工程测量之绪论

《工程测量》讲课学时：18（22）实验学时：14(10)

测绘工程学：是一门基础技术课，测绘工作是一项实践性很强的工作，可以锻炼动手能力，实践能力，培养当社会实践型、创造型复合人才。

应用领域：

水利工程、交通工程、电力通讯工程、城镇建设、“3S”系统等

培养目标：

实践能力、组织能力、创新能力。

课程要求：

基本理论、基本知识、基本技能。讲授内容第一章 绪论第二章 平面测量第三章 高程测量第四章

测量误差及测量数据初步处理第五章工程控制测量与定位测量第六章地图编制和地形图测绘第七章地图与地形图的应用第八章摄影测量与遥感(自学)第九章地理信息系统（自学）第十章建设工程测量

《工程测量》是资源、环境、土建学院等专业学生必修的一门专业课。通过本课程的学习、实验与实习，应使学生掌握有关测量学的一些基本概念，掌握常规测量仪器工具如S3水准仪、DJ6光学经纬仪等的使用方法；了解测量误差的来源和削弱方法。基本掌握评定测量精度的标准以及测量误差的累计规律，初步掌握建立小地区控制网和大比例尺地形图的测绘方法。熟悉地形图的应用及施工测量基本方法。使他们在绘图、读图、用图、计算等方面的能力得到锻炼，并与他们所学专业联系起来，以便在今后的生产、科研实践中，能从事工程的一般读图、用图、施工放样等工作。《工程测量》是一门实践性很强的课程，作为工程技术人员经常要应用常规测量工具进行外业观测，或采集数据，或放样点位，或工程测量，而对其动手能力的要求比较高，即要求其能熟练地进行观测、记录和计算。因此教师在教学过程中，除应注重理论教学外，还要特别重视学生实际操作能力的培养。必须安排一定的时间进行实验，并要求达到一定水平，使学生在实验、实习时间基本掌握主要仪器的使用方法。第一章绪论

本章主要讲述测量学概论。内容涉及测量学的任务和作用、地球的形状和大小、地面上点位的确定、高程和平面直角坐标概念、用水平面代替水准面的限度、测量工作概述。第一章绪论

[重点]高程和平面直角坐标

了解测量学学科领域技术发展概况和测量学的任务及学习要求；了解地球形状大小及水准面。大地水准面的意义；掌握地面点位的表示方法；掌握高程和平面直角坐标概念；了解用水平面代替水准面的限度；熟悉测量工作程序和组织原则。通过本章教学，要求学生熟悉测量学的任务和作用、地球的形状和大小、地面上点位的确定、高程和平面直角坐标概念、用水平面代替水准面的限度、测量工作概述等；掌握高程和平面直角坐标。

第一章绪论§1-1

测绘工程学概论§1-2

坐标系统及高程系统§1-3地面点定位及测绘工作基本原则§1-4国家大地测量体系概述1.定义（1）测绘工程学(现代)是研究地球空间信息的采集、处理、分析、描述和应用的学科。

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地球空间信息

----地球本身、地表及外层空间中各种自然物体与人工物体的空间位置信息。（2）测量学（传统）是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的学科。（3）比较：地表→空间工程建设→社会管理、日常生活静态→动态宏观量→微观量手工作业→自动化、信息化2.研究内容地球形状和大小、确定点的空间位置、绘制各种比例尺地图1.1.1测绘学的定义1.1.2测绘学分支

由于所涉及的研究对象、方式、手段各有不同，形成了不同的学科。1.大地测量学：研究测定地球形状、大小、重力场及其变化，通过建立区域和全球的三维控制网、重力网及利用卫星测量等方法测定地球各种动态的理论和技术的学科（或在广大区域建立国家大地基础控制网的学科）。2.摄影测量学与遥感：研究利用电磁波传感器获取目标物的几何和物理信息，用以测定目标物的形状、大小、空间位置，判释其性质及相互关系，并用图形、图像和数字形式表达的理论技术的学科。（GoogleEarth）4.工程测量学：在工程建设的规划、设计、施工、管理各个阶段进行测量的理论和技术的学科。3.地图制图学：研究地图投影与地球表面及其附属物形状的绘制与表述的理论与方法的学科。5.海洋测量学：以地球表面水体及水下地貌为测绘目标，研究其测绘理论和方法的学科。6.地形测量学：研究将小区域地面物体和现象通过测量绘制成地形图的学科。例如：铁路、公路建设的测量工作1)为了确定一条最经济合理的路线，必须预先测绘路线附近的地形图，在地形图上进行路线设计，然后将设计路线的位置标定在地面上以指导施工；2)当路线跨越河流时，必须建造桥梁。建桥之前，要测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、流速、流量和河床地形图以及桥梁轴线长度等，为桥梁设计提供必要的资料，最后将设计桥台、桥墩的位置用测量的方法在实地标定；3)当路线穿过山地需要开挖隧道时，开挖之前，必须在地形图上确定隧道的位置，根据测量数据计算隧道的长度和方向；隧道施工通常是从隧道两端相向开挖，这就需要根据测量成果指示开挖方向，保证其正确贯通。

