测量学课件(第一章,绪论).ppt [修复的]分解

海洋大地测量——为确定海面地形、海底地形以及海洋 重力及其变化所进行的大地测量工作
海底地形测量——测定海底起伏、沉积物结构和地物的 测量工作
海洋专题测量——以海洋区域的地理专题要素为对象的 测量工作
海图编制——设计、编绘、整饰和印刷海图的工作
三、测绘学的现代发展
测绘学中的3S技术
◆ 全球定位系统（Global Positioning System, GPS）
在计算机软件和硬件支持下，把各种地理信息按照空间 分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、显示和综 合分析应用的技术系统
我国地心坐标系参考框架
2008年7月1日起启用“2000国家大地坐标系”
➢ 国家高程基准
我国采用 1985 黄 海 高 程系统，基准 是青岛水准原 点及其高程值。 国家一、二等 水准网则为此 高程系统的参 考框架。
任务：
• 测绘科学是一门研究如何确定地球形状和大小 及地面、地下和空间中各物体的几何形态及其空
间位置的科学，为人类了解自然、认识自然和能 动的改造自然服务。
研究三维空间中各种物体的形状、大小、 位置、方向和其分布的学科。
• ⑴ 测量（精确测定点的位置，物的形状、大小） • ⑵ 标定（将图纸上设计好的位置标定在实地） • ⑶ 绘图（将所测数据根据需要展绘到图上）
运营管理阶段的测量——工程竣工后为监视工程状 况，保证安全，进行周期 性的重复测量，观测其变 形情况
高精度工程测量——采用非常规的测量仪器和方法， 使其测量的绝对精度达到毫米 以上要求的测量工作
4 地图制图学（地图学）
研究模拟和数字地图的基础理论、设计、 编绘、复制的技术方法及应用的学科 。
地图投影——依据数学原理将地球椭球面上的 经纬度线网描绘在平面上相应的 经纬线网

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§1.1 测量的概念
在现代信息技术中，测量的地位尤其显得重要。对此，钱学森 曾指出:“信息技术包括测量技术、计算机技术和通讯技术。测量技 术是关键和基础。”
测量是一种基于人类感知能力的行为，随着人类的认知水平和辅 助工具的发展而系统化成一门技术，最终上升为一门科学。 测量活动中的辅助工具或设施称为测量仪器(或科学仪器)。
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1.2.4 测量过程与方法
依据测量过程，对测量有如下分类： 1、直接测量和间接测量方法
直接测量方法：无需进行函数关系的再运算，从实测数据中直接得到被 测量值的测量方法。如：直尺测量长度、温度计测温、电压表测电压等。
间接测量方法：直接测量与被测量存在某种关系的各个物理量，通过 一定的数学关系获得被测量。如：流量可通过流速和管道直径测定值而求 得。 2、接触测量和非接触测量方法
第一章 绪论
§1.1 测量的概念 §1.2 测量是人类探知自然界的必要手段
1.2.1 测量与测量技术 1.2.2 测量技术的应用 1.2.3 测量与科学技术相伴相生 1.2.4 测量过程与方法 1.2.5 测量技术新发展的影响 §1.3 测量模型是客观的存在 §1.4 测量模型处于不断完善的过程 §1.5 许多发现和发明始于仪器和测量模型的突破
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§1.4 测量模型处于不断完善的过程
测量模型的建立和完善除了数学之外，还需要专业知识、需要仪器甚至是 自创先进的仪器、和创新的思维。是一个大胆假设，小心求证的过程。
1882年，英国卡文迪什实验室的瑞利为验证各种气体所含元素的原子量是 否为氢原子量的整数倍，认真地做着各种有关的实验。瑞利发现用两种不同 方法制得的氮气，其密度不相等。

