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UTM投影和高斯-克呂格投影介紹、差異和轉(zhuǎn)換
發(fā)布日期:2022-02-09
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作者:Li
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  1、墨卡托(Mercator)投影

墨卡托(Mercator)投影,是一種'等角正切圓柱投影”,又稱“正軸等角圓柱投影”,簡(jiǎn)稱UTM投影或TM投影,圓柱投影的一種,由荷蘭地圖學(xué)家墨卡托(G.Mercator)于1569年創(chuàng)擬。為地圖投影方法中影響最大的,墨卡托是16世紀(jì)的地圖制圖學(xué)家,精通天文、數(shù)學(xué)和地理。1512年3月5日出生于荷蘭佛蘭德斯?。ìF(xiàn)比利時(shí)安特衛(wèi)普附近)。1530—1532年就讀于盧萬(wàn)大學(xué)。1552年移居德國(guó)的杜伊斯堡。早在1537年繪制了第一幅地圖(巴勒斯坦),后接受對(duì)佛蘭德斯進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪任務(wù),采用哥倫布發(fā)現(xiàn)的磁子午線為標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線,為實(shí)測(cè)地圖的開(kāi)端。1540年在盧萬(wàn)開(kāi)設(shè)地圖作坊,印出依比例實(shí)測(cè)地圖,引起廣泛重視,并制成了地球儀,1568年制成著名航海地圖“世界平面圖”,該圖采用墨卡托設(shè)計(jì)的等角投影,被稱為“墨卡托投影”,可使航海者用直線(即等角航線)導(dǎo)航,并且第一次將世界完整地表現(xiàn)在地圖上,1630年以后普遍被采用,對(duì)世界性航海、貿(mào)易、探險(xiǎn)等有重要作用,至今仍為最常用的海圖投影。晚年所著《地圖與記述》是地圖集巨著,轟動(dòng)世界,封面上有古希臘神話中的撐天巨人阿特拉斯像,后人將“Atlas”用作地圖集同義詞,至今沿用。墨卡托是地圖發(fā)展史上劃時(shí)代人物,結(jié)束了托勒密時(shí)代的傳統(tǒng)觀念,開(kāi)辟了近代地圖學(xué)發(fā)展的廣闊道路。


墨卡托(Mercator)投影假設(shè)地球被圍在一中空的圓柱里,其標(biāo)準(zhǔn)緯線與圓柱相切接觸,然后再假想地球中心有一盞燈,把球面上的圖形投影到圓柱體上,再把圓柱體展開(kāi),這就是一幅選定標(biāo)準(zhǔn)緯線上的“墨卡托投影”繪制出的地圖。


墨卡托投影沒(méi)有角度變形,由每一點(diǎn)向各方向的長(zhǎng)度比相等,它的經(jīng)緯線都是平行直線,且相交成直角,經(jīng)線間隔相等,緯線間隔從標(biāo)準(zhǔn)緯線向兩極逐漸增大。墨卡托投影的地圖上長(zhǎng)度和面積變形明顯,但標(biāo)準(zhǔn)緯線無(wú)變形,從標(biāo)準(zhǔn)緯線向兩極變形逐漸增大,但因?yàn)樗哂懈鱾€(gè)方向均等擴(kuò)大的特性,保持了方向和相互位置關(guān)系的正確。


在地圖上保持方向和角度的正確是墨卡托投影的優(yōu)點(diǎn),墨卡托投影地圖常用作航海圖和航空?qǐng)D,如果循著墨卡托投影圖上兩點(diǎn)間的直線航行,方向不變可以一直到達(dá)目的地,因此它對(duì)船艦在航行中定位、確定航向都具有有利條件,給航海者帶來(lái)很大方便。


