测量学 第一章.ppt

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1、测量学测量学交通科学与工程学院夏冬君第第1章章 绪论绪论1.1 测量学概述测量学概述 1.1.1 测量学的定义测量学的定义 测量学测量学是一门研究地球形状和大小以及确定是一门研究地球形状和大小以及确定地面点位的科学。地面点位的科学。其主要内容包括测定测定和测设测设两大部分。测定测定是指运用测量仪器和方法，通过测量和是指运用测量仪器和方法，通过测量和计算，获得地面点的测量数据，或者把地球表面计算，获得地面点的测量数据，或者把地球表面的地形按一定比例缩绘成地形图，供科学研究、的地形按一定比例缩绘成地形图，供科学研究、国民经济建设和规划设计用。国民经济建设和规划设计用。测设（也称施工放样）测设（也称

2、施工放样）是将规划图纸上设计是将规划图纸上设计好的建筑物、构造物的位置（平面位置和高程）好的建筑物、构造物的位置（平面位置和高程）用测量仪器和测量方法在地面上标定出来，作为用测量仪器和测量方法在地面上标定出来，作为施工的依据。施工的依据。第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述大地测量学大地测量学是研是研究和确定整个地球形究和确定整个地球形状和大小，解决大地状和大小，解决大地区控制测量和地球重区控制测量和地球重力场问题的科学。力场问题的科学。大地测量学又分为常大地测量学又分为常规大地测量学、天文规大地测量学、天文大地测量学、重力大大地测量学、重力大地测量学和卫星大地地测量学和卫星大地

3、测量学等。测量学等。测测量量学学的的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述普通测量学是只研究地球表面小区域的测量理论、技术和方法的科学。测测量量学学的的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述摄影测量学摄影测量学是研究利用遥感和摄影像片来测定物体的形状和大小的科学。摄影测量学又分为航空摄影测量学、地面摄影

4、测量学和卫星遥感测量学等。测测量量学学的的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述工程测量学是研究工程建设在勘测、设计、施工和管理各阶段中的各种测量工作。测测量量学学的的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述地图制图学是研究如何利用各种地图投影方法，将测量成果资料编绘和制印成各种地图的科学。测测量量学学的

5、的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论 1.1 测量学概述测量学概述海洋测量学是研究海洋和陆地水域的测量和绘图的科学。测测量量学学的的分分支支学学科科大地测量学大地测量学普通测量学普通测量学工程测量学工程测量学地图制图学地图制图学海洋测量学海洋测量学摄影测量学摄影测量学第第1章章 绪论绪论1.1 测量学概述测量学概述 1.1.2 测量学的任务和作用测量学的任务和作用 测量学的任务测量学的任务就是用各种测量仪器、测量技术和方法来确定地面点的位置，为国民经济各部门服务。测绘信息是

6、国民经济建设中最重要的基础信息之一，测绘科学被广泛应用于国民经济和社会发展规划中。第第1章章 绪论绪论1.1 测量学概述测量学概述 测绘科学在土建类各专业工程建设中有着广泛的应用。在城镇规划、建筑工程、道路与桥梁工程、交通工程和管道工程的勘测设计阶段需要测绘各种比例尺的地形图，供规划设计用。在施工阶段，必须用测量仪器和测量方法将规划图纸上设计好的建筑物、构造物、道路、桥梁及管线的位置（平面位置和高程）在地面上标定出来，以便进行施工。在工程结束后，还要进行竣工测量，供日后维修和扩建用，对于一些大型或重要建筑物和构造物还需要定期进行变形观测，确保其安全。第第1章章 绪论绪论1.1 测量学概述测量学

7、概述 通过学习本课程，要求学生掌握以下内容：1.掌握普通测量学的基本知识和基础理论，以及工程测量学中的相关理论和方法；2.学会经纬仪、水准仪等常规测量仪器的使用方法；3.掌握大比例尺地形图测绘的原理和方法；4.具备地形图应用的能力；5.掌握工程测量中各种测设数据计算和测设的方法；6.掌握全站仪数字化测图的原理和成图方法。1.2 测量学的发展概况测量学的发展概况 测量学是一门古老的科学。与人类赖以生存的地球密切相关。人类通过对天体运行规律的观测和对地球的实地测量，逐渐认识到地球是一个圆球体。1687 年牛顿牛顿根据自己发现的万有引力定律，提出了地球为椭球的理论。指出，地球在万有引力和自转离心力的

