空间参考系统..docx

空间参考系统（转）2010-04-11 15:101.1?????? 空间参考系相关概念谈到空间参考系统的时候，我们会用到许多专业术语，诸如坐标(Coordinate)、坐标系(Coordinate System)、椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)、投影(Projection)、坐标转换(Coordinate System Transformation)等。在许多的资料中，并没有准确地区分这些术语。例如：许多资料中会使用坐标系这个词来代表一个空间参考系统。为此，国际标准化组织在ISO 19111 – Geographic information – Spatial referencing by coordinates中对这些术语进行了定义，本章中我们使用的术语也遵循了ISO 19111。下图显示了空间参考系统的抽象模型。坐标是用来描述一个位置的序列值，有时我们将这个序列称之为坐标元组(Coordinate Tuple)，它引用了一个空间参考系统。空间参考系统是引用了一个基准面的坐标系。坐标系是一个抽象的数学概念，不绑定于任何物理对象，它定义了如何计算坐标空间中两个坐标之间的距离、角度等信息，如笛卡尔坐标系、极坐标等。基准面一般是指地球的基准面，当然也可以是其它对象的基准面。坐标操作(Coordinate Operation)可以用于将一个空间参考系的坐标值转换为另一个空间参考系的坐标值。在不同基准面之间进行的坐标变换称之为坐标转换(Transformation)，在不同的地图投影和不同地区的坐标之间进行的坐标变换称之为坐标变换(Conversion)。1.1.1 坐标系的类型不同的空间参考系统使用了不同的坐标系统，下面我们介绍几种常用的坐标系统。l 椭球体坐标系(Ellipsoidal Coordinate System)：一种二维或三维的坐标系。如果是二维，使用经度和纬度表示某一坐标的位置；如果是三维，使用距离椭球体表面的垂直高度作为第三维。l 笛卡尔坐标系(Cartesian Coordinate System)：。一种一维、二维或三维的坐标系。如果为一维，那么它只包含一根轴；如果为二维或三维，通过相对于这些正交轴的距离来定位一个坐标。l 球形坐标系(Spherical Coordinate System)：一种三维的坐标系，它使用了一个到原点的距离和两个角度来定位一个坐标。1.1.2 椭球体和基准面为了在地球表面上确定一个准确的位置，我们必须知道地球本身的形状和大小。正如我们所知，地球不是一个完美的球体，更像是一个在轴附近发生扁平的椭球体。因而，为了实用化，经常用椭球体的形状来描述地球的形状。人们以假想的平均静止的海水面形成的“大地体”为参照，计算出近似的椭球体。地球椭球体有长半轴a和短半轴b之分，长半轴即赤道半径，短半轴即极半径。f=（a-b）/a为椭球体的扁率，表示椭球体的扁平程度。由此可见，地球椭球体的形状和大小取决于a、b、f 。因此，a、b、f被称为地球椭球体的三要素。从1953年起我国参照前苏联采用的克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG 75地球椭球体建立了我国新的坐标系——西安80坐标系。目前全球定位系统(GPS)采用的是WGS84椭球体。椭球体???????? 长半轴(a)???? 短半轴(b)Krassovsky 6378245?? 6356863.0188IAG 75???????? 6378140??? 6356755.2882WGS 84?????? 6378137?? 6356752.3142基准面是地球的一个模型，它给出了坐标系统和地球之间的关联关系。通过以下的两点可以定义一个基准面。1)?????? 椭球体的大小和形状(长半轴a，短半轴b)。2)?????? 依据一个定位点，基于地球物理表面对椭球体进行定位。基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近。如果把地球比做是“马铃薯”，表面凸凹不平，而地球椭球体就好比一个“鸭蛋”，那么按照我们前面的定义，基准面就定义了怎样拿这个“鸭蛋”去逼近“马铃薯”某一个区域的表面，X、Y、Z轴进行一定的偏移，并各自旋转一定的角度，大小不适当的时候就缩放一下“鸭蛋”，那么通过如上的处理必定可以达到很好的逼近地球某一区域的表面。因为不同的地区关心的位置不同，需要最大限度的贴合自己的那一部分，大地基准面就会不同。因此，全世界有许多地方和区域性的基准面。由此，我们可以看到椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，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。如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面