=
int((L-1.5)/3)
+
1
② 高斯投影：
高斯投影的规律是： ➢中央子午线的投影为一条直线，且投影之后的长度无变形；其余子午线的投影 均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度 变形也就越大； ➢赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴； ➢经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形； 中央子午线和赤 道的投影相互垂直。
Y=21254322m
3 距离改化
根据球面上的长度，将其拉长改化为投影面上的距离。 设球面上两点间的长度为S，其在高斯投影面上的长度为 σ，地球半径为R，则
S ym2 S
2R2
其改化值为：
S
SLeabharlann ym2 2R2S离开轴子午线的距离愈远，长度变形愈大
上式也可以写成：
S S
ym 2 2R2
4 方向改化
二、高斯平面直角坐标系 1、高斯-克吕格投影
高斯于1825~1830年提出，1912年克吕格推导出其实用公式。
2 高斯平面直角坐标系的建立
①划分投影带：划分投影区域，控制长度、面积变形。 投影带以子午线为边界。
6分
带
法：
L
6n
3
已知经度L求带号n：n = int(L/6) + 1
3分带
法
：L
3n
已知经度L求带号n：n
3、地球椭球体
➢描述地球形状和大小的旋转椭球，称为“地球椭球”。它也是测量内 业计算的基准面。
➢在几何大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴a 、短半轴b和扁 率 f 来表示。
N
b
扁率
f ab

L o= 6 °n - 3 °
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第一章 绪论
中央子午线
二、地面点位的确定
“保角”横圆柱体投影
x
N
o
y
S
赤道
图1.8 横圆柱体投影
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图1.9高斯平面直角坐标系
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第一章 绪论
二、地面点位的确定
3° 9°
87°93°99° 111° 105° 69°75°81° 117° 123° 129° 135°
例如：珠穆朗玛峰的绝对高程为
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8844.43米
。
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第一章 绪论
二、地面点位的确定
参数： a、珠穆朗玛峰峰顶岩石面高程测量精度 ±0.21米； b、峰顶冰雪深度3.50米。 （原1975年公布的珠峰高程数据停止使用） 相对高程：一假定水准面为地面高程起算面。 高 差：
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第一章 绪论
二、地面点位的确定
高斯平面直角坐标系和数学坐标系的两个区别和 共同点：



区 别： 1、坐标轴不同 2、象限不同 共同点： 确定点位的函数表达式相同（角度从x轴正方 向顺时针计算，象限也一样设定，所以数学中 的计算方法也适用于该坐标系。）
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第一章 绪论
二、地面点位的确定
测
量
学
(普通测量学)
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第一章 绪论
（几何线形） 公路几何线形 ：是路基路面、桥梁、隧道涵洞等平面、纵 断面和横断面的统称。
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第一章 绪论
秘密
勘测、设计、施工

（二）基本原则
1）由整体到局部 2）由高级到低级 3）由控制到碎步
地球曲率对测量工作的影响
1 地球曲率对水平距离的影响
S D S R tan R R( 3
A'
3
) S3
3R2
B'
水平面 A
R
α
D
SC B
S (km) 10 25 50 100
S(cm)
1 13 103 821
S/S
1/1000000 1/195000 1/48700 1/12200
结论：在半径为10公里的小区域内，地球曲率对水平距离 的影响可以忽略不计。
地球曲率对测量工作的影响（续）
2 地球曲率对高程的影响
R2+D2 =(R+ h)2
A'
h=D2/(2R+ h)
h=D2/2R
B'
水平面 A
R
α
D
S
B
C
h
d (km) 0.1 0.2 0.3 1.0 10.0
h (cm) 0.08 0.3 0.7 7.8 785
结论：高程测量时，即使距离很近，也必须考虑地球曲率 的影响。
高斯投影描述（续）
我国规定按经差6°和3°进行投影分带。 投影带：以中央子午线为轴，两边对称划出一定区域 作为投影范围。
1）分带原则 限制长度变形使其不大于测图误差； 带数不应过多以减少换带计算工作。
2）分带方法
（三）高斯－克吕格投影（续）
6°分带法：
从格林尼治零度经线起每6°为一个投影带，全球共分60个投影带 L0=6N-3
大地原点：陕西省西安市泾阳县永乐镇
3）2000中国大地坐标系

