1第一章测量学的基本知识

《工程测量》黄山学院建筑学院城规专业第一章绪论第二章距离测量、直线定向及罗盘仪测量第三章水准测量第四章角度测量第五章小区域控制测量第六章大比例尺地形图的测绘第七章地形图的基本知识和应用第八章工程测量第一章绪论测量学的基本知识§1.1测量学的定义、分类、作用一、测量学的定义1.早期的定义：研究地球的形状和大小，确定地面点的坐标的学科。2.当前的定义：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。对象：地球整体及其表面和外层空间中的各种自然物体和人造物体的有关信息内容：对这些与地理空间有关的信息进行采集、处理、存储、管理、更新与利用。二、测量学科的分类◆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。◆普通测量学：研究地球局部区域，不考虑地球曲率影响，进行测量研究的学科。◆摄影测量学与遥感：研究利用航天、航空、地面的摄影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。◆工程测量学：研究测量和制图的理论和技术在工程建设中的应用（控制测量、地形测量、施工测量、竣工测量和变形监测）◆地图制图学：研究地图制图的理论和方法。◆海洋测绘学：研究海洋空间，水体以及海底的地形地貌等其他数据信息◆测量仪器学：研究测量仪器的制造、改进和创新的学科三、测量学的任务：◆测定（测绘）(location)◆测设（放样）(setting-out)◆地形图的应用测定:地面图纸测设:图纸地面2.测设地形图应用地形图应用于广泛的领域，如国土整治、资源勘测、城乡建设、交通规划、土地利用、环境保护、工程设计、矿藏采掘、河道整理、等，可在地形图上获取详细的地面现状信息。在国防和科研方面，更具重要用途。数字化地形图使地形图在管理和使用上体现出图纸地形图所无法比拟的优越性。四、测量学的作用：1、在国防建设方面：天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。要有地利就要了解和利用地形。一切战略部署、战役指挥、战术进攻和各项国防工程的设计与施工，都必须有测绘技术和测绘资料作保证。GPS技术最早也是运用与军事。2、在科学研究方面：研究地球形状和大小、地壳的升降，海岸线的变迁，地极运动、灾情测、人造卫星的发与回收等，都需要运用当代最先进的测绘技术与方法。3、在国土管理中：测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。地籍测量与房产测量，在国家领土的管理。《战国策·燕策》中关于荆轲刺秦王，“图穷而匕首见”的记述，表明在战国时期地图在政治上象征着国家的领土和主权。4、在国民经济工程建设方面：厂矿企业、城乡建设和道路管线的设计与施工，变形监测，都离不开测量技术、地形图、其它测绘资料。总之，测绘工作是我国社会建设不可缺少的基础工作，特别在新的历史阶段中，测绘工作必将发挥更大的作用。提要三测量学的特点和要求五、测量学的特点和要求（1）特点●实践性强，责任性要求高，必须遵照测量的规范和规则。●内容多：测量学基本原理、误差理论、仪器使用、作业方法、基本计算等。二学习要求①学会和掌握测量的基本作业方法：角度测量、距离测量、高程测量（仪器的基本操作、作业程序、记录、成果整理）②掌握测量仪器的检验和校正方法（测量仪器的轴线关系、检验和校正的作业方法）③学会控制测量、地形测量、施工放样的基本作业方法（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）（2）学习要求：学习要求续●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（小数取位）。●正负号：在以下数据前，加“+、-”号：高差、竖直角、指标差、坐标增量、所有的闭合差、改正数。