8、作用下，应该是一个两极处略扁的扁球，其形状与一个椭圆绕其短轴旋转而成的旋转椭球体极为接近。我国从1703 年开始进行的大规模天文大地测量，结果发现纬度越高，每度子午线弧长越长。法国科学院1735 1741 年测量子午线弧长，其结果是高纬度处的曲率半径较低纬度处的大。这些事实都证明了牛顿学说的正确性。牛顿旋转椭球体的学说，为地球形状和大小的研究奠定了基础。大地测量领域在大地测量领域，其发展史是从十七世纪开始逐渐形成的。1615年荷兰的斯奈洛用三角测量网做弧度测量。1806年法国数学家勒让德提出最小二乘法理论，1810-1826年德国的数学家、大地测量学家高斯陆续发表了5种著作，将最小二乘法理论用

9、于测量平差。使得测量平差中的许多问题得到解决。1948年和1957年先后发明了光电测距仪和微波测距仪，大大提高了距离测量的精度。全球定位系统（GPS）以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，在大地测量、工程测量等许多领域中得到广泛应用。成为大地测量中的一个突破性进展。为大地测量提供了广泛的发展空间。测测绘绘科科学学主主要要分分支支摄影测量摄影测量大地测量大地测量地图制图地图制图摄影测量领域在摄影测量领域，其发展史开始在1873年摄影技术发明以来，总共也有100多年了。随着航空技术的发展，摄影测量发展为航空摄影测量阶段，将测量的部分工作由地面发展到空中，极大地减轻了测量外业的工作量。提高了测

10、量制图的工作效率。在20世纪90年代，摄影测量进入数字摄影测量时代，摄影测量实现了自动化。空间技术的发展带来了摄影测量技术的飞跃，发展成为卫星遥感（RS）技术。测测绘绘科科学学主主要要分分支支摄影测量摄影测量大地测量大地测量地图制图地图制图地图制图领域在地图制图领域，我国古代的地图早在二三千年以前就出现了。现在能见到的古地图是长沙马王堆汉墓出土的古长沙地图。西晋时裴秀创立了地图编制理论制图六体。在制图领域有重大影响的是，高斯横椭圆柱体分带投影理论，解决了大范围制图时的投影方法和投影变形控制问题。在最近二三十年中，由于计算机技术和信息技术的发展，已经将纸上的地图纳入到计算机中，成为数字地图。发展

11、为电子地图等产品，并最终发展为地理信息系统（GIS）技术。测测绘绘科科学学主主要要分分支支摄影测量摄影测量大地测量大地测量地图制图地图制图1.3 地面点位的确定地面点位的确定 测量工作是在地球的自然表面上进行的，而地球的自然表面是非常不规则的，有陆地和海洋，其中陆地约占 29%，海洋约占 71%。我国的珠穆朗玛峰，高出海水面 8 844.43 m。马里亚纳海沟，低于海水面 11 022 m。两者高低之差约为 20 km，与地球的平均半径 6 371 km 相比是很小的。1.3 地面点位的确定地面点位的确定 珠穆朗玛峰位于喜马拉雅山脉中段。2005年，峰顶岩石面海拔高程：8844.43米，用冰雪

12、深雷达探测仪测量冰雪深度。1975年，珠峰高程：8 848.13米，由登山队员靠人力向积雪中插杆量取冰雪深度。马里亚纳海沟马里亚纳海沟-11022 m珠穆朗玛峰珠穆朗玛峰8844.43 m 海洋中海底的最低处位于马里亚纳海沟，海拔高程：-11 022 m。2005年5月22日珠穆朗玛峰高度测量 测量队员进行精密水准测量在昆仑山五道梁，测量队员宁伟（右）、张建华正进行GPS卫星观测测量队员进行GPS测量测量队员进行交会测量1.3 地面点位的确定地面点位的确定 德国的数学家、大德国的数学家、大地测量学家高斯和物理地测量学家高斯和物理学家李斯丁学家李斯丁先后提出用大地水准面大地水准面来表示地球的形状

