地理信息系统是什么?关于地理信息系统的详细介绍

创闻科学2020-11-17 12:27:48

地理信息系统 (Geographic Information System,缩写:GIS) 是以采集、储存、管理、显示和分析地球表面与空间、地理分布有关的数据,用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,其结合了地理学与地图学,已经广泛的应用在不同的领域, 可以把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作 (例如查询和统计分析等)集成在一起。

GIS的功能与应用

地理信息系统 (Geographic Information System,缩写:GIS) 是一门综合性学科,其结合了地理学与地图学,已经广泛的应用在不同的领域, 是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统, 可以把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作 (例如查询和统计分析等)集成在一起。

地理信息系统与其他信息系统的最大区别,在于GIS可以对空间信息进行存储、管理与分析, 从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、 规划战略等中具有实用价值。

随着地理信息学科与技术的发展,GIS的内涵也在不断发展。 也有人称GIS为“地理信息科学” (Geographic Information Science), 近年来,还有些专家称GIS为“地理信息服务”(Geographic Information Service)。

从数据处理、信息提取的角度来看,GIS具有以下作用:

(1)数据采集与编辑:包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。

(2)地理数据库管理: 包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通讯功能等。

(3)制图:根据GIS的数据结构及绘图仪的类型,用户可获得矢量地图或栅格地图。

(4)空间查询与空间分析:包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析。

(5)地形分析:包括数字高程模型的建立、地形分析。

地理信息系统不但可以为用户输出全要素地图,而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图,如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等等。 还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图,如坡度图、坡向图、剖面图等等。

从解决问题的角度来看, 地理信息系统功能遍历数据采集——分析——决策应用全部过程, 并能回答和解决以下五类问题:

(1)位置:即在某个地方有什么的问题。

(2)条件:符合某些条件的实体在哪里。

(3)趋势:某个地方发生某个事件,及其随时间的变化过程。

(4)模式:某个地方存在的空间实体的分布模式。

(5)模拟:某个地方如果具备某种条件会发生什么。

GIS的发展历史

20世纪60年代早期, 在核武器研究的推动下, 计算机硬件的发展推动了计算机图形学的应用。

1950年,麻省理工学院制造出第一台图形显示器,1958年,美国一家公司研发出世界上第一架滚筒式式绘图仪,1963年,罗杰·汤姆林森博士和加拿大国土调查部门工作人员共同开发了 世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。 罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统(CGIS ) , 主要用于存储, 分析和利用加拿大土地统计局 收集的数据, 并增设了等级分类因素来进行分析。由于CGIS设计并实现了现代GIS技术的一些基本功能, 汤姆林森被称为“地理信息系统之父”, 尤其是因为他促进了地理数据的空间分析中对于图层这一概念与技术的应用。

1964年,哈佛大学计算机制图与空间分析实验室成立,并在1966年成功开发了第一个栅格GIS-SYMAP。

1967年,美国人口统计局开发了DIME-GBF,利用这种数据结构建立的街道地址数据库用于1970年进行的人口普查。

1981年,第一个为微型计算机设计的,基于矢量和关系型数据库数据模型的商业GIS软件Arc/Info投入市场。

1985年,全球定位系统逐步建立起来,并成为今天导航、勘测和制图的主要数据源。

1986年,MapInfo公司开发了第一个桌面GIS产品,并定义了一个新的GIS产品标准。

1996年,Autodesk、ESRI、Intergraph和MapInfo几乎同时推出新一代基于网格的GIS产品,网络地图服务MapQuest出现。

可以说,20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了 GIS 的 UNIX 工作站和个人计算机飞速增长。 至20世纪末, 在各种系统中迅速增长使得其在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。 并且用户开始提出了在互联网上查看 GIS 数据的概念, 这要求数据的格式和传输标准化。

GIS的发展趋势

许多学科受益于地理信息系统技术。 地理信息系统的商业发展促进了GIS组件的硬件和软件的低成本应用。 这些发展反过来促进地理信息技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用, 应用范围包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、 景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。

