实用工测测量基础(1绪论)

1、实用工程测量 定义：定义：测量学是研究地面点空间位置的测定、采集、数测量学是研究地面点空间位置的测定、采集、数据处理、存储与管理的一门应用科学。其核心据处理、存储与管理的一门应用科学。其核心问题是研究如何测定点的空间位置。其任务是问题是研究如何测定点的空间位置。其任务是 任务：任务： 1、测绘：地面的地物地貌、测绘：地面的地物地貌测量绘制成测量绘制成 图图 2、测设（放样）：、测设（放样）：将图上设计建（构）筑物的图将图上设计建（构）筑物的图 形和位置在实地标定，作为施工或定界的依据形和位置在实地标定，作为施工或定界的依据 图上的设计图上的设计实地实地 研究大范围地区的控制测量和地形测量。由于

2、人造卫星科学技研究大范围地区的控制测量和地形测量。由于人造卫星科学技术的发展，大地测量学又分为术的发展，大地测量学又分为常规大地测量学常规大地测量学与与卫星大地测量学，卫星大地测量学，后者是研究观测卫星确定地面点位，即后者是研究观测卫星确定地面点位，即GPS全球定位。全球定位。 研究地球表面局部区域的测绘工作，主要包括小区域控制测量、研究地球表面局部区域的测绘工作，主要包括小区域控制测量、地形图测绘和一般工程测设。通常称测量学就是指普通测量学。地形图测绘和一般工程测设。通常称测量学就是指普通测量学。 研究各种工程在规划设计、施工放样和运营中测量的理论和方研究各种工程在规划设计、施工放样和运营中

3、测量的理论和方法。法。 研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定物体的研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定物体的形状、大小和空间位置等信息的理论和方法。形状、大小和空间位置等信息的理论和方法。 研究各种地图的制作理论、原理、工艺技术和应用的一门学科。研究各种地图的制作理论、原理、工艺技术和应用的一门学科。1.在工程规划设计阶段在工程规划设计阶段 首先需要规划区的地形图，有精确的地形图和测绘成果，才首先需要规划区的地形图，有精确的地形图和测绘成果，才能保证工程的选址、选线、设计得出经济合理的方案。能保证工程的选址、选线、设计得出经济合理的方案。2.在工程施工阶段在工程施工阶段

4、 工程的施工，主要目的是把工程的设计精确地在地面上标定出工程的施工，主要目的是把工程的设计精确地在地面上标定出来，这就需要使用测量的仪器，按一定的方法进行施工测量。来，这就需要使用测量的仪器，按一定的方法进行施工测量。3.在工程运营与管理阶段在工程运营与管理阶段 为了能够正常运营或日后改进与扩建的需要，应进行竣工测量。为了能够正常运营或日后改进与扩建的需要，应进行竣工测量。对于大型或特殊的建筑物，还需进行周期性的重复观测，观测建对于大型或特殊的建筑物，还需进行周期性的重复观测，观测建筑物的沉降、倾斜、位移等，即变形观测，从而判断建筑物的稳筑物的沉降、倾斜、位移等，即变形观测，从而判断建筑物的稳

5、定性，防止灾害事故的发生。定性，防止灾害事故的发生。 实用工程测量包括普通测量学，并把普测中工程实用工程测量包括普通测量学，并把普测中工程测量内容加以扩充。实质上还是普通测量学。测量内容加以扩充。实质上还是普通测量学。 实用工程测量在工程各阶段建设中的作用实用工程测量在工程各阶段建设中的作用: 在建筑工地进行施工测量在建筑工地进行施工测量GPSGPS卫星定位测量卫星定位测量使用使用GPSGPS接收机接收机GPS全球定位系统全球定位系统测量珠穆朗玛峰高程测量珠穆朗玛峰高程1975年在在海拔年在在海拔6120米测量米测量珠穆朗玛峰高程。珠穆朗玛峰高程。珠峰高程为珠峰高程为8848.13m2005年

6、年5月重测珠峰高月重测珠峰高程程 ，用，用GPS全球卫星定全球卫星定位技术和传统的测量方位技术和传统的测量方法相结合重测珠峰高程法相结合重测珠峰高程为为8844.43m1.2 地面点位的测定地面点位的测定1.2.1测量的基准线与基准面测量的基准线与基准面2. 基准面：基准面： 空间任何一点都有水准面，处处和重力方向相垂直的曲面均空间任何一点都有水准面，处处和重力方向相垂直的曲面均称称水准面水准面，水准面就是测量的基准面。由于水准面的高度不同，水准面就是测量的基准面。由于水准面的高度不同，水准面有无穷多个，其中一个和平均的海水面重合，我们称之为水准面有无穷多个，其中一个和平均的海水面重合，我们称

