2第二章测量学的基本知识.ppt
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1、第第2章章 测量学基本知识测量学基本知识 2.1 地球形状与地球椭球体地球形状与地球椭球体认识地球是人类探索自然的目标之一,也是测认识地球是人类探索自然的目标之一,也是测量学的任务之一。量学的任务之一。绝大多数测量工作是在地球面上进行,以地球绝大多数测量工作是在地球面上进行,以地球作为参考系。作为参考系。因此,有必要首先讨论地球的形状和大小。因此,有必要首先讨论地球的形状和大小。地球的制高点地球的制高点 珠穆朗玛峰珠穆朗玛峰海拔高程海拔高程 8844.43m8844.43m1101103 3 马里亚纳海沟 斐查兹海渊剖面图1101104 4地球海面下最深处地球海面下最深处高程为高程为 1100
2、0 m11000 m地球形状与地球椭球体地球形状与地球椭球体 将地球表面的地物和地貌测绘成地形图,必将地球表面的地物和地貌测绘成地形图,必须确定地面点的位置,因此要建立一个基准框须确定地面点的位置,因此要建立一个基准框架。架。一、地球的形状及大小一、地球的形状及大小地球自然表面地球自然表面:形状非常复杂,有高山、丘陵、:形状非常复杂,有高山、丘陵、平原、河谷、湖泊及海洋。地球表面海洋面积平原、河谷、湖泊及海洋。地球表面海洋面积约约7171,陆地面积约,陆地面积约2929。地球可看作是被海。地球可看作是被海水包围的球体。水包围的球体。水准面水准面:静止的海水面向大陆延伸所形成的一个:静止的海水面
3、向大陆延伸所形成的一个封闭的曲面。水准面有无穷多个。封闭的曲面。水准面有无穷多个。大地水准面大地水准面:与平均海水面重合的一个水准面。:与平均海水面重合的一个水准面。大地体大地体:由大地水准面所包围的形体。:由大地水准面所包围的形体。WENS椭球面椭球面大地水大地水准面准面水准面大地水准面的特点水准面大地水准面的特点 水准面:水准面:是静止的水面,是受地球重力影是静止的水面,是受地球重力影响而形成的,处处与重力方向垂直的连续曲面响而形成的,处处与重力方向垂直的连续曲面.其特点是其特点是水准面上任意一点的铅垂线水准面上任意一点的铅垂线(重力作重力作用线用线)都垂直于该点的曲面都垂直于该点的曲面。
4、大地水准面:大地水准面:由于地球内部质量分布不均由于地球内部质量分布不均匀,重力也受其影响,故引起了铅垂线方向的匀,重力也受其影响,故引起了铅垂线方向的改变,致使改变,致使大地水准面成为一个有微小起伏的大地水准面成为一个有微小起伏的复杂曲面复杂曲面。水准面有无穷个,而大地水准面是唯一的。水准面有无穷个,而大地水准面是唯一的。二、地球椭球体二、地球椭球体地球椭球体地球椭球体:以接近大地体的旋转椭球体来代替以接近大地体的旋转椭球体来代替大地体的旋转椭球。大地体的旋转椭球。a a表示椭球体的长半轴,表示椭球体的长半轴,b b表示短半轴,表示短半轴,f f表示地球椭球的扁率。表示地球椭球的扁率。总地球
5、椭球体总地球椭球体:与大地体最接近的地球椭球。与大地体最接近的地球椭球。参考椭球体参考椭球体:局部与大地体密合最好的地球椭球。局部与大地体密合最好的地球椭球。WENSabo表表 几个著名的椭球体几个著名的椭球体椭球名称年代长半轴a/m扁率f附注德兰布尔18006 375 6531:334.0法国白塞尔18416 377 397.1551:299.152 812 8德国克拉克18806 378 249 1:293.459英国海福特19096 378 3881:297.0美国克拉索夫斯基19406 378 2451:298.3前苏联1980年大地测量参考系统19796 378 1401:298.2
6、57IUGG第17届大会推荐值WGS-84系统19846 378 1371:298.257 223 563美国国防部制图局(DMA)我国采用的参考椭球体我国采用的参考椭球体 19781978年我国根据自己实年我国根据自己实测的天文大地资料推算出测的天文大地资料推算出适合本地区的地球椭球体适合本地区的地球椭球体参数,建立了参数,建立了“19801980年西年西安大地坐标系安大地坐标系”。该坐标。该坐标系以系以陕西省泾阳县永乐镇陕西省泾阳县永乐镇某点为大地原点进行定位,某点为大地原点进行定位,建立了全国统一坐标系。建立了全国统一坐标系。2.2 2.2 地面点位的确定地面点位的确定 测量工作的实质是
