[理学]武汉大学大地测量学课件

第四章地球椭球数学投影的基本理论1 4.1地球椭球基本参数及其互相关系地球椭球是选择的旋转椭球,旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基本几何参数(或称元素):长半轴ａ短半轴ｂ椭圆的扁率椭圆的第一偏心率椭圆的第二偏心率通常用a,2 为简化书写，还常引入以下符号椭球基本参数及其互相关系3 4.2椭球面上常用坐标系及其关系4.2.1各种坐标系的建立1、大地坐标系大地经度B大地纬度L大地高H4 2、空间直角坐标系坐标原点位于总地球椭球(或参考椭球)质心；Z轴与地球平均自转轴相重合，亦即指向某一时刻的平均北极点；X轴指向平均自转轴与平均格林尼治天文台所决定的子午面与赤道面的交点G；Y轴与此平面垂直，且指向东为正。地心空间直角系与参心空间直角坐标系之分。常用坐标系及其关关系5 3、子午面直角坐标系设P点的大地经度为L，在过P点的子午面上，以子午圈椭圆中心为原点，建立x,y平面直角坐标系。在该坐标系中，P点的位置用L,x,y表示。常用坐标系及其关系6 4、地心纬度坐标系及归化纬度坐标系设椭球面上P点的大地经度L，在此子午面上以椭圆中心O为原点建立地心纬度坐标系;以椭球长半径a为半径作辅助圆，延长Ｐ２Ｐ与辅助圆相交Ｐ１点，则OP１与x轴夹角称为P点的归化纬度u。常用坐标系及其关系7 常用坐标系及其关系5、大地极坐标系M是椭球面上一点，MN是过M的子午线，S为连接MP的大地线长，A为大地线在M点的方位角。以M为极点；MN为极轴；P点极坐标为（S,A)8 常用坐标系及其关系4.2.2坐标系之间的相互关系子午平面坐标系同大地坐标系的关系9 常用坐标系及其关系令:pn=N10 常用坐标系及其关系空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系11 常用坐标系及其关系空间直角坐标系同大地坐标系在椭球面上的点：不在椭球面上的点：12 常用坐标系及其关系由空间直角坐标计算相应大地坐标13 B、u、φ之间的关系B和u之间的关系常用坐标系及其关系14 常用坐标系及其关系U、φ之间的关系Ｂ、φ之间的关系大地纬度、地心纬度、归化纬度之间的差异很小，经过计算，当B=45°时15 4.3椭球面上的几种曲率半径过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法线，包含这条法线的平面叫作法截面，法截面与椭球面的交线叫法截线。子午圈曲率半径16 椭球面上几种曲率半径17 椭球面上几种曲率半径18 卯酉圈曲率半径(N)卯酉圈:过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面，其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。麦尼尔定理:假设通过曲面上一点引两条截弧，一为法截弧，一为斜截弧，且在该点上这两条截弧具有公共切线，这时斜截弧在该点处的曲率半径等于法截弧的曲率半径乘以两截弧平面夹角的余弦。椭球面上几种曲率半径19 椭球面上几种曲率半径20 卯酉圈曲率半径的特点:卯酉圈曲率半径恰好等于法线介于椭球面和短轴之间的长度，亦即卯酉圈的曲率中心位在椭球的旋转轴上。椭球面上几种曲率半径21 主曲率半径的计算以上讨论的子午圈曲率半径M及卯酉圈曲率半径N，是两个互相垂直的法截弧的曲率半径，这在微分几何中统称为主曲率半径。椭球面上几种曲率半径22 椭球面上几种曲率半径23 椭球面上几种曲率半径24 25 任意法截弧的曲率半径椭球面上几种曲率半径26 任意法截弧的曲率半径的变化规律:ＲＡ不仅与点的纬度B有关，而且还与过该点的法截弧的方位角A有关。当Ａ＝０°时，变为计算子午圈曲率半径的，即Ｒ０＝Ｍ；当ＲＡ＝90°时，为卯酉圈曲率半径，即Ｒ９０＝Ｎ。主曲率半径M及N分别是ＲＡ的极小值和极大值。