13、。把地球的形状看作为静止的海水面并向陆地内部延伸形成的闭合曲面所包围的形体。将由静止的海水面将由静止的海水面并向陆地内部延伸形成并向陆地内部延伸形成的闭合曲面，称为的闭合曲面，称为水准水准面面。地球1.3 地面点位的确定地面点位的确定 由于地球的自转运动，地球表面上任意一点都同时受到地球引力和离心力的作用，这两个力的合力称为重力重力。通常将重力作用的方向线称为铅垂线铅垂线。铅垂线是测量工作的基准线基准线。地球表面上各点处水准面的切线方向与铅垂线垂直。将平均海水面并向陆地内部延伸形成的闭合曲面，称将平均海水面并向陆地内部延伸形成的闭合曲面，称为为大地水准面大地水准面。大地水准面在地球上实际存在，

14、在很大程度上能反映地球的真实情况。大地水准面是测量工作的基准面。将大地水准面所包围的地球形体，称为将大地水准面所包围的地球形体，称为大地体大地体。1.3 地面点位的确定地面点位的确定 为了测量和制图方便，根据牛顿地球为椭球的理论，测量学中通常选择一个和大地水准面非常接近椭球体来代替大地体。这个椭球体称为地球椭球体，简称地球椭球地球椭球。地球椭球是一个由旋转轴与地球自转轴重合的椭圆绕其短轴旋转而形成的几何形体，因此又称为旋转椭球或参考椭球旋转椭球或参考椭球。地球椭球的大小由其长半轴 a 和扁率确定。长半轴 a、短半轴 b 和扁率之间的关系为ab图1.1 地球形状示意图(a)大地水准面与地球自然表

15、面 (b)大地水准面与地球椭球面大地水准面地球自然表面地球椭球面图1.2地球 与 参考椭球abo1.3 地面点位的确定地面点位的确定1980年国家大地坐标系椭球元素为：长半轴扁率 我国在陕西省泾阳县永乐镇，确定了大地原点，建立了全国统一的坐标系，称为“1980年国家大地坐标系”。由于地球椭球的扁率很小，当测区范围不大时，可将地球椭球近似为圆球，其平均半径为R=6 371 km。1.3 地面点位的确定地面点位的确定1980年国家大地坐标系坐标为:东经10855北纬3432海拔高度417.20米。1.3 地面点位的确定地面点位的确定1954北京坐标系北京坐标系：建国初期一直到1980年，我国使用的

16、大地测量坐标系是1954年北京坐标系，该系统是从我国新疆和黑龙江分别与前苏联测量控制网联测过来的，统其坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台。1954年北京坐标系椭球参数1980年国家坐标系椭球参数1.3 地面点位的确定地面点位的确定B a b c d AC DHA HB HC HD 1.3.2 确定地面点位的方法确定地面点位的方法 测量工作的基本任务是确定地面点的位置。在测量工作中，地面点的位置通常需要用三个量来表示，即地面点沿铅垂线方向投影到基准面上的坐标，以及地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离来表示。图1.3 地面点的位置大地水准面1.3 地面点位的确定地面点位的确定HA HB A BhAB

17、大地水准面假定水准面大地水准面平行面图1.4 高程与高差 1地面点的高程地面点的高程 地面点沿铅垂线方向到大地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，称为该点的地水准面的距离，称为该点的绝绝对高程对高程，或称为，或称为海拔海拔。地面点沿铅垂线方向到假定地面点沿铅垂线方向到假定水准面的距离，称为该点的水准面的距离，称为该点的相对相对高程高程，也称为假定高程。，也称为假定高程。地面上两点之间的高程之差，地面上两点之间的高程之差，称为称为高差高差。我国在青岛设立验潮站，并设立了水准原点，测得其绝对高程为72.260 m。即“1985年高程基准”。1.3 地面点位的确定地面点位的确定 水准原点水准原点位于