7、确定地面点的空间位测量工作的实质是确定地面点的空间位置。通常采用地面点在基准面(如椭球体、置。通常采用地面点在基准面(如椭球体、水准面)上的投影位置及投影距离来表示。水准面)上的投影位置及投影距离来表示。坐标系统:坐标系统:用于表示地面点在基准面上用于表示地面点在基准面上的位置。的位置。2.2.1 地理坐标系地理坐标系:地理坐标系:以经纬度表示地面点位置的以经纬度表示地面点位置的球面坐标系球面坐标系地理坐标系地理坐标系分为分为大地坐标系大地坐标系和和天文坐标系天文坐标系大地坐标系:大地坐标系:以以大地水准面大地水准面和和铅垂线铅垂线为基为基准建立起来的坐标系准建立起来的坐标系天文坐标系:天文坐
8、标系:以以参考椭球体面及其法线参考椭球体面及其法线为为基准建立起来的坐标系基准建立起来的坐标系子午面子午面 地球上任一点地球上任一点与与 地球旋转轴所地球旋转轴所组组 成的平面。成的平面。首子午面首子午面 通过英国格林通过英国格林尼尼 治治(Greenwich)(Greenwich)天文台的子午面。天文台的子午面。1414G几个概念几个概念A首子午面首子午面地球旋转轴地球旋转轴赤道平面赤道平面赤道平面赤道平面 格林尼治格林尼治A点子午点子午面面英国格林尼治英国格林尼治(Greenwich)(Greenwich)天天文台文台11011016161101101717英英 国国格林尼治格林尼治皇家天
9、文台皇家天文台世界时世界时授时钟授时钟宜春鼓楼宜春鼓楼-公元公元1219年建造年建造山西省陶寺遗址山西省陶寺遗址-距今距今4100年年 河南告成观星台河南告成观星台-1276年,元郭守敬年,元郭守敬 一、大地坐标系一、大地坐标系1 1、定义:以参考椭球面及其法线为基准建立、定义:以参考椭球面及其法线为基准建立起来的坐标系统。起来的坐标系统。2 2、基准面基准面:参考椭球面;:参考椭球面;基准线:基准线:法线法线 参考面参考面:起始子午面、:起始子午面、赤道面赤道面3 3、表示:大地经度、表示:大地经度L L,大地纬度大地纬度B B、大地高、大地高H HPNSLBO 赤赤 道道地地轴轴H大地经度
10、大地经度(L)(L)通过通过A A点的子午面与首子午面之间的夹角点的子午面与首子午面之间的夹角(L)(L)大地纬度大地纬度(B)(B)通过通过A A点的椭球面法线与赤道平面的交角点的椭球面法线与赤道平面的交角(B)(B)大地高大地高(H(H)-沿沿P P点的椭球体面法线到椭球体面的距离点的椭球体面法线到椭球体面的距离二、天文坐标系二、天文坐标系1 1、定义:以大地水准面和铅垂线为基准建、定义:以大地水准面和铅垂线为基准建立起来的坐标系。立起来的坐标系。2 2、基准面基准面:大地水准面;:大地水准面;基准线:基准线:铅垂线铅垂线 参考面参考面:起始子午面、:起始子午面、赤道面赤道面3 3、表示:
11、表示:天文经度天文经度,天文纬度天文纬度、正高、正高H H正。正。PNSO 赤赤 道道地地轴轴H天文经度天文经度(L)(L)通过通过A A点的子午面与首子午面之间的夹角点的子午面与首子午面之间的夹角(L)(L)天文纬度天文纬度(B)(B)通过通过A A点的铅垂线与赤道平面的交角点的铅垂线与赤道平面的交角(B)(B)正高正高(H(H)-沿沿P P点的铅垂线到椭球体面的距离点的铅垂线到椭球体面的距离三、空间直角坐标系三、空间直角坐标系1 1、定义:原点、定义:原点O O位于椭球中心,位于椭球中心,Z Z轴与椭球体轴与椭球体的旋转轴重合并指向地球北极,的旋转轴重合并指向地球北极,X X轴指向起始轴指
12、向起始子午面与赤道面交点子午面与赤道面交点E E,Y Y轴垂直于轴垂直于XOZXOZ平面构平面构成右手坐标系。成右手坐标系。2 2、表示:、表示:x,y,zx,y,z。ZXYxOLBHPz yZXY四、平面直角坐标系四、平面直角坐标系1 1、定义:由平面内两条相互垂直的直线构成,、定义:由平面内两条相互垂直的直线构成,南北方向的直线为平面坐标系的纵轴,即南北方向的直线为平面坐标系的纵轴,即X X轴,轴,向北为正;东西方向的直线为坐标系的横轴,向北为正;东西方向的直线为坐标系的横轴,即即Y Y轴,向东为正;纵、横坐标轴的交点轴,向东为正;纵、横坐标轴的交点O O为坐为坐标原点。标原点。2 2、表
