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1、测量学王红一.测量学的定义和内涵早期的定义:研究地球的形状和大小,确定地面点位置及其相互间关系的学科。课程简介测绘学(Geodesy and cartography or Surveying and mapping)研究地理信息的获取、处理、描述和应用的科学。其内容包括测定、描述地球的形状、大小、重力场、地表形态以及它们的各种变化,确定自然和人造物体、人工设施的空间位置及属性,制成各种地图和建立有关信息系统。(中华人民共和国国家标准:工程测量基本术语标准GB/T50228-96)测绘学包括测量和制图测量工作的基本任务:确定地面点在规定坐标系中的坐标值(X,Y,Z)。测量工作的成果之一地形图课程
2、简介当前通常使用的地图:电子地图、导航地图、卫星影像图、三维地图普通测量学的核心内容:确定空间点的位置(X,Y,Z)及相互关系(地形图)电子地图卫星影像图三维地图数字地形图世界屋脊世界屋脊 -珠穆朗玛峰的高程测定珠穆朗玛峰的高程测定11011010101101101111用激光三维扫描仪检测飞机外形 船舶的外型尺寸大,新的分段船舶的外型尺寸大,新的分段建造和总段安装工艺对测量提出建造和总段安装工艺对测量提出了很高的要求,尤其是潜艇对外了很高的要求,尤其是潜艇对外型、舱容都有极高的三维坐标测型、舱容都有极高的三维坐标测量精度要求。量精度要求。测量在造船业的应用测量在造船业的应用轨道梁架设中用全站
3、仪施工定位1101101515大型加速器长达几十千米,磁铁大型加速器长达几十千米,磁铁的安装定位精度高达的安装定位精度高达0.10.15mm。世界上最大的整体反射面世界上最大的整体反射面天天线,口口径径100 110米由米由2004片铝板片铝板组成,成,安装表面精度达安装表面精度达0.23mm。测量精度要求测量精度要求 现代的测量学作为一门能采集和表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等几何信息,以及能把设计的建筑物、设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来的技术,在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。工程建设三阶段 测量的任务 1、规划勘测设计 测绘地形图测绘地形图 2 2、施工建设 施
4、工放样,变形观测,竣工测量施工放样,变形观测,竣工测量 3 3、运营管理 安全监测安全监测课程简介地形图测绘施工放样意大利阿尔卑斯山东面的村落之字形公路,海拔1700m,险湾48个。1101102424变变 形形 观观 测测运营中的变形监测竣工测量第一章第一章 绪论绪论 1-1 测量学的任务与作用 1-2 地面点位置的确定(重点)1-5 测量工作的基本内容和程序 1-3 地球曲率对测量工作的影响 1-4 地形图成图原理111 1 测量学的任务与作用测量学的任务与作用 一、测绘科学在人类文明发展史中的作用 1、测绘的起源和发展兴修水利 划分土地 封疆定域 军事、战争 星象定位 航海2、测绘成就设
5、备:机械光学仪器 电子、数字仪器 卫星测绘技术:常规测绘 3S技术(RS,GIS,GPS)数字地球分支学科研 究 对 象研 究 范 围任 务大地测量学地球形状、大小、重力场,固体潮大区域甚至整个地球考虑地球曲率的影响布设大地控制网,重力网精确测定地面点位,重力摄影测量与遥感各种图像记录大、小区域测绘地形图,资源勘察,地球板块运动,环境污染,灾害预报地 图制图学测量资料编绘地图,研究地图制作理论工艺技术,应用海洋水体和海底工 程测量学在各项工程建设中的测量理论方法小区域不考虑地球曲率的影响测绘地形图,施工放样,检验验收,竣工测量,安全监测等等分支学科海洋测量大、小区域测定海底地形、航道,海底沉积
6、物、障碍物,及海洋重力;编制海图在珠峰高山地区作重力测量在珠峰高山地区作重力测量1101103232利用卫星作地球重力测量利用卫星作地球重力测量1101103333航空摄影测量机载空间三维数据采集系统机身利用卫星定位机身利用卫星定位航片卫星像片 车载空间三维数据采集系统 地面摄影测量的自动化地面摄影测量的自动化1101103737内业处理外业调绘 外业调绘是将实地作业范围内的土地状况全部调查清楚,并正确标绘在航片或卫片蒙片上。内容包括:1、地类调绘;2、线状地物的调绘;3、境界和权属界线的调绘;4、零星地类调绘;5、飞地的调绘;6、外业补测;7、填写外业调查手簿。95、98叠加98年95年海洋