地理信息技术的应用也分化出定位服务(LBS)。 LBS使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置, 移动设备或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。

近两年,行业普遍认为GIS将朝着专业化、普适化、智能化方向发展,普适化的GIS无疑将引领地理信息产业未来的发展。 普适化计算的开发能够通过网络和移动设备等为人们提供更多信息服务,提高计算机感知能力,增强社会关联,具有很强的主动交互和自然交互特点, 给人们的生活带来便捷、简单、快速的信息应用,且具有可控性,是GIS行业重要的发展趋势之一。

随着云计算、物联网、移动终端等新技术的快速发展,未来的GIS将会是普适化的GIS,用户日益多样的需求将能够得以轻松解决。 未来的GIS将会是普适化的GIS,任何人都可以用,在任何的地方,通过任何的终端都可以访问GIS服务,而且不局限在专业的终端上, 让普通用户都可以通过多媒介进行访问。 这也得益于云计算技术、移动终端等方面的快速发展,让用户的更多需求都能够非常轻松的实现。

地理信息系统

地理信息系统可以从两方面定义,一方面,地理信息系统是一门学科,是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科; 另一方面,地理信息系统是一个技术系统,是以地理空间数据库(Geospatial Database)为基础,采用地理模型分析方法,适时提供多种空间的和动态的地理信息,为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

从学术观点来看,人们对GIS有如下三种观点:地图观,数据库观,空间分析观。

  • 地图观:持地图观的人主要来自景观学派和制图学派,他们认为GIS是一个地图处理和显示系统。 在该系统中,每个数据集被看成是一张地图、或一个图层(layer)、或一个专题(theme)、或覆盖(coverage)。 利用GIS的相关功能对数据集进行操作和运算,就可以得到新的地图。

  • 数据库观:持数据库观点的人主要来自于计算机学派,他们强调数据库理论和技术方法对GIS设计、操作的重要性。

  • 空间分析观:持此种观点的人主要来自于地理学派。他们强调空间分析和模拟的重要性。 实际上,GIS的空间分析功能是它与CAD、MIS等系统的主要区别之一,也是GIS理论和技术方法发展的动力。

数据、信息与GIS

GIS数据结构与文件格式

描述地理实体的数据本身的组织方法,称为内部数据结构。 空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构, 是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 它是对数据的一种理解和解释,不说明数据结构的数据是毫无用处的, 不仅用户无法理解,计算机程序也不能正确的处理。 对同样的一组数据,按不同的数据结构去处理,得到的可能是截然不同的内容。 空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁, 只有充分理解地理信息系统所采用的特定数据结构,才能正确地使用系统。

内部数据结构基本上可分为两大类: 矢量结构和栅格结构(也可以称为矢量模型和栅格模型)。 两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。

空间数据编码是空间数据结构的实现,即将根据地理信息系统的目的和任务所搜集的、 经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据结构转换为 适合于计算机存储和处理的数据的过程。 由于地理信息系统数据量极大,一般采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。

矢量数据结构

矢量数据利用了几何图形的点、线(一系列点坐标),或是面(形状决定于线)来表现客观对象。例如,在住房细分中以多边形来代表物产边界,以点来精确表示位置。矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。利用等高线和不规则三角形格网(TIN)来表示海拔或其他连续变化的值。TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。三角形所在的面代表地形表面。矢量数据模型用来描述使用点、线及多边形来表现的实体。

GRASS矢量数据模型包含了对拓扑的描述。 这样,除了坐标以外,还可以使用拓扑来描述点、线、边界及质心的位置。

尽管它们的空间关系已经存储了。一个拓扑的GIS需要使用这样的数据结构, 来使两个相邻接的区域的边界作为一条单独的线存储,简化地图的维护。

GRASS 6.0支持的矢量几何要素包括点、质点、线、边界、区域 (边界+质心), 表面(3D 区域),核心(3D质点),及立体(表面+核心)。 几何要素的存储是真3D:x, y, z,在2D情况下,z = 0。