13、示:、表示:x x,y y。3 3、平面直角坐标系与笛卡儿坐标系的异同、平面直角坐标系与笛卡儿坐标系的异同1)1)坐标轴方向不同;坐标轴方向不同;2)2)方位角不同;方位角不同;3)3)象限不同。象限不同。xxyyIIIIIIIIIIIIIVIV五、高斯投影及高斯平面直角坐标系五、高斯投影及高斯平面直角坐标系1、地图投影地图投影1)、定义:将椭球面上的图形、数据按一定的数学法、定义:将椭球面上的图形、数据按一定的数学法则转换到平面上的方法。则转换到平面上的方法。2)、分、分类类:等角投影(正形投影)、等面积投影和任等角投影(正形投影)、等面积投影和任意投影意投影投影类型投影类型投影性质投影性质
14、等角投影等角投影等角、伸长固定性等角、伸长固定性(ds/dS=k)等面积投影等面积投影等面积等面积任意投影任意投影某方向长度变形为零某方向长度变形为零2 2)高斯投影)高斯投影 设想将一个横切圆柱体套在椭球外面,使横圆设想将一个横切圆柱体套在椭球外面,使横圆柱的轴心通过椭球的中心,并与椭球面上某投影带柱的轴心通过椭球的中心,并与椭球面上某投影带的中央子午线相切,然后将这个投影带上的点线投的中央子午线相切,然后将这个投影带上的点线投影到横圆柱面上。再顺着过南北极的母线将圆柱面影到横圆柱面上。再顺着过南北极的母线将圆柱面剪开,并展开为平面,这个平面称为剪开,并展开为平面,这个平面称为高斯投影平面高
15、斯投影平面。特点:特点:等角投影性等角投影性质质;中央子午线投影后为一条直线,且其长度保持不变;中央子午线投影后为一条直线,且其长度保持不变;在椭球上除中央子午线外,其余子午线投影后均向中在椭球上除中央子午线外,其余子午线投影后均向中央子午线弯曲,并且对称于中央子午线和赤道,而收敛央子午线弯曲,并且对称于中央子午线和赤道,而收敛于两极;于两极;赤道投影后为一条直线;赤道投影后为一条直线;在椭球面上凡对称于赤道的纬圈,其投影后仍为对称在椭球面上凡对称于赤道的纬圈,其投影后仍为对称的曲线,且垂直于子午线的投影曲线,并凹向两极的曲线,且垂直于子午线的投影曲线,并凹向两极 3)、高斯平面直角坐标系、高
16、斯平面直角坐标系 在高斯投影面上,中央子午线和赤道的投影都是在高斯投影面上,中央子午线和赤道的投影都是直线,并将中央子午线与赤道的交点直线,并将中央子午线与赤道的交点O作为坐标原点,作为坐标原点,以中央子午线的投影为纵坐标轴以中央子午线的投影为纵坐标轴X,并规定其北向为,并规定其北向为正;以赤道的投影作为横坐标轴正;以赤道的投影作为横坐标轴Y,并规定其东向为,并规定其东向为正的正的平面直角坐标系统平面直角坐标系统。XYSNO4)、分带投影分带投影 为了控制长度变形,将地球椭球面按一定的经度差为了控制长度变形,将地球椭球面按一定的经度差分成若干投影带。带宽一般为经差分成若干投影带。带宽一般为经差
17、6或或3,分别称,分别称为为6带或带或3带。带。位于各投影带中央的子午线称位于各投影带中央的子午线称位于各投影带中央的子午线称位于各投影带中央的子午线称中央中央中央中央子午线子午线子午线子午线(0 0 0 0)。66带带中央子午线经度中央子午线经度 =6=6-3-333带带中央子午线经度中央子午线经度 =3=3n n33带的带的中央子午线经度在奇数时与中央子午线经度在奇数时与66带带中央子午线中央子午线重合。重合。我国国土所属范围即带号:我国国土所属范围即带号:=13=1323(n=2423(n=2446)46)。例如,南京市处于东经例如,南京市处于东经1184711847,即,即 =(118
18、47+3)/6=20=(11847+3)/6=20 =620-3=117=620-3=117 即即 n=11847/3=39.54n=11847/3=39.54 =3n=340=120=3n=340=120 5)、高斯坐标通用值、高斯坐标通用值 我国领土南起北纬我国领土南起北纬4,北至北纬,北至北纬54,西由东经,西由东经74起,东至东经起,东至东经135,东西横跨,东西横跨11(13-23)个)个6带,带,21(25-45)个)个3带。由于我国领土全部位于赤带。由于我国领土全部位于赤道以北,因此道以北,因此X值永为正值,而值永为正值,而Y值则有正有负,为值则有正有负,为了计算方便,使了计算方
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