测绘学概论

测绘定义测绘是以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、空间科学、信息科学为基础，以全球定位系统（GNSS）、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）为技术核心，将地面已有的特征点和界线通过测量手段获得反映地面现状的图形和位置信息，供工程建设的规划设计和行政管理之用。测量工作的实质是确定地面点的空间位置。测绘学的发展简史测绘学是技术性学科，它的形成和发展在很大程度上依赖测量方法和仪器工具的创造和改革。测绘技术发展的三个阶段原始技术阶段光学机械技术阶段（模拟法成图）计算机与电子技术阶段（数字化成图）原始技术阶段•古代的测绘技术起源于水利和农业，用于土地划分、河道治理及区域地图测绘等。•如：古埃及尼罗河每年洪水泛滥后，需要重新划定土地界线，开始有测量工作•公元前21世纪，中国夏禹治水就使用简单测量工具测量距离和高低。原始技术阶段•在战国后期的一个秦国古墓，发现了迄今为止世界上最早的一幅实物地形图。（地形图的出现，标志着古代的测绘技术有了相当的发展）•在之后300年的长沙马王堆三号墓出土的西汉时期长沙国地图——世界上迄今为止发现最早的军用地图原始技术阶段西汉驻军图原始技术阶段•注：世界上现存最古老的地图是在古巴比伦北部的加苏古巴城（今伊拉克境内）发掘的刻在陶片上的地图。•◆北宋时沈括的《梦溪笔谈》中记载了磁偏角的发现。•◆清朝康熙年间，1718年完成了世界上最早的地形图之一《皇舆全图》。光学机械技术阶段17世纪初发明了望远镜。1617年创立的三角测量法，开始了角度测量,1730年英国的西森制成第一架经纬仪促进了三角测量的发展。到20世纪初，由于航空技术发展，出现了自动连续航空摄影机，可以将航摄像片在立体测图仪上加工成地形图，促进了航空摄影测量的发展。计算机与电子技术阶段20世纪50年代起，测绘技术朝着电子化和自动化发展。如：电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、全站仪、测量机器人、3S技术。今天，测量学成为一门综合科学。它综合了当代最先进的技术和设备，如遥感、通信、电子、微电子以及光学、机械、电子的实用技术设备。计算机与电子技术阶段在测量方法上也由模拟成图演变成数字信息，测量就成为采集与地球形状和大小、地球表面上的各种物体的几何形状及空间位置相关的数据和信息，并对其进行处理、解释和管理的，成为应用广泛的实用技术之一，为经济建设、国防建设的各个部门和行业提供服务。测量学的分类1.普通测量学：也称地形测量学，是测量学的基础。研究确定地球表面小范围（10—25公里）内点位的理论和方法，不顾及地球曲率，把地球表面当作平面看待。2.大地测量学：研究地球表面广大区域点位测定的理论和方法。包括地球的大小和形状的测定、大地区控制测量、天文和重力测量。由于人造卫星的发射和遥感技术的发展，现代大地测量学又分为常规大地测量学和卫星大地测量学。测量学的分类3.摄影测量与遥感学：利用摄影相片或遥感技术来确定地面物体的形状、大小、性质、特征和空间位置的学科。测量学的分类4.海洋测绘学：以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编绘工作，属于海洋测绘学的范畴。5.工程测量学：研究工程建设和资源开发中，在规划、设计、施工、管理各阶段进行的控制测量、地形测绘和施工放样、变形监测的理论、技术和方法的学科。测量学的分类6.制图学：是利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印各种地图的工作，属于制图学的范畴。测绘学的现代发展◆全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）：它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统。测绘学的现代发展◆遥感（RemoteSensing,RS）：不接触物体本身，用传感器收集目标物的电磁波信息，经处理、分析后，识别目标物，揭示其几何、物理特性和相互联系及其变化规律的科学技术自然物体及其环境的可靠信息通过量测和解译过程被摄物体影像航空航天遥感技术框图各种类型传感器光谱反射曲线影象立方体成像光谱仪摄影测量学－－概述上海东方明珠塔（快鸟影像－－450km）罗马梵蒂冈大教堂,0.61m,真彩色罗马斗兽场（0.61米，真彩色）美国华盛顿（1米）测绘学的现代发展◆地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）：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。GIS能做什么？一、GIS功能缓冲区分析叠加分析空间查询网络分析地形分析。。。数据编辑与更新数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出数据采集与输入GIS功能和应用二、GIS主要应用领域资源管理区域和城乡规划灾害监测环境评估作战指挥交通运输宏观决策商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域返回GIS功能和应用数学运算研究统计学地理统计学认知科学计算机科学测量遥感摄影测量学制图学可视化符号学信息存储数据库模式识别计算几何计算机图形学人工智能旅游业航运市场资产管理产业/商业矿产开发设施维护公共信息查询公共管理考古学人文地理学社会科学健康护理规划流行病学环境科学地貌学土壤科学森林学地质学生态学水文学气象学地形测量环境测量社会、经济测量返回GIS学科树任务测绘分两部分：外业（测量）+内业（绘图）。外业（测量）分两部分：1、测量（地面→图纸）；2、放样（图纸→地面）；测量（地面→图纸）•定义：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成果，将地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、国防建设及科学研究使用。放样（图纸→地面）•定义：使用测量仪器和工具，使用一定的测量方法，按照一定的精度，把设计图纸上规划设计好的建（构）筑物的平面位置和高程标定在实地上，作为施工的依据。