什么是地理信息系统(什么是地理信息系统?它与一般的信息系统有何区别?)

GIS 地 图 知 识目录

1. 地图、地图制图学 .

2. 地图基本概念-特性、分类、用途、工艺 (国家基本比例尺地形图)

3. 地图数学基础 (椭球、投影、高斯-克吕格直角坐标、地形图分幅)

4. 地图符号

5. 普通地图的内容要素及表示方法

6. 专题地图的内容要素及表示方法

7. 传统测绘与“3S”、“数字地球”

1. 地图、地图制图学

一.什么是地图

地图是按一定的数学法则和综合法则，以形象－符号表达制图物体(现象)的地理分布、组合和相互联系及其在时间中的变化的空间模型，它是地理信息的载体，又是信息传递的通道。

二.地图制图学及其理论基础

地图制图学属地球科学中的一门学科。主要是研究地图的实质(性质、内容及其表示方法)发展、制图理论和技术方法的的一门科学。它的任务是获取各种类型的、高速优质的地图。是制作地图的科学。地图是人类认识客观世界、反映自然的特殊形式。地图的制作不是单纯的技术问题，而是人类认识客观的能力和水平的反映。

三.地图制图学及其组成部分

地图概论：研究地图的发展规律、特点以及地图的性质、分类、用途、内容及表示方法等。

地图投影学：研究地图上点的平面直角坐标(或极坐标)同地球椭球体表面上相应点的地理坐标(经纬度坐标)之间的函数关系，研究投影的理论、性质、变形规律、计算方法投影的判别和选择，以及在编制地图中不同投影的转换问题。

地图编制学：研究制图资料编制地图的理论、技术方法和程序。

地图绘制学：研究绘制出适合于制印要求的出版原图的理论和技术。

地图整饰：研究地图内容的表现形式，如色彩、线划、符号、图名的设计、地貌立体表示等

地图制印学：研究复制地图生产过程和有关的理论、技术方法、设备、材料性质及使用等。

地图量测学：研究地图上量测方向、距离、面积、体积等的方法和技术。

地图设计：研究地图的编辑设计，地图设计的理论基础及提高地图表现力的理论依据。

2. 地图基本概念-特性、分类

一.地图的特征

地图的特征包括：由于特殊的数学法则而产生的可量测性；由于使用符号表象事物而产生的直观性；由于制图综合而产生的一览性。

二.地图的分类

一.按区域范围分类：分为世界图、国家图、分区图、省图、市县图、乡镇图等；

二.按地图内容分类：分为两大类，普通地图和专题地图。

普通地图是以相对平衡的详细程度表示地球表面上的自然地理和社会经济要素(基本要素包括居民地、交通网、水系、地貌、境界、土质植被等)的地图。其中详细表示地面的各基本要素的叫地形图；内容比较概略，但主要目标很突出，以反映各要素基本分布规律为主的地图称为地理图；介于两者之间的叫地形地理图。

专题地图是以普通地图作为底图基础的，重点反映某一种或几种专门的要素，依内容要素可分为：自然地理图、社会经济地图和工程技术图。

三.按比例尺分类

大比例尺地形图：1：5千—1：2.5万比例尺地形图

中比例尺地形图：1：5万—1：25 万比例尺地形图

小比例尺地形图：1：50万-1：100万比例尺地形图

我国称1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万、1：100万七种比例尺普通地图为国家基本比例尺地形图 按国家测绘局制定的统一技术标准制图(规范、图式)。

3. 地图数学基础

一.地球椭球体

地球是一个表面很复杂的球体，人们以假想的平均静止的海水面形成的“大地体”为参照，推求出近似的椭球体，理论和实践证明，该椭球体近似一个以地球短轴为轴的椭园而旋转的椭球面，这个椭球面可用数学公式表达，将自然表面上的点归化到这个椭球面上，就可以计算。

常用的一些椭球及参数

海福特椭球(1910) 我国52年以前基准椭球

a=6378388m b=6356911.9461279m α=0.33670033670

克拉索夫斯基椭球(1940 Krassovsky) 北京54坐标系基准椭球

a=6378245m b=6356863.018773m α=0.33523298692

1975年I.U.G.G推荐椭球(国际大地测量协会1975) 西安80坐标系基准椭球

a=6378140m b=6356755.2881575m α=0.0033528131778

WGS-84椭球(GPS全球定位系统椭球、17届国际大地测量协会) WGS-84 GPS 基准椭球

a=6378137m b=6356752.3142451m α=0.00335281006247

地球椭球面上任一点的位置，可由该点的纬度(B)和精度(L)确定，即地面点的地理坐标值，由经线和纬线构成两组互相正交的曲线坐标网叫地理坐标网。由经纬度构成的地理坐标系统又叫地理坐标系。