S
A
L
L1
C B
2mm
图2－7
O
图2－8
•(１）管水准器－－水准管 • 一般S1、S3型水准仪的水准管分划值分别为 10″/2mm及20″／2mm。 用于精平。
•（２） 圆水准器
•一般圆水准器的分划值约为8′~ 10′。用于粗平。 •
• 3.附件： 三脚架、水准尺和尺垫
（a）
图2－11
（b）
（c） 图2－12
–
•
水准点分为永久性和临时性两种。
(a)
(b)
图2－17
21号楼
至南湖新村
5 号 楼 1号楼
图2－18
水准路线：
闭合水准路线，附合水准路线，支水准路线，水准 网
– “1985国家高程基准” 水准原点的高程为 72.260m。
§1-3 测量的基本工作
– 测量的基本要素是：
• 1. 距离（水平距离或斜距）； • 2. 角度（水平角和竖直角）； • 3. 高程。
习题
– 1．进行测量工作应遵循的原则是什么？ – 2．什么是水准面、大地水准面、椭球和参
考椭球？ – 3．测量工作中地面点的位置是如何表示的？ – 4．基本的测量工作有哪些？
• 水准面的特点：处处与铅垂线相垂直。
• 水准面可以有无数个。大地水准面是与平均海 水面重合的一个封闭曲面。
• 3 旋转椭球
• 由于大地水准面是一个不规则的曲面。为了便 于处理大地测量的成果，用一个椭圆绕其短轴旋 转而成的形体来代替大地体，称为“椭球”。
•
椭球的大小用长半轴 a和短半轴 b或扁率α
B
hAB
A HA
HA '水准面HB HB '

• 短轴平行于地轴
– 定位
• 大地水准面与椭球体最接近 • 单点定位：大地原点参考椭球面和大地水准面相切，
法线和垂线重合。
北纬34°32′27.00″东经108°55′25.00″。
地球
大地体
大地水准面
大地水准面和铅垂线 是测量工作的基准面 和基准线
参考椭球
参考椭球面
参考椭球面和法线测量 内业计算的基准面和基 准线
• 施工阶段：把线路和各种建筑物正确的测设到 地面上。
• 竣工测量：对建筑物进行竣工测量。（是否符 合设计的要求）
• 运营阶段：为改建、扩建而进行的各种测量。 • 变形观测：为安全运营，防止灾害进行变形测
量。
§1.2 测量学的发展概况
世界最早的地图
公元前3200年古埃及绘在苇草上的金矿图
陶片上的古巴比伦
§1.3.2 空间位置表示方法
地面点的空间位置表示方法
1.二维坐标系和一维坐标系组合表示
地理坐标和高程 平面直角坐标和高程
2.三维的空间直角坐标
天文地理坐标系
大地水准面和铅垂线是天文地理坐 标系的基准面和基准线
地面点的坐标是它沿铅垂线在大地 水准面上投影点的经度和纬度（
） ,
正高是地面点沿铅垂线到大地水准 面的距离
N
P
首
子 午
O
线
赤道
大地水准面 S
图5-1 天文地理坐标系
大地地理坐标系
– 基准面：参考椭球面 – 基准线：法线
表示地面点在地球椭球面上 的位置，用地面点沿投影到 椭球面上的投影点的大地经 度L和大地纬度B，表示。
我国目前采用的国家大地坐标系是1954年北京坐标 系和1980年国家大地坐标系 。

1、水准面曲率对距离的影响
D=R*tgθ，S=R*θ
结论：在半径为10km的范围内，以水平面代 替水准面所产生的距离误差可忽略不计
2、水准面曲率对高差的影响
△h=S²/(2R) 结论：在进行高程测量时不能水平面代
替水准面
五、测量的基本工作
高程测量 水平角测量 距离测量
六、测量工作的原则
7 记录数据修改后，都应在备注栏内写明原因（记错、 测错、超限）。
8 每站观测结束后，必须在现场完成规定的计算的检 核，确认无误后方可迁站。
9 数据运算应根据所取位数，按“4舍6入，5前单进 双舍的规则进行凑整”。
10 应该保持测量手簿的整洁，严禁在手簿上书写无关 的内容。
往届同学在学习中存在的问题
作，但要检查有关按钮以判断补偿装置是否有效。 • 5、仪器装箱一般要松开水平制动螺旋，试着合上箱盖，
不可用力过猛，压坏仪器。
• 6、水准尺不用时不可靠在墙上或树上，应平放在 地上，以免被风吹到和被别人绊倒。
• 7、气氛要严肃，不可在仪器旁追逐打闹，操作时， 时刻注意脚下，以免把仪器摔坏。
• 8、测绘仪器都是比较贵重的，大家一定要小心， 按规程操作，轻拿轻放。
HB
h AB a ' b ' ( a aa ' ) ( b b ' )
a
b
S
2 a
S
2 b
2R
• 当后视距与前视距相 等时，可以不考虑水 准面曲率对水准测量 的影响。
§2-3 水准仪和水准尺
• 水准测量所用的仪器为水准仪，工具有水准 尺和尺垫
• 水准仪按其精度可以分为等四个等级 ：
• 水准仪按其构造可以分为以下4类：

