测量基础知识培训(20150130)

测量学基本知识培训本次培训的目的主要是掌握常规测绘工程的基本理论、方法和技术。培训内容本次培训主要讲述测量学的基础知识、控制测量、大比例尺地形图测绘、地形图的基本知识等。本次培训教学内容如下：第一章测量学概念1、测量学定义：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。测量学的内容包括测定和测设两个部分。测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。2．测绘科学的分类及其任务——从其研究的内容和方法分1）地形测量学：研究地球自然表面上的一个小区域内地表面各类物体形状和大小的测绘科学。由于地球半径很大，可以把这块球面当作平面看待而不考虑其曲率，其研究的内容可以用文字和数字记录下来，也可以用图表示。2）大地测量学：研究地球表面及其内部一个较大区域甚至整个地球的形状、大小和其定位等等内容的测绘科学。任务：建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和研究地球重力场的理论、技术和方法。3）摄影测量学：利用摄影象片来研究地表形状和大小的测绘科学。4）工程测量学：城市建设、大型厂矿建筑、水利枢纽、农田水利及道路修建等在勘测设计、施工放样、竣工验收和工程监测保养等方面的测绘工作。（1）把地面上的情况描绘到图纸上；（2）把图纸上设计的建筑物桩定到地面上；（3）为建筑物施工过程中和竣工后所产生的各种变化而进行的变形观测。5）制图学：利用测量所得的资料，研究如何投影编绘成地图，以及地图制作的理论、工艺技术和应用等方面的测绘科学。3．测绘工作的作用1）从横向看：在国民经济建设和管理的各个方面，如：工业与民用建设、公路、铁路、水利枢纽、桥梁、隧道、厂矿企业等等都需用到测量工作。2）从纵向看：在经济建设的各个阶段，如：勘测、设计、施工、竣工及运营管理各个阶段都需用到测量工作。第二章测量学的基本知识一、地球的形状和大小1．地球的形状和大小从整个地球来看：地球大致像一个椭球体，其表面极不规则，不便于用数学公式来表达。但地球的半径大约是6371000m。2．关于大地体的几个基本概念1）大地体、重力、水准面、铅垂方向：大地体：把地球总的形状看作是被海水包围的球体，也就是设想有一个静止的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面。由于海水有潮汐，时高时低，所以取其平均的海水面作为地球形状和大小的标准，它所包围的形体称为大地体。重力：地球引力与离心力的合力。水准面：静止而不流动的水面（重力等位面），是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。2）大地水准面：通过平均海水面并向陆地延伸所形成的闭合曲面。大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。重力方向：用细绳悬挂一个垂球，细绳即为悬挂点O的重力方向，通常称它为垂线或铅垂线方向，是测量工作的基准线。3．关于椭球体的几个基本概念1）参考（旋转）椭球体、参考椭球面：大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似2）参考椭球体的定位：通常用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体(即地球椭球)来代替地球的形状作为测量计算工作的基准面，是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体。3）长半轴、短半轴、扁率：二、大地坐标系和高程1．点的空间位置的表示地面上的物体基本上都具有空间形状，一个点在空间的位置，需要三个量来确定，通常用该点在基准面（参考椭球面）上的投影位置和该点铅投影方向到基准面（一般实用上是大地水准面）的距离来表示。2．椭球体的几个基本概念1）子午面：子午面是与地球自转轴平行，或包含地球椭球体短轴的平面。是量度经度的起始面或终止面，2）赤道面：赤道面是指地理坐标系上赤道所在的平面3）大地经度L：通过某点的子午面与起始子午面的夹角称为该点的大地经度。4）大地纬度B：将地球表面点投射到地球椭球体上，投影点法线方向与赤道平面的夹角为该点的大地纬度。大地纬度和大地经度一起可以确定地球表面点在地球椭球体上的位置。3．大地坐标（地理坐标）：大地坐标是大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标。地面点P的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。5．绝对高程（海拨、高程）：某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。6．相对高程：在局部地区，当无法知道绝对高程时，假定一个水准面作为高程起算面，地面点到该假定水准面的垂直距离称为相对高程，又称为假定高程。7．空间直角坐标系（地心坐标系）：坐标系的原点设在椭球的中心O，用相互垂直的x，y，z三个轴表示，x轴通过起始子午面，z轴为椭球旋转轴。三、平面直角坐标当研究小范围地面形状和大小时，可用平面代替球面，此时可采用平面直角坐标系统。平面直角坐标的表示方法：X轴：纵轴，表示南北方向。Y轴：横轴，表示东西方向。四、高斯-克吕格坐标的轴系1）测区范围较小：可把地球表面的一部分当作平面看待，所测得地面点的位置或一系列点子所构成的图形，可直接用相似而缩小的方法描绘到平面上去。2）测区范围较大：不能把地球很大一块地表面当作平面看待，必须采用适当的投影方法解决这个问题高斯投影的表达：高斯-克吕格投影是一种等角横轴切椭圆柱投影。它是假设一个椭圆柱面与地球椭球体面横切于某一条经线上，按照等角条件将中央经线东、西各3°或1.5°经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上，然后将椭圆柱面展开成平面而成的。该投影是19世纪20年代由德国数学家、天文学家、物理学家高斯最先设计，后经德国大地测量学家克吕格补充完善，故名高斯-克吕格投影，简称高斯投影。这种投影，将中央经线投影为直线，其长度没有变形，与球面实际长度相等，其余经线为向极点收敛的弧线，距中央经线愈远，变形愈大。赤道线投影后是直线，但有长度变形。