当A由0°→90°时，ＲＡ之值由Ｍ→Ｎ，当A由90°→180°时，ＲＡ值由N→Ｍ，可见ＲＡ值的变化是以90°为周期且与子午圈和卯酉圈对称的。椭球面上几种曲率半径27 平均曲率半径椭球面上任意一点的平均曲率半径R等于该点子午圈曲率半径M和卯酉圈曲率半径N的几何平均值。椭球面上几种曲率半径28 M，N，R的关系椭球面上几种曲率半径29 对于克拉索夫斯基椭球椭球面上几种曲率半径30 4.4椭球面上的弧长计算子午线弧长计算公式31 椭球面上的弧长计算32 椭球面上几种曲率半径33 如果以B＝90°代入，则得子午椭圆在一个象限内的弧长约为10002137m。旋转椭球的子午圈的整个弧长约为40008549.995m。即一象限子午线弧长约为10000km，地球周长约为40000km。为求子午线上两个纬度B１及Ｂ２间的弧长，只需按(11.42)式分别算出相应的X１及X２，而后取差：ΔＸ＝Ｘ２－Ｘ１，该ΔＸ即为所求的弧长。当弧长甚短(例如X≤40km，计算精度到0.001m)，可视子午弧为圆弧，而圆的半径为该圆弧上平均纬度点的子午圈的曲率半径Mｍ椭球面上的弧长计算34 由子午弧长求大地纬度迭代解法:平行圈弧长公式椭球面上的弧长计算35 椭球面上的弧长计算子午线弧长和平行圈弧长变化的比较36 4.5大地线两点间的最短距离，在平面上是两点间的直线，在球面上是两点间的大圆弧，那么在椭球面上又是怎样的一条线呢?它应是大地线。相对法截线37 相对法截线大地线38 相对法截线的特点:当A，B两点位于同一子午圈或同一平行圈上时，正反法截线则合二为一。在通常情况下，正反法截线是不重合的。因此在椭球面上A，B，C三个点处所测得的角度(各点上正法截线之夹角)将不能构成闭合三角形。为了克服这个矛盾，在两点间另选一条单一的大地线代替相对法截线，从而得到由大地线构成的单一的三角形。大地线39 大地线大地线的定义和性质椭球面上两点间的最短程曲线叫大地线。40 大地线的性质:大地线是两点间惟一最短线，而且位于相对法截线之间，并靠近正法截线，它与正法截线间的夹角在椭球面上进行测量计算时，应当以两点间的大地线为依据。在地面上测得的方向、距离等，应当归算成相应大地线的方向、距离。长度差异可忽略,方向差异需改化。大地线41 大地线的微分方程和克莱劳方程大地线的微分方程42 大地线的微分方程43 大地线的微分方程大地线的克莱劳方程在旋转椭球面上，大地线各点的平行圈半径与大地线在该点的大地方位角的正弦的乘积等于常数。式中常数C也叫大地线常数44 当大地线穿越赤道时当大地线达极小平行圈时由克莱劳方程可以写出45 4.6将地面观测值归算至椭球面观测的基准线不是各点相应的椭球面的法线，而是各点的垂线，各点的垂线与法线存在着垂线偏差。归算的两条基本要求：①以椭球面的法线为基准；②将地面观测元素化为椭球面上大地线的相应元素。将地面观测的水平方向归算至椭球面将水平方向归算至椭球面上，包括垂线偏差改正、标高差改正及截面差改正，习惯上称此三项改正为三差改正。46 垂线偏差改正以测站A为中心作出单位半径的辅助球,u是垂线偏差，它在子午圈和卯酉圈上的分量分别以ξ,η表示，M是地面观测目标m在球面上的投影。垂线偏差对水平方向的影响是(R-R1)地面观测值归算至椭球面47 标高差改正地面观测值归算至椭球面48 截面差改正地面观测值归算至椭球面49 将地面观测的长度归算至椭球面基线尺量距的归算将基线尺量取的长度加上测段倾斜改正后，可以认为它是基线平均高程面上的长度，以Ｓ０表示，现要把它归算至参考椭球面上的大地线长度S。1.垂线偏差对长度归算的影响地面观测值归算至椭球面50 2.高程对长度归算的影响地面观测值归算至椭球面51 电磁波测距的归算地面观测值归算至椭球面52 地面观测值归算至椭球面53 大地测量主题解算4.7.1大地主题解算的一般说明主题解算分为:短距离(<400km)中距离(<1000km)长距离(1000km以上)54 1.以大地线在大地坐标系中的微分方程为基础，直接在地球椭球面上进行积分运算。主要特点：解算精度与距离有关，距离越长，收敛越慢，因此只适用于较短的距离典型解法：高斯平均引数法大地测量主题解算55 2.