18、青岛观象山上，在石屋内，2米深的竖井中安置了水准标石，标石面中央镶嵌着一个直径不到5厘米的黄玛瑙球，露出的半球顶上有一个红色标志点，这就是我国广阔大地海拔高度的起算点-水准原点。1956黄海高程系：黄海高程系：水准原点高程为72.289米。1985国家高程基准：国家高程基准：水准原点的高程为72.260米。1.3 地面点位的确定地面点位的确定2地面点在投影面上的坐标地面点在投影面上的坐标（1）地理坐标地理坐标用经度和纬度表示，分大地经纬度大地经纬度（L，B）和天天文经纬度文经纬度（）。过地球表面上一点与地球南北极的平面，称为子午面。子午面与地球表面的交线，称为子午线子午线。过英国格林尼治天文台

19、的子午面，称为首子午面。首子午面与地球表面的交线，称为首子午线。过地球表面上一点的子午面与首子午面之间的夹角，称为经度。自首子午面起，向东0180 为东经，向西0180 为西经。过地球表面上一点的铅垂线或法线与地球赤道面之间的夹角，称为纬度。自赤道面起，向北090 为北纬，向南090 为南纬。BLHOPZXYab首子午线大地坐标1.3 地面点位的确定地面点位的确定2地面点在投影面上地面点在投影面上的坐标的坐标（2）独立）独立平面直角坐标系平面直角坐标系当测量区域较小（半径小于10 km）时，过测区中心点 A 在大地水准面上的投影点 a 作一个切平面，如图1.5 所示，用切平面作为测量区域的投影

20、面。在平面上建立一个平面直角坐标系，地面点在投影面上的位置可以用平面直角坐标（x，y）表示，如图1.6所示。A a 图1.5 小区域测量x y o 图1.6 平面直角坐标系1.3 地面点位的确定地面点位的确定2地面点在投影面上的坐标地面点在投影面上的坐标（3）高斯平面直角坐标系当测区范围较大时，就不能把地面点直接投影到水平面。必须将地面点先投影到椭球面上，然后在按照地图投影的方法，将椭球面上的点投影的平面上。测量工作中通常采用的地图投影方法是高斯投影方法。为了控制投影变形，高斯投影高斯投影方法采用分带投影的方法。如图1.7所示，即从首子午线起，按经度差每6为一带，将整个地球椭球自西向东划分成

21、60 个带，称为6 带。6 带的带号用阿拉伯数字1、2、3、60表示。位于每个投影带中央的子午线，称为该带的中央子午线。我国位于东经73 135，在1323 的11个投影带之间，我国各带的中央子午线经度为图1.7 6带投影(东半球）117 15 1212 13 14 16 17 18 19 20 69 75 81 87 93 99 105 111 3 9 21 22 23 123 129 135 中国（73 135）1323 带图1.8 横椭圆柱体投影图1.9 高斯平面直角坐标系中央子午线N Sxyo图1.10 平移前、后高斯平面直角坐标系(a)平移前坐标系(b)平移后坐标系xyoX YOA

22、ByAxAyBxBA BYAXAYBXB500km3 带的投影带的投影3 带的投影带的投影当大比例尺测图或工程测量时，要求投影变形较小，可采用3 带投影。即从东经130起，按经度差每3 为一带，将整个地球椭球自西向东划分成120个带，称为3 带，如图1.11所示。3 带的投影带号用阿拉伯数字1、2、3、120表示。我国位于2445 带之间，各带的中央子午线经度为 图1.11 3带投影(东半球）2325272931333537391233969 75 81 87 9399105 111 117414345123 129 135中国（73 135）2445 带1.4 用水平面代替水准面的限度用水平

23、面代替水准面的限度 1.4.1 对水平距离的影响对水平距离的影响 OABDDbbhRaR图1.12 水平面代替水准面的差异1.4 用水平面代替水准面的限度用水平面代替水准面的限度 1.4.1 对水平距离的影响对水平距离的影响 OABDDbbhRaR图1.12 水平面代替水准面的差异D/km102050100D/mm8661 0268 212D/D1/1 217 0001/304 0001/49 0001/12 000表1.1 D、D 和D/D 之间的关系 1.4 用水平面代替水准面的限度用水平面代替水准面的限度 1.4.2 对高程的影响对高程的影响 OABDDbbhRaR图1.12 水平面代替

