第1章 绪论NEW 测量学

测量学,河海大学测绘科学与工程系贾东振jdz,学分：3学分（48学时）2学分（32学时）教材：测量学国防工业出版社特点：内容多实践性强,课程概况,教学内容,第一部分（第1章）测量学的基本概念和基本知识第二部分（第24章）高程、角度和距离测量的基本原理和方法第三部分（第5章）误差相关知识第四部分（第6、7章）平面、高程控制测量以及GPS测量第五部分（第8、9、10章）地形图的测绘及地形图的应用第六部分（第11、12章）工程测量基本工作及应用,实验要求,仪器安全：请勿损坏仪器课堂实习：严格按照规定的作业和操作程序进行数据记录：字迹清晰、端正，不得任意涂改结果计算：按平差规则、作计算检核、保证计算精度,第一章绪论,测量学的定义测量学的分类测量的基准面与基准线地面点位置的表示方法测量的基本工作和原则确定地面点位的方法高斯平面直角坐标系的建立,本章要点：本章难点：,测量学的产生,生产、生活的需要,战国李冰父子曾用一个石头人来标定水位；（现代水位测量）沈括测得“京师之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”。（水准）长沙马王堆汉墓出土的地图包括了地形图、驻军图和城邑图。（制图）埃及建造的金字塔（施工放样、定向）,汉.马王堆军事图,都江堰.石人,宋.地块图,明.鱼鳞图,埃及.金字塔,军事、交通运输的需要,战国时期修筑的午道，秦始皇修建的直道，古罗马构筑的兵道唐代李筌指出“以水佐攻者强，先设水平测其高下，可以漂城灌军，浸营，败将也,夏禹时，准、绳、规、矩的测量工具；战国时，最早的指方向的仪器司南开始应用；宋沈括绘制天下州县图，制做木图，比欧洲早700年；元朝郭守敬进行天文测量，实测27个点。推算一年为365.02425天,我国测量学的发展,唐代贾耽华夷图,禹陆行乘车，水行乘舟，泥行乘橇，山行乘撵，左准绳，右规矩，载四行，以开九州，通九道,一、测量学的定义,通俗来说解决的问题山有多高、海有多深？路有多远、地有多大？敢问路在何方？,测量学的定义（续）,它是研究地球的形状、大小以及地球表面各种形态的科学。主要任务：,确定地球的形状和大小，为地球科学提供必要的数据和资料；将地球表面的地物地貌测绘成图；将图纸上的设计成果测设至现场。,河海大学测绘科学与工程系,测量学的分类,大地测量学,摄影测量与遥感,地形测量学,工程测量学,地图制图学,2,测量学分类,二、测量学分类,2.1大地测量学,是“测定和描绘地球表面的科学”在广大区域建立国家大地控制网，测定地球形状、大小、重力场及其变化的技术方法的学科。,确定地球形状及其外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变（包括地壳垂直升降及水平位移），测定极移以及海洋水面地形及其变化等。研究月球及太阳系行星的形状及其重力场。建立国家和全球的各种控制网。研究高精度仪器和方法等。研究地球表面向椭球面或平面的投影变换及有关的大地测量计算。研究地面、空间及其联合网的数学处理理论和方法。,1975年5月27日，我国首次将测量觇标立于珠峰之颠。从珠峰附近选择了9个测点，它们分布在以珠峰为中心的69度的扇形区域内，至珠峰的距离为8.521.2公里，高程为56006240米。在9个测站上对珠峰觇标观测水平角和垂直角，根据水平角确定珠峰的水平位置和各测站至珠峰的水平距离。根据三角高程测量原理，由这些垂直角和水平距离确定各测站同珠峰之间的高差，在进行了天文、重力、气象测量等修正后，进而推得从我国黄海平均海面起算的珠峰高程为8848.13米。,珠峰测量-重测珠峰背景,起算面也即海拔原点的选择不同。我国珠峰高程起算面黄海海平面与印度洋海平面为例比较，两者就存在20厘米左右的差距。