GIS的数学基础
在这里需要说明一点,任何领域的概念、技术都有其特定的适用范围,有其解决的问题,有其发展的历史,所以,抛开应用环境、范围来谈技术就像是没有根系的枝丫,枝丫再粗壮也只是一根木头而已。
那接下来我们来聊聊什么是GIS的数学基础。下面就以解决问题的思路来说明。
1. 引子
GIS有多种理解方式:从一个角度来讲,它是一个处理空间信息的工具,所谓空间信息是和人们相关的一些要素(feature这个词不太好解释,可以理解为"东西")的位置、及其相互关系。
位置(position),描述这个要素在地球的什么地方;
关系(resolution),描述的这些要素之间的相对位置及相互影响的方式。
谈到位置,我们需要建立一系列的标准来定义它,而这一系列的标准就是GIS的数学基础,也称作地理参考系统,比如,地球是什么样的?怎么描述她?位置如何来描述?怎么去解决地球是椭球体,而一般的阅读载体是平面这个问题?
2. 这些标准有哪些
下面用一张脑图(http://naotu.baidu.com/viewshare.html?shareId=ay91wrrd9u04)来说明这些概念及其关系
2.1 空间坐标框架
以数字形式来描述地球及其上面的物体,需要一个基准,所有的物体在这个基准上都可以有特定位置。
空间坐标框架就是解决这样的问题的,它需要解决的问题有两个,1是地球是如何描述的,它的数学模型是什么样的?2是要说明与人相关的要素(feature)就应该有一个参照的系统,在这个参照系统下每个点的位置是如何定义的;上面这两个问题也就是1参考椭球,2空间坐标系。
① 参考椭球
■ 什么是参考椭球?
地球是一个极度不规则的球体,高的地方平均海拔在4000m以上(青藏高原),低的地方平均深度为-6000m以上(马里亚纳海沟),但是为了便于描述,从一定程度上对地球进行简化描写,可以用一个特定的椭球来代表地球(如上图),这个特定的椭球就是参考椭球。
■ 数学意义的参考椭球?
数学意义的参考椭球是用一定参数来确定的
- 椭球方程 x²/a²+y²/b²+z²/c²=1
- 椭球方程参数 半长径(a)、半短径(b)、扁率(e)
例,1980年国际大地测量与地球物理联合会推荐参数:半长径a=6378137;半短径b=6356752;扁率e=(a-b)/a=1:298.257
随着近代科学技术的发展,人类对地球的认识也在发生着变化,在不同的时期,都会存在着一些当前时期比较精准的椭球体,例如,卡拉克椭球,卡拉索夫斯基椭球,WGS84椭球等。
② 空间坐标系
■ 什么是空间坐标系
一般所说的空间坐标系都是有着特定的坐标原点,特定三维坐标轴定义的坐标系(如下图,空间直角坐标系)。这样可以描述一个物体的前、后、左、右、上、下等关系。
■ 有哪些空间坐标系?
根据坐标定义的不同可以分为:空间直角坐标系,空间大地坐标系。
空间直角坐标系
这个坐标系在地理学中一般不常用。它的定义比较简单,以参考椭球的球心为原点,Z轴指向北极,X轴指向起始子午面与赤道的交点,Y轴位于赤道面上切按右手系于X轴呈90度夹角。
这个坐标系中的某个点坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。如下图:
空间大地坐标系
这是常用的经纬度的坐标系定义。大地纬度、经度和大地高程来描述空间位置的。
纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角;
经度是空间的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角;
大地高程是空间的点沿着参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。
根据坐标系原点的不同可以分为:地心坐标系,参心坐标系
地心坐标系(geocentric coordinate system)[具体可百度·百科]
有两种情况:一是坐标系原点在地球质心的空间直角坐标系;二是球心与地球质心重合的参考椭球面为基准建立的空间大地坐标系。
参心坐标系(reference-ellipsoid-centric coordinate system)[具体可百度·百科]
同样有两种情况:一是坐标系原点在参考椭球的几何中心的空间直角坐标系;二是坐标系原点在参考椭球的几何中心的空间大地坐标系。
球面坐标是另外一种描述位置的方法,具体可以访问这个链接[百度百科:球面坐标系]
2.2 投影系统
■ 解决的问题?
