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地球體、水準面、測量坐標系、地圖投影等知識詳解

GIS中非常重要又比較難以理解的坐標系統(tǒng)，內(nèi)容可分為三大部分解析分享：（1）地球體的相關(guān)知識及主要名詞解釋（2）地球坐標系知識（3）地圖投影知識。

1、地球體

1．1 地球球體

地球真實不是一個正球體，而是一個極半徑略短、赤道半徑略長，北極略突出、南極略扁平，近于梨形的橢球體。

1．2 地球的物理表面

水準面：當海洋靜止時，自由水面與該面上各點的重力方向（鉛垂線）成正交，這個面則叫做水準面。

大地水準面：在眾多水準面中，有一個與靜止的平均海水面相重合，并遐想其穿過大陸、島嶼形成一個閉合曲面，這就是大地水準面。換一種說話，大地水準面是一個起伏不平的重力等位面即地球物理表面，它所包圍的形體稱之為大地體。

2.1 大地水準面的意義

（1）地球形體的一級逼近

對地球形狀的很好近似，其面上高出與面下缺少的相當。

（2）起伏波動在制圖學中可忽略

對大地測量和地球物理學有研究價值，但在制圖業(yè)務中，均把地球當作正球體。

（3）海拔高程的起算面

可使用儀器測得海拔高程—某點到大地水準面的垂直高度，也叫絕對高程，簡稱高程。關(guān)注并星標《測繪之家》微信公眾號，可獲取更多測量技術(shù)干貨！

在局部地區(qū)，無法知道絕對高程時，假定一個水準面作為高程起算面，地面點到該假定水準面的垂直距離稱為相對高程。

HA ， HB代表絕對高程，H’A， H’B為相對高程。

1.3 地球的數(shù)學表面

在測量和制圖中就用旋轉(zhuǎn)橢球體來代替地球體，這個旋轉(zhuǎn)橢球體通常稱為地球橢球體，簡稱橢球體。

橢球體是一個規(guī)則的數(shù)學表面，所以被視為地球體的數(shù)學表面，也是地球形體的二級逼近，用于測量計算的基準面。

決定地球橢球體形狀和大小的參數(shù)：

舉個坐標系的例子來說，WGS84的參數(shù)為：

A=6378137m，b=6356752.3m，f=（a-b）/a

對地球形狀a，b，f測定后，還必須確定大地水準面與橢球體面的相對關(guān)系。即確定與局部地區(qū)大地水準面符合最好的一個地球橢球體---參考橢球體，這項工作就是參考橢球體定位。

通過數(shù)學方法將地球橢球體擺到與大地水準面最貼近的位置上，并求出兩者各點間的偏差，從數(shù)學上給出對地球形狀的三級逼近。

2、地球坐標系

2．1 地理坐標系

用經(jīng)緯度表示地面點位的球面坐標系。在大地測量學中，對于地理坐標系統(tǒng)中的經(jīng)緯度有三種描述：天文經(jīng)緯度、大地經(jīng)緯度、地心經(jīng)緯度。

天文經(jīng)緯度：表示地面點在大地水準面上的位置，用天文經(jīng)度和天文緯度表示。

大地經(jīng)緯度：表示地面點在參考橢球面上的位置，用大地精度λ，大地緯度ψ，大地高h表示。

地心經(jīng)緯度：即以地球橢球體質(zhì)量中心為基點，地心經(jīng)度通大地經(jīng)度λ，地心緯度是指參考橢球面上某點和橢球中心連線與赤道面之間的夾角ψ。關(guān)注并星標《測繪之家》微信公眾號，可獲取更多測量技術(shù)干貨！

在大地測量學中，常以天文經(jīng)緯度定義地理坐標。在地圖學中，以大地經(jīng)緯度定義地理坐標。

2.2 我國的大地坐標系統(tǒng)

（1）參心坐標系

我們從參心坐標系和地心坐標系來講解我國的大地坐標系。

參心坐標系是以參考橢球的集合中心為基準的大地坐標系，通常劃分為參心空間直角坐標系（x，y, z），參心大地坐標系(B,L,H)。

我國常用的有1954北京坐標系，1980西安坐標系，新1954北京坐標系。

1）1954北京坐標系

原點在前蘇聯(lián)普爾科沃，參考橢球為克拉索夫斯基橢球，主要參數(shù)為：a=6378254米，f=1/298.3

2）1980西安坐標系

原點在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，參考橢球為國際大地測量與地球物理聯(lián)合會1975年推薦的橢球，主要參數(shù)為：

a=6378140米，地球重力場二階球諧系數(shù)J2=1/298.3,引力常數(shù)與地球質(zhì)量的GM=3.986005×1014m3/s2

地球自轉(zhuǎn)角速度w=7.292115×10-5rad/s

3）新1954北京坐標系

1980西安坐標系基礎(chǔ)上，將基于IUGG1975年橢球的1980西安坐標系平差成果整體轉(zhuǎn)換為基于克拉索夫斯基橢球的坐標值，并將1980西安坐標系坐標原點空間平移而建立起來的。

（2）地心坐標系

地心坐標系是以地球質(zhì)心為原點建立的空間直角坐標系，或以球心與地球質(zhì)心重合的地球橢球面為基準面所建立的大地坐標系。

我們國家使用的地心坐標系有WGS-84坐標系，2000國家大地坐標系。

1）原點為地球質(zhì)心M，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極（CTP），X軸指向XMZ平面，且與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標系。

2） 2000國家大地坐標系（CGCS2000坐標系）

原點為地球質(zhì)心M，Z軸指向由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向，X軸向由原點指向格林尼治參考子午線與赤道面（歷元2000.0）的交點，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標系。

（3）我國的大地控制網(wǎng)

我國的大地控制網(wǎng)是由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成。

由精確測定平面位置和高程的典型的具有控制意義的點組成，它是測制地圖的基礎(chǔ)。

1）平面控制網(wǎng)

平面控制網(wǎng)采用平面控制測量確定控制點的平面位置，即大地經(jīng)度和大地緯度，其主要方法是三角測量和導線測量。目前提供使用的國家平面控制網(wǎng)含三角點、導線點154348個，構(gòu)成1954北京坐標系統(tǒng)、1980西安坐標系兩套系統(tǒng)。關(guān)注并星標《測繪之家》微信公眾號，可獲取更多測量技術(shù)干貨！

2）高程控制網(wǎng)

由精準測定了高程的地面點組成的控制網(wǎng)，是測定其他地面點高程的基礎(chǔ)。建立高程控制網(wǎng)的目的是為了精準求算絕對高程，即高程。中國高程起算面是黃海平均海水面，是根據(jù)驗潮站確定的多年平均海水面確定的。
我國采用的高程系有兩種：1956年黃海高程系和1985年國家高程基準。

1956年黃海高程系，是1956年在青島觀象山設(shè)立的水準原點，取1950-1956年共7年的驗潮資料，水準原點高程為72.2893米。

1985國家高程標準：取1952年—1979年共28年的驗潮資料，水準原點高程為72.2604米。比黃海平均海水面上升了29毫米。1987年國家測繪局公布啟用《1985國家高程標準》取代《黃海平均海水面》。