（4）除赤道外的其余纬线，投影
后为凸向赤道的曲线，并以 赤道为对称轴。
平行圈
（5）经线与纬线投影后仍然保持
正交。
赤道
O
y
（6）离中央子午线愈远，长度变 子午线
形愈大。
中央子午线
4、投影带的划分
我国规定按经差6º和3º进 行投影分带。
6º带自首子午线开始，按6º的 经差自西向东分成60个带。
3º带自1.5 º开始，按3º的经差 自西向东分成120个带。
几何形体，作为地球的参考形状和大小。
二、测量工作的基准线和基准面
测量工作的基准线—铅垂线。 测量工作的基准面—大地水准面。 测量内业计算的基准面—参考椭球面。
O 铅垂线
G
大地水 准面
三、地面点位的确定（X Y H）
地面点位的确定
高程 地理坐标
天文坐标
大地坐标
坐标
高斯平面直角坐标
平面直角坐标
独立平面直角坐标
例： 有一国家控制点的坐标: x=3102467.280m ,y=19367622．380m， （1）该点位于6˚ 带的第几带？ （第19带） （2）该带中央子午线经度是多少？ （L。=6º×19-3º=111˚） （3）该点在中央子午线的哪一侧？
（先去掉带号，原来横坐标y＝367622.380—500000＝-132377.620m，在西侧）
（距中央子午线132377.620m，距赤道310状相关概念
1、地球自然形体：是一个不规则的几何体，海洋面积约占地
球表面的71%。
2、水准面：静止的水面。
3、大地水准面：设想处于完全静止的平均海水面向陆地和岛
屿延伸所形成的闭合曲面。 4、大地体：大地水准面所包围的代表地球形状和大小的形

总结
1、测量学的概念、任务、学科分支； 2、测量学的发展概况。
习题
1.测绘学的基本概念及测量学的研究对象 2.测量学的分类 3.测量学在社会生产、工程实践中的作用及 其在国民经济建设中的重要地位
▪ GPS功能必须具备GPS终端、传输网络网络和控制 平台三个要素；通过这三个要素，可以提供车辆防 盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。
▪ 应用：主要是为船舶，汽车，飞机，行人等运动物 体进行定位导航，例如：1.船舶远洋导航和进港引 水 2.飞机航路引导和进场降落 3.汽车自主导航 4. 个人旅游（导航，导游，导览一体机）等等。
吴启文 邮箱： 电话：
学习好本课程的要求
◆认真听课； ◆做好笔记； ◆独立完成作业； ◆实验课认真对待。
▪ 本课程为考试课： 成绩=平时成绩（30%）+考试成绩（70%）
本教程学习内容
▪ 第一章 绪论 ▪ 第二章 测量学的基本知识 ▪ 第三章 水准测量 ▪ 第四章 角度测量 ▪ 第五章 距离测量 ▪ 第六章 测量误差的基本知识 ▪ 第七章 直线方位测量 ▪ 第八章 平面控制测量 ▪ 第九章 高程控制测量 ▪ 第十章 地形图的基本知识 ▪ 第十一章 大比例尺地形图的测绘 ▪ 第十二章 地形图的应用
掌握测量的基本知识和基本理论 差的基本知识，懂得精度的概念并能进行简单的精度评定，掌 握基本测量数据处理的理论和方法，并能够在工程实践活动中 正确使用地形图和测绘资料。为后期的测量专业课程打下基础。
四、学习本课程的目的和要求
➢地图学（cartography）
研究模拟和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技 术方法及其应用的学科。
第一章 绪 论
测量学（surveying）
研究地球的形状和大小，以及确定地球表面点 位关系的一门学科。