地理坐标分为天文地理坐标和大地地理坐标

天文地理坐标是用天文测量方法确定的，大地地理坐标是用大地测量方法确定的。

我们在地球椭球面上所用的地理坐标系属于大地地理坐标系，简称大地坐标系

确定椭球的大小后，还要进行椭球定向，即把旋转椭球面套在地球的一个适当的位置，这一位置就是该地理坐标系的“坐标原点”，是全部大地坐标计算的起算点,俗称“大地原点”

二.地图投影

是为解决由不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾，用几何透视方法或数学分析的方法，将地球上的点和线投影到可展的曲面(平面、园柱面或圆锥面)上，将此可展曲面展成平面，建立该平面上的点、线和地球椭球面上的点、线的对应关系。

三.高斯-克吕格直角坐标

高斯－克吕格投影是设想用一个椭圆柱横套在地球椭球的外面，并与设定的中央经线相切。

高斯－克吕格投影分带规定:该投影是国家基本比例尺地形图的数学基础，为控制变形，采用分带投影的方法，在比例尺 1：2.5万-1：50万图上采用6°分带，对比例尺为 1：1万及大于1：1万的图采用3°分带。

6°分带法：从格林威治零度经线起，每6°分为一个投影带，全球共分为60个投影带，东半球从东经0°-6°为第一带，中央经线为3°，依此类推，投影带号为1-30。其投影代号n和中央经线经度L0的计算公式为：L0=(6n-3)°；西半球投影带从180°回算到0°，编号为31-60，投影代号n和中央经线经度L0的计算公式为L0=360-(6n-3)°。

3°分带法：从东经1°30′起，每3°为一带，将全球划分为120个投影带，东经1°30′-4°30′，...178°30′-西经178°30′，...1°30′-东经1°30′。

东半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线计算公式：L0=3°n ,中央经线为3°、6°...180°。

西半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线计算公式：L0=360°-3°n ,中央经线为西经177°、...3°、0°。

我国规定将各带纵坐标轴西移500公里，即将所有y值加上500公里，坐标值前再加各带带号以18带为例，原坐标值为=243353.5m，西移后为y=743353.5，加带号通用坐标为y=18743353.5

四.我国地形图分幅与编号

我国基本比例尺地形图分幅与编号，以1：100万地形图为基础，延伸出1：50万、1：25万 1：10万，再以1：10万为基础，延伸出1：5万、1:2.5万及1：1万三种比例尺。

1：100万从赤道起向两极每纬差4°为一行，至88°，南北半球各分为22横列，依次编号A、B、... V；由精度180°西向东每6°一列，全球60列，以1-60表示，如海南所在1：100万图在第5行，第49列，其编号为 E-49

在1：100万图上，按经差3°纬差2°分成四幅1：50万地形图，编为A、B、C、D，如 E-49-A 按经差1°30′纬差1°分成16幅1：25万地形图，编为[1]、...[16]，如 E-49-[1]。按经差30′纬差20′分成144幅1：10万地形图，编为1、...144，如 E-49-1。既后三种比例尺各自独立地与1：100万地图的图号联系。

1：10万图上每经差15′纬差10′分成四幅1：5万地形图，编为A、B、C、D，如 E-49-1-A

1：5万图上每经差7′30″纬差5′分成四幅1：2.5万，编为1、2、3、4，如 E-49-1-A-1

1：10万图上每经差3′45″纬差2′30″分成64幅1：1万地形图，编为(1)、...(64)，如E-49-1-A-(1)

1：1万图上每经差1′52″纬差1′15″分成四幅1：5000地形图，编为a、b、c、d，如E-49-1-A-(1)-a

4. 地图符号

一.地图符号的意义

地图符号是地图上各种形状、大小和颜色的图形和文字的总称。它是地图内容体现的一种主要手段。是地图的基本特征之一。

二.地图符号的分类

按几何精确性分类，分为：依比例符号、不依比例符号、半依比例符号。

依比例符号是实地占有较大面积的物体，比例尺缩小后，仍能显示其轮廓，如大面积街区、大湖等。 通常以线划表示其外轮廓，并填绘符号或普染颜色。

不依比例符号实地上面积较小一般具有方位意义的物体，缩至图上只能显示一个点。这类符号仅以其定位点表示物体的位置。

半依比例符号是实地上的狭长物体，其长度能依比例表示，而宽度则需夸大，如狭长街区、铁路、公路、土堤等符号，其宽度在图上均已扩大。在图上只能测其长度，不能测其宽度。

三.地图符号表示地物的原则

符号的“比例”概念：地面物体与符号图形的缩小比率并非总是一致，同一物体在较大比例尺图上能依比例表示，而在较小比例尺图上则为半依比例号和非依比例符号。符号的比例关系具有一定的相对性。