以白塞尔大地投影为基础1)按椭球面上的已知值计算球面相应值，即实现椭球面向球面的过渡；2)在球面上解算大地问题；3)按球面上得到的数值计算椭球面上的相应数值，即实现从圆球向椭球的过渡。典型解法：白塞尔大地主题解算特点：解算精度与距离长短无关，它既适用于短距离解算，也适用于长距离解算。可适应20000km或更长的距离，这对于国际联测，精密导航，远程导弹发射等都具有重要意义。大地测量主题解算56 4.7.2勒让德级数式为了计算的级数展开式，关键问题是推求各阶导数。大地测量主题解算57 一阶导数：二阶导数：大地测量主题解算58 三阶导数大地测量主题解算59 大地测量主题解算60 大地测量主题解算61 大地测量主题解算62 4.7.3高斯平均引数正算公式高斯平均引数正算公式推导的基本思想：首先把勒让德级数在P１点展开改在大地线长度中点M展开，以使级数公式项数减少，收敛快，精度高；其次，考虑到求定中点M的复杂性，将M点用大地线两端点平均纬度及平均方位角相对应的m点来代替，并借助迭代计算便可顺利地实现大地主题正解。大地测量主题解算63 (1)建立级数展开式:大地测量主题解算64 同理可得:(2)大地测量主题解算65 大地测量主题解算66 大地测量主题解算(3)由大地线微分方程依次求偏导数:67 大地测量主题解算68 大地测量主题解算69 同理可得：大地测量主题解算70 注意：从公式可知，欲求ΔＬ，ΔＢ及ΔＡ，必先有Ｂｍ及Ａｍ。但由于Ｂ2和Ａ21未知，故精确值尚不知，为此须用逐次趋近的迭代方法进行公式的计算。除此之外，此方法适合与200公里以下的大地问题解算，其计算经纬计算精度可达到0.0001”,方位角计算精度可达到0.001”。71 4.7.4高斯平均引数反算公式高斯平均引数反算公式可以依正算公式导出:上述两式的主式为:72 73 已知：求得：74 4.7.5白塞尔大地主题解算方法白塞尔法解算大地主题的基本思想:以辅助球面为基础,将椭球面三角形转换为辅助球面的相应三角形,由三角形对应元素关系,将椭球面上的大地元素按照白塞尔投影条件投影到辅助球面上，然后在球面上进行大地主题解算，最后再将球面上的计算结果换算到椭球面上。这种方法的关键问题是找出椭球面上的大地元素与球面上相应元素之间的关系式,同时也要解决在球面上进行大地主题解算的方法。75 在球面上进行大地主题解算球面上大地主题正算:已知求解球面上大地主题反算:已知求解76 1、球面三角元素间的相互关系77 球面上大地主题正解78 球面上大地主题反解方法79 2、椭球面和球面上坐标关系式80 在椭球面上与单位球面上的大地线微分方程为:81 白塞尔提出如下三个投影条件：1.椭球面大地线投影到球面上为大圆弧2.大地线和大圆弧上相应点的方位角相等；3.球面上任意一点纬度等于椭球面上相应点的归化纬度。82 83 以上为白塞尔微分方程.84 3、白塞尔微分方程的积分85 86 积分得到下式：87 反算:正算:迭代法:直接法:88 适合于反算:适合于正算:迭代法:直接法:89 90 将三角函数幂级数用倍角函数代替，合并同类项，积分。截去4倍角项，其值小于0.0001秒。91 正算：反算：92 4白塞尔法大地主题正算步骤1.计算起点的归化纬度2.计算辅助函数值，解球面三角形可得:3.按公式计算相关系数A,B,C以及α,β93 4.计算球面长度迭代法:直接法:94 5.计算经度差改正数6.计算终点大地坐标及大地方位角95 96 5白塞尔法大地主题反算步骤1.辅助计算97 2.用逐次趋近法同时计算起点大地方位角、球面长度及经差，第一次趋近时，取δ＝０。98 计算下式,重复上述计算过程2.3.计算大地线长度S4.计算反方位角99 100 101 4.8地图数学投影变换的基本概念1、地图数学投影变换的意义和投影方程所谓地图数学投影，简略地说来就是将椭球面上元素(包括坐标，方位和距离)按一定的数学法则投影到平面上，研究这个问题的专门学科叫地图投影学。