基于matlab的坐标转换.doc
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基于matlab的坐标转换.doc
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河南理工大学本科毕业论文
本科毕业设计(论文)
题目基于MATLAB的坐标转换
院(系部)测绘与国土信息工程学院
专业名称测绘工程
年级班级 10-5
学生姓名刘威
指导教师胡圣武
2014年5月25日
摘要
本文的目的是使用第四代编程软件MATLAB来实现大地测量学中坐标转换的程序编写。
为实现国际测量数据的共享和我国不同时期下不同坐标系下数据成果的有效利用,坐标转换是一项具有现实意义的工作。
而MATLAB软件界面友好,编程效率高,它以矩阵作为最基本的数据结构,具有强大而方便的矩阵转置、求逆、相乘等计算能力而且它能方便的进行大规模的数据处理,代码也十分简洁。
这些优点使得它在工程计算中应用越来越广泛。
因此使用MATLAB实现坐标转换乃至编制坐标转换系统具有工程应用上的意义。
本文先对MATLAB软件的发展历程、功能、特点、编程基本知识进行了介绍,然后叙述了大地测量学中坐标转换的基本概念,重点阐述了坐标转换的理论和方法及其数学模型。
又对坐标转换中的空间直角坐标与大地坐标系之间的互换,高斯正反算以及七参数的空间直角转换模型进行了程序框图设计,并写出对应的MATLAB函数程序(附于附录中)。
最后以珠穆朗玛峰峰顶坐标为实例进行计算并把计算结果与中海达坐标转换软件进行对比从而验证了文中空间直角坐标与大地坐标的计算的准确性,又对三个已知点坐标进行高斯正反算并将计算结果与中海达坐标转换软件进行了对比,验证了文中用MATLAB实现高斯正反算的计算的准确性和可靠性,并且以用文中提供的七参数计算程序,计算得出了已知WGS-84坐标和1954北京坐标系下三重合点坐标的从WGS-84坐标系向1954北京坐标系的七参数解。
关键字:
MATLAB程序;坐标转换;程序框图;七参数
ABSTRACT
ThepurposeofthisarticleistousethefourthgenerationprogrammingsoftwareMATLABtorealizetheprogramwritingofcoordinatetransformationingeodesy.Inordertoachievethesharingofinternationalmeasurementdataandeffectiveusingdataresultsunderdifferentcoordinatesystemduringthedifferentperiodofourcountry,coordinatetransformationisaworkfullofrealisticsignificance.TheMATLABisaSoftwarewithfriendlyinterface,highefficiency,ittakesmatrixasthebasicdatastructure,withapowerfulandconvenientmatrixtranspose,inverse,multiplycomputingcapacityanditcanbeconvenientforlarge-scaledataprocessing,thecodeisalsoveryconcise.Theseadvantagesmakeitmoreandmorewidelyappliedinengineeringcalculation.SousingMATLABsoftwaretorealizecoordinatetransformationormakecoordinateconversionsystemissignificantonengineeringapplication.
Inthisarticle,firstintroducedthedevelopment,function,characteristic,basicknowledgeofprogrammingofMATLABsoftware,andthendescribesthebasicconceptofcoordinatetransformationingeodesy,inwhichexpoundsthetheoryandmethodofcoordinatetransformationanditsmathematicalmodel.Thearticledisplayedtheprogramblockdiagramofthecoordinatetransformationbetweenspacerectangularcoordinateandgeodeticcoordinatesystem,positiveandnegativegausscalculationandsevenparametersofspatialorthogonaltransformationmodelandwritedtheMATLABfunction(attachedtotheappendix).Asanactualexample,thepaperusedMt.Everestsummitcoordinatetocalculateitsgeodeticcoordinateandspatialorthogonalcoordinate,andcomparedtheresultwithZhonghaidaSoftware.Inthepositiveandnegativegausscalculation,thepapercalculatedthreeknownpointandcomparedtheresultwithZhonghaidaSoftware,provedtheaccurateandreliableofMATLAB.AndthearticlegaveoutthesevenparameterssolutionofWGS-84coordinatesystemto1954Beijingcoordinatesystembythreecoincidentpointofthem.