地球是个椭球体,而我们一般的阅读媒介都是平面的,那如何来实现从椭球体到平面的转换呢?投影系统的目的就是解决这个问题。
其实投影是一种方法,把椭球上的点映射到平面上的方法。这种方法一般包括3个方面:选择哪个参考椭球?选择投影到哪种平面上?使用什么样的映射方式?
总体来说:投影=2种媒介+1种映射方式。
■媒介1:参考椭球
已经在上面有描述了,无非就是选择一个参考椭球。
■媒介2:平面
平面比较好理解,一个平整的面,可以是其他物体上展开的平面,比如圆柱体侧面,圆锥体侧面等。
在这儿需要注意的是平面坐标系的选取:原点的如何确定?X轴和Y轴如何定义?当然一般都是右手坐标系。
■ 映射方式?
① 根据投影面的不同,有以下几种投影方式:
投影到圆柱体上,再把圆柱体面展开形成平面,叫做圆柱投影
投影到圆锥体上,再把圆锥体面展开形成平面,叫做圆柱投影
直接投影到平面上叫做方位投影。
② 根据投影面与参考椭球的位置关系,分以下几种投影方式:
相切、相隔、相离
③ 根据投影面的轴与参考椭球的自转轴的位置关系,分为以下几种投影方式:
正轴、横轴、斜轴
④ 根据投影后图形与原参考椭球上的图形的关系,分为以下几种投影方式:
等面积、等角度、等距离
■ 常用的投影
① 墨卡托投影(正轴等角切圆柱投影)
投影方式:假设地球被围在一中空的圆柱里,其基准纬线与圆柱相切(赤道)接触,然后再假想地球中心有一盏灯,把球面上的图形投影到圆柱体上,再把圆柱体展开,这就是一幅选定基准纬线上的"墨卡托投影"绘制出的地图
投影用途:世界地图
例如,百度地图,Google 地图
② 高斯-克吕格投影(横轴等角切椭圆柱投影)
投影方式:
假设一个椭圆柱面与地球椭球体面横切于某一条经线上,按照等角条件将中央经线东、西各3°或1.5°经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上,然后将椭圆柱面展开成平面而成
投影用途:我国大比例尺地形图
我国各种大、中比例尺地形图采用了不同的高斯-克吕格投影带。其中大于1:1万的地形图采用3°带;1:2.5万至1:50万的地形图采用6°带。
③ Albers投影(双标准纬线等积割圆锥投影)
投影方式:将参考椭球北极向上置于圆锥面中心,并突出于圆锥面,使圆锥面与参考椭球有两个交线(纬线),以参考椭球中心点向外发光的方式照射于圆锥面上,并将圆锥面展开。
投影用途:我国小比例尺(400万,100万)地图使用的投影,如行政区划图
GIS的数学基础的更多相关文章
- GIS原理学习目录
GIS原理学习目录 内容提要 本网络教程是教育部“新世纪网络课程建设工程”的实施课程.系统扼要地阐述地理信息系统的技术体系,重点突出地理信息系统的基本技术及方法. 本网络教程共分八章:第一章绪论,重点 ...
- 聊聊GIS中的坐标系|再版
本文约6500字,建议阅读时间15分钟. 作者:博客园/B站/知乎/csdn/小专栏 @秋意正寒 版权:转载请告知,并在转载文上附上转载声明与原文链接(https://www.cnblogs.com/ ...
- HTML5 网络拓扑图整合 OpenLayers 实现 GIS 地图应用
在前面<百度地图.ECharts整合HT for Web网络拓扑图应用>我们有介绍百度地图和 HT for Web 的整合,我们今天来谈谈 OpenLayers 和 HT for Web ...
- 地图四叉树一般用在GIS中,在游戏寻路中2D游戏中一般用2维数组就够了
地图四叉树一般用在GIS中,在游戏寻路中2D游戏中一般用2维数组就够了 四叉树对于区域查询,效率比较高. 原理图
- Web GIS离线解决方案
1.背景 在离线环境下(局域网中)的GIS系统中如何使用地图?这里的地图主要指的是地图底图,有了底图切片数据,我们就可以看到地图,在上面加上自己的业务数据图层,进行相关操作. 要在离线环境下看到GIS ...