投影变换的基本概念102 2、地图投影的变形1.长度比:长度比m就是投影面上一段无限小的微分线段ds，与椭球面上相应的微分线段dS二者之比。不同点上的长度比不相同，而且同一点上不同方向的长度比也不相同投影变换的基本概念103 2.主方向和变形椭圆投影后一点的长度比依方向不同而变化。其中最大及最小长度比的方向，称为主方向。在椭球面的任意点上，必定有一对相互垂直的方向，它在平面上的投影也必是相互垂直的。这两个方向就是长度比的极值方向，也就是主方向。投影变换的基本概念104 投影变换的基本概念以定点为中心，以长度比的数值为向径，构成以两个长度比的极值为长、短半轴的椭圆，称为变形椭圆。105 3.投影变形1）长度变形投影变换的基本概念106 2）方向变形投影变换的基本概念107 3）角度变形：角度变形就是投影前的角度u与投影后对应角度u’之差投影变换的基本概念108 4）面积变形：P-14.8.3地图投影的分类1.按变形性质分类1）等角投影：投影前后的角度不变形，投影的长度比与方向无关，即某点的长度比是一个常数，又把等角投影称为正形投影。2）等积投影：投影前后的面积不变形.3）任意投影：既不等角，又不等积.投影变换的基本概念109 2.按经纬网投影形状分类1）方位投影取一平面与椭球极点相切，将极点附近区域投影在该平面上。纬线投影后为以极点为圆心的同心圆，而经线则为它的向径，且经线交角不变。LightSource投影变换的基本概念110 2）圆锥投影:取一圆锥面与椭球某条纬线相切，将纬圈附近的区域投影于圆锥面上，再将圆锥面沿某条经线剪开成平面。StandardLineTrueLengthExaggerated投影变换的基本概念111 3）圆柱(或椭圆柱)投影取圆柱(或椭圆柱)与椭球赤道相切，将赤道附近区域投影到圆柱面(或椭圆柱面)上，然后将圆柱或椭圆柱展开成平面。StandardLineTrueLengthExaggerated投影变换的基本概念112 3.按投影面和原面的相对位置关系分类1)正轴投影：圆锥轴(圆柱轴)与地球自转轴相重合的投影，称正轴圆锥投影或正轴圆柱投影。2)斜轴投影：投影面与原面相切于除极点和赤道以外的某一位置所得的投影。3)横轴投影：投影面的轴线与地球自转轴相垂直，且与某一条经线相切所得的投影。比如横轴椭圆柱投影等。除此之外，投影面还可以与地球椭球相割于两条标准线，这就是所谓割圆锥，割圆柱投影等。投影变换的基本概念113 4.9高斯平面直角坐标系1、高斯投影概述控制测量对地图投影的要求（1）采用等角投影(又称为正形投影)（2）长度和面积变形不大（3）能按高精度的、简单的、同样的计算公式把各区域联成整体高斯投影描述高斯平面直角坐标系114 高斯平面直角坐标系想象有一个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，然后用一定投影方法，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面。115 投影带：以中央子午线为轴，两边对称划出一定区域作为投影范围；1）分带原则（1）限制长度变形使其不大于测图误差；（2）带数不应过多以减少换带计算工作。我国规定按经差6°和3°进行投影分带。高斯平面直角坐标系2）分带方法116 高斯平面直角坐标系6°带:自0°子午线起每隔经差6°自西向东分带，依次编号1，2，3，…60。我国6°带中央子午线的经度，由73°起每隔6°而至135°，共计11带，带号用n表示，中央子午线的经度用Ｌ０表示。带号及中央子午线经度的关系：Ｌ０＝６ｎ－３3°带:自东经1.5°子午线起，每隔3°设立一个投影带，依次编号为1，2，3，…，120带；中央子午线经度依次为3°,6°,9°,…,360°。带号及中央子午线经度的关系：117 １.5°带或任意带:工程测量控制网也可采用１.5°带或任意带，但为了测量成果的通用，需同国家6°或3°带相联系。