符号的定位：不依比例符号都是扩大了的图形，一般在设计时就已规定了符号的哪一部分代 表地物的真实位置，这些规定的点和线，就叫定位点和定位线。

5. 普通地图的内容要素及表示方法

一.普通地图上的内容要素-数学要素、地理要素和图廓外要素

数学要素——坐标网、地图比例尺、地图定向等

地理要素——包括自然地理要素、社会经济要素和其他标志

自然地理要素有水系、地貌和图质植被；

社会经济要素有居民地、交通网、境界和行政中心；

其他标志为方位物、经济标志、科学文化标志等。

图廓外要素——图名、图号、接图表、图例、图廓、分度带、比例尺、坡度尺及坐标系统等

二.水系及其在图上表示

水系是指海洋、江河、湖泊、水库、水渠、井泉各种自然的人工的水文物体的总称。

关于河流及沟渠的表示：我国1971年《图式》中规定河流单双线的分界宽为0.4mm，即凡双线河就表示真实的河宽。

对中小比例尺地形图(如1：5万)补充规定“实地宽100m以上的合理就扩大绘为双线”(从0.2扩大到0.4）实地河宽100米到200米这段成为符号性双线河(或称记号双线河)，它不表示真宽，要注明河宽注记。

对小比例尺图上的河流有两种表示方法，其一，单线配合不依比例尺双线(又称过度性符号)和依比例双线的表示方法；其二，是单线配合单线真形符号表示。 所谓单线真形符号是将河流全部填满与水涯线相同的普染色。

三.居民地及其在图上表示

居民地是指各种建筑物组成的城市、集镇、农村或其他居住区的总称。

当居民地受比例尺限制不能用真形表示时，可用圈形符号来表示居民地的位置，符号的定位点表示居民地的中心区域，符号与地物的相对关系表示居民地中心区域与地物的相对关系。

四.交通及其在图上表示

交通网是各种运输的总称。它包括陆地交通、水陆交通和空中交通及管线运输几类。

道路符号是线状的，但在比例尺缩小后，它的宽度是夸大的，以我国地形图为例，铁路宽0.6mm，在1：10万图上等于实地60m，在1：50万图上为300m。

五.地貌及其在图上表示

晕渲法，假定光源在固定的方向上，用浓淡渐变的半色调(墨和颜色)在图上显示地貌主体形态，其实质是光彩立体感在地图上的应用。

等高线法，用一组有一定间隔(高差)的等高线的组合来反映地面的起伏形态。

首曲线，按相应比例尺规定的等高距测绘的等高线，图上用细线表示。

计曲线，为方便查看等高线的高程，规定从零米起算，每隔四条基本等高线加粗成粗实线。

间曲线，按等高距的二分之一测绘的等高线，用与首曲线等粗的虚线表示，补充显示局部形态

分层设色法，在不同高程带，普染不同色调的颜色来表示地貌起伏的方法。

六.境界及其在图上表示

境界是地区政治行政管辖的界线。普通地图上，可分为政区界和其他境界两大类。

地形图上境界的表示有以下的规定：

两级以上的境界重合时，只表示出高一级的境界。飞地的界线用其所属的行政单位的境界符号表示，并在其范围内加隶属注记。

境界沿河流、道路、山脊等线状地物延伸的，可以省略重合部的境界符号或在线状地物的中心，两侧或一测描绘其符号。以河流为例：当一河流中心线或主航道线为界时，境界符号在水域内或河流符号两侧不间断的交错绘出。以共有河流为界的，在河流两侧每3-4厘米交错绘出。以河流一侧为界的，在相应一侧不间断绘出。以山脊、山谷为界的不间断绘出，其通过的山头、山口、谷地等的中心位置不变，保持与地貌图形的协调性。

七. 传统测绘与“3S”“数字地球”

传统测绘主要包括三个组成部分即大地测量、航空摄影测量、制图，在与计算机和通讯技术融合的过程中发展出新的测绘体系，以“3S”为基础的产业技术体系即地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感RS。“数字地球”的美好前景，更使得地理信息产业再次唤起全球的关注。

按国际上当前发展的趋势，测绘必将与社会经济应用领域更紧密的结合起来，缩短与用户的差距，更符合用户的需要，测绘必将从专业化走向大众化。数字制图与GIS工作者正是这种趋势的重要推动力！

经度和纬度的确定 在地图和地球仪上，我们可以看见一条一条的细线，有横的，也有竖的，很象棋盘上的方格子，这就是经线和纬线。根据这些经纬线，可以准确地定出地面上任何一个地方的位置和方向。 这些经纬线是怎样定出来的呢？

