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时间：2024-03-19 点击： 次 来源：网络 添加者：佚名 - 小 + 大
| 地质点坐标与GPS定位 本站原创2012年05月28日 地质人员常常要接触地质点坐标，如某盆地某井坐标为（2626266.0，18708616.21），其如何产生，与经纬度坐标有何关系，如何在不同比例尺图件上读点坐标，如何在野外用GPS全球定位系统取点，这困扰着不少人。要弄清该问题，必须理解地理信息系统（简称GIS）中的坐标系以及在这一坐标系中的定位方法。 一、坐标系统 1.地理坐标系统 地球是一个球体，球面上的位置，以经纬度来表示是我们早已经熟悉的方法，比如广西壮族自治区位于北纬20°54′～26°23′，东经104°29′～112°04′。这称为"球面坐标系統"或"地理坐标系統"。因所有经线都是一样长，为了度量经度选取一个起点面，经1884年国际会议协商，决定以通过英国伦敦近郊、泰晤士河南岸的格林尼治皇家天文台（旧址）的一台主要子午仪十字丝的那条经线为起始经线，称为本初子午线。本初子午线平面是起点面，终点面是本地经线平面。某一点的经度，就是该点所在的经线平面与本初子午线平面间的夹角。在赤道上度量，自本初子午线平面作为起点面，分别往东往西度量，往东量值称为东经度，往西量值称为西经度。由此可见，一地的经度是该地对于本初子午线的方向和角距离。本初子午线是0°经度，东经度的最大值为180°，西经度的最大值为180°，东、西经180°经线是同一根经线，因此不分东经或西经，而统称180°经线。习惯上以西经20°和东经160°为分界把地球分为东西两个半球。 假如从地轴的正中间将地球切成南北两半，上边的一半叫北半球，下边的一半叫南半球。被切的这个平面，叫赤道面。赤道面与地球表面相交的线叫赤道。纬线从赤道往两极越来越短，到了两极就缩小成一个点了。纬度是个线面角。起点面是赤道平面，线是本地的地面法线。所谓法线，即垂直于参考扁球体表面的线。某地的纬度就是该地的法线与赤道平面之间的夹角。科学家们把赤道定为0°纬线，从赤道向两极各分为90°，赤道以南叫南纬，赤道以北叫北纬。在计算机或GPS上经纬度经常用度、分、秒和度.度、分.分、秒.秒的混合方式进行表示，度、分、秒间的进制是60进制，度.度、分.分、秒.秒的进制是100进制，换算时一定要注意。可以近似地认为每个纬度之间的距离是不变的111KM,每分间1.85KM，每秒间31.8 M。经度间的距离随纬度增高逐渐减小，可按一下公式计算： 经度1°长度=111.413cosφ一0.094cos3φ公里(纬度φ处)。 在北京附近，可以近似地认为经度每度间为85公里，每分间1.42公里，每秒间23.7米。 2.投影坐标系统 在球面上计算角度距离十分麻烦，而且地图是印刷在平面纸张上，要将球面上的物体画到紙上，就必须展平，为解决由不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾，用几何透视方法或数学分析的方法，将地球上的点和线投影到可展的曲面(平面、园柱面或圆锥面)上，将此可展曲面展成平面，建立该平面上的点、线和地球椭球面上的点、线的对应关系。这种将球面转化为平面的过程，称为"投影"。经由投影的过程，把球面坐标换算为平面直角坐标，便于印刷与计算角度与距离。由于球面無法百分之百展为平面而不变形，所以除了地球仪外，所有地图都有某些程度的变形，有些可保持面积不变，有些可保持方位不变，视其用途而定。 （1）投影原理 目前国际间普遍采用的一种投影，为高斯-克吕格投影。德国的C.F.高斯于1822年提出的，后经德国的克吕格尔于1912年加以扩充而完善，故此名。目前地质测量、大地测量、城市测量等均采用这一平面坐标系。其原理可以这样理解，即想象将一个圆柱体橫躺，套在地球外面，再将地表投影到这个圆柱上，然后将圆柱体展开成平面。圆柱与地球沿南北经线方向相切（图2），我们将这条切线称为"中央经线"。在中央经线上，投影面与地球完全密合，因此图形没有变形；由中央经线往東西两侧延伸，地表图形会被逐渐放大，变形也会越来越严重。为了控制变形，保持投影精度在可接受范围内，每次只能取中央经线两侧附近地区来用，因此必须切割为许多投影带。就像将地球沿南北子午线方向，如切西瓜一般，切割为若干带状，再展成平面。目前根据不同的要求，有6度带和3度带的划分方法。 （2）地球椭球体 地球是一个自然表面极其复杂与不规则的椭球体，直接投影无法计算和平面制图，如何建立地球表面与地图平面的对应关系？为解决这一问题，引入大地体的概念。大地体是由大地水准面包围而成的大椭球体。大地水准面是假定在重力作用下海水面静止时的平均水面，并设想此面穿过大陆与岛屿，连续扩展形成处处与铅垂线成正交的闭合曲面。由于地壳内部物质密度分布不均匀，大地水准面也有高低起伏。虽然此高低起伏已经不大，比地球自然表面规则得多，但仍不能用简单的数学公式表示。为了测量成果的计算和制图的需要，选用一个同大地体相近的可以用数学方法来表达的旋转椭球体来代替，称为地球椭球体或参考椭球体。该椭球体近似一个以地球短轴为轴的椭园而旋转的椭球面，这个椭球面可用数学公式表达，将自然表面上的点归化到这个椭球面上，就可以计算了。这也是高斯-克吕格投影的基础椭球体。 描述椭球体的基本参数见图3，O是椭球中心，NS为旋转轴，a为长半轴，b为短半轴。通过这些参数可以计算出椭圆的扁率，第一偏心率，第二偏心率。扁率α反映了椭球体的扁平程度。偏心率e和e'是子午椭圆的焦点离开中心的距离与椭圆半径之比，它们也反映椭球体的扁平程度，偏心率愈大，椭球愈扁。 不同的国家采用的参考椭球体并不一样，其测量数据就不同，世界上采用的参考椭球体主要有四种： ①海福特椭球(1910)：a=6378388m，b=6356911.9461279m，α=0.33670033670。 我国52年以前采用的基准椭球体。 ②克拉索夫斯基椭球(1940)：a=6378245mb=6356863.018773mα=0.33523298692。 这是前苏联1942年建立的以普尔科夫天文台为原点的大地坐标系统采用的椭球，1953年我国参照此建立了我国的北京54坐标系。到20世纪80年代初，我国已基本完成了天文大地测量，经计算表明，54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为29米左右。 ③国际大地测量协会椭球体（1975）：a=6378140mb=6356755.2881575mα=0.0033528131778。 1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，决定建立我国新的坐标系。采用1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的椭球体数据。该坐标系的大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。 ④WGS-84椭球（1979）：a=6378137mb=6356752.3142451mα=0.00335281006247。 第17届国际大地测量协会推荐的椭球体数据，据此建立了世界大地坐标系即WGS-84坐标系（worldgeodeticsystem）。是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系。 为什么要建立这种地心坐标系？人造地球卫星绕地球运行时，轨道平面时时通过地球的质心，同样对于远程武器和各种宇宙飞行器的跟踪观测也是以地球的质心作为坐标系的原点，前述的参心坐标系已不能满足精确推算轨道与跟踪观测的要求。所以建立地心坐标系对于卫星大地测量、全球性导航和地球动态研究等都具有重要意义。GPS全球定位系统就是使用该椭球体建立的WGS-84坐标系。 （3）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，即用上述选定的椭球体逼近本地区地球表面，因此某些国家或地区可采用同一椭球体及各自不同的基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(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1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系。目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 所以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。 （4）椭球体度带划分与应用 前面述及地球椭球体分带投影，采用6度带或3度带。 一般大比例尺的地形图如1∶2.5万及1∶5万等采用6度分带，经差为6度，从零度子午线开始，自西向东每个经差6度为一投影带，全球共分60个带，用1，2，3，4，5，……表示．即东经0～6度为第一带，其中央经线的经度为东经3度，东经6～12度为第二带，其中央经线的经度为9度。广西位于东经104°29′～112°04′，横跨18和19度带。广西西部位于18度带，上述某井横坐标18708616.21中的18就是带号。 而小比例尺的地形图如1∶1万地形图等一般采用3度分带。从东经1.5度的经线开始，每隔3度为一带，用1，2，3，……表示，全球共划分120个投影带，即东经1.5～4.5度为第1带，其中央经线的经度为东经3度，东经4.5～7.5度为第2带，其中央经线的经度为东经6度。比如某省位于东经113度～东经120度之间，跨第38、39、40共计3个带，其中东经115.5度以西为第38带，其中央经线为东经114度；东经115.5～118.5度为39带，其中央经线为东经117度；东经118.5度以东到山海关为40带，其中央经线为东经120度。 （4）公里网坐标（又称方里网坐标） 按照上述原理分带投影后，就可以建立平面坐标系统，即以中央经线投影后的直线为X轴，以赤道投影后的直线为Y轴，它们的交点为坐标原点。纵坐标从赤道算起向北为正、向南为负；横坐标从中央经线算起，向东为正、向西为负。 我国位于北半球，全部X值都是正值。在每个投影带中则有一半的Y坐标值为负。为了避免Y坐标出现负值，规定纵坐标轴向西平移500km(半个投影带的最大宽度不超过500km)。这样，全部坐标值都表现为正值了。平行于X轴和Y轴，每间隔1km画一条平行线，就构成了公里网或叫方里网坐标系。全球6度带就有60个这样的公里网坐标系。 上述某井坐标（2626266.0，18708616.21）中，2626266就是该点在纵坐标方向距离原点2626266m，即2626.266km，在地形图上即为第2626条公里线北266m处。在横坐标18708616.21中，18是6度带带号，708616.21为横坐标方向距离原点708616.21m，亦即708.61621km。在地形图上该点在第708条公里线向东616.21m处。 二、GPS定位 GPS定位系统包括三大部分：GPS卫星星座、地面监控系统、GPS信号接收机。 1、GPS卫星星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。 2、地面监控系统 卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。 3、GPS信号接收机 GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。 GPS接受器是以WGS-84坐标系为根据而建立的。我国目前应用的1:5万的地形图采用54北京坐标系。不同坐标系之间存在着平移和旋转的关系，要使手持GPS所测量的数据转换为自己需要的坐标，必须求出两个坐标系（WGS-84和北京54坐标系或西安80坐标系）之间的转换参数。 目前GPS接受器已经预设了WGS-84和公里网坐标之间进行坐标转换的公式，因此在地质测量时只要将该地区的转换参数输入GPS接受器，即可自动转换。 如在百色阳圩测得一点坐标数据为（2648689，42623），横坐标前需加上分带号和百公里值即186，得（2648689，18642623）。 发布于 2017-08-19 13:22 转自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/28620111
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