大地水准面的确定更加精确。珠峰冰雪层的变化，变化的范围为12m测量精度1975年我国珠峰测高没有采用激光测距手段。2005采用激光测距，使测量精度提高了一倍以上。,珠峰测量-8848.13受质疑的原因,珠峰测量-2005年珠峰测量,测量方法（1）传统大地测量方法包括导线测量、水准测量三角高程测量等（2）GPS测量方法实现过程：（1）从拉孜出发行进500km到达珠峰5600m处，精密水准测量方法（2）5600米起使用觇标、GPS、冰雪深雷达综合测量峰顶高度。,第一阶段测量：精密水准测量，路线长度500km,测量误差为：0.5mm/km。,第二阶段测量：三角高程测量,（6250米）,综合考虑各种误差的影响，本次测量的精度约为0.3m。珠峰高度为8844.43米。,大地测量学GNSS（GPS）,2.2地形测量学,研究小区域内地表各类物体形状和大小，将小区域内地物和地面起伏按一定比例缩小后，绘制成平面图或地形图的学科。,地形测量学，就是在小区域内对地物形状进行描述，然后依据一定的符号原则将其按比例缩小并绘制成平面图的一种科学。就实际来说是进行最多的一种测量方式。,实地景观一角,输出的等高线图,输出的三维透视图,2.3摄影测量与遥感,对非接触传感器获取的影像和数字表达的记录进行量测和解译的过程。是影像信息的获取，处理，提取和成果表达的一门信息科学。,摄影测量与建模,原始影像,处理后的影像,再处理后的影像,立面图,摄影测量改变了传统的对地测量方式，扩大了应用领域,近景摄影测量,航空摄影测量,遥感(RemoteSensing),南京遥感卫星影像,26,2002年9月5日,2006年8月27日,2007年10月21日,2008年8月18日,对遥感数据进行处理生成所需的正射影像图，将生成的正射影像图与基期土地利用现状空间数据库进行空间叠加分析，提取变化信息。变化信息以变更调查记录表和变更图斑位置示意图的方式来表示，以便于后面的GPS测量,基于RS技术的变更源发现,鸟巢、水立方、国家体育馆变迁,三维激光扫描,扫描点云,三维建模,三维激光扫描(续),2.4工程测量学,工程测量学是研究在工程建设和自然资源开发的勘测、设计、施工、管理各个阶段进行测量的理论和技术的学科。工程测量学包含控制测量、地形测绘、施工放样、变形监测及建立相应信息系统等内容。,道路测量,预制板检测、桥梁合龙,场地平整,桥梁监测,隧道测量,2.5地图制图学,地图制图学是研究绘制或表述地球表面及其附属物形状的成图理论与方法的学科。地图的表现形式有图形、图像和数字，是测绘行业的主要产品形式之一。,南京市1:5万地形图,37,铅垂线:某点的重力方向线称为铅垂线，简称垂线。,三、测量的基准线和基准面,3.1大地水准面,水准面假设有个静止的海水面，向陆地延伸形成的封闭曲面。地球上自由静止的水面都是水准面（无数个）大地水准面通过观测，求出平均高度海水面、并延伸通过陆地的不规则封闭曲面。它是重力等位面。（仅有一个）,大地水准面和铅垂线是野外观测的基准面和基准线,厦门各验潮站地理位置,平均水位：5.52m,由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地水准面是个复杂的曲面。无法准确描述和计算，也难以在其面上处理测量成果。,用一非常接近大地水准面的数学面代替大地水准面，这个面称为参考（旋转）椭球面，椭球面所包含的形体称为参考（旋转）椭球体。,外业：铅垂线和大地水准面内业：法线和参考椭球面,3.2参考椭球面,为什么要建立测量坐标系？,点的空间位置（三维）球面或平面位置（二维）高程（一维）,四、地面上点位的表示方法,常用的测量坐标系有那些？,测量工作的基本任务是确定点的空间位置。