拓扑学是数学的一个分支,它专门研究关系,这种关系不公因基本空间的弹性形变而发生改变。 比如,假定在一块橡胶垫板上绘制两个矩形,一个矩形包含另一个矩形,或者互相相邻, 当拉伸、扭曲或者挤压橡胶板的时候,这两个矩形之间的原来的关系不会改变。 考查我们说话的语言也可以看出大脑组织空间的方式:对物体描述起决定性的是它的形状。 另一方面,物体之间的空间关系是用介词来描述的,很少涉及关于形状的描述。 所以,我们可以用简单矩形来表示建筑物而不会影响原有的关系。

空间分类学涉及了多种可用来组织空间的描述方法, 其中包括拓扑的、网状的、方位的以及欧氏几何的。

数据模型是一条或一组用于标识和表示空间参照对象的规则。 一个湖泊可以表示成一个二维区域,一条河流可以表示为一条一维的曲线, 一口井可以表示成零维的点。这就是对象模型。 对象模型很适合表示有固定形状的空间实体,如湖泊、道路网和城市。 这种对象模型是概念化的,可以采用矢量数据结构将其映射到计算机中。 矢量数据结构将区域映射成多边形,线条映射为多线,点映射为点。

场模型通常用于表示连结的或无固定形状的概念,例如温度场或云区。 一个场就是一种函数,它将基本参照框架映射到一个属性域上。 在计算机中,场模型是有用栅格数据结构来实现的。 栅格数据结构把基本空间划分成均匀的网格。 由于场值在空间上是自相关的(它们是连续的), 所以每个栅格的值一般采用位于这个梅子内所有场点的平均值表示。 场的其他常用数据结构还有不规则三角网(TIN)、等高线和点网格。栅格(网格)数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。它与栅格(网格)图像是类似的,除了使用合适的颜色之外,各个单元记录的数值也可能是一个分类组(例如土地使用状况)、一个连续的值(例如降雨量)或是当数据不是可用时记录的一个空值。栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。通常存储单元代表地面的方形区域,但也可以用来代表其它形状。栅格数据既可以用来代表一块区域,也可以用来表示一个实物。

栅格数据结构

GIS的栅格文件所代表的栅格图层,实际上是一种概念化的模型。 通常某一栅格图层的地图信息与一特定的主题相关 (如土壤结构、地面覆盖物、公路等)。

GRASS的栅格图表示的也是这种地图信息,它采用栅格矩阵的形式进行存储。 每个栅格大小相同,表示一块矩形(通常为正方形)区域。 每个栅格根据其区域内的主题特征赋予一个整数值,也就是GIS系统中通常所指的属性数据。

栅格的存储方式

栅格图采用栅格矩阵的形式进行存储, 因此对于用户而言可以将栅格文件中的数据理解为一个很大的二维整数矩阵的形式。

每个栅格节点在文件中采用四个字节进行存储。 一个 N*M 的栅格文件包含N 行和 M 列的栅格节点。 实际存储过程中,根据不同的应用背景, 有具体的三种存储方式:普通存储,压缩存储,重命名存储。

普通存储:普通存储的栅格文件,实际上就是一个 N×M的矩阵。 每个字节代表一个栅格图层的栅格信息。文件的实际大小可由下面的公式计算出来:

file_size=row_num×col_num×pixel_size

压缩存储:普通存储的最大便利就是格式简单、理解容易,但是随着地图信息量的增大, 存储速度要求的提高,普通存储很难再满足系统的需求,因而在此之上提出了压缩存储的概念。