⑤其它要求在南极长城站进行控制测量在海拔6120米测量珠穆朗玛峰高程在南极长城站进行天文测量建筑变形监测§1.2测量学的发展1．我国古代测量学的成就◆早在公元前21世纪夏禹治水时就使用过“准、绳、规、矩”等测量工具，准、绳：测量平直的一种器具。规：画圆的一种工具。矩：画矩形或直角的一种工具。公元前4世纪战国时，我国就利用磁石制成世界上最早的定向工具“司南”，即指南工具；公元2世纪，后汉张衡制成浑天仪，在天文观测方面做出重大贡献；公元3世纪初，西晋裴秀拟定了世界最早的小比例尺编图法则，称为“制图六体”；到了元代，实测纬度27点；到18世纪清代，进行了全国范围内的大地测量。长沙马王堆三号墓出土的西汉时期长沙国地图——世界上现发现的最早的军用地图发展阶段测量仪器测量理论测量产品古代17世纪前绳尺、步弓、矩尺简单机械式弧度测量、面积计算理论原始简单粗糙的地图近代17-20世纪初望远镜、经纬仪、水准仪、平板仪光学机械式三角测量、最小二乘法、地图投影测量走向精确实测的地图现代20世纪至今电子仪器、航空摄影、GPS电子智能仪器GIS、RS、GPS数字测图测量走向自动化数字地图将来数字化、自动化、小型化、智能化数字地球大众化的数字地图测量学发展历史与趋势2．目前测量学发展状况及展望◆测量室内外一体化。◆GPS（Globalpositioningsystem）◆RS（Remotesense）◆GIS(Geographicinformationsystem)◆3S技术的结合◆数字地球(DigitalEarth)的概念。一、地球的自然形体高低起伏，极其复杂局部特点：有高于海平面8848m珠穆朗玛峰有低于海平面11022m马里亚纳海沟§1.3地球点位的确定离心力重力引力1、近似一个两极略扁的椭球；2、可视为水球（海71%，陆29%）；3、无法用数学公式描述。整体特点：地球上面的点主要是受到离心力和地球质心吸引力的作用，这两个力的合力称为重力，重力方向即为垂线方向。二、地面点位的确定确定地面点的空间位置需用三个量，在测量工作中一般用:某点在基准面上投影位置（坐标X,Y）该点离基准面高度（H）一．测量基准面1．测量工作基准面——水准面、大地水准面。◆水准面——静止海水面所形成的封闭曲面。◆大地水准面——其中通过平均海水面的那个水准面。特性处处与铅垂线正交1、水准面是不规则的表面，有无穷多，各水准面之间是不相交。水准面与铅垂线可作为野外测量的基准面和基准线2、大地水准面•与平静的平均海水面相重合、并延伸穿过陆地而形成的封闭曲面称为大地水准面。由椭圆（长半轴a，短半轴b）绕b轴旋转而成的椭球体。可用数学式表示的光滑曲面。（2）测量计算基准面——旋转椭球用一非常接近大地水准面的数学面------旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球。最接近某地区称参考椭球体。PP长半径a=6378137m短半径b=6356752m扁率=(a-b)/b=1/298.257要求：①总质量=地球质量，中心与质心重合，短轴与旋转轴重合。②旋转角速度与地球自转速度相等。③表面与大地水准面拟合最好。大地水准面与椭球面高差最大差为±200m旋转椭球面大地水准面ab（3）球面在测量工作范围不大时，可将地球看作圆球体，以球面代替大地水准面，，其半径R=6371km我国采用的参考椭球体几何参数a.1954年北京坐标系，采用前苏联克拉索夫斯基参考椭球体参数：a=6378245m=1:298.3b.1980年国家大地坐标系采用国际大地测量协会与地球物理联合会在1975年推荐的IUGG-75地球椭球。其参数a=6378140m=1:298.257c.WGS-84坐标系a=6378137m=1：298.2572．测量坐标系及其坐标表示(一)球面坐标系统适用于：在地球椭球面上确定点位。分为：1).天文地理坐标(天文经度，天文纬度)2).大地地理坐标(大地经度L，大地纬度B)3).地心坐标系（x,y,z）1)、天文地理坐标（地理坐标系、在大地水准面的位置）通常用经度（λ）和纬度（φ）表示。