n=L/3(四舍五入)Ｌ０＝3ｎ高斯平面直角坐标系118 高斯平面直角坐标系例：某控制点P点按3°带：按6°带：119 在投影面上，中央子午线和赤道的投影都是直线，并且以中央子午线和赤道的交点O作为坐标原点，以中央子午线的投影为纵坐标轴，以赤道的投影为横坐标轴。高斯平面直角坐标系120 6°带与3°带的区别与联系区别6°带：从0°子午线起划分，带宽6°，用于中小比例尺（1：25000以下）测图；3°带：从1.5°子午线起划分，带宽3°，用于大比例尺（如1：10000）测图。3°带是在6°带的基础上划分的，6°带的中央子午线及分带子午线均作为3°带的中央子午线，其奇数带的中央子午线与6°带中央子午线重合，偶数带与分带子午线重合。高斯平面直角坐标系121 高斯平面直角坐标系国家统一坐标在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值(在赤道上)约为330km。为了避免出现负的横坐标，规定在横坐标上加上500000m。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为国家统一坐标。例如：Y=19123456.789m该点位在19带内，横坐标的真值：首先去掉带号，再减去500000m，最后得y=-376543.211(m)。122 高斯平面直角坐标系分带存在的问题？边界子午线两侧的控制点与地形图位于不同的投影带内，使得地形图不能正确拼接，采用带重叠的方法解决此问题。123 高斯投影特点：正形投影，保证了投影的角度的不变性，图形的相似性以及在某点各方向上的长度比的同一性。由于采用了同样法则的分带投影，这既限制了长度变形，又保证了在不同投影带中采用相同的简便公式和数表进行由于变形引起的各项改正的计算，并且带与带间的互相换算也能用相同的公式和方法进行。高斯平面直角坐标系124 2、椭球面元素化算到高斯投影面125 3)将椭球面上各三角形内角归算到高斯平面上的由相应直线组成的三角形内角。这是通过计算方向的曲率改化即方向改化来实现的。椭球面三角系归算到高斯投影面的计算1）将起始点P的大地坐标(L，B)归算为高斯平面直角坐标x,y；为了检核还应进行反算，亦即根据x,y反算B，L，这项工作统称为高斯投影坐标计算。2）将椭球面上起算边大地方位角归算到高斯平面上相应边P’K’的坐标方位角，这是通过计算该点的子午线收敛角γ及方向改化δ实现的。126 因此将椭球面三角系归算到平面上，包括坐标、曲率改化、距离改化和子午线收敛角等项计算工作。当控制网跨越两个相邻投影带，以及为将各投影带联成统一的整体，还需要进行平面坐标的邻带换算。4)将椭球面上起算边PK的长度S归算到高斯平面上的直线长度s。这是通过计算距离改化Δｓ实现的。127 正形投影的一般条件4.9.2正形投影的一般条件1、长度比的通用公式128 正形投影的一般条件129 正形投影的一般条件将上述两式代入（4-334）式，整理，令130 正形投影的一般条件131 正形投影的一般条件2、柯西.黎曼条件132 正形投影的一般条件正形条件m与A无关，即满足：133 正形投影的一般条件则有：柯西-黎曼条件134 正形投影的一般条件考虑到F=0，E=G，长度比公式简化为135 把代入（4-347），考虑下式正形投影的一般条件136 柯西-黎曼条件的另一种解释方法正形投影的一般条件137 正形投影的一般条件如果点在子午线上：L=常数，dl=0如果点在平行圈上：B=常数dB=0138 正形投影的一般条件三角形ABB’与ACC’相似139 高斯投影坐标正算4.9.3高斯投影坐标正反算公式1、高斯投影坐标正算公式高斯投影必须满足以下三个条件：(1)中央子午线投影后为直线；(2)中央子午线投影后长度不变；(3)投影具有正形性质，即正形投影条件。高斯投影坐标正算公式推导如下：140 高斯投影坐标正算1)由第一个条件可知，由于地球椭球体是一个旋转椭球体，即中央子午线东西两侧的投影必然对称于中央子午线。x为l的偶函数，而y则为l的奇函数。