赤道面之交点 Y 轴 方 向：垂直于XOZ平面，构成右手
坐标系
3、地面点的高程
绝对高程：简称高程，又称海拔； 相对高程：又称假定高程； 高差：两点间绝对高程或相对高程之差 我国的高程系统 ： 1956年黄海高程系 （72.289m） 1985年国家高程基准 （72.260m）
四、用水平面代替水准面的限度
2.1地理坐标系(geographical reference system)
①天文坐标系 子午面 子午线 赤道
①天文坐标系
天文经度λ 天文纬度φ 特点：天文坐标系以铅垂线为基准线，
以大地水准面为基准面； 测量方法：在地面点上用天文测量的方
法测定。
②大地坐标系
大地经度L：
大地纬度B：
所以说测量学是一门重要的课程。
பைடு நூலகம்
3、测量学有关的学科：
大地测量学 地形测量学 摄影测量学 工程测量学 海洋测量学
地图制图学 遥感信息系统 GPS系统 GIS信息系统
二、现代测量科学的发展概况：
新的3S技术：
GPS－卫星定位系统 GIS－地理信息系统 R S－遥感
三、地面点位的确定
特点：大地坐标是以法线为基准线，以 椭球体面为基准面
测量方法：大地坐标是根据大地原点坐 标，再按大地测量所测得的数据推算而 得。
2.2高斯平面直角坐标系
高斯投影的特点
⑴等角投影；⑵投影后中央子午线的长度 不变，离开中央子午线越远的线变形越大， 并且凹向中央子午线，各纬圈投影后凸向 赤道；⑶中央子午相投影后为坐标纵轴X， 赤道投影后为坐标横轴Y，从而构成高斯 平面直角坐标系；⑷为了将变形限制在一 定精度范围内，采用分带投影法，有6度 带和3度带两种投影方法；

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研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其 联合网的数据处理的理论和方法，测量数据库建立及 应用等。
现代大地测量的特征：
⑴ 研究范围大（全球：如地球两极、海洋） ⑵ 从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。 ⑶ 观测精度越高，相对精度达到10-8~10-9，绝对精度 可到达毫米。 ⑷ 测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。
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• 大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器； • 大地测量方法：1615年荷兰斯涅耳(W.Snell)首创三角测 量法; • 行星运动定律：1619年德国的开普勒(J.Kepler)发表了行 星运动三大定律； • 重力测量：1673年荷兰的惠更斯(C.Huygens)提出用摆进 行重力测量的原理； • 英国物理学家牛顿(L.Newton)提出地球特征：1）是两极 扁平的旋转椭球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由 赤道向两极与sin２φ(φ——地理纬度)成比例地增加。

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第三阶段：大地水准面阶段
从19世纪下半叶至20世纪40年代，人们将对椭球的认 识发展到是大地水准面包围的大地体。 几何大地测量学进展： 天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地 网的建立（1800－1900印度，一等三角网2万公里，平 均边长45公里；1911－1935美国一等7万公里；19241950苏联，7万多公里) 因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦 水准尺使用。
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1.2大地测量学的作用
大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济 建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。如 交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等 大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与 保护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事 故等的監測與救援。 大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如: 卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、 跟踪、返回工作都需要大地测量作保证。

长长期期探探索索早早在在公公元元六世六世达达哥哥拉拉斯pythagoraspythagoras提提出出了了6633发展阶段发展阶段测量仪器测量仪器测量理论测量理论测量产品测量产品古代古代1717世纪前世纪前绳尺步弓矩尺绳尺步弓矩尺简单机械式简单机械式弧度测量面积计算弧度测量面积计算理论原始简单理论原始简单粗糙的粗糙的地图地图近代近代17172020世纪初世纪初望远镜望远镜经纬仪经纬仪水准仪水准仪平板仪平板仪光学机械式光学机械式三角测量最小二乘三角测量最小二乘法地图投影法地图投影测量走向精确测量走向精确实测的实测的地图地图现代现代2020世纪至今世纪至今电子仪器电子仪器航空摄航空摄影gpsgps电子智能仪器电子智能仪器gisgisrsrsgpsgps数字测图数字测图测量走向自动化测量走向自动化数字数字地图地图将来将来数字化自动化数字化自动化小型化智能化小型化智能化数字地球数字地球大众化的大众化的数字地图数字地图35高低起伏极其复杂局部特点
2.现今的定义：
研究和确定三维空间中各种物 体的形状、大小、位置、方向和其 分布等信息的科学。
.
4
三、测量学科的组成
天文测量学
研究测定恒星的坐标，以及 利用恒星确定观测点的坐标（经 度、纬度等）的学科。
大地测量学
研究测定地球的形状和大小及 地球表面较大地区的地位测定和 计算的有关理论与方法的学科。
（外业测量、内业计算与绘图）
④建立测量误差的基本概念
（掌握测量误差的基本理论和测量误差的计算）
.
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学习要求续
⑤其它要求
●野外作业：严格按照规定的作业和操作程序。 ●记 录：字迹清晰、端正，不得任意涂改
（按规定方式改数）。 ●计 算：按平差规则、作计算检核、保证计算精度