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。经线和纬线投影后仍然保持正交。所有长度变形的线段，其长度变形比均大于1.随远离中央经线，面积变形也愈大。若采用分带投影的方法，可使投影边缘的变形不致过大。2）纵横轴线中央子午线和赤道面投影至横圆柱面上都是一条直线，且互相垂直，它们构成了平面直角坐标系统的纵横轴，即x轴和y轴，因此经过这种投影后，其坐标既是平面直角坐标，又与大地坐标的经纬度发生联系，对大范围的测量工作也就适用了。3）投影分带为控制投影变形，这种投影方法把地球分成若干范围不大的带进行投影，带的宽度一般分为经差6º、3º和1.5º几种，简称6º带、3º带和1.5º带，中心的子午线为中央子午线。高斯投影是测量坐标系中重要的投影方式，在下文还有介绍。二、坐标系统一、球面坐标系统（1）、天文地理坐标系：测量（天文经纬度）的外业以铅垂线为准大地水准面和铅垂线是天文地理坐标系的主要面和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.（2）、大地地理坐标系:是建立在地球椭球面上的坐标系，地球椭球面和法线是大地地理坐标系的主要面和线，地面点的大地坐标是它沿法线在地球椭球面上投影点的经度L和纬度B二、高斯平面直角坐标系（1）高斯投影是等角横切椭圆柱投影。等角投影就是正形投影。所谓，正形投影，就是在极小的区域内椭球面上的图形投影后保持形状相似。即投影后角度不变形。按投影带不同通常分为6度带和3度带。点在高斯平面直角坐标系中的坐标值，理论上中央子午线的投影是X轴，赤道的投影是Y轴，其交点是坐标原点。点的X坐标是点至赤道的距离；点的Y坐标是点至中央子午线的距离，设为y’称为自然坐标；y’有正有负。为了避免Y坐标出现负值，把原点向西平移500公里。为了区分不同投影带中的点，在点的Y坐标值上加带号N，所以点的横坐标通用值为:y=N*+500000+y’三、独立平面直角坐标系：以当地的水平面为主要面(不需要投影)，通常以当地的北方向为坐标轴的正方向，该坐标系只用于小的局部地区。四、我国常用坐标系：1、WGS84坐标系WGS84椭球参用国际大地测量于地球物理联合会第17届大会所给出的推荐值，其中：a=6378137f=1/298.257223563坐标原点是地球的质心Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和赤道的交点，Y轴于Z、X轴构成右手坐标系2、BJ54坐标系该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245f=1/298.33.XIAN80坐标系1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数采用了IAG1975年的推荐值，它们是：a=6378140f=1/298.257大地原点：我国中部陕西泾阳县永乐镇。4、新BJ54坐标系将全国天文大地网整体平差的结果，通过1980年国家大地坐标系的定位参数dX、dY、dZ（表示克拉索夫斯基椭球中心相对于1975年国际椭球中心的三个坐标分量）和与克拉索夫斯基椭球参数da、dα，整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系。有称为54向80过渡坐标系，有的称1954年北京坐标系（整体平差转换值），但习惯上称新1954年北京坐标系。5、2000坐标系2000国家大地坐标系，是我国当前最新的国家大地坐标系。2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：长半轴a=6378137m扁率f=1/298.257222101五、高程基准高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。通常理论上采用大地水准面，它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面，实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测结果计算出来的平均海面。高程基准点——水准原点为了长期、牢固地表示出高程基准面的位置，作为传递高程的起算点，必须建立稳固的水准原点，用精密水准测量方法将它与验潮站的水准标尺进行联测，以高程基准面为零推求水准原点的高程，以此高程作为全国各地推算高程的依据。水准原点是某一地区计算水准点高程最原始的基准点。1985国家高程基准我国于1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面，叫1956年黄海高程系统，为中国第一个国家高程系统，从而结束了过去高程系统繁杂的局面。但由于计算这个基面所依据的青岛验潮站的资料系列（1950年～1956年）较短等原因，中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站1952年～1979年的潮汐观测资料为计算依据，叫“1985国家高程基准”，并用精密水准测量位于青岛的中华人民共和国水准原点，得出1985年国家高程基准高程和1956年黄海高程的关系为：1985年国家高程基准高程=1956年黄海高程-0.029m。1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系同时废止。1956黄海高程水准原点的高程是72.289米。1985国家高程系统的水准原点的高程是72.260米。习惯说法是新的比旧的低0.029m，黄海平均海平面是新的比旧的高。六、测量的基本原则(1)、测图原理1．地形图的表达方法将地面上空间各点向平面上作垂直投影，平面上的各边一般都短于空间的相应边，至多相等。投影平面上的角是包含两倾斜边的空间角在水平面上的投影。所以，地形图上各点是实地上相应点在水平面上正射投影的位置再用测图的比例尺缩绘在纸上的。2．测量三个基本工作1）水平距离测量2）水平角测量3）高差测量(2)、测量工作概述1．基本原则：从整体到局部、先控制后碎部。测量工作是有误差的，不论起始的精度有多高，逐渐测下去，误差积累越来越大，最后可能达到不能容许的程度，因此必须采取一定的工作程序和方法。具体实施时，先选择一些控制点，用较高的精度测定其平面坐标和高程，然后再根据它们测定大量的要求较低的碎部点。也就是，先从整个测区的大范围来考虑控制问题，再考虑每个局部的碎部问题。这样，精度比较均匀，都能满足要求。2．测量工