7、之为大地水准面大地水准面，它是又一个测量的基准面。，它是又一个测量的基准面。地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重的作用，这两地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重的作用，这两个力的合力称重力，重力的方向线称为铅垂线。测量仪器悬挂垂球，个力的合力称重力，重力的方向线称为铅垂线。测量仪器悬挂垂球，指向重力方向，铅垂线就是测量的基准线。指向重力方向，铅垂线就是测量的基准线。 水准面与大地水准面概念水准面与大地水准面概念处处与处处与铅垂线铅垂线相垂直的曲面。相垂直的曲面。与与平均均海水面平均均海水面重合的水准面。重合的水准面。大地水准面地球表面水准面(平均海水面)铅垂线 大地水准面是有微小起

8、伏的复杂曲面，其原因是地球内部质大地水准面是有微小起伏的复杂曲面，其原因是地球内部质量分布不均匀，看下图：量分布不均匀，看下图：ZYXO地球椭球面大地水准面大地水准面面地球椭球地面低密度矿体高密度矿体 如果将地球表面上的图形投影到这个不规的大地水准面曲的如果将地球表面上的图形投影到这个不规的大地水准面曲的面上，计算时将非常困难。为此，选用一个非常接近于大地水准面上，计算时将非常困难。为此，选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来代替大地水准面作为进行测面、并可用数学式表示的几何形体来代替大地水准面作为进行测量数据处理，这个规则曲面就是旋转椭球面量数据处理，这个规则曲面就是旋转

9、椭球面（由椭圆（由椭圆NWSE绕短轴绕短轴NS旋转而得）旋转而得） 。如下图红色表示。如下图红色表示旋转椭球面旋转椭球面，它所包围的球体称为，它所包围的球体称为地地球椭球体球椭球体。ZYXO大地水准面地球椭球面 地球椭球的参数可用地球椭球的参数可用a(长半径长半径)、b（短半径）及（短半径）及（扁率）表示。扁率（扁率）表示。扁率为为 aba 1979年国际大地测量与地球物理联合归推荐的地球椭球参数年国际大地测量与地球物理联合归推荐的地球椭球参数a=6378140m=6378140m，b=6356755.3m,=6356755.3m, =1:298.257。 旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式

10、表示：旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式表示： 1222bzayax 按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作称椭球定位。定位按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作称椭球定位。定位时采用椭球中心与地球质心重合，椭球短轴与地球短轴重合，椭球与全球大地水时采用椭球中心与地球质心重合，椭球短轴与地球短轴重合，椭球与全球大地水准面差距的平方和最小，这样的椭球称准面差距的平方和最小，这样的椭球称总地球椭球总地球椭球。 总地球椭球与参考椭球的区别总地球椭球与参考椭球的区别PPPPababM铅垂线法线(大地原点）大地水准面总地球椭球体面参考椭球体面地面总地球椭球体参考椭球体赤道赤道（

11、北极）（南极）总地球椭球定位方法：椭球中心与地球中心重合，椭球短轴与地球自转轴重合等条件。参考椭球定位方法：椭球中心与地球中心不要求重合，要求椭球短轴与地球自转轴平行，使大地起始子午面与天文起始子午面平行，使椭球面与本国大地水准面充分接近。上述两种椭球大小相同：长半径a=6378140m，短半径b=6356755.3m，扁率=1:298.257用途：全球测图用途：国家测图 地面上选一点地面上选一点P P，由，由P P点投影到大地水准面点投影到大地水准面P P0 0点点, ,使使P P0 0上的椭球面与大地水上的椭球面与大地水准面相切，准面相切， 此时过此时过P P0 0点的铅垂线与点的铅垂线与

12、P P0 0点的椭球面法线重合，切点点的椭球面法线重合，切点P P0 0称为大地称为大地原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达到本国原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达到本国范围内的大地水准面与椭球面十分接近，范围内的大地水准面与椭球面十分接近，该椭球面称为该椭球面称为参考椭球面参考椭球面。我国大。我国大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球面与我国大地原点参考椭球面与我国大地原点国家大地原点国家大地原点地面点位的确定地面点位的确定需需3个参数：个参数：X（纵坐标）（纵坐标）,Y（横坐标）（横坐标）,H

