地面点的三维坐标。
▪ 目前，空间大地直角坐标已为很多部门采用 ，但仍有很多部门，由于传统习惯等原因， 通过地面联测，将空间大地直角坐标换算为 全国统一坐标系和高程系的坐标和高程。
▪ 按照国家统一坐标系的要求，建设与国家坐标系相统一的城市大比例尺坐标 系统。 ▪ 城市坐标系统与国家坐标系统一致，有利于控制点等测绘资料的使用。各地 区地形图、地籍图的拼接和使用上将非常方便。
（2）独立坐标系
▪ 地方根据自身地理位置等实际情况，自行建立一套满足地方需求的地方独立 坐标系。 ▪ 地方独立坐标系精度能够满足城镇地籍测量的要求。但当测区（城、镇）地 处投影带的边缘或横跨两带时，长度投影变形较大，且当测区内存在两套坐标 ，这将给数据成果的使用造成麻烦。 ▪ 通常选择测区中央某一子午线作为投影带的中央子午线，由此建立任意投影 带独立坐标系，统一坐标系，同时又可减少投影变形，提高地籍图的精度便于 拼接以及使用。
▪ 经纬度根据参考基准不同分为：大地经度L和大 地纬度B（参心坐标系）；天文经度λ和天文纬度 φ（地心坐标系）。
▪ （1）大地经度L和大地纬度B
大地经度L和大地纬度B是以参考椭球面为基准面 和地面点法线作为基准线的，如图所示。
大地经度起算面为过英国格林尼治天文台的子午 面，即起始大地子午面。椭球面上任意一点P的大 地经度就是通过该点的大地子午面与起始大地子 午面所构成的二面角，用L表示。自起始大地子午 面向东量度为东经(正)，向西量度为西经(负)，其 值各为0°～180°。
六、设备坐标系
逻辑坐标
▪ 屏幕中显示系统记录对象的坐标为逻辑坐标（Logical Coordinate）。 ▪ 在缺省的模式（MM_TEXT）下，逻辑坐标的方向和单位与设备坐标的方向和
单位相同，即以像素为单位，X轴向右为正，Y轴向下为正，坐标原点位于窗口 的左上角。 ▪ 当窗口为非滚动窗口,或窗口为滚动窗口但垂直滚动条位于滚动边框的最上端、 水平滚动条位于最左端时，缺省模式下的逻辑坐标和设备坐标的数值一致。 ▪ 当逻辑坐标和设备坐标的数值不一致，利用用鼠标绘图或屏幕显示图形时，必 须将设备坐标转换为逻辑坐标。 ▪ Visual C++中CDC类的函数DptoLP（）和LtoDP（）可以实现设备坐标与逻 辑坐标相互换算。
经度和纬度
（2）天文经度λ和天文纬度φ
天文经度λ和天文纬度φ是以大地水准 面为基准面，和通过地球质心的铅垂线 为基准线的，如图所示。
天文经度的起算面为通过英国格林尼治 天文台的天文子午面，即起始天文子午 面。大地水准面上任一点M的测站子午 面与起始天文子午面的夹角称为M点的 天文经度，其值域为东经0°～180°， 西经0°～180°。