地球是在不停地绕地轴旋转（地轴是一根通过地球南北两极和地球中心的假想线），在地球中腰画一个与地轴垂直的大圆圈，使圈上的每一点都和南北两极的距离相等，这个圆圈就叫作“赤道”。在赤道的南北两边，画出许多和赤道平行的圆圈，就是“纬圈”；构成这些圆圈的线段，叫做纬线。我们把赤道定为纬度零度，向南向北各为90度，在赤道以南的叫南纬，在赤道以北的叫北纬。北极就是北纬90度，南极就是南纬90度。纬度的高低也标志着气候的冷热，如赤道和低纬度地地区无冬，两极和高纬度地区无夏，中纬度地区四季分明。

其次，从北极点到南极点，可以画出许多南北方向的与地球赤道垂直的大圆圈，这叫作“经圈”；构成这些圆圈的线段，就叫经线。公元1884年，国际上规定以通过英国伦敦近郊的格林尼治天文台的经线作为计算经度的起点，即经度零度零分零秒。在它东面的为东经，共180度；在它西面的为西经，共180度。因为地球是圆的，所以东经180度和西经180度的经线是同一条经线。各国公定180度经线为“国际日期变更线”。为了避免同一地区使用两个不同的日期，国际日期变线在遇陆地时略有偏离。

每一经度和纬度还可以再细分为60分，每一分再分为60秒以及秒的小数。利用经纬线，我们就可以确定地球上每一个地方的具体位置，并且把它在地图或地球仪上表示出来。例如问北京的经纬度是多少？我们很容易从地图上查出来是东经116度24分，北纬39度54分。在大海中航行的轮船，只要把所在地的经度测出来，就可以确定船在海洋中的位置和前进方向。

建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联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，P54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。自 P54建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。

基准面：

基准面是利用特定地球椭球对特定地区地球表面的逼近。选用一个同大地相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替。它是测量与制图的基础。凡与局部地区（一个或几个国家）的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称之为“参考椭球”。

我们目前常见的有三种：“北京54”坐标系、“西安80”坐标系、WGS1984。“北京54”坐标系是我国从1953年起从苏联1942坐标系联测并经平差引伸到我国，原点在苏联西部的普尔科夫，采用Krassovsky椭球参数而定的基准面。“西安80”坐标系是采用1975年IUGG/IAG第16届大会推荐的地球椭球参数。国家原点设在陕西省泾阳县。其较好地与我国大地水准面符合较好。WGS1984 坐标系的基准面采用 WGS84 椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前 GPS 接收机测量数据多以 WGS1984 坐标系为基准。

Pulkovo 1942、非洲索马里的 Afgooye 基准面都采用了 Krassovsky 椭球体，但它们的基准面显然是不同的。

什么是大地坐标系？

大地坐 标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。地面点的位置用大地经度、大地纬度和大地高度表示。大地坐标系的确立包括选择一个椭球、对椭球进 行定位和确定大地起算数据。一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫参考椭球。参考椭球一旦确定，则标志着大地坐标系已经建立。注：这句话意味 着，只要确定参考椭球，就可建立大地坐标，就是说大地坐标系可以人为确定，不是只有一种标准。

什么是54北京坐标系？

新中国成立后，很长一段时间采用1954年北京坐标系统，它与苏联1942年建立的以普尔科夫天文台为原点的大地坐标系统相联系，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。到20世纪80年代初，我国已基本完成了天文大地测量，经计算表明，54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为29米左右。

什么是WGS－84坐标系？

WGS －84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极 （CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是 一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。

什么是地图投影？

地图投影是研究把地 球椭球体面上的经纬网按照一定的数学法则转绘到平面上的方法及其变形问题。地图投影的方法有几何法和解析法。几何法是以平面、圆柱面、圆锥面为承影面，将 曲面（地球椭球面）转绘到平面（地图）上的一种古老方法，这种直观的透视投影方法有很大的局限性。解析法是确定球面上的地理坐标与平面上对应点的直角坐标 之间的函数关系。注：一些网上所谓的坐标转换即为相应坐标系下的经纬度和直角坐标的转换，而并非不同坐标系下的关系换算。

空间坐标系统标准

地球上的任何一点都有其相应的 空间坐标。空间坐标有两种，一是大地坐标（也称地理坐标），用经纬度坐标进行定位；二是投影坐标，即地球表面上的点投影到平面后的直角坐标（X、Y）。一 个国家或地区在建立大地坐标系时，为使地球椭球面更切合本国或本地区的自然地球表面，往往需要选择合适的椭球参数、确定一个大地原点的起始数据，并进行椭 球的定位和定向。我国采用了两种不同的大地坐标系，即1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。美国国防部在1984年建立了世界大地测量坐标系 统（World Geodetic System，WGS-84），目前GPS定位所得出的结果都属于WGS-84坐标系统。工程中实用的大多是国家坐标 系，因此要建立WGS-84和国家坐标系之间的转换模型，目前已有坐标转换模型可求得WGS-84和国家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。

了解更多GIS文章关注中图地信微信公共平台：dilixinxijishu