13、 （高程）或（高程）或 ,H （高程）（高程） 从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。用经纬度从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。用经纬度表示点的位置，称为地理坐标。表示点的位置，称为地理坐标。PP1EE1首子午线赤道GGMMO M点的子午面点的子午面PMMP1 与首子午面所组成的二面角。与首子午面所组成的二面角。过过M M点的铅垂线与赤道面点的铅垂线与赤道面 EGMEEGME1 1的夹角的夹角 1.地面点在投影面上的坐标地面点在投影面上的坐标 (1)(1)独立平面直角坐标系（假定平面直角坐标系）独立平面直角坐标系（假定平面直角坐标系） m(x,y)X轴为南北方向，轴为南北方向，

14、Y轴为垂直于南北的东西方向，坐标原点在测轴为垂直于南北的东西方向，坐标原点在测区西南角区西南角 X轴可采用：轴可采用：(1)真子午线方向；真子午线方向； (2)磁子午线方向；磁子午线方向；(3)建筑物主轴线方向。建筑物主轴线方向。 测量上测量上数学上OYXx y测区OXYXYm(x,y)测量直角坐标系与数学直角坐标系不同点有测量直角坐标系与数学直角坐标系不同点有3点：点：(1)过坐标原点的南北方向为纵轴，即过坐标原点的南北方向为纵轴，即X轴，垂直于南轴，垂直于南北方向（东西方向）为横轴，即北方向（东西方向）为横轴，即Y轴。数学直角坐轴。数学直角坐标系横坐标为标系横坐标为X轴，纵坐标为轴，纵坐标

15、为Y轴。轴。(2) 以纵坐标以纵坐标X轴正向为起始边，顺时针量算角度，象轴正向为起始边，顺时针量算角度，象限限、顺时针排列。数学直角坐标以横顺时针排列。数学直角坐标以横坐标坐标Y正向为起始边，逆时针量算角度，象限逆时正向为起始边，逆时针量算角度，象限逆时针排列。针排列。(3) 数学上坐标原点数学上坐标原点x0、y0均为均为0。测量上，为使地面。测量上，为使地面各点坐标均为正数，坐标原点选在测区的西南角或各点坐标均为正数，坐标原点选在测区的西南角或假定一对较大的正整数，北京市测量坐标系原点坐假定一对较大的正整数，北京市测量坐标系原点坐标：标：x0=300km，y0=500km。(2)(2)高斯平

16、面直角坐标系高斯平面直角坐标系 (a)高斯投影的原理高斯投影的原理 把地球椭球面上的图形展绘到平面上，必然产生变形。为了减把地球椭球面上的图形展绘到平面上，必然产生变形。为了减少变形误差，采用一种适当的投影方法，这就是高斯投影。少变形误差，采用一种适当的投影方法，这就是高斯投影。 高斯投影是将地球划分为若干个带，先将每个带投影到圆柱面高斯投影是将地球划分为若干个带，先将每个带投影到圆柱面上。然后展成平面。我们可以设想将一个空心的椭圆柱横套地球，上。然后展成平面。我们可以设想将一个空心的椭圆柱横套地球，使椭圆柱的中心轴线位于赤道面内并通过球心。将地球按使椭圆柱的中心轴线位于赤道面内并通过球心。将

17、地球按6 6分带分带, , 从从0 0起算往东划分起算往东划分, 0, 06 6为第为第1 1带带, 6, 61212为第为第2 2带带, , 174174180180为第为第3030带带, ,东半球共分东半球共分3030个投影，按带进行投影。个投影，按带进行投影。进进行第行第1 1带投影时，使地球带投影时，使地球3 3经线与圆柱面相切，经线与圆柱面相切，3 3经线长不变形。经线长不变形。 036YY1296XX036YXXY1296高斯投影分带高斯投影分带123131415161718192021222312345242526272829303132333435363738394041424

18、4454606121872788490961021081141201261321381 306带3带图中上半部为图中上半部为6度带分带情况：度带分带情况：将地球按将地球按6分带分带, 从从0起算往东划分起算往东划分, 06（第（第1带）带）, 612（第（第2带）带）, 174180（第（第30带）带）,东半球共分东半球共分30个投影个投影，我国领土从，我国领土从1323带。带。图中下半部为图中下半部为3带分带情况：带分带情况：1 304 30 （第（第1带），带），4 30 （第（第2带）带） ，我国领土，我国领土3带从带从2446带。带。(b)高斯投影特点：高斯投影特点： 等角等角:即椭球