7、测量海洋测量船海洋环境参数测量系统海洋剖面测量系统海洋测区条件复杂海洋测区条件复杂,受潮汐、气象、透受潮汐、气象、透明度差等影响,需用特种仪器和方法明度差等影响,需用特种仪器和方法:卫星导航、惯性组合导航、天文测量、卫星导航、惯性组合导航、天文测量、水声定位系统、水下摄影量测等。水声定位系统、水下摄影量测等。研究模拟地图和数字地图的设计、编绘、复制的理论研究模拟地图和数字地图的设计、编绘、复制的理论和方法的科学。主要内容:和方法的科学。主要内容:地图投影地图投影地图编绘地图编绘地图整饰地图整饰地图出版地图出版地图制图学 1-2 地面点位置的确定地面点位置的确定一一.地球的形状和大小地球的形状和
8、大小 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%。高山陆地丘陵 海洋地球的制高点 珠穆朗玛峰海拔高程 8844.43m1101104444 1101104545地球海面下最深处高程为高程为 11000 m11000 m马里亚纳海沟斐查兹海渊剖面图1、大地水准面与平静的平均海水面相重合,并延伸通过陆地而形成的封闭曲面称为“大地水准面”。液体受重力而形成的静止表面称为水准面,由于海水有潮汐,所以水准面有无数个设想处于完全静止的海水面向陆地和岛屿延伸所形成的闭合曲面。大地体:大地水准面所包围的代表地球形状和大小的形体。大地水准面的特点:a 不规则的闭合曲线 b 处处垂直于铅垂
9、线,是重力等位面 c 作用:测量的基准面 d 计算:由于本身不规则无法用公式表示自然表面自然表面大地水准面大地水准面 由于大地水准面是一个不规则的曲面,不能用数学公式表述,因而需要寻找一个理想的几何体代表地球的形状和大小。该几何体必须满足两个条件:形状接近地球自然形体;可以用简单的数学公式表示。2参考椭球体及参考椭球面参考椭球体 一个非常接近大地体,并可用数学式表示几何形体,作为地球的参考形状和大小。它是一个椭圆绕其短轴旋转而形成的形体,故又称旋转椭球体。参考椭球面 参考椭球体外表面,是球面坐标系的基准面。参考参考参考参考椭球体球体球体球体的元素的元素年代年代国家国家长半半轴a短半短半轴b扁率
10、扁率=(a-b)/a1800德国德国1:3341841德国德国1:299.21880英国英国1:293.51909美国美国1:297.01940俄俄罗斯斯1:298.31975国国际大地大地测量与量与地球物理地球物理联合会合会 1:298.2571978中国中国1:298.2551980年年 美国美国1:298.257我国目前常用大地坐标系有:1)1954年北京坐标系:选用克拉索夫斯基椭球建立的坐标系,大地原点在苏联。2)1980年国家大地坐标系:选用IUGG75地球椭球,以陕西永乐镇为大地原点,建立的新的统一坐标系。3)WGS84 坐标系:是世界大地坐标系统,以地心为坐标原点,采用WGS84
11、椭球。我国现用的几个参考椭球元素值由于各个国家的版图面积和地形情况都不一样,为了得到一个和自己国家区域最符合的参考椭球面,将基本参考椭球元素作相应变动即可。3、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线法线。测量内业计算的基准面参考椭球面。O OG G铅垂线 二、确定地面点位的方法 地面点的空间位置可以用点在大地水准面上的投影位置(X,Y)及点到大地水准面的铅垂距离(H)来确定。如地面点:A(X,Y,H)CYABabcX1、地面点的高程地面点的高程:地面点沿铅垂方向到 大地水准面的距离。注:地面点在大地水 准面以上,H为正;地面点在大地水
12、准 面以下,H为负。如图:HA=166.780m HB=-136.680mA大地水准面HABHB绝对高程(海拔):某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。如:HA、HC。相对高程:某点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。如:HA、HC。高差:地面上两点高程之差。如:hAC=HC HA hAC=HC HA当hAC为正时,C点高于A点;当hAC为负时,C点低于A点.1、地面点的高程测定平均海水面(高程为零)的验潮站1101105757水准原点H0验潮站大地水准面青岛观象山水准原点青岛大港1号码头验潮站精密水准测量观测水准原点的稳定性 我国的高程系统水准原点 全国高程的起算点。1956年黄海高程系 (72.