以垂线和大地水准面为基准线和基准面oλP首子午线格林尼治φ地面上任意点N（λ、Φ）P′2).大地地理坐标系NSMP格林尼治天文台大地经度(L)大地纬度(B)大地高(H)LBH过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角过地面点的法线与赤道面之间的夹角地面点沿法线至参考椭球面的距离G大地坐标系：以法线，参考椭球面的位置为基准▲我国目前常用大地坐标系：◎1954年北京坐标系，大地原点在原苏联。◎1980年国家大地坐标系，大地原点在陕西省永乐镇。3)、地心坐标系(x,y,z)坐标原点O：地球椭球体中心（与质心重合）Z轴方向：指向地球北极X轴方向：指向格林尼治子午面与地球赤道面之交点Y轴方向：垂直于XOZ平面，构成右手坐标系。▲我国目前常用地心坐标系：◎WGS—84世界大地坐标系，坐标原点在地心。例如：地面上任意点P的空间直角坐标（X、Y、Z）表示方法。XZYP(X、Y、Z)XYZ空间直角坐标和大地坐标之间的坐标转换公式LBHNxcoscos)(LBHNysincos)(BHeNzsin])1([2222222sin1abaeBeaNNByxHxyarctgLWBzaeyxzarctgBcossin122222BeW22sin1大地坐标和空间直角坐标之间的坐标转换公式(二)平面直角坐标系1.独立平面直角坐标系（适用于：研究范围较小。）数学平面直角坐标系测量平面直角坐标系不同点：1)．测量上北方向为X轴正向，东方向为Y轴正向。2)．角度方向顺时针度量；象限顺时针编号。相同点:数学中的三角公式在测量中可直接应用。数学坐标系与测量坐标系的异同：用水平面代替水准面的限度1).对距离的影响233RdddDddBAadDp′pb′bR在半径10km范围内,对距离的影响可以忽略不计.结论:RDhbBBbh222).对高程的影响BAadDp′pb′bR在高程测量中,即使距离很短也应考虑地球曲率的影响.结论:适用于：研究范围较大。高斯投影：目的是将椭球面投影到平面上。使投影带的中央子午线与椭圆柱体相切，展开后为X轴，向北为正；展开后为Y轴，向东为正。2.高斯平面直角坐标系图形：高斯投影方法图一NS图形：高斯投影方法图二投影剪开展平1)、6°带的划分为限制高斯投影离中央子午线愈远，长度变形愈大的缺点，从经度0°开始，将整个地球分成60个带，6°为一带。计算公式：λ=6n-3λ——中央子午线经度,n——投影带号。6°带的划分2)、3°带的划分若仍不能满足精度要求,可进行3°带、1.5°带的划分。3°带计算公式：λ=3nλ——中央子午线经度,n——投影带号。方法：（1）先将自然值的横坐标Y加上500000米；（2）再在新的横坐标Y之前标以2位数的带号。3).我国高斯平面直角坐标的表示方法高斯坐标表示(2)高斯平面直角坐标的表示例：设第21投影带内A、B投影的横坐标分别为：ya=+224567mYb=-245678m则：ya=500000+224567=724567myb=500000-245678=254322m即：ya=21724567myb=21254322m例：国家高斯平面点P（2433586.693，38514366.157）所表示的意义:(1)表示点P在高斯平面上至赤道的距离;X=2433586.693m(2)其投影带的带号为38、P点离38带的纵轴X轴的实际坐标Y=514366.157-500000=14366.157m三.地面点的高程1.绝对高程H——到大地水准面的铅垂距离。2.相对高程H’——到假定水准面的铅垂距离。3.高差——hAB=HB-HA=H’B-H’A主要有：（1）1985国家高程系统（2）1956黄海高程系统◆我国取青岛附近黄海平均海水面为大地水准面；人为而定，相对稳定(我国1956年取前6年的平均潮位作为大地水准面；1985年取1953年1979年共26年观测的平均潮位作为大地水准面)；◆水准原点建在青岛市内，作为我国的国家高程基