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山西农业大学资源环境学院 2 地理信息系统基础 2.1 地球形状、大小及其表面几何模型概述 2.2 空间坐标系 2.3 地图投影 2.4 地理信息的分类与编码 2.1 地球形状、大小及其表面几何模型概述 地球自然表面（最自然的面）、地球体（地球的形状） 大地水准面（相对抽象的面）、大地体 总椭球面、总椭球体 参考椭球面、参考椭球体（模型） 地球自然表面、地球体 由于地质变迁和地壳运动以及各种外力的作用，地球表面起伏不平，很不规则，有高山、丘陵、平原、又有江河湖泊和海洋。 这种自然形成的地表形状称为地球自然表面。或者说地球自然表面是地球固体和液体部分相对于大气的分界面。 由地球自然表面所包围的形体叫地球体。它们很难用简单的数学模型来定义和表达，不适合数字建模。 地球自然表面、地球体 大地水准面、大地体 地球表面的72％被处于流体状态的海水所覆盖，因此可假定海洋的水体，只受重力作用，无潮汐、风浪影响，处在完全静止和平衡的状态，将该海洋的表面延伸到大陆的下面并处处保持着与地球重力方向正交这一特征的整个连续封闭曲面是一个水准面，这一特定的水准面称为大地水准面。 大地水准面包围的形体称作大地体。 在大地测量中要研究的地球形状和大小就是指研究大地体的形状和大小。以大地水准面为基准，就可方便地利用水准仪完成地球自然表面上任一点的高程测量。 总椭球面、总椭球体 为了大地测量计算工作的需要，应选择一个能用数学方法简单表示的，在几何形状和物理性质上都与大地体相接近的形体来代替不规则的大地体。 经过长期的测量实践和理论研究，使人们认识到采用两极稍扁的旋转椭球面代替大地水准面，作为测量计算的基准面是比较理想的。 用来代替大地体的椭球体称为地球椭球体。 一个与大地体外形符合最好的地球椭球叫总地球椭球或平均地球椭球。 参考椭球面、参考椭球体 参考椭球体是只与某一个国家或某一地区的大地水准面符合较好的地球椭球体。 目前在测量和制图中普遍采用的代替大地体的参考椭球体多是假定赤道为圆形的绕地球自转轴（短轴）旋转的(双轴)旋转椭球体。它是地球表面几何模型中最简单的一类模型。 赤道为椭圆的三轴地球椭球体模型，虽在数学上可行，又十分接近大地水准面，但用于实际研究则显得复杂，而较少使用。 2.2 空间坐标系 空间坐标系简介 GIS的空间坐标系 高程系 GIS中空间数据的坐标变换 空间坐标系简介1 空间坐标系是确定地面点和空间目标位置所用的参考系，是为各种目的人为设计的。 由于天文气象观测、卫星运行轨道计算及其对地观察以及其它国民经济各项事业蓬勃发展的实际需要，伴随现代科学技术、特别是现代空间技术、计算机技术和电子技术的迅猛发展取得的巨大成就，经典大地测量学和现代空间大地测量学的测量手段与方法不断进步，产生了数量众多的坐标系。 空间坐标系简介2 为数众多的坐标系可依据地球的自转、公转及月亮和各种人造卫星围绕地球沿轨道转动三种周期运动的差异将它们分为天球坐标系、地球坐标系和轨道坐标系。 坐标的表现形式有曲线坐标、球面极坐标和笛卡尔直角坐标系等。 GIS中常用的是地球坐标系，它是大地坐标系中最重要的坐标系统，也是一切其他测量坐标系统的基础。 由于坐标原点选取的不同，地球坐标系又可分为参心坐标系、地心坐标系和站心（测站中心）坐标系3种。 GIS的空间坐标系1 地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。 通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。 法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度φ。 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度λ。 GIS的空间坐标系2 我国的大地坐标系 1954年北京坐标系。 1980年国家大地坐标系 (又称1980西安坐标系, 简写为：GDZ80)。 GIS中空间数据的坐标变换1 GIS应用中几种常见的坐标系 1 设备坐标系 2 地图投影坐标系 3 工作投影坐标系 4 规格化数据库坐标系 GIS中空间数据的坐标变换2 二维可见视变换 (即窗口区到视图区变换) 用户坐标系的定义从理论上讲是连续无限的，而设备坐标是有界的。用户可在用户坐标系下指定任意感兴趣的区域输出到设备上，这个区域称为窗口区。 窗口区是用户图形的一部分。 图形设备上输出图形的最大区域称屏幕域，任何等于或小于屏幕域的区域称为视图区。 视图区是用户在屏幕上定义的显示区域。 GIS中空间数据的坐标变换3 由于窗口在用户坐标中定义，视图在设备坐标系中定义，两者处于不同的坐标系下，因此，把窗口内图形数据显示到视图区时存在着窗口到视区的坐标变换，这种变换实质上是用户坐标向设备坐标的转换。 在图形数据编辑之前，用户先选定窗口范围（wxl，wyl）和（wxr，wyr）及视口范围（vxl，vyl）和（vxr，vyr），然后进行二维视见变换，以实现