测量学第一章概论

1、工程测量工程测量主讲：主讲：周拥军周拥军单位：单位：上海交通大学船建学院土木系上海交通大学船建学院土木系Email:2022-4-30“测量测量” 广义的测量广义的测量机械测量，物理测量，光电测量机械测量，物理测量，光电测量, 长度范围可长度范围可以从纳米到空间测量以从纳米到空间测量 本课程的测量本课程的测量主要指主要指几何测量几何测量，是指用经纬仪、水准仪测量角度、，是指用经纬仪、水准仪测量角度、边长、高差等几何量来确定点的空间或平面位置，边长、高差等几何量来确定点的空间或平面位置，长度范围从长度范围从亚毫米到几十公里亚毫米到几十公里。知识结构知识结构课堂讲授课堂讲授实验实习实验实习数据计算

2、数据计算经验经验本课程的知识结构本课程的知识结构第一章第一章 概述概述1.1 测绘学简介测绘学简介1.2 地球的形状和大小地球的形状和大小1.3 地面点位的表示方法地面点位的表示方法1.4 测量工作的程序及基本内容测量工作的程序及基本内容1.5 水准面的曲率对观测量的影响水准面的曲率对观测量的影响 测绘科学研究的对象主要是地球的形测绘科学研究的对象主要是地球的形状、大小和地表面上各种物体的状、大小和地表面上各种物体的几何几何形状形状及其及其空间位置空间位置。1.1 1.1 测绘学简介测绘学简介1.1 测绘学简介测绘学简介测绘测绘是测量和地图制图的是测量和地图制图的简称。测量就是获取反映简称。测

3、量就是获取反映地球形状、地球重力场、地球形状、地球重力场、地球上自然和社会要素的地球上自然和社会要素的位置、形状、空间关系、位置、形状、空间关系、区域空间结构的数据。地区域空间结构的数据。地图制图是将这些数据经处图制图是将这些数据经处理、分析或综合后加以表理、分析或综合后加以表达和利用的一种形式。达和利用的一种形式。测绘学科结构测绘学科结构大地测量大地测量与测量工程与测量工程摄影测量摄影测量与遥感与遥感地图学与地图学与地理信息系统地理信息系统测绘学测绘学 工程测量工程测量（测量学）（测量学）测绘学科的发展历程测绘学科的发展历程古老的测量方法古老的测量方法皮尺、指南针等皮尺、指南针等光学仪器的测

4、量光学仪器的测量 经纬仪，水准仪等经纬仪，水准仪等电子仪器及其它测量方法电子仪器及其它测量方法电子经纬仪、全站仪、自动绘图仪、电子经纬仪、全站仪、自动绘图仪、GPS、遥感图片等、遥感图片等园林规划设计与测量园林规划设计与测量 测量是工程的测量是工程的“眼睛眼睛” 工程建设工程建设 测量测量 勘测设计勘测设计 控制、测绘地形图控制、测绘地形图 施工建设施工建设 施工、竣工测量施工、竣工测量 运营管理运营管理 安全监测、维修安全监测、维修 地形测量地形测量施工测量施工测量安全监测安全监测工程测量学发展的特点工程测量学发展的特点 测量内外业作业的测量内外业作业的一体化一体化 数据获取及处理的数据获取

5、及处理的自动化自动化 测量过程控制和系统行为的测量过程控制和系统行为的智能化智能化 测量成果和产品的测量成果和产品的数字化数字化 测量信息管理的测量信息管理的可视化可视化 信息共享和传播的信息共享和传播的网络化网络化测绘学科研究热点测绘学科研究热点3S3S GPS(Global Position System)全球定位系统全球定位系统 GIS(Geographic Information System)地理信息系统地理信息系统 RS (Remote Sensing)遥感遥感 GPS(Global Position System) 美国国防部开发，用以满美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空

6、间足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信中的位置、速度和时间信息的要求。同时也可以满息的要求。同时也可以满足民用的要求，定位精度足民用的要求，定位精度根据定位方法的不同而不根据定位方法的不同而不同，采用静态定位的方法同，采用静态定位的方法可以达到可以达到mmmm级级。 用用 户户 部部 分分 控控 制制 部部 分分 在可罗拉多州在可罗拉多州监监 控控 站站 Diego Garcia Diego Garcia Ascension Ascension Is.Is.KwajaleinKwajaleinHawaiiHawaiiGPS各组成部分之间的关系

