地球空间与数字测绘知识总结

1、地理空间（geo-spatial）

一般指上至电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。上下大约有2000km。

2、自然球体

由地球自然表面所包围的形体称为地球自然形体。

3、大地水准面（geoids）

假设在重力作用下海水静止时的平均水面，并设想此面穿过大陆与岛屿，连续扩展形成处处与铅垂线成正交的闭合曲面。由于地壳内部物质质量分布不均匀，引起铅垂线方向的不规则变化，所以，大地水准面也有高低起伏。所有地球上的点位坐标与高程测量都是在大地水准面上进行的。大地水准面也称地球物理表面。

区别：

       似大地水准面（quasi-geoid）：似大地水准面指的是从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面。似大地水准面严格说不是水准面，但接近于水准面，只是用于计算的辅助面。它与大地水准面不完全吻合，差值为正常高与正高之差。

正高：正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离；

正常高：正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离；

大地高：大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量，不具有物理意义，同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。

4、大地体（geoids body）

由大地水准面所包围的地球形体，称为大地体。测量学里用大地体表示地球形体。大地体是地球形体的一级逼近。

5、旋转椭球体（Ellipsoid）

为了测量成果的计算和制图工作的需要，人们用一个表面与大地水准面相近的、可以用数学方法表达的旋转椭球体来代替大地球体。旋转椭球体是以地球的南北短轴为旋转轴旋转而成的椭球形状，故也称地球椭球体，简称椭球体。是对地球形体的二级逼近。

旋转椭球体是一个可以用数学公式描述的规则的几何表面，可以作为平面坐标、测量和制图的基准面。其大小通常用一个半径和一个曲率来决定。

6、总地球椭球

在全球范围内与大地体最为密合的椭球，简称总椭球。它应满足下面几个条件：
     （1）椭球质量等于地球质量，二者的旋转角速度相等；
     （2）椭球体积与大地体体积相等，它的表面与大地水准面之间的差距平方和为最小；
     （3）椭球中心与地心重合，椭球短轴与地球平自转轴重合，大地起始子午面与天文起始子午面平行。
       要确定总椭球，必须在整个地球表面上布设联成一体的天文大地网和进行全球性的重力测量。

7、正球体

正球体是指与椭球体体积相等的球体。地学研究特别是地理学研究经常以整个地球为研究对象，先把整个地球缩小然后对其整体进行研究。这时的地球显得非常小，小到可以将其视为一个球体来对待，这个球体就是正球体。

8、参考椭球体（Reference Ellipsoid）

为了大地测量的实际需要，各个国家和地区只根据局部的天文、大地和重力测量资料，研究局部大地水准面的情况，确定一个与总椭球接近的地球椭球体，以表示地球的大小，作为处理大地测量成果的依据。这样的椭球只能较好地接近局部地区的大地水准面，不能反映大地体的情况，所以叫做参考椭球。它代表地球的数学表面。是地球形体的三级逼近。

参考椭球体及地球椭球体

9、参考椭球体定位

确定参考椭球体，进而获得大地测量基准面和大地起算数据的工作，称为参考椭球体的定位。

就是确定椭球中心的位置。分为两类：局部定位和地心定位。
     （1）局部定位：要求在一定范围内椭球面与大地水准面最佳符合，对椭球中心位置无特殊要求；
     （2）地心定位：要求在全球范围内椭球面和大地水准面最佳符合，同时要求椭球中心与地心重合或最为接近。

10、大地原点

大地原点亦称“大地基准点”。是国家平面控制网中推算大地坐标的起算点。

11、天球坐标系

坐标原点及三个坐标轴指向在空间上是不变的，是个空间三维直角坐标系，用于描述星球（包括地球及卫星）的运动状态和轨迹。

12、地球坐标系

是与地球固联在一起的坐标系，用于描述地面点的空间位置。地球坐标系的坐标原点及坐标轴可以在球面也可以在球心，在球面用球面坐标表示，在球心用球心坐标表示。球面坐标就是地理坐标，在大地测量中称为大地坐标。

