地图投影与坐标系统设计

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1、坐标系统定义中石油新疆油田公司勘探开发研究院贾明辰2017年2月16日井筒一体化数据处理软件平台开发项目-业务调研总结目录前言11地图投影理论21.1大地水准面21.1.1大地水准面定义21.1.2基准种类31.1.3我国常用高程基准61.2参考椭球体61.3地理坐标系统91.4投影系统111.4.1地图投影的分类111.4.2墨卡托投影141.4.3高斯-克吕格投影151.4.4UTM投影211.5换带计算222坐标系统定义232.1中国大地测量常用坐标系统232.1.1北京1954坐标系232.1.2西安1980坐标系252.2WGS1984坐标

2、系272.3UTM坐标系283坐标系统信息设计建议293.1坐标系统信息设计2934井筒一体化数据处理软件平台开发项目-业务调研总结前言文章详细介绍了地图投影理论，给出了几种常用的投影算法公式，列举了常用的参考椭球体参数，介绍了油气勘探及其他工程勘察测量常用的坐标系统。是地图投影知识的科普资料，更是坐标换算软件编程的算法参考资料。随着工程技术的发展和军民应用领域更高的精度需求，坐标系统方面的投影公式、转换方法和参数一直处于不断的修订之中。由于本人在这方面的知识有限，工作中用到的坐标系统也屈指可数，对于坐标转换与变换涉及不深。因此本文内容仅供参考，请注

3、意网上查看这方面的更新内容。参考资料：地图投影及其坐标转换公式，国际油气生产者协会（OGP-InterbationalAssociationofOil&GasProducers）测量和定位指导书7-2，2009年5月修订，www.epsg.org；戴勤奋译（2009年6月），www.docin.com。34井筒一体化数据处理软件平台开发项目-业务调研总结1地图投影理论测量工作的主要任务是确定地球表面点的空间位置——坐标和高程（x,y,h）。怎样把地球表面上点的位置绘制在应用方便的平面地图上，又保证尽可能小的变形误差呢？——这就是地图投影要解决的问题。

4、其关键的技术参数有以下三点：1）大地水准面——高程系统基准面2）参考椭球体——确定地球形状参数3）投影系统——（经度，纬度）和（X，Y）之间的转换方法1.1大地水准面1.1.1大地水准面定义为了从数学上定义地球，必须建立一个地球表面的几何模型。这个模型由地球的形状决定的。它是一个较为接近地球形状的几何模型，即椭球体，是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成。地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面，有高山、丘陵和平原，又有江河湖海。地球表面约有71%的面积为海洋所占用，29%的面积是大陆与岛屿。陆地上最高点与海洋中最深处相差近20公里。这个高低不平的表面无

5、法用数学公式表达，也无法进行运算。所以在测量与制图时，必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。当海洋静止时，它的自由水面必定与该面上各点的重力方向（铅垂线方向）成正交，我们把这个面叫做水准面。但水准面有无数多个，其中有一个与静止的平均海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面，这就是大地水准面（图1.1-1）。图1.1-1：大地水准面34井筒一体化数据处理软件平台开发项目-业务调研总结大地水准面所包围的形体，叫大地球体。由于地球体内部质量分布的不均匀，引起重力方向的变化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不

6、规则的，仍然是不能用数学表达的曲面。大地水准面形状虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的。它是一个很接近于绕自转轴（短轴）旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球体，简称椭球体。在一个区域范围内，取平均海水面作为大地水准面，并以此面作为决定地面高程的起算面。平均海水面的位置，是由设在海边的验潮站根据长期测定潮汐运动的结果计算出来的。地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程。如图1.1-2所示，P0P0'为大地水准面，地面点A和B到P0P0'的垂直距离HA和HB为A、B两点的绝对高程。地面点到任一水准面的高

7、程，称为相对高程。如图1.1-2中，A、B两点至任一水准面P1P1'的垂直距离HA'和HB'为A、B两点的相对高程。HA和HA'的差值称为高程异常。图1.1-2：地面点的高程1.1.1基准种类地心基准面：在过去的15年中，卫星数据为测地学家提供了新的测量结果，用于定义与地球最吻合的、坐标与地球质心相关联的旋转椭球体。地球中心（或地心）基准面使用地球的质心作为原点。最新开发的并且使用最广泛的基准是WGS1984。它被用作在世界范围内进行定位测量的框架。区域基准面：34井筒一体化数据处理软件平台开发项目-业务调研总结局域基准面是在特定区域内与地球表面极为

8、吻合的旋转椭球体。旋转椭球体表面上的点与地球表面上的特定位置相匹配。该点也被称作基准面的原点。原点的坐标是固