7、各组成部分之间的关系GIS(Geographic Information System)空间数据空间数据属性数据属性数据空间数据和属性数据的综合体RS (Remote Sensing)北京地区北京地区4米遥感影象图米遥感影象图1.2 1.2 地球的形状和大小地球的形状和大小 地球是一个不规则的椭球体，地球地球是一个不规则的椭球体，地球的自然表面是一个不规则的曲面。的自然表面是一个不规则的曲面。 地球自然表面的平面表示地球自然表面的平面表示描述地球形状最重要的两个概念描述地球形状最重要的两个概念大地水准面大地水准面和和参考椭球体参考椭球体 大地水准面大地水准面水准面假设某个静止不动的水面延伸而穿

8、过陆地。包围地球而形成的一个闭合曲面称为水准面水准面。水面有高低之分，这样的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合地最好的水准面为大地水准面大地水准面。大地水准面的特点大地水准面的特点 大地水准面是一个等势面，该面上大地水准面是一个等势面，该面上任一点的铅垂线都垂直于该点上的任一点的铅垂线都垂直于该点上的切面；切面； 大地水准面是不规则的，不好用数大地水准面是不规则的，不好用数学语言来描述；学语言来描述； 大地水准面是测量的基准面。大地水准面是测量的基准面。中国中国2000似大地水准面似大地水准面地球的自然表面与大地水准面地球的自然表面与大地水准面参考椭球体参考椭球体 引入参考椭球体的原因：引

9、入参考椭球体的原因：由于地球内部质量分布不均匀，大地水由于地球内部质量分布不均匀，大地水准面也是一个不规则的曲面，如果将地准面也是一个不规则的曲面，如果将地球表面上的点投影到一个不规则的曲面球表面上的点投影到一个不规则的曲面上，在计算上会很困难，因此选用一个上，在计算上会很困难，因此选用一个非常接近大地水准面，可以用数学公式非常接近大地水准面，可以用数学公式表述的曲面来代替大地水准面。表述的曲面来代替大地水准面。参考椭球体的参数：122222bzayx旋转椭球体的方程为：其中a,b分别为长、短半轴长也可以给定扁率f=(a-b)/b参考椭球与大地水准面的关系参考椭球与大地水准面的关系此椭球适合欧

10、洲此椭球适合欧洲此椭球适合北美此椭球适合北美大地水准面大地水准面WGS84椭球的定位和定向椭球的定位和定向 确定椭球参数以后，还需要将椭球面确定椭球参数以后，还需要将椭球面与大地体面最佳切合，这一过程称为与大地体面最佳切合，这一过程称为椭球的定位和定向。椭球的定位和定向。 椭球定位：椭球定位：确定大地水准面与椭球面之间的相对关系以使椭球体与大地体间达到最好密合。 大地原点：大地原点：椭球定位中选取的相切点参考椭球体的确定参考椭球体的确定 每个国家都要求确定一个与本地区每个国家都要求确定一个与本地区吻合得最好的参考椭球体，用天文吻合得最好的参考椭球体，用天文测量的方法测定，其中我国于测量的方法测

11、定，其中我国于1954年和年和1980年对我国的参考椭球体的年对我国的参考椭球体的参数进行了精确测定。参数进行了精确测定。我国大地原点我国大地原点位于 陕省泾阳县永乐镇。我国统一采用的坐标系为“1980年国家坐标系”。大地原点大地原点1980年国家坐标系的椭球参数 我国确定的我国确定的1980年椭球体的参数为：年椭球体的参数为：a=6378137m,b=6356752m,f=1/298.257在近似计算中，也可以把地球近似当成球在近似计算中，也可以把地球近似当成球体，取近似半径为：体，取近似半径为：6371km.1.3 1.3 地面点位的表示方法地面点位的表示方法 1 地理坐标系地理坐标系 2

12、 空间直角坐标系空间直角坐标系 3 平面坐标系高程平面坐标系高程高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系地区平面直角坐标系地区平面直角坐标系建筑坐标系建筑坐标系 地面上点的高程地面上点的高程1.1.地理坐标系地理坐标系 天文地理坐标系天文地理坐标系用天文精度和天文纬度来表示地面点投影在大地水准面大地水准面上的位置。 大地地理坐标系（大地坐标系（大地地理坐标系（大地坐标系（B,L） 用大地精度L和大地纬度B表示地面上的点投影到参考椭球体参考椭球体上的位置。),(大地坐标与天文坐标的区别大地坐标与天文坐标的区别（1 1）参考基）参考基准不同准不同（2 2）测量方）测量方法不同法不同大地经度：大地经度：

