测量学发展

测量学发展测绘学有着悠久的历史。古代的测绘技术起源于水利和农业。古埃及尼罗河每年洪水泛滥，淹没了土地界线，水退以后需要重新划界，从而开始了测量工作。公元前2世纪，中国司马迁记述了禹受命治理洪水的情况：“左准绳，右规矩，载四时，以开九州、通九道、陂九泽、度九山”。说明在公元前很久，中国人为了治水，已经会使用简单的测量工具了。测绘学的研究对象是地球，人类对地球形状认识的逐步深化，要求对地球形状和大小进行精确的测定，因而促进了测绘学的发展。地图制图是测量的必然结果，所以地图的演变及其制作方法的进步是测绘学发展的重要方面。测绘学是一门技术性较强的学科，它的形成和发展在很大程度上依赖于测绘方法和仪器工具的创造和变革。从原始的测绘技术，发展到近代的测绘学，其过程可由下列3个方面来说明。人类对地球形状的科学认识，是从公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯)最早提出地是球形的概念开始的。两世纪后，亚里士多德(Aristotle)作了进一步论证，支持这一学说，称为地圆说。又一世纪后，亚历山大的埃拉托斯特尼)采用在两地观测日影的办法，首次推算出地球子午圈的周长，以此证实了地圆说。这也是测量地球大小的“弧度测量”方法的初始形式。世界上有记载的实测弧度测量，最早是中国唐代开元十二年(724)南宫说在张遂（一行）的指导下在今河南省境内进行的，根据测量结果推算出了纬度1度的子午弧长。17世纪末，英国牛顿和荷兰的惠更斯首次从力学的观点探讨地球形状，提出地球是两极略扁的椭球体，称为地扁说。1735～1741年间，法国科学院派遣测量队在南美洲的秘鲁和北欧的拉普兰进行弧度测量，证明牛顿等的地扁说是正确的。1743年法国A.C.克罗莱证明了地球椭球的几何扁率同重力扁率之间存在着简单的关系。这一发现，使人们对地球形状的认识又进了一步，从而为根据重力数据研究地球形状奠定了基础。19世纪初，随着测量精度的提高，通过对各处弧度测量结果的研究，发现测量所依据的垂线方向同地球椭球面的法线方向之间的差异不能忽略。因此法国的P.S.拉普拉斯和德国的C.F.高斯相继指出，地球形状不能用旋转椭球来代表。1849年SirG.G.斯托克斯提出利用地面重力观测资料确定地球形状的理论。1873年，利斯廷创用“大地水准面”一词，以该面代表地球形状。自那时起，弧度测量的任务，不仅是确定地球椭球的大小，而且还包括求出各处垂线方向相对于地球椭球面法线的偏差，用以研究大地水准面的形状。1945年，苏联的M.C.莫洛坚斯基创立了直接研究地球自然表面形状的理论，并提出“似大地水准面”的概念，从而回避了长期无法解决的重力归算问题。人类对地球形状的认识和测定，经过了球—椭球—大地水准面3个阶段，花去了约二千五、六百年的时间，随着对地球形状和大小的认识和测定的愈益精确，测绘工作中精密计算地面点的平面坐标和高程逐步有了可靠的科学依据，同时也不断丰富了测绘学的理论。17世纪之前，人们使用简单的工具，例如中国的绳尺、步弓、矩尺和圭表等进行测量。这些测量工具都是机械式的，而且以用于量测距离为主。17世纪初发明了望远镜。1617年，荷兰的斯涅耳(W．Snell)为了进行弧度测量而首创三角测量法，以代替在地面上直接测量弧长，从此测绘工作不仅量测距离，而且开始了角度测量。约于1640年，英国的加斯科因在两片透镜之间设置十字丝，使望远镜能用于精确瞄准，用以改进测量仪器，这可算光学测绘仪器的开端。约于1730年，英国的西森(Sisson)制成测角用的第一架经纬仪，大大促进了三角测量的发展，使它成为建立各种等级测量控制网的主要方法。在这一段时期里，由于欧洲又陆续出现小平板仪、大平板仪以及水准仪，地形测量和以实测资料为基础的地图制图工作也相应得到了发展。从16世纪中叶起，欧美二洲间的航海问题变得特别重要。为了保证航行安全和可靠，许多国家相继研究在海上测定经纬度的方法，以定船舰位置。经纬度的测定，尤其是经度测定方法，直到18世纪发明时钟之后才得到圆满解决。从此开始了大地天文学的系统研究。19世纪初，随着测量方法和仪器的不断改进，测量数据的精度也不断提高，精确的测量计算就成为研究的中心问题。此时数学的进展开始对测绘学产生重大影响。1806年和1809年法国的勒让德和德国的高斯分别发表了最小二乘准则，这为测量平差计算奠定了科学基础。19世纪50年代初，法国洛斯达首创摄影测量方法。随后，相继出现立体坐标量测仪，地面立体测图仪等。到20世纪初，则形成比较完备的地面立体摄影测量法。由于航空技术的发展，1915年出现了自动连续航空摄影机，因而可以将航摄像片在立体测图仪器上加工成地形图。从此，在地面立体摄影测量的基础上，发展了航空摄影测量方法。在这一时期里，由于在19世纪末和20世纪30年代，先后出现了摆仪和重力仪，尤其是后者的出现，使重力测量工作既简便又省时，不仅能在陆地上，而且也能在海洋上进行，这就为研究地球形状和地球重力场提供了大量实测重力数据。可以说，从17世纪末到20世纪中叶，主要在光学领域内发展，测绘学的传统理论和方法也已发展成熟。从20世纪50年代起，测绘技术又朝电子化和自动化方向发展。首先是测距仪器的变革。1948年起陆续发展起来的各种电磁波测距仪，由于可用来直接精密测量远达几十公里的距离，因而使得大地测量定位方法除了采用三角测量外，还可采用精密导线测量和三边测量。大约与此同时，电子计算机出现了，并很快应用到测绘学中。这不仅加快了测量计算的速度，而且还改变了测绘仪器和方法，使测绘工作更为简便和精确。例如具有电子设备和用控制的摄影测量仪器的出现，促进了解析测图技术的发展，继而在60年代，又出现了计算机控制的自动绘图机，可用以实现地图制图的自动化。自从1957年第一颗人造地球卫星发射成功后，测绘工作有了新的飞跃，在测绘学中开辟了卫星大地测量学这一新领域，就是观测人造地球卫星，用以研究地球形状和重力场，并测定地面点的地心坐标，建立全球统一的大地坐标系统。同时，由于利用卫星可从空间对地面进行遥感（称为航天摄影），因而可将遥感的图像信息用于编制大区域内的小比例尺影像地图和专题地图。在这个时期里还出现了惯性测量系统，它能实时地进行定位和导航，成为加密陆地控制网和海洋测绘的有力工具。随着脉冲星和类星体的发现，又有可能利用这些射电源进行无线电干涉测量，以测定相距很远的地面点的相对位置（见甚长基线干涉测量）。所以50年代以后，测绘仪器的电子化和自动化以及许多空间技术的出现，不仅实现了测绘作业的自动化，提高了测绘成果的质量，而且使传统的测绘学理论和技术发生了巨大的变革，测绘的对象也由地球扩展到月球和其他星球。