13、289m)(青岛验潮站1950年1956年验潮数据)1985年国家高程基准(72.260m)(青岛验潮站1952年到1979年的验潮数据)目前我国统一采用1985年国家高程基准。1 1)地理坐标系(1 1)天文坐标系)天文坐标系(天文经度天文经度 天文纬度天文纬度 )。(2 2)大地坐标系)大地坐标系(大地经度大地经度 L;L;大地纬度大地纬度 B)B)注意:注意:地面上一点的天文坐标和大地坐标之所以不同,是因为各自根据的基准面和基准线不同天文坐标天文坐标依据的是大地水准面和铅垂线依据的是大地水准面和铅垂线大地坐标大地坐标依据的是旋转椭球面和法线依据的是旋转椭球面和法线2、地面点坐标GA首子午
14、面地球旋转轴赤道平面 格林尼治格林尼治A点子午面地理坐标平面直角坐标由于地理坐标是球面坐标,在工程建设规划、设计、施工中,测量和计算十分不便。投影:将球面坐标按一定的数学法则归算到平面上。即X=F1(L,B)Y=F2(L,B)我国采用高斯平面直角坐标,小地区范围内也可采用独立平面直角坐标。2)高斯平面直角坐标系(1 1)高斯投影的概念)高斯投影的概念 高斯投影是一种高斯投影是一种等角投影等角投影。它是由德国数。它是由德国数学家高斯学家高斯(Gauss(Gauss,17771855)17771855)提出,后经德提出,后经德国大地测量学家克吕格国大地测量学家克吕格(Kruger(Kruger,1
15、85718571923)1923)加以补充完善,故又称加以补充完善,故又称“高斯高斯克吕格投影克吕格投影”,简称,简称“高斯投影高斯投影”。NSc中中中中央央央央子子子子午午午午线线线线赤道赤道高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中中央央子子午午线线 (2 2)高斯投影的原理 高斯投影高斯投影采用分带投影。将椭球面按采用分带投影。将椭球面按一定经差分带,分别进行投影。一定经差分带,分别进行投影。(3)高斯投影的特性中央子午线中央子午线投影后为直线,且投影后为直线,且长度不变。长度不变。除中央子午线外,除中央子午线外,其余子午线其余子午线的投影均为凹向中央子午线的的投影均为凹向中央子午线的曲线,并以
16、中央子午线为曲线,并以中央子午线为对称对称轴轴。投影后有长度变形。投影后有长度变形。赤道线赤道线投影后为直线,但有长投影后为直线,但有长度变形。度变形。赤道赤道中央子午线中央子午线平行圈平行圈子午线子午线O Ox xy y除赤道外的其余纬线,投影后除赤道外的其余纬线,投影后为凸向赤道的曲线,并以赤道为为凸向赤道的曲线,并以赤道为对称轴。对称轴。经线与纬线投影后仍然保持正经线与纬线投影后仍然保持正交。交。所有长度变形的线段,其长度所有长度变形的线段,其长度变形比均大于变形比均大于l l。离中央子午线愈远,长度变形离中央子午线愈远,长度变形愈大。愈大。赤道赤道中央子午线中央子午线平行圈平行圈子午线
17、子午线O Ox xy y3、高斯投影的特性4 4、投影带的划分、投影带的划分 我国规定按经差我国规定按经差6 6和和3 3进行投影分带。进行投影分带。6 6带带自自首子午线首子午线开始,按开始,按6 6的经差自西向东的经差自西向东分成分成6060个带个带。3带带自自1.5 开始,按开始,按3的经差自西向东的经差自西向东分成分成120个带个带。6带与3带中央子午线之间的关系如图:3带的中央子午线与6带中央子午线及分带 子午线重合,减少了换带计算。工程测量采用3 带,特殊工程可采用1.5 带 或任意带。按照6带划分的规定,第1带中央子午线的经度为3,其余各带中央子午线经度与带号的关系是:L。=6N
18、3 (N为6带的带号)例:20带中央子午线的经度为 L。6 203117 按照3带划分的规定,第1带中央子午线的经度为3,其余各带中央子午线经度与带号的关系是:L。=3n(n为3带的带号)例:120带中央子午线的经度为L。3120360计算所在高斯投影带中央子午线经度 若已知某点的经度为L,则该点的6带的带号N由下式计算:N (取整)+1 若已知某点的经度为L,则该点所在3带的带号按下式计算:n (四舍五入)投影带计算5、高斯平面直角坐标系坐标系的建立:x轴 中央子午线的投影y轴 赤道的投影原点O 两轴的交点OxyP(X,Y)高斯自高斯自然坐标然坐标注:X轴向北为正,y轴向东为正。赤道赤道中央