2)由第三个条件正形投影条件141 由恒等式两边对应系数相等，建立求解待定系数的递推公式高斯投影坐标正算142 高斯投影坐标正算m0=?３)由第二条件可知，位于中央子午线上的点，投影后的纵坐标x应该等于投影前从赤道量至该点的子午弧长。即当l=0时,143 高斯投影坐标正算144 高斯投影坐标正算将各系数代入，略去高次项，精度为0.001m145 高斯投影坐标反算2、高斯投影坐标反算公式在高斯投影坐标反算时，原面是高斯平面，投影面是椭球面，已知的是平面坐标(x,y)，要求的是大地坐标(B，L)，相应地有如下投影方程：同正算一样，对投影函数提出三个条件。146 高斯投影坐标反算1)由第一个条件可知2)由第三个条件，正形条件147 高斯投影坐标反算148 高斯投影坐标反算3)由第二条件依次求各系数因为所以149 高斯投影坐标反算150 高斯投影坐标反算151 高斯投影几何解释3、高斯投影正反算公式的几何解释152 高斯投影几何解释153 高斯投影的特点高斯投影的特点(1)当l等于常数时，随着B的增加x值增大，y值减小；无论B值为正或负，y值不变。这就是说，椭球面上除中央子午线外，其他子午线投影后，均向中央子午线弯曲，并向两极收敛，同时还对称于中央子午线和赤道。154 高斯投影的特点(2)当B等于常数时，随着l的增加，x值和y值都增大。所以在椭球面上对称于赤道的纬圈，投影后仍成为对称的曲线，同时与子午线的投影曲线互相垂直凹向两极。(3)距中央子午线愈远的子午线，投影后弯曲愈厉害，长度变形也愈大。155 4.9.4高斯投影坐标计算算例1)WGS84(6378137,298.257223563)A0012463376.650249592.07212)GDZ80(6378140,298.257)A0012463377.797349592.09553)BJ54(6378245,298.3)A0012463420.565749592.9084A001：156 平面子午线收敛角4.9.5平面子午线收敛角公式1、平面子午线收敛角的定义157 2、公式推导1）由大地坐标L、B计算平面子午线收敛角γ的公式平面子午线收敛角158 (1)γ为l的奇函数，而且l愈大，γ也愈大；(2)γ有正负，当描写点在中央子午线以东时，γ为正；在西时，γ为负；(3)当l不变时，则γ随纬度增加而增大平面子午线收敛角159 平面子午线收敛角2.平面坐标x,y计算平面子午线收敛角γ的公式160 方向改化公式4.9.6方向改化公式161 方向改化公式1、方向改化近似公式的推导在球面上四边形ABED的内角之和等于360°+ε由于是等角投影，所以这两个四边形内角之和应该相等，即162 方向改化公式163 方向改化较精密公式方向改化公式164 方向改化公式165 4.9.7距离改化公式166 1)s与D的关系167 当δ取最大40″，s=50km时，代入上式得。因此，用D代替s在最不利情况下，误差也不会超过1mm。而实际上，边长要比50km短得多，此时误差将会更小。所以在应用上，完全可以认为大地线的平面投影曲线的长度s等于其弦线长度D168 2、长度比和长度变形1）用大地坐标(B,l)表示的长度比m的公式169 2）用平面坐标(x,y)表示的长度比m的公式170 (1)长度比m只与点的位置(B，l)或(x,y)有关。(2)中央子午线投影后长度不变。(3)当y≠0(或l≠０)时，m恒大于1。(4)长度变形(m-1)与y２（或l２）成比例地增大,而对某一条子午线来说，在赤道处有最大的变形。171 3、距离改化公式将椭球面上大地线长度S描写在高斯投影面上，变为平面长度D。172 4.9.8高斯投影的邻带坐标换算(1)位于两个相邻带边缘地区并跨越两个投影带(东、西带)的控制网173 邻带换算方法：(2)在分界子午线附近地区测图时，往往需要用到另一带的三角点作为控制，因此必须将这些点的坐标换算到同一带中(3)当大比例尺(1∶10000或更大)测图时，特别是在工程测量中，要求采用3°带、1.5°带或任意带，而国家控制点通常只有6°带坐标，这时就产生了6°带同3°带(或1.5°带、任意带)之间的相互坐标换算问题。