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“趣解”家用投影坐标系

lixiaoyu 回答数0 浏览数32713
或许,在许多人的眼中,“家用投影”是这样子的:


而,在地理信息领域中,常说的“家用投影”是这样子的:


在日常的规划工作中,尤其是地理信息数据的处理过程中,我们常常会遇到“家用投影”和“坐标”方面的问题。“家用投影”也会成为一些规划师“头疼”的问题,究其原因,主要是这些规划师对相关原理的认知比较模糊,一旦看到诸如角度、长度、经度、纬度等等,头脑就化作为一团乱麻了。
本文通过几个方面的分析,尽量帮助大家“拨开知识天空中的乌云”,去看看那美丽的繁星。
1、用数学方式描述地球
地球并不是一台标准的正圆球体,而是一台两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。


通过科学的观测和分析,地球地球赤道半径6378.137千米,极半径6356.752千米,平均半径约6371千米,赤道周长大约为40075千米。
我们都知道,圆的度数为360°。同理,将赤道看成是一台圆,它的度数也为360°;因此,可以计算每1°对应的圆周长为:40075/360=111.32千米。
2、高斯克吕格家用投影
高斯-克吕格家用投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定,后经德国大地测量学家克吕格于1912年对家用投影公式加以补充,故称为高斯-克吕格家用投影,又名“等角横切椭圆柱家用投影”,是地球椭球面和平面间正形家用投影的一种。


如上图所示,假想有一台椭圆柱面横套在地球椭球体外面,并与某一条子午线(此子午线称为中央子午线或轴子午线)相切,椭圆柱的中心轴通过椭球体中心,然后用一定家用投影方法,将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区家用投影到椭圆柱面上,再将此柱面展开即成为家用投影面。高斯-克吕格家用投影是一种正形家用投影。(画横线的内容,来自百度百科)
高斯-克吕格家用投影没有角度变形,在长度和面积上变形也很小,中央经线无变形,自中央经线向家用投影带边缘,变形逐渐增加,变形最大处在家用投影带内赤道的两端。总的来说,高斯-克吕格家用投影的优点就是家用投影精度高,变形小,而且计算简便
在国际上,除了高斯-克吕格家用投影之外,常用的家用投影还包括:墨卡托家用投影(MercatorProjection)、UTM家用投影(UniversalTransverse Mercatol Projection,通用横轴墨卡托家用投影)。
高斯-克吕格家用投影,按一定经差将地球椭球体表面划分成若干家用投影的区域,简称家用投影带。一般的,家用投影带有3°带、6°带、1.5°带;在规划工作中,以3°带最为常用。
3、地理坐标(经纬度)
自2019起,自然资源系统内的各单位逐步舍弃了原先使用的西安80坐标系,推广使用国家2000坐标系。
国家2000坐标系(CGCS2000)的X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面(历元2000.0)的交点。格林尼治参考子午线又称为本初子午线。格林尼治位于英国伦敦。
本初子午线东边的经线,称为“东经”,比如穿过我国的经线;相对的,本初子午线西边的经线,称为“西经”,比如穿过美国的经线。


在笔者看来,地理坐标(经纬度)是球面坐标,常用于覆盖面较大的区域、场景,比如:在航海时,轮船定位所使用的就是经纬度,电视机、影片里面看到的军事行动中,定位也是采用经纬度。在覆盖面较小的情况下,地球表面可以认为是平的;但,在覆盖面较大的情况下,地球表面就是球面,不能再认为是平的了,此时,地理坐标(经纬度)更能准确描述球面上的位置。
4、家用投影分带
高斯-克吕格家用投影3度分带的初始中央经线为东经3°,这就保证了每个分带的中央经线均为3°的倍数,比如,第36个分带的中央经线为108°、第37个分带的中央经线为111°。
从第1部分的分析计算结果可以知道,每1°对应的赤道周长为111.32千米,那么,每1.5°对应的赤道周长为111.32*1.5=166.98千米,每个3度分带对应的赤道周长为111.32*3=333.96千米。  


如上图所示,假如以中央经线与赤道交点作为(0,0),这就势必导致横轴西侧出现坐标为负数的情况;于是,科学家们提出了一台解决问题的办法:将家用投影原点的横坐标加上500千米,即原点(500000,0),这就保证了即便是横轴最西侧的点的横坐标也不会成为负数。
举个例子:东经108°经线从南宁市的西郊自南向北穿过,东经106.5°经线从德保县和靖西市之间自南向北穿过,如果不在原点的横坐标加上500千米,就会出现德保县城区的横坐标大约为-166980。然而,现状德保县城区的横坐标大约是:500000-166980=333020。(横坐标应该是330000-350000的区间,推算结果,仅供参考)。另外,通过对比分析,我们还可以知道,如果横坐标的数值大于500000,则说明该点的位于所处分带中央经线的东面;如果横坐标的数值小于500000,则说明该点的位于所处分带中央经线的西面。
所以说,在日常的规划工作中,当遇见某个坐标(651235.22,2650125.33)时,仅从数据上是无法分辨其所处的真正位置,毕竟加上36或者37的分带号似乎都可行。于是乎,大家在收集矢量数据的时候,尽量要求对方提供具有分带号的坐标数据;当然,如果是经纬度坐标那就无所谓分带了。

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