19、子午线中央子午线 由于我国的位于北半球,在东经732713509,6带带号第1323带,3带带号第2545带,各带又独自构成直角坐标系。故:X值均为正,而Y值则有正有负。世界地图世界地图赤赤 道道5、高斯平面直角坐标系xyo500km =500000+=+636780.360m =500000+=+227559.720m国家统一坐标:国家统一坐标:(带号)(带号)(带号)(带号)5、高斯平面直角坐标系例:例:有一国家控制点的坐标有一国家控制点的坐标:x=3102467.280m,y=19367622x=3102467.280m,y=19367622380m380m,(1 1)该点位于)该点位于
20、6 6 带的第几带?带的第几带?(2 2)该带中央子午线经度是多少?)该带中央子午线经度是多少?(3 3)该点在中央子午线的哪一侧?)该点在中央子午线的哪一侧?(4 4)该点距中央子午线和赤道的距离为多少?)该点距中央子午线和赤道的距离为多少?(第(第19带)带)(L。=619-19-3=111)(先去掉带号,原来横坐标(先去掉带号,原来横坐标y367622.380500000-132377.620m,在西侧),在西侧)(距中央子午线(距中央子午线132377.620m,距赤道,距赤道3102467.280m)不同点:不同点:1 1、x x,y y轴互异。轴互异。2 2、坐标象限不同。坐标象限
21、不同。3 3、表示直线方向的方位角、表示直线方向的方位角 定义不同。定义不同。相同点:相同点:数学计算公式相同。数学计算公式相同。高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 与数学上的笛卡尔平面直角坐标系的异同点与数学上的笛卡尔平面直角坐标系的异同点 :高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系ooyyxxppx=Dcosy=Dsiny=Dsinx=Dcosy=Dsiny=DsinDD独立平面直角坐标当测区范围较小时,可将大地水准面看作平面,并在平面上建立独立平面直角坐标系;地面点的位置可用平面直角坐标确定;坐标系原点一般 选在测区西南角 (测区内X、Y均为正值);原点坐标值可以假
22、定,也可 以采用高斯平面直角坐标;规定:X 轴向北为正,Y轴向东为正。OXY测区北四、用水平面代替水准面的限度1、对距离的影响水准面上弧长为S,其所对圆心角为,地球的半径为R。水平面上直线长为t,其差值为S。相对差值:StABACS-=-=D322)(3131RSSSRSS=D=DACt 上式中取R=6371km,则 结论:在半径为10km的圆面积内进行长度的测量 时,可以不必考虑地球曲率的影响,即可把水准面当作水平面看待。S/km S/mm S/S511/48700001081/122000020661/3040005010271/487002、对高程的影响 用水平面代替大地水准面时,对 高
23、程的影响:结论:地球曲率的影响对高差而言,即使在很短的距离也必须加以考虑。S/km0.050.100.20110h/mm0.20.83.178.57850 hAC3、对水平角的影响球面三角形 内角和 球面角超P球面三角形面积R地球半径,结论:结论:当测区范围在当测区范围在100km100km2 2,用水平面代替水准面时,对,用水平面代替水准面时,对角度影响仅为角度影响仅为0.510.51,在普通测量工作中可以忽略不计,在普通测量工作中可以忽略不计e+=180re=2RP=520626r一、测量工作的基本内容一、测量工作的基本内容测量工作的主要目的是确定点的坐标和高程。待定点的坐标和高程一般不是直接测定的。ABabcD1D2hAChBC如图:A、B为已知点C为待定点投影平面投影平面C测量的三项基本工作:高程测量(H)角度测量(、)距离测量(S、D)测量工作的基本原则ABABDAB(XA,YA)XYhAB 二、测量工作的基本原则从整体到局部、先控制后碎部,复测复算、步步检核。优点:减少误差积累;避免错误发生;提高工作效率。
限制150内