24、水准面的差异D/m2005001 0002 000h/mm32078314表1.2 D 和 h 之间的数值关系 1.5 测量工作概述测量工作概述1.5.1 测量的三项基本工作测量的三项基本工作 测量工作的基本任务是确定地面点的位置，即地面点的坐标和高程。通过测量待测边与已知边之间的水平角、待定点与已知点之间的水平距离 D 和高差 h，然后经过计算得出地面点的坐标和高程。水平角水平角、水平距离、水平距离 D 和高差和高差 h 是确定地面是确定地面点位置的三个基本要素。点位置的三个基本要素。水平角测量、水平距离测量和高差测量（或水平角测量、水平距离测量和高差测量（或高程测量）是测量的三项基本工作。

25、高程测量）是测量的三项基本工作。1.5 测量工作概述测量工作概述1.5.2 测量工作的原则和程序测量工作的原则和程序地球表面的复杂形态，总的来说可分为地物和地貌两大类。地球表面上人工或天然的具有一定几何形状的物地球表面上人工或天然的具有一定几何形状的物体，称为体，称为地物地物。地球表面上高低起伏的变化形态，称为地球表面上高低起伏的变化形态，称为地貌地貌。地物和地貌的总称为地物和地貌的总称为地形地形。测量的主要工作之一，就是要将地物的平面位置和高程以及地貌的高低起伏变化形态测绘到图纸上，并按一定的比例缩小，绘成地形图。1.5 测量工作概述测量工作概述地物轮廓是由一些具有特征性的点所决定的。如建筑

26、物的拐角点、河流的明显转折点等。测量时只要测出地物轮廓线上的转折点，即可按照规定的图示符号绘出实地地物在地形图上的图形。将能够表示地物轮廓的具有特征性的点，称为地物的特征地物的特征点点。地貌可以分为山、山脊、山谷、鞍部和盆地等几种基本形态。每种基本地貌形态都可以近似看成由不同方向和不同的倾斜面所组成的曲面。相邻曲面的交线，称为地貌的特征线或地形线地貌的特征线或地形线。地形线的端点或其坡度变化点，称为地貌的特征点地貌的特征点。测量地貌的高低起伏变化，只要确定出这些地貌的特征点的平面位置和高程，就可以确定出地貌的形状和大小。1.5 测量工作概述测量工作概述地物还是地貌，他们的形状和大小都是由一些特

27、征点的平面位置和高程所决定。这些特征点也称为碎部点碎部点。测图时，主要是测定这些碎部点的平面位置和高程，用规定的图示符号，并按一定的比例缩小，绘成地形图地形图。1.5 测量工作概述测量工作概述测量工作中必须遵循的原则是:在测量布局方面要在测量布局方面要“由整体到局部由整体到局部”；在测量工作程序上要在测量工作程序上要“先控制后碎部先控制后碎部”；在测量精度控制方面要在测量精度控制方面要“由高级到低级由高级到低级”。测量工作中，将测定控制点的平面位置和高测量工作中，将测定控制点的平面位置和高程的工作，称为程的工作，称为控制测量控制测量。将测定碎部点的平面位置和高程的工作，称将测定碎部点的平面位置和高程的工作，称为为碎部测量碎部测量。1.5 测量工作概述测量工作概述测设测设将图纸上设计好的建筑物、构造将图纸上设计好的建筑物、构造物的平面位置和高程在实际地面上标定出物的平面位置和高程在实际地面上标定出来，作为施工的依据。来，作为施工的依据。测设碎部点的平面位置和高程的工作，称为施工放样（或放线）施工放样（或放线）。在测设（施工放样）工作中，也必须遵循的原则:1.由整体到局部；由整体到局部；2.先控制后碎部；先控制后碎部；3.由由高级到低级高级到低级。