13、过P点的子午面NPS与首子午面NMS所构成 的二面角叫做P点的大地经度，用L表示。大地纬度：大地纬度：过P点的法线 Pn与赤道面的夹角叫做P点 的大地纬度，用B表示。赤道平面赤道平面OPM大地经度大地经度L大地纬度大地纬度B BnLB起始子午面起始子午面SNL取值范围：取值范围：东经0180西经0180B取值范围：取值范围：北纬090南纬0902.空间直角坐标系（空间直角坐标系（X,Y,Z) 常用的地心坐标系取地球的质心为坐标原点，X,Y轴在地球的赤道平面内，首子午面与赤道平面的交线为X轴，Z轴与地球自转轴的方向重合。3.3.平面直角坐标系平面直角坐标系高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 地

14、图投影地图投影 地图投影（Map Projection）：把地球表面上的点归化到平面上称为投影。在大比例尺工程测量中，采用的最多的投影方式是高斯投影。高斯投影。高斯投影高斯投影 是一种是一种等角投影等角投影。它是由德国数学家。它是由德国数学家高斯高斯(Gauss，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，18571923)加以补充完善，故又称加以补充完善，故又称“高斯高斯克克吕格投影吕格投影”，简称，简称“高斯投影高斯投影”。 高斯投影的过程高斯投影的过程投影投影剪开剪开展展平平高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中央子午线中央子午线高斯投影

15、的原理高斯投影的原理NSc赤道赤道 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。高斯投影的特点：高斯投影的特点： 高斯投影是保角投影，即球面图形的角高斯投影是保角投影，即球面图形的角度和平面图形的角度保持不变；度和平面图形的角度保持不变； 长度有变形，中央子午线的长度保持不长度有变形，中央子午线的长度保持不变，离中央子午线越远，则变形越大。变，离中央子午线越远，则变形越大。投影的计算公式为：投影的计算公式为：量两点间的近似横坐标增：地球的平均曲率半径值两点间的横坐标的平均曲线在球面上的长度；度；曲线在高斯平面上的长:yR

16、yDDmm12:)2421 (222212mmmRyRyDD高斯投影的过程 （1）选择投影的中央子午线）选择投影的中央子午线一般以按经度6度或3度为一间隔进行投影。高斯投影的过程高斯投影的过程 （2）投影）投影设想取一个空心圆柱体与地球椭球体上的某一中央子午线相切，在球面图形与柱面图形保持等角的条件下，将球面图形投影在圆柱面上。然后将主体沿南北角的母线展开，形成平面图形。高斯投影的过程高斯投影的过程 （3 3）坐标值的计算）坐标值的计算X X轴向北为正，轴向北为正，Y Y轴向东为正，将每个投轴向东为正，将每个投影带的坐标原点向西移影带的坐标原点向西移500km500km，然后在前，然后在前面加

17、上带号。面加上带号。m20ba,20465760,2052768032240,27680babaYmYymy带，则：两点均位于假设3.平面直角坐标系平面直角坐标系地区平面直角坐标系地区平面直角坐标系 当测量的范围较小时，可以把该测区的地表当平面。将坐标原点选在测区西南角，以该地区中心的子午线为X轴方向。建立该地区的独立平面直角坐标系。3.3.平面直角坐标系平面直角坐标系建筑坐标系建筑坐标系 在房屋建筑或其它工程建筑工地，为了对平面位置进行施工放样的方便，所采用的直角坐标系与建筑设计的轴线垂直或平行。地面点的高程地面点的高程 地面上的点到大地水准面的垂直距离称为绝对高程（简称高程，又称海拔）。我

18、国的高程系统：我国的高程系统：水准原点水准原点 全国高程的起算点。全国高程的起算点。1985年国家高程基准年国家高程基准 （72.260m ）1956年黄海高程系年黄海高程系 （72.289m） 测量工作应遵循的基本原则是：测量工作应遵循的基本原则是：在布局上：“由整体到局部”在次序上：“先控制后细部”在精度上：“由高级到低级”1.1.测量的基本原则测量的基本原则以某厂区为例以某厂区为例2.2.控制测量控制测量 控制测量控制测量分为平面控制测量和高程控制测量，由一系列的控制点组成控制网，这些控制点应较均匀地分布与测区，以较高地精度来施测。测量的基本原则测量的基本原则控制网的布设控制网的布设3 细部测量细部测量 细部测量细部测量是在控制测量的基础上，测绘各控制点周围的地物和地貌。4 4 基本观测量基本观测量 （1）距离）距离 （2）角度）角度 （3）高差）高差上海磁悬浮上海磁悬浮控制网1.5 1.5 水准面的曲率对水准面的曲率对观测量的影响观测量的影响 测量工作是在不同高程的水准面上进行的。水准面是一个曲