压缩存储采用游程编码方式来减少栅格数据文件的存储量。

游程编码方式是指当出现多个连续相同的数字序列时, 采用记录该数据的值和这个连结出现的次数的方法来代替一个一个存储该数据的方式。 如果数据只是一个单个字节的数据,则每个序列需要两个字节进行储存。 如果每个数据是个双字节的数据,则需要三个字节存储每个序列。 而进行采取单独编码,每行的每个栅格数据的存储大小是一个常量, 但每行的栅格数据大小可以不相同。 如果游程编码后产生了一个数据量更大的行, 最终还需建立一个相关索引来指定每行数据在文件中的起始位置。

重命名存储:实际上重命名图层不存在任何GIS数据, 它是在参考其它图层的基础上建立起来的一个参考图层。 它将参考的图层的各个属性值重新进行编码,因此构成了新的图层。 对于GIS数据来说,重命名图层没有任何意义,但在实际工作中可以避免大量的重复劳动。 重命名信息存储于栅格头文件中。

数据存储方式

BSQ

BSQ是最简单的存储格式,提供了最佳的空间处理能力。 它先将影像同一波段的数据逐行存储下来,再以相同的方式存储下一波段的数据。 如果要获取影像单个波谱波段的空间点(X,Y)的信息,那么采用BSQ方式存储是最佳的选择。

BIP

BIP格式提供了最佳的波谱处理能力。 以BIP格式存储的影像,将按顺序存储所有波段的第一个像素, 接着是第二个像素的所有波段,然后是第三个像素的所有波段,等等, 交叉存取直到所有像素都存储完为止。 这种格式为影像数据波谱(Z)的存取提供了最佳的性能。

BIL

以BIL格式存储的影像,先存储第一个波段的第一行, 接着是第二个波段的第一行,然后是第三个波段的第一行, 交叉存取直到所有波段都存储完为止。 每个波段随后的行都将按照类似的方式交叉存储。 BIL是介于空间处理和波谱处理之间的一种折衷的存储格式,也是大多数ENVI处理操作中所推荐使用的文件格式。

利用栅格或矢量数据模型来表达现实,数据既有优点也有缺点。栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值,而矢量格式只在需要的地方存储数据,这就使得前者所需的存储的空间大于后者。对于栅格数据可以很轻易地实现覆盖的操作,而对于矢量数据来说要困难得多。矢量数据可以像在传统地图上的矢量图形一样被显示出来,而栅格数据在以图象显示时显示对象的边界将呈现模糊状。

除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外,另外的非空间数据也可以被存储。在矢量数据中,这些附加数据为客观对象的属性。例如,一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。在栅格数据中单元值可存储属性信息,但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。

地图投影和坐标系统

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。

GIS表达和研究的主体是地球,而地球是一个不规则球体。 如何将地球上各点投影在某一平面上进行连续的记录,是地图制图和GIS数据共享的基础。 而在地图投影和GIS数据处理与可视化过程中,渗透着计算机图形学的基础理论与技术, 其中图形变换已成为GIS基础原理的一个重要组成部分。

关于地图投影和坐标系统的理论问题,几乎每一本GIS的书都是独辟一章来写的。 这样是必要的。 但对于本文而言,太过于花费笔墨在这些问题上, 于本文的宗旨是不符的。 尽管如此,下面仍介绍足够的知识,而不致于使没有地图学背景的读者感到迷惑。

当然,GIS不仅仅是一套电子地图,但它的基础仍然是地图投影和坐标系统。

基本概念

坐标系统

所谓坐标系,包含两方面的内容: 一是在把大地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工作中, 所采用的椭球的大小; 二是椭球体与大地水准面的相关位置不同, 对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。 因此,选定了一个一定大小的椭球体, 并确定了它与大地水准面的相关位置,就确定了一个坐标系。

格网与坐标

在GIS,要解决定位问题。笛卡尔坐标系是最直观的。

经纬度就是这样一种坐标系统。 地面上任意一点的位置,通常用经度和纬度来决定。 经线和纬线是地球表面上两组正交 (相交为 90 度)的曲线, 这两组正交的曲线构成的坐标,称为地理坐标系。