中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“海底地形圖編繪規(guī)范”(GB/T17834-1999,海軍航保部起草)中規(guī)定1:25萬(wàn)及更小比例尺的海圖采用墨卡托投影,其中基本比例尺海底地形圖(1:5萬(wàn),1:25萬(wàn),1:100萬(wàn))采用統(tǒng)一基準(zhǔn)緯線30°,非基本比例尺圖以制圖區(qū)域中緯為基準(zhǔn)緯線?;鶞?zhǔn)緯線取至整度或整分。

2、Gauss-Kruger(高斯-克呂格)投影

Gauss-Kruger(高斯-克呂格)投影,是一種“等角橫切圓柱投影”。德國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家高斯(CarlFriedrich Gauss,1777~1855)于十九世紀(jì)二十年代擬定,后經(jīng)德國(guó)大地測(cè)量學(xué)家克呂格(Johannes

Kruger,1857~1928)于1912年對(duì)投影公式加以補(bǔ)充,故名。設(shè)想用一個(gè)圓柱橫切于球面上投影帶的中央經(jīng)線,按照投影帶中央經(jīng)線投影為直線且長(zhǎng)度不變和赤道投影為直線的條件,將中央經(jīng)線兩側(cè)一定經(jīng)差范圍內(nèi)的球面正形投影于圓柱面。然后將圓柱面沿過(guò)南北極的母線剪開(kāi)展平,即獲高斯一克呂格投影平面。

高斯一克呂格投影后,除中央經(jīng)線和赤道為直線外,其他經(jīng)線均為對(duì)稱于中央經(jīng)線的曲線。高斯-克呂格投影沒(méi)有角度變形,在長(zhǎng)度和面積上變形也很小,中央經(jīng)線無(wú)變形,自中央經(jīng)線向投影帶邊緣,變形逐漸增加,變形最大處在投影帶內(nèi)赤道的兩端。由于其投影精度高,變形小,而且計(jì)算簡(jiǎn)便(各投影帶坐標(biāo)一致,只要算出一個(gè)帶的數(shù)據(jù),其他各帶都能應(yīng)用),因此在大比例尺地形圖中應(yīng)用,可以滿足軍事上各種需要,并能在圖上進(jìn)行精確的量測(cè)計(jì)算。

按一定經(jīng)差將地球橢球面劃分成若干投影帶,這是高斯投影中限制長(zhǎng)度變形的最有效方法。分帶時(shí)既要控制長(zhǎng)度變形使其不大于測(cè)圖誤差,又要使帶數(shù)不致過(guò)多以減少換帶計(jì)算工作,據(jù)此原則將地球橢球面沿子午線劃分成經(jīng)差相等的瓜瓣形地帶,以便分帶投影。通常按經(jīng)差6度或3度分為六度帶或三度帶。六度帶自0度子午線起每隔經(jīng)差6度自西向東分帶,帶號(hào)依次編為第1、2…60帶。三度帶是在六度帶的基礎(chǔ)上分成的,它的中央子午線與六度帶的中央子午線和分帶子午線重合,即自1.5度子午線起每隔經(jīng)差3度自西向東分帶,帶號(hào)依次編為三度帶第1、2…120帶。我國(guó)的經(jīng)度范圍西起73°東至135°,可分成六度帶十一個(gè),各帶中央經(jīng)線依次為75°、81°、87°、……、117°、123°、129°、135°,或三度帶二十二個(gè)。

這種投影,將中央經(jīng)線投影為直線,其長(zhǎng)度沒(méi)有變形,與球面實(shí)際長(zhǎng)度相等,其余經(jīng)線為向極點(diǎn)收斂的弧線,距中央經(jīng)線愈遠(yuǎn),變形愈大。隨遠(yuǎn)離中央經(jīng)線,面積變形也愈大。若采用分帶投影的方法,可使投影邊緣的變形不致過(guò)大。我國(guó)各種大、中比例尺地形圖采用了不同的高斯—克呂格投影帶。其中大于1∶1萬(wàn)的地形圖采用3°帶;1∶2.5萬(wàn)至1∶50萬(wàn)的地形圖采用6°帶。