174 §4.10横轴墨卡托投影和高斯投影簇的概念4.10.1通用横轴墨卡托投影概念UTM(UniversalTransverseMercatorProjection)投影属于横轴等角割椭圆柱投影,它的投影条件是取第3个条件“中央经线投影长度比不等于1而是等于0.9996”，投影后两条割线上没有变形，它的平面直角系与高斯投影相同，且和高斯投影坐标有一个简单的比例关系，因而有的文献上也称它为m0＝0.9996的高斯投影。175 176 基本公式如下：177 UTM投影变形的特点：UTM投影的中央经线长度比为0.9996，这是为了使得Ｂ＝０°，ｌ＝３°处的最大变形值小于0.001而选择的数值。两条割线(在赤道上，它们位于离中央子午线大约±１８０ｋｍ(约±１°４０’)处)上没有长度变形；离开这两条割线愈远变形愈大；在两条割线以内长度变形为负值；在两条割线之外长度变形为正值。UTM投影带的划分：UTM投影的分带是将全球划分为60个投影带，带号1，2，3，…，60连续编号，每带经差为６°，从经度180°Ｗ和17４°Ｗ之间为起始带(1带)，连续向东编号。178 直角坐标系的实用公式：4.10.2高斯投影簇的概念高斯投影簇是概括依经线分带的一簇横轴等角投影。它应满足的投影条件是：1.中央经线和赤道投影后为相互垂直的直线，且为投影的对称轴；2.投影具有等角性质；3.中央经线上的长度比。179 180 高斯投影簇变形的特点：1.设q=0，则m０＝１，该投影即为高斯.克吕格投影。2.设q=0.0004，K=0，则m０＝0.9996，该投影即为通用横轴墨卡托投影。3.设q=0.000609，K=1，则，该投影即为双标准经线等角横椭圆柱投影。4.设q=0.000609，K=1.5，则，该投影在分界子午线与赤道交点处变形最大，达0.077%181 §4.11兰勃脱投影概述4.11.1兰勃脱投影基本概念兰勃脱(Lambert)投影是正形正轴圆锥投影。设想用一个圆锥套在地球椭球面上，使圆锥轴与椭球自转轴相一致，使圆锥面与椭球面一条纬线相切，将椭球面上的纬线投影到圆锥面上成为同心圆，经线投影圆锥面上成为从圆心发出的辐射直线，然后沿圆锥面某条母线(一般为中央经线L０)，将圆锥面切开而展成平面，从而实现了兰勃脱切圆锥投影。182 183 184 4.11.2兰勃脱投影坐标正、反算公式1兰勃脱切圆锥投影直角坐标系的建立185 子午线方向长度比:纬线向长度比:正形投影条件:186 2、大地纬度差同等量纬度差的关系式已知即可求.187 188 采用级数的回代公式可得:189 3常数β及K的确定条件:190 因为将上述两式代入微分方程得:则有:即可求得191 根据兰勃脱割圆锥投影特殊条件：两条标准纬线(B１，Ｂ２)的投影不变形，也就是说，这两条标准纬线投影前后的长度相等，即长度比ｍ１＝ｍ２＝１。解方程得192 4兰勃脱投影坐标的正反算公式1.兰勃脱投影坐标的正算(B,l)l=L-L0,求x,y兰勃脱切圆锥投影：193 兰勃脱割圆锥投影：194 兰勃脱投影坐标的反算公式195 方向改化及距离改化的简化公式：4.11.3兰勃脱投影长度比、投影带划分及应用196 兰勃脱投影变形的特点:在标准纬线Ｂ０处，长度比为1，没有变形。当离开标准纬线（Ｂ０）无论是向南还是向北，｜ΔＢ｜增加，｜ｘ｜数值增大，因而长度比迅速增大，长度变形(m-1)也迅速增大。因此，为限制长度变形，必须限制南北域的投影宽度，为此必须按纬度分带投影。197 198 兰勃脱投影是正形正轴圆锥投影，它的长度变形(m-1)与经度无关，但随纬差ΔＢ，即纵坐标x的增大而迅速增大，为限制长度变形，采用按纬度的分带投影，因此，这种投影适宜南北狭窄，东西延伸的国家和地区。这些国家根据本国实际情况，采用相应的分带方法和统一的坐标系统。但与高斯投影相比较，这种投影子午线收敛角有时过大，精密的方向改化和距离改化公式也较高斯投影要复杂，故目前国际上还是建议采用高斯投影。199