13、参心坐标系

参心坐标系是各个国家为了研究局部地球表面的形状，在使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小的原则下，选择和局部区域的大地水准面最为密合的椭球作为参考椭球建立的坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。参考椭球的中心一般和地球质心不一致。

一个国家参心坐标系的建立到实现一般要经过：

1）定义椭球的大小；

2）进行椭球定位和定向，即确定椭球相对于地球的位置；

3）确定参心坐标系的大地原点；

4）进行地面观测建立各点与原点之间的相对关系；

5）观测值平差获得各点的坐标。

14、1954年北京坐标系

原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可归结为：

a．属参心大地坐标系；
       b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；

c.大地原点在原苏联的普尔科沃；

d．采用多点定位法进行椭球定位；

e．高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；

f．高程异常以原苏联1955年似大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得 。

15、1980西安坐标系

1980西安坐标系采用的是IUGG1975年推荐的椭球参数，根据多点椭球定位方式进行定位，并对全国天文大地网进行整体平差后建立的。1980西安坐标系采用多点定位，在我国按1º×1º间隔，均匀选取922个点，组成弧度测量方程，按高程异常平方和最小原则确定大地原点的垂线偏差和高程异常。

椭球短轴平行于地球地轴(由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向)；首子午面平行于格林尼治平均天文子午面；椭球面同似大地水准面在我国境内最密合；正常高以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。

16、地心坐标系

地心坐标系是以地球质量中心为原点的坐标系统，其椭球中心与地球质心重合，且椭球定位与全球大地水准面最为密合。通常用两种表现形式，地心直角坐标系与地心大地坐标系。

地心空间直角坐标系的定义为：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治平子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。

地心大地坐标系的定义为：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴相合，大地纬度 为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度 为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高 为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。

17、2000国家大地坐标系坐标框架

2000国家大地坐标系的框架由2000国家大地控制网点组成。包括2000国家GPS大地控制网，2000国家大地坐标系下的近5万个一、二等天文大地网点，近10万个三、四等天文大地网点。
按精度不同可划分为三个层次：

（1）2000国家GPS大地控制网中的连续运行观测站，其精度为毫米级。

（2）国家测绘局GPSA、B级网、总参测绘局GPS一、二级网以及由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网，还有其他地壳形变GPS监测网等中除了CORS站以外的所有站。2000国家GPS大地网提供的地心坐标的精度平均优于±3cm。

（3）2000国家大地坐标系下的一、二、三、四等天文大地网点。一、二等48919个天文大地网点的高精度地心坐标，平均点位精度达到±0.11m。

2000国家GPS大地控制网组成：由国家测绘部门布设的A、B级网；总参测绘局布设的GPS一、二级网；中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网，还有其他地壳形变GPS监测网等。共有国内2542个GPS点（其中CORS站25个），经统一处理后网点相对精度10-7以上，2000国家GPS大地网提供的地心坐标的精度平均优于±3cm。

18、WGS84坐标系

定义：WGS84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极（Conventional Terrestrial Pole，CTP）；X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，且与Z轴、X轴构成右手坐标系。

19、地理坐标系

指用地理经纬度表示地球表面上点位的空间坐标系。

按确定地理坐标时所依据的参考面、参考线以及测算方法的不同，地理坐标系中的经纬度有3中描述，即天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度。

（1）天文经纬度

天文经度是指首子午面与过观测点的子午面所夹的二面角；天文纬度是指过观测点的铅垂线与赤道面之间的夹角。天文经纬度是通过地面天文测量的方法得到的，它以大地水准面和铅垂线为依据；

（2）大地经纬度

地面上任一点的位置，可以用大地经纬度表示。大地经度是指通过参考椭球体面某一点的大地子午面与首子午面的二面角，大地纬度是指通过参考椭球体面某一点的法线与赤道面的夹角。大地经纬度以参考椭球体面和法线为依据，在大地测量中应用。

（3）地心，即地球体的质量中心。地心经度等同于大地经度，地心纬度是指参考椭球体面上的任一点和椭球体中心连线与赤道面的夹角。