Keywords:
MATLABProcedures;CoordinateTransformation;BlockDiagram
目录
第一章引言 1
1.1绪论 1
1.2研究现状 1
1.3本文研究的主要内容 2
第二章MATLAB软件的基本功能及特点 4
2.1MATLAB的发展历程及基本功能 4
2.2MATLAB的优点 5
2.3MATLAB程序设计基础 6
2.3.1MATLAB程序设计的基本原则 7
2.3.2MATLAB中的变量和常量 7
2.3.3矩阵运算基本操作 7
第三章大地测量坐标系统及其转换 9
3.1地球、大地水准面及参考椭球面的基本定义及关系 9
3.2大地测量基准 10
3.3常用椭球坐标系及坐标形式 10
3.3.1地心坐标系 10
3.3.2参心坐标系 12
3.3.3常用坐标形式 14
3.4坐标系转换的模型及其公式表示 16
3.4.1同一参考椭球下不同坐标形式的转换 17
3.4.2不同参考椭球下坐标的转换 20
第四章坐标转换程序设计 21
4.1坐标转换总思路设计 21
4.2具体程序框图设计 21
4.2.1同一椭球参数下大地坐标与空间直角坐标之间的转换框图设计 22
4.2.2同一椭球参数下大地坐标与高斯平面坐标的转换框图设计 23
第五章实例应用 24
5.1大地坐标与空间直角坐标间换算实例 24
5.2高斯正反算实例 27
5.3不同参考椭球基准下的坐标转换实例 29
第六章结论与展望 30
致谢 31
参考文献 32
附录 33
V
1引言
1.1绪论
随着全球经济和科技的飞速发展,越来越多的新技术新方法被应用于各个领域行业中,带给各领域新的发展契机和更为广阔的发展前景。
作为与人们日常生活息息相关的测绘事业,也非常迫切地需要充分运用新的科技产品来更新测绘学科知识、提高测绘设备水平、改善测绘技能和方法,促进全球测绘一体化趋势的发展,从而更为有效地发挥测绘事业对社会、对国家、对人民大众服务的支撑作用。
伴随大地测量领域的不断发展,坐标转换作为基础而重要的理论知识越来越多地被应用到规范和统一各类和各区域甚至全球测绘资料等相关方面。
每个国家都会根据自身的发展情况和历史条件建立合适的测量坐标系统,这些测量坐标系基本都是基于地固坐标系统的参心坐标系或者地心坐标系,而且由于经济的发展或者习惯的变化,往往每个国家在不同的历史阶段也会采用不同的坐标系统,另外在实际的测量生产中,在某些未布设国家级大地控制网的地方或为了测量的方便建立不同于国家坐标系的地方独立坐标系。
美国从1972年开始开发第二代卫星导航系统(即为现在通常所说的GPS),它采用WGS-84地心坐标系统,凭借自身具有的全天候、连续实时、全球范围以及三维导航和定位等特点,在测绘领域很快被广泛采用,从而使测绘资料的全球一体化逐渐成为新的发展趋势。
与此同时,坐标转换也成为一个越来越重要的课题,在测绘工作中发挥越来越重要的作用。
坐标转换本身是一个复杂的数值计算过程,倘若采用人工计算,必将增加计算的难度,费时费力且不能保证计算的精确度,因此对于坐标转换来讲,不但要研究更为严密的坐标转换方法,还要不断地借助技术更加优良的坐标转换工具来提高转换成果的质量以及简化计算的过程,从而使测绘资料得到更加有效地利用和统一。
这不仅有利于我国的坐标系与国际通用坐标系相统一和共享,还有利于我国测绘事业的发展。
1.2研究现状
由于坐标系的不同之处主要是坐标系的定位、定向以及尺度各异,因此若要保证坐标系间的转换精度,首先需要研究各种类型的坐标转换的理论方法。
目前,测绘领域的坐标转换方法模型等研究已经相当成熟。
不同参考椭球坐标转换的方法有直接参数法、多项式逼近法和相似变换法等。
其中七参数法是坐标转换中的经典严密的常用坐标转换方法,我国通常采用的七参数数学模型为莫洛金斯基(Molodensky)模型、布尔莎(Bursa)模型和中国的武测模型等,这些转换模型已经广泛应用在各种工程测绘中。
为确保坐标转换的质量,除了选取适当的转换模型之外,还需要不断地借助于一些新技术新工具,从而在提高坐标转换精度的同时,也能够尽量简化程序编写过程。
为此广大的测绘工作者利用计算机开发出许多内嵌于测量仪器或独立的坐标转换软件,并取得了很大成果。
但由于采用的计算工具或方法的差异导致各种坐标转换产品转换的精度和操作的难易程度都不尽相同,甚至一些独立的小型坐标系统还无法保证正确的计算结果。
而且,我国目前使用的坐标转换产品中很多都是国外软件,使用过程繁琐复杂且购买成本高。
因此,需要开发一种性能更加良好的坐标转换工具来改善目前的情况。
目前,我国已正式启用最新的坐标系统—2000国家大地坐标(CGCS2000),这就要求要把现阶段大量的1954年
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