- Arc GIS engine10.2与VS2012的安装及匹配步骤
本文章已收录于: .embody { padding: 10px 10px 10px; margin: 0 -20px; border-bottom: solid 1px #ededed } ...
- GIS规划应用——基于哈夫模型的GIS服务区分析
1. GIS服务区分析 区位因素是商业分析中一个至关重要的因素,因此在商店选址时,例行的服务区分析十分重要.服务区是指顾客分布的主要区域,在其范围内该店的商品销售量或服务营业额超过其竞争对手.对于现 ...
- 基于GIS的旅游辐射区人口统计
在旅游规划中,考虑旅游景点周边的人口负载量是很重要的一个方面,这将直接影响资源的投入和配置,开发潜力和规模等.基于GIS可以将人口信息进行空间化的展示,还可以通过空间分析的方法计算出旅游景点辐射区的人 ...
- OpenWebGlobe-开源三维GIS初体验(附源码和演示)
1.OpenWebGlobe简介 OpenWebGlobe是一个高性能的三维引擎.可应用于可视化仿真,游戏,三维GIS,虚拟现实等领域.它使用纯javascript编写,可以运行在任何支持HTML5. ...
随机推荐
- html,css所遇问题(一)
html,css所遇问题(一) div中添加背景图片必须设置宽高 例如:下述代码没有设置icon的宽高值,那么网页中也不会显示出背景图片,因为div 里面有内容才会出现背景,没内容又没设置宽高,那di ...
- C# 条形码识别
目录: 一.识别库 二.从一张图片中提取多个条形码 三.注意事项 从博客园学了很多,本着分享的目的,希望后来者遇到类似问题时,不必重复造轮子,早点下班回家^-^. 一.识别库 目前主流的识别库主要有Z ...
- Magento事件机制 - Magento Event/Observer
为了扩展Magento的功能,我们可以重写Magento的代码,但因为代码只能被重写一次,所以当多个模块需要重写同一部分的代码时,就会引起冲突,好在Magento提供了另一种扩展功能的方法:事件机制, ...
- css3 web字体记
css3 web字体 @font-face语法 @font-face能够加载服务器端的字体,让客户端浏览器显示客户端没有安装的字体. @font-face{ font-family:<YourW ...
- Jquery选择器 讲解
在Dom 编程中我们只能使用有限的函数根据id 或者TagName 获取Dom 对象. 然而在jQuery 中则完全不同,jQuery 提供了异常强大的选择器用来帮助我们获取页面上的对象, 并且将对象 ...
- 三道题(关于虚表指针位置/合成64位ID/利用栈实现四则运算)
第一题 C++标准中,虚表指针在类的内存结构位置没有规定,不同编译器的实现可能是不一样的.请实现一段代码,判断当前编译器把虚表指针放在类的内存结构的最前面还是最后面. 第二题 在游戏中所有物品的实例 ...
- JIRA的常用选项
常用的一些选项有: 问题类型 Bug 测试过程维护过程发现影响系统运行的缺陷 New Feature 对系统提出的新功能 Task 需要完成的任务 Improvement 对现有系统功能的改 ...
- DOS批处理命令-引数取得
参数传递对程序来说,是一个很重要的事情,所以,获得传递的参数是很重要的,接下来,我们来探讨下获得传递的参数的N种方式. 1.%N 获得传递的第N个参数(N最大为9) 就是传递过去的参数原样值(并且忽 ...
- mysql数据库分组(GROUP BY)查询实例
1.使用松散(Loose)索引扫描实现 GROUP BY 何谓松散索引扫描实现 GROUP BY 呢?实际上就是当 MySQL 完全利用索引扫描来实现 GROUP BY 的时候,并不需要扫描所有满足条 ...
- C# ASPX.NET 文件(图片)下载
最好使用aspx页面写: protected void Page_Load(object sender,EventArgs e) { if(!IsPostBack) { System.Io.FileS ...