1．地球椭球体基本要素
地球表面 大地水准面 参考椭求表面
地球自然表面、大地水准面、参考椭球面的关系
1．地球椭球体基本要素
4、地球的数学模型 地球的数学模型，是在解决其它一些大 地测量学问题时提出来的，如类地形面 、准大地水准面、静态水平衡椭球体等 。
GIS中的坐标系定义是GIS系统的基础， 正确定义GIS系统的坐标系非常重要。 GIS中的坐标系定义由基准面和地图投 影两组参数确定，而基准面的定义则由 特定椭球体及其对应的转换参数确定， 因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先 必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基 准面(Datum)及地图投影(Projection)三 者之间的关系。
地球表面的几何模型。是定义合适的地理 参照系统的依据。根据大地测量学的研 究，球表面几何模型分为四类：地球的 自然表面模型、地球的相对抽象表面模 型、地球的旋转椭球体模型和地球的数 学模型。
1．地球椭球体基本要素
地球表面的几何模型
1)、地球的自然表面模 型 地球的自然表面模 型是地球的自然体， 起伏而不规则，呈梨 形形状 。
铅垂线：地理空间中任意一点的 重力作用线。 水准面：自由静止的水面。 大地水准面 ：与平均海水面重 合，并向大陆、岛屿延伸所 形成的封闭曲面
1．地球椭球体基本要素
3) 地球的旋转椭球体模型 地球的旋转椭球体模型，是为了测量 成果计算的需要，选用一个同大地体相 近的、可以用数学方法来表达的旋转椭 球来代替地球，且这个旋转椭球是由一 个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大 地水准面为基础的。凡是与局部地区(一 个或几个国家)的大地水准面符合得最好 的旋转椭球，称为参考椭球。
<1:5,000,000 基于圆的旋转体
>1:1,000,000 基于椭圆的旋转体
长半轴a、短半轴b,扁率f =(a-b)/a 如WGS84定义的参考椭球：
a=6378137.0meter
1/f=298.257223563 不同的参考椭球，参数不一样。
1．地球椭球体基本要素
• 我国测图历史上曾使用的参考椭球： 1、1952年前，海福特椭球； 2、1954年～1980年，克拉索夫斯基椭球 a=6378245m,b=6356863m,f =1:298.3 3、1980年后，1975年国际大地测量学与地球物理 学联合会推荐的椭球； a=6378140m,b=6356755m,f=1:298.257 4、WGS1984，a=6378137m,b=6356752m
总地球椭球体
总地球椭球体面 大地水准面
b
参考椭球体
参考椭球体面
P （北极）
M (大地原点）
b
P
铅 法 垂 线 线aΒιβλιοθήκη 地面a赤道
赤
道
P'
P' （南极）
上述两种椭球大小相同：长半径a=6378140m，短半径b=6356755.3m，扁率α=1:298.257 参考椭球定位方法：椭球中心与地球中心不要求重合， 总地球椭球定位方法：椭球中心与地球中心重合， 椭球短轴与地球自转轴重合等条件。 要求椭球短轴与地球自转轴平行，使大地起始子午面与天 文起始子午面平行，使椭球面与本国大地水准面充分接近。
地球表面的几何模型
1．地球椭球体基本要素
2)、地球的相对抽象表面模型 地球的相对抽象表面模型，即由大 地水准面描述的模型。是假设当一 个海水面处于完全静止的平衡状态 时，从海平面延伸到所有大陆下部 ，且与地球重力方向处处正交的一 个连续、闭合的水准面构成的地表 模型。 以大地水准面为基准，就可以利用 水准测量对地球自然表面任意一点 进行高程测量。由于地球重力的影 响，大地水准面也是一个不规则曲 面，但起伏远小于自然表面。
GIS坐标系与投影
1．地球椭球体基本要素
1.1.1 地球的形状
GIS表达的是地理空间信息，为了描述 地理空间信息，需要建立地球空间模型 ，确定地理空间参照系统，进行地图投 影变换，对地理空间信息的空间位置、 空间属性以及空间关系等数据进行定义 和表达。这些内容共同构成了地理空间 信息基础。
1．地球椭球体基本要素
N
P0
P
地球表面
垂线与法线 重合
W
E
参考椭球体
大地水准面
S
地球椭球的参数可用a(长半径)、b（短半径）及α（扁率）表示。扁率α为
a b a
1979年国际大地测量与地球物理联合会推荐的地球椭球参数a=6378140m， b=6356755.3m, α=1:298.257。 旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式表示：
2 2 2
x y z a a b
1
按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作 称椭球定位和定向。定位时采用椭球中心与地球质心重合，椭
球短轴与地球短轴重合，椭球与全球大地水准面差距的平方和
最小，这样的椭球称总地球椭球。
总地球椭球与参考椭球（水准面）的区别
参考椭球面与我国大地原点
地面上选一点P，由P点投影到大地水准面P0点,使P0上的椭球面与大地 水准面相切， 此时过P0点的铅垂线与P0点的椭球面法线重合，切点P0称为 大地原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达 到本国范围内的大地水准面与椭球面十分接近，该椭球面称为参考椭球面。 我国大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。
用途：全球测图
用途：国家测图
有了基准面我们就可以操作了，我们的一切都 是基于基准面的。
对于地理坐标，只需要确定两个 参数，即椭球体和大地基准面。 （为什么？）
想想同一基准面的投影变换？
地球椭球体只不过是一个具有长半轴， 短半轴和变率的椭球体，可以任意放置 的，它没有为我们规定度量的起点，所 以就有基准面的产生，而基准面就是规 定了度量标准。
基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面 的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准 面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐 标系实际上指的是我国的两个大地基准面.椭球 体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就 是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体 不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的 基准面，一般意义上基准面与参考椭球体是同 一个概念。