3、UTM投影

UTM投影全稱為UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOL PROJECTION

(通用橫軸墨卡托投影),是一種“等角橫軸割圓柱投影”,橢圓柱割地球于南緯80度、北緯84度兩條等高圈,投影后兩條相割的經(jīng)線上沒(méi)有變形,而中央經(jīng)線上長(zhǎng)度比0.9996。UTM投影是為了全球戰(zhàn)爭(zhēng)需要?jiǎng)?chuàng)建的,美國(guó)于1948年完成這種通用投影系統(tǒng)的計(jì)算。與高斯-克呂格投影相似,該投影角度沒(méi)有變形,中央經(jīng)線為直線,且為投影的對(duì)稱軸,中央經(jīng)線的比例因子取0.9996是為了保證離中央經(jīng)線左右約330km處有兩條不失真的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線。

UTM投影分帶方法與高斯—克呂格投影相似,將北緯84度至南緯80度之間按經(jīng)度分為60個(gè)帶,每帶6度.從西經(jīng)180度起算,兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線距中央經(jīng)線為180Km左右,中央經(jīng)線比例系數(shù)為0.9996。我國(guó)的衛(wèi)星影像資料常采用UTM投影。

4、UTM投影與高斯-克呂格投影的差異與轉(zhuǎn)換

高斯—克呂格投影與UTM投影是按分帶方法各自進(jìn)行投影,故各帶坐標(biāo)成獨(dú)立系統(tǒng)。以中央經(jīng)線(L0)投影為縱軸X,赤道投影為橫軸Y,兩軸交點(diǎn)即為各帶的坐標(biāo)原點(diǎn)。為了避免橫坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值,高斯—克呂格投影與UTM北半球投影中規(guī)定將坐標(biāo)縱軸西移500公里當(dāng)作起始軸,而UTM南半球投影除了將縱軸西移500公里外,橫軸南移10000公里。由于高斯-克呂格投影與UTM投影每一個(gè)投影帶的坐標(biāo)都是對(duì)本帶坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)值,所以各帶的坐標(biāo)完全相同,為了區(qū)別某一坐標(biāo)系統(tǒng)屬于哪一帶,通常在橫軸坐標(biāo)前加上帶號(hào),如(4500000m,21500000m),其中21即為帶號(hào)。

從投影幾何方式看,高斯-克呂格投影是“等角橫切圓柱投影”( Transverse Tonformal Tylinder

Projection),投影后中央經(jīng)線保持長(zhǎng)度不變,即比例系數(shù)為1;UTM投影是“等角橫軸割圓柱投影”,圓柱割地球于南緯80度、北緯84度兩條等高圈,投影后兩條割線上沒(méi)有變形,中央經(jīng)線上長(zhǎng)度比0.9996。因此如果采用相同的橢球體,從計(jì)算結(jié)果看,兩者主要差別在比例因子上,高斯-克呂格投影中央經(jīng)線上的比例系數(shù)為1,UTM投影為0.9996,高斯-克呂格投影與UTM投影可近似采用X[UTM]=0.9996*X[高斯],Y[UTM]=0.9996 *

Y[高斯],進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(注意:如坐標(biāo)縱軸西移了500000米,轉(zhuǎn)換時(shí)必須將Y值減去500000乘上比例因子后再加500000)。從分帶方式看,兩者的分帶起點(diǎn)不同,高斯-克呂格投影自0度子午線起每隔經(jīng)差6度自西向東分帶,第1帶的中央經(jīng)度為3°;UTM投影自西經(jīng)180°起每隔經(jīng)差6度自西向東分帶,第1帶的中央經(jīng)度為-177°,因此高斯-克呂格投影的第1帶是UTM的第31帶。此外,兩投影的東偽偏移都是500公里,高斯-克呂格投影北偽偏移為零,UTM北半球投影北偽偏移為零,南半球則為10000公里。因此我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)量、制圖以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí),要注意二者的不同,避免產(chǎn)生誤差,造成不必要的錯(cuò)誤。

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