地面上任一点的位置,通常用经度和纬度来决定。经线和纬线是地球表面上两组正交(相交为 90 度)的曲线,这两组正交的曲线构成的坐标,称为地理坐标系。 平面坐标系:平面上任一点的位置可以用极坐标或直角坐标表示:

(1)在平面上选一点O为直角坐标原点,过该点O作相互垂直的两轴和 而建立平面直角坐标系。

(2)设 为极坐标原点, 为极轴,P是坐标系中的一个点,原点与P之间的距离称为极距 。极角 由极轴起算,按逆时针方向为正,顺时针方向为负。

地图投影

地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系。 地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。

地球表面上的点一般是用地理坐标 (φ,λ)(经纬度)来表示的, 而地图则是采用直角坐标 (x,y)来定位空间实体的。 所以,将地球表面的点在地图上表示,这二者之间就存在一个函数关系:x=f1(φ,λ)y=f2(φ,λ)

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。

将地球椭球面上的点投影到平面上的方法称为地图投影。 其实质是建立地球椭球面上的地理坐标(经纬度)和平面上直角坐标之间的函数关系。

地图投影类型

地球上同纬度带经差相同的网格必具有相同的大小和形状。 但是它们在投影中不一定能保持原来的大小和形状, 甚至彼此间有很明显的差异, 可以发现变形表现在长度、面积和角度三个方面。 分别用长度比、面积比的变化显示投影中长度变形和面积变形。 如果长度变形或面积变形为零,则没有长度变形或没有面积变形。

按变形性质地图投影可以分为三类:等角投影、等积投影和任意投影。

(1)等角投影:定义为任何点上二微分线段组成的角度投影前后保持不变, 亦即投影前后对应的微分面积保持图形相似,故可称为正形投影。 等角投影在一点上任意方向的长度比都相等, 但在不同地点长度比是不同的,即不同地点上的变形椭圆大小不同。经纬线投影后正交。

(2)等积投影: 定义为任一微分面积投影前后保持相等,亦即其面积比为1, 即在投影平面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等, 即面积变形等于零。

(3)任意投影: 在任意投影上,长度、面积和角度都有变形,它既不等角又不等积。但是在任意投影中,有种较常见的投影,定义为沿某一特定方向的距离,投影前后保持不变,即为等距投影。 在这种投影图上并不是不存在长度变形,它只是在特定方向上没有长度变形。

按构成方法,可以分为几何投影和非几何投影。

几何投影包括:

  1. 方位投影:以平面作为投影面,使平面与球面相切或相割, 将球面上的经纬线投影到平面上而成。

  2. 圆柱投影:以圆柱面作为投影面,使圆柱面与球面相切或相割, 将球面上的经纬线投影到圆柱面上,然后将圆柱面展为平面而成。

  3. 圆锥投影:以圆锥面作为投影面,使圆锥面与球面相切或相割, 将球面上的经纬线投影到圆锥面上,然后将圆锥面展为平面而成。

根据地球椭球体和投影几何体之间的关系又可分为:正方位切割、横方位切割、斜方位切割。

非几何投影,按经纬线形状细分为:

  1. 伪方位投影:纬线为同心圆,中央经线为直线,其余的经线均为对称于中央经线的曲线,且相交于纬线的共同圆心。

  2. 伪圆柱投影:纬线为平行直线,中央经线为直线,其余的经线均为对称于中央经线的曲线。

  3. 伪圆锥投影:纬线为同心圆弧,中央经线为直线,其余经线均为对称于中央经线的曲线。

  4. 多圆锥投影:纬线为同周圆弧,其圆心均为于中央经线上,中央经线为直线,其余的经线均为对称于中央经线的曲线。

为了使区域的变形最小,不同的区域需要使用不同的投影模型。

  1. 圆柱:这是最简单的一种投影模型。为了形成圆柱, 地图平面在赤道处围绕着地球。 经线和纬线以矩形格网投射到地图平面上。 此种投影非常适于显示近赤道的区域。 横轴方式在其它区域也很常见。