一个点的空间位置，需要用坐标系中的三个量来确定,地理坐标系大地坐标系高斯平面直角坐标系平面（独立）坐标系,4.1地理坐标系,1、地面点用经纬度表示则称为地理坐标;2、子午面与地球的交线为经线;3、起始子午线向东为东经，向西为西经;4、地面点与赤道面之间的夹角为该点纬度。,4.2大地坐标系,大地坐标是以法线和椭球体面为基准线和基准面地面上任意点P的空间位置为：P（L、B、H）参考椭球面与大地水准面相切的点称大地原点。该点的铅垂线与法线重合。,地面点用大地经度、大地纬度和大地高度表示的称为大地坐标系,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，大地原点在陕西省泾阳县永乐镇。WGS84世界大地坐标系，坐标原点在地心。CGCS2000地心坐标系，坐标原点在地球质心,投影定义：所谓投影就是建立起（椭）球面上的点与平面上的点一一对应的数学关系。投影目的：为了简化计算，要将（椭）球面上的元素归算（投影）到平面上。投影类型：高斯-克里格正形投影，等积投影，任意投影等。,4.3高斯平面直角坐标系,投影,高斯投影,投影的基本特征：,投影的方法及特征,中央子午线投影后为直线，且长度不变，距离中央子午线越远，投影后弯曲越大，长度变形也越大。除中央子午线外，其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线并向两极收敛，对称于中央子午线和赤道。赤道线投影后为有长度变形直线，其余纬圈投影后仍为对称的曲线，并与子午线的投影曲线互相垂直且凹向两极。,1、6分带法：从格林尼治零度经线起每6为一个投影带，全球共分60个投影带L0=6N-3,2、3分带法：从东经130起，每3为一个投影带，全球共分120个投影带L0=3N,6度带,3度带,高斯投影,投影分带的规定,例：,已知某点大地经度为126度36分，问该点各在6度带和3度带的那一带上？,解：,6度带：N=L/6（取整）+1=126.6/6（取整）+1=22度带3度带：N=L/3（四舍五入）=126.6/3（四舍五入）=42.2=42度带,高斯平面直角坐标系的建立,中央子午线投影后的直线为X轴、向北为正，以赤道投影后的直线为Y轴,向东为正，它们的交点为坐标原点。坐标象限自纵轴北方向顺时针顺序编号。,O,高斯平面直角坐标系（续）,由于我国的位于北半球，东西横跨11个6带(13-23)，各带又独自构成直角坐标系。故：X值均为正，Y值则有正有负。,赤道长：40000km6度带个数：60个每个6度带长度为40000/60=666km每带边缘距离坐标原点约333km,666km,高斯平面直角坐标系（续）,那么A点对假原点坐标xA=493275.6myA=500000+245863.7=745863.7m若投影带为20带，则通用坐标xA通=493275.6myA通=20745863.7m,假设A点对真原点坐标xA=493275.6myA=245863.7m,高斯平面直角坐标系（续）,将球面视为平面，将地面点直接沿铅垂线投影到水平面上；通常以当地北方向为X轴的正方向；向东为Y轴的正方向;适用于测区范围较小的局部地区。,4.4平面直角（独立）坐标,平面直角坐标（续）,补充：测量平面坐标系与数学坐标系,相同点：（1）两者都是直角坐标系（2）角度计量时都是沿从x轴到y轴的方向旋转（3）数学上的三角公式适用于测量平面坐标系,不同点：（1）坐标轴不同：测量坐标系横轴为Y轴；纵轴为X轴；数学坐标系相反；（2）象限顺序不同：测量平面直角坐标系以顺时针方向开始。,4.5高程,绝对高程(海拔):地面点到大地水准面的铅垂距离相对高程(假定高程):从某点到假定水准面的垂直距离高差:两点间的高程之差hAB=HA-HB,高程基准面如何确定呢？,以青岛验