地球地球的形状TheHigh-ResolutionGeoidfromCHAMPplusSurfaceMeasurementData地球的形状和大小地球是一个表面起伏较大的椭球地球表面最高峰：8844.43m海洋底部最深处:11022.00m地球表面最大高差近20km地球平均半径:6371km地球又是一个近似光滑的水球大陆面积:占29%海洋面积:占71%大地水准面水准面：设想有一个自由平静的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，我们把自由平静的海水面称为水准面。水准面是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。大地水准面大地水准面：水准面有无数个，其中通过平均海水面的一个水准面称为大地水准面。由大地水准面所包围的地球形体称为大地体。大地水准面和铅垂线是测量工作的基准面和基准线。参考椭球面为使用方便，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。地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称为旋转椭球。参考椭球面椭球的基本元素有：长半径为a，短半径为b，扁率旋转椭球理论上是唯一的数学球体；旋转椭球参数，难以全球统一确定；各国自己测定并采用的旋转椭球称为参考椭球。abafZYXhNHH=h+NPQ地形表面参考椭球大地水准面基准面的示意图北京54坐标系•新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，在全国范围内开展了全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的“一边倒”政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。西安80大地坐标系以陕西省泾阳县永乐镇某点为大地原点进行定位，建立了全国统一坐标系，即“1980年国家大地坐标系”。1980国家大地坐标系大地原点—位于陕西省泾阳县永乐镇2000国家大地坐标系•2000国家大地坐标系，是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文缩写为CGCS2000。•2008年3月，由国土资源部正式上报国务院，并于2008年4月获得国务院批准。自2008年7月1日起，中国将全面启用2000国家大地坐标系，国家测绘局受权组织实施。地面点位的确定测量工作的实质是确定地面点的空间位置。坐标系：1.大地坐标系2.空间直角坐标系3.独立平面直角坐标系4.高斯平面直角坐标系5.地心坐标系大地坐标系表示地面点在地球椭球面上的位置，用大地经度L和大地纬度B表示。基准面：参考椭球面基准线：法线空间直角坐标系以椭球体中心O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为Z轴，指向符合右手规则。在该坐标系中，P点的点位用OP在这三个坐标轴上的投影x,y,z表示。独立平面直角坐标系测量工作中采用的平面直角坐标系如图所示。规定：南北方向为纵轴X轴，向北为正；东西方向为横轴Y轴,向东为正。（适用于测区半径小于10km的范围。）独立平面直角坐标系测量平面直角坐标系数学平面直角坐标系高斯平面直角坐标系•高斯投影：横切椭圆柱正形投影。又称为高斯—克吕格投影。•目的：将球面坐标转换为平面坐标。高斯投影OSN赤道面中央子午线M高斯投影方法投影剪开展平高斯投影中央子午线和赤道投影后成相互垂直的直线。中央子午线长度不变，离中央子午线越远变形越大。为保证投影精度，必须采用分带投影。高斯平面直角坐标系坐标原点：中央子午线和赤道的交点X坐标：中央子午线的投影向北为正。Y坐标：赤道的投影，向东为正。WENSByxA地心坐标系统•卫星定位系统采用的是地心坐标系统，它直接表示地面点的三维位置。•地心坐标是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。•参心坐标是以参考椭球体的中心为坐标原点，以椭球修整轴（短轴）为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。•WGS84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系•坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向,X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，•称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。WGS-84坐标系•WGS84坐标系与1980国家坐标系、1954北京坐标系是不同类型的坐标系统。•如果在现场采用GPS测量方法获得地面点的位置数据，通常应当根据技术要求，换算成1980国家坐标系、1954北京坐标系或者地方独立坐标系，才能用于实际的设计工作。WGS84坐标系与高斯坐标系高程系统定义：确定该点沿铅垂方向到某基准面的距离。绝对高程（海拔）：指某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，用Ｈ表示。相对高程：某点距假定水准面的铅垂距离。高差：地面上两点间的高程之差。ABHAHBH'AH'B黄海平均海水面大地水准面假定水准面hAB''ABABABHHHHh高程系统高程基准面如何确定，基准点的高程为多少呢？以青岛验潮站多年的观测资料求得黄海平均海水面，作为我国的高程基准面，建立了“1956年黄海高程系”，并在青岛市观象山上建立了国家水准基点（Ｈ=72.289m）。在1987年启用“1985国家高程基准”，此时测定的国家水准基点高程Ｈ＝72.260m。海水面是个动态的曲面，我国在青岛设立验潮站，长期观察和记录黄海海水面的高低变化，取其平均值作为大地水准面的平均位置（其高程为零），并在青岛观象山上建立了水准原点。将大地水准面的平均位置引测到水准原点，作为高程测量的起算点。我国的水准原点直线定向直线定向：确定地面直线与基准方向间的水平夹角（即确定一直线的方位角）标准方向（三北方向）由于我国在北半球，所以只研究北方向1、真北方向—地面上任一点在其真子午线处的切线北方向,不同地面点的真北方向收敛于地球北极2、磁北方向—地面上任一点在其磁子午线处的切线北方向,不同地面点的磁北方向收