19、面上图形的角度投即椭球面上图形的角度投影到平面之后，其角度相等，无角影到平面之后，其角度相等，无角度变形，但距离与面积稍有变形。度变形，但距离与面积稍有变形。 中央经线投影后仍直线，中央经线投影后仍直线，且长且长度不变形，见右图。度不变形，见右图。 因此因此用这条直用这条直线作为平面直角坐标系的纵轴线作为平面直角坐标系的纵轴x轴轴。而两侧其他经线投影后呈向两极而两侧其他经线投影后呈向两极收敛的曲线，并与中央经线对称，收敛的曲线，并与中央经线对称，距中央经线越远长度变形越大。距中央经线越远长度变形越大。 赤道投影也为直线。因此赤道投影也为直线。因此,这条直线作为平面直角坐标的横轴这条直线作为平面

20、直角坐标的横轴y轴。轴。南北南北纬线投影后呈离向两极的曲线，且与赤道投影对称。纬线投影后呈离向两极的曲线，且与赤道投影对称。 NSNS0606圆桩面Y轴X轴投影带中央经线赤道投影(c)高斯平面直角坐标系定义：高斯平面直角坐标系定义：高斯投影各带构成独立的坐标系，中高斯投影各带构成独立的坐标系，中央经线为央经线为x轴，赤道投影为轴，赤道投影为y轴，两轴的交点为坐标原点。轴，两轴的交点为坐标原点。 按高斯直角坐标定义可知：按高斯直角坐标定义可知：X轴西轴西边各点的边各点的Y值均为负。为使值均为负。为使Y值为正值，值为正值，将将Y实际实际 均加均加500km，称，称Y的通用横坐标的通用横坐标, 即即

21、 Y通用通用= 带号带号+Y实际实际+500km高斯平面直角坐标系的通用横坐标高斯平面直角坐标系的通用横坐标例：例：n点在点在20带，其实际坐标带，其实际坐标 Y实际实际=-113424.690mY通用通用=20（ -113424.690m +500000） =20 (386575.310) m =20386575.310 m XmY中央子午线中央子午线作作X轴轴赤道投影作Y轴XYm500k omXno由由通用横坐标通用横坐标换算换算实际横坐标实际横坐标公式如下：公式如下： Y实际实际= Y通用通用（去掉第（去掉第1、2位带号）位带号）-500000 注：我国领土从注：我国领土从1323带，带

22、号占两位。带，带号占两位。例如：某点通用横坐标例如：某点通用横坐标Y通用通用=20386575.310m，求该，求该 点实际横坐标。点实际横坐标。 Y实际实际= 386575.310-500000 =-113424.6902、地面点的高程、地面点的高程 地面上任意点至水准面的垂直距离，称为该点的高程。某点至地面上任意点至水准面的垂直距离，称为该点的高程。某点至大地水准面的垂直距离称该点的大地水准面的垂直距离称该点的绝对高程绝对高程（海拔）。（海拔）。 我国规定青岛验潮站我国规定青岛验潮站1950年至年至1956年统计资料所确定的黄海平年统计资料所确定的黄海平均海水面作为统一全国基准面。并在青岛

23、观象山建了水准原点。水均海水面作为统一全国基准面。并在青岛观象山建了水准原点。水准原点至黄海平均海水面的高程为准原点至黄海平均海水面的高程为, 这个高程系统称为这个高程系统称为“”。 80年代初，国家又根据年代初，国家又根据1953年至年至1979年青岛验潮站观测资料，年青岛验潮站观测资料，算得水准原点高程为算得水准原点高程为, 该高程系统称为该高程系统称为“”。从。从1985年年1月月1 日起执行新的高程基准。日起执行新的高程基准。中国黄海高程系统示意图中国黄海高程系统示意图我国两个高程系统我国两个高程系统 (1)19561956黄海高程系黄海高程系 (2)1985(2)1985国家高程基准国家高程基准AB大 地 水 准 面假 定 水 准 面B相对高程HAHBHAH绝对高程hAB：从地面某点沿铅垂线到大地水准面：从地面某点沿铅垂线到大地水准面 的垂直距离，如的垂直距离，如HA、HB。：从地面某点沿铅垂线到假定水准面的垂直距离，如：从地面某点沿铅垂线到假定水准面的垂直距离，如HA、HB 。两点之间高程之差两点之间高程之差 h hABAB= H= HB B- H- HA A= H= HB B -H -HA A h hABAB有正负有正负 B B点高于点高于A A点时，点时，h hABAB为（），表示上坡。为（），表示上坡。 B B点低于点低于A A点时，点时，h hABA