  2. 圆锥:如果将一个圆锥罩在地球上,然后再拆解为平面, 那么就创建了一个圆锥投影。 最简单、最常用的方式是圆锥顶点与两极极点在一条直线上, 并且在极点附近设置光源。 因此,经线以相同的角度向外延伸,纬线形成同心圆与之相交。 圆锥与地球的一条或两条交线被称为标准纬线。 此种投影适用于中维度地区。

  3. 方位: 地图平面与地球相切。 设想有一个光源在另一面的无穷远处照射地球, 将经线和纬线的阴影投射到地图平面上。

这里列出的基本投影也可以通过改变投射的角度而进行变化。有正轴(与地轴夹角为0° ),斜轴(与地轴夹角为45°)或横轴(与地轴夹角为90°)

投影的选择

投影的选择取决于项目的需要。 地图投影通常都会带来一个或几个方面的变形 (面积、形状、距离、比例、方向或相关的方面), 因此在选择投影之前,首先要确定哪个方面在未来的使用中有优先权

  1. 等角投影:从一点出发,到所有方向的比例保持一致。 经线与纬线正交。局部的比例一致,从而区域的形状保持不变。 此外,线间的夹角保持不变。此类地图主要用于导航和测量。

  2. 等积投影:面积不变,同时面积相关的属性也保持不变。 比例、形状和角度发生变形。经线与纬线不以正确的角度相交。 但对小区域这无关紧要。这类投影常用于用地类型图、污染图,以及其它一些与特定区域相关的研究。

  3. 等距投影:地图上两点间的距离保持不变。 这对于交通地图十分重要。

高斯-克吕格投影

投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定, 后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充, 故称为高斯——克吕格投影。

7种国家基本比例尺地形图中 规定:1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、 1:50万比例尺地形图,均采用高斯克吕格投影。

高斯克-吕格投影分带

6度带是从0度子午线起,自西向东每隔经差6为一投影带, 全球分为60带,带号用自然序数1,2,3,…,60表示。 即以东经0-6为第1带,其中央经线为3E,其余类推。

3度带,是从东经1度30分的经线开始,每隔3度为一带, 全球划分为120个投影带。

高斯—克吕格投影坐标

X坐标值在赤道以北为正,以南为负; Y坐标值在中央经线以东为正,以西为负。 我国在北半球,X坐标皆为正值。 Y坐标在中央经线以西为负值,为此将各带的坐标纵轴西移500公里, 即将所有Y值都加500公里。

由于采用了分带方法,各带的投影完全相同, 某一坐标值(x,y),在每一投影带中均有一个, 在全球则有60个同样的坐标值。 因此,在Y值前,需冠以带号,这样的坐标称为通用坐标。

等角横切椭圆柱投影

用一个椭圆往套在地球椭球外面, 并与某一子午线相切(此子午线称中央子午线或中央经线), 椭圆柱的中心铀位于椭球的赤道上(见下图), 再按规定条件,将中央经线东、西各一定的经差范围内的经纬线 交点投影到椭圆柱面上,并将此圆柱面展为平面,即得本投影。

其中央经线和赤道为互相垂直的直线,其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线, 其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线,经纬线成直角相交,角度无变形。

中央经线长度比等于1,没有长度变形,其余经线长度比均大于1,长度变形为正。

同一纬线上距中央经线愈远变形愈大,最大变形在边缘经线与赤道的交点上; 6度带内最大长度变形不超过0.138%;面积变形距中央经线愈远,变形愈大。

同一条经线上,长度变形随纬度降低增大,赤道处变形最大。

高斯-克吕格投影的变种-UTM投影

UTM投影全称为通用横铀墨卡托投影(Universal Transverse Mercator Projection)

UTM投影与高斯—克吕格投影的异同:

二者之间仅存在着很少的差别; 从几何意义看,UTM投影属于等角横轴割圆柱投影, 圆柱割地球于两条等高圈(对球而言)上,投影后两条割线上没有变形。

美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星象片。