1.1.3测绘学的发展简史1.测绘学的古代发展

早在公元前21世纪夏禹治水时，已使用了“准、绳、规、矩”四种测量工具。在天文测量方面，远在公元前2513—前2434年便开始观测日、月、五星，来定一年的长短，战国时已首先制出了世界最早的恒星表。秦代用颛顼历定一年的长短为365.25天。宋代的《统天历》，一年为365.2425日，与现代值相比，只有26秒的误差。

在研究地球形状和大小方面，我国于唐代（公元724年）在僧一行主持下，实量河南白马到上蔡的距离和北极高度角，得出子午线1度的弧长，为人类正确认识地球作出了贡献。

17世纪末，牛顿和惠更斯从力学的观点，提出地球是两极略扁的地扁说，从此与地圆说展开了一场大论战，直至1739年经过弧长测量才证实了地扁说的正确性。1849年，斯托克斯提出利用重力观测资料确定地球形状的理论。2.测绘学的近代发展17世纪以来，测绘学得到很大的发展，主要在以下方面：仪器：望远镜的应用（水准仪，经纬仪等光学仪器）测量方法：三角测量，水准测量，高程测量测量理论：高斯的最小二乘法理论和横圆柱投影理论3.现代测绘学发展

主要技术体现：测量与绘图测绘科学的理论与技术的发展：激光红外测距和激光指向定位、全球定位系统、摄影测量与遥感、数字化测量与地理信息系统以及现代数据处理理论。数字地球与３Ｓ技术（GPS、GIS、RS）近代：以几何、光学、机械学为基础。现代：以电子、信息、空间技术、计算机技术、激光技术为基础。像现在的“数字地球”、“数字中国”、“数字工程”、“数字城市”的基础是“3S技术”，支撑是通信技术和计算机技术。1.1.4测绘学在国民经济中作用1.为建设规划和工程设计提供空间信息基础资料－－图、影像、数据2.为工程建（构）筑物施工提供位置依据3.为检验工程质量和监视工程设施安全营运提供重要技术手段－－验收、变形监测4.为社会管理提供空间基础信息与空间定位保障－－各类管理信息系统应用：各行各业。

人类社会许多活动与测绘科学息息相关。从土地开发利用、地面建（构）筑物的建造到日常生活与社会管理，都要用到包括方向、距离、高度、位置、面积、体积等方面的空间信息，都要测绘科学的理论、技术予以支持和实现。

第一章绪论§1-1

测绘工程学概论§1-2

坐标系统及高程系统§1-3地面点定位及测绘工作基本原则§1-4国家大地测量体系概述1.2.1地球形状和大小

地球表面上海洋面积约占71﹪，陆地面积约占29﹪，世界第一高峰珠穆朗玛峰高达8844m，而在太平洋西部的马里亚纳海沟深达11034m。1.相关概念（1）基准线铅垂线－－即重力方向线（地心引力和离心力的合力）。细线吊一重物，重物下垂并稳定时细线方向为之。是测量野外作业的基准线。水平线－－与铅垂线正交的直线铅垂线

（2）基准面水平面－－与铅垂线正交的平面，是测量野外作业的基准面。水准面－－平静的水面无限延伸形成的曲面（或处于静止状态的水面向陆地延伸所形成的闭合曲面）。

特点：水准面上任意一点的铅垂线垂直水准面。是一个重力等位面（同一水准面上重力位相等）。有无数个，互不相交。大地水准面－－与平均海水面相重合的水准面（设想一个与静止的平均海水面相重合并向大陆内部延伸且包围整个地球的闭合水准面）。大地水准面是一个不规则曲面。是测量上的重要基准面。

特点：过面上任意一点的切面与铅垂线正交。也是一个重力等位面。有一个，唯一性。参考椭球面－－下述。是测量计算的基准面。2.地球形状地球体(不规则):代表整个地球形状和大小的数学体。大地体(不规则):

：大地水准面包围的形体。地球表面是不规则的曲面，用大地水准面可以近似代替地球表面的形状。参考椭球面(规则):

又称地球椭球体。与大地水准面拟合最好的椭球体（由一个椭圆绕其短轴旋转而成的椭球体）。或用一个非常接近于大地体且可以用简单数学公式表示的几何体来表示实际的地球形体。3.地球的大小长半径a=6378140m（6378137m)

短半径b=6356755.3m

扁率α＝(a-b)/a=1/298.257

两个参数定位：a、b或a、α。平均半径R=（a+a+b)/3≈

6371km*在小范围内（半径＜20km)进行角度或距离测量工作，可以将球面当作平面看待!同时用水平面代替水准面。地球大小的相关知识

我国先后三次选用不同的参考椭球参数1.1953~1975年间，采用前苏联克拉索夫斯基椭球体参数，长半径a=6378245m扁率α=1/298.3，并依此建立了“1954年北京坐标系”。

2.1980年以后，采用国际大地测量协会IAG1975年推出的参考椭球参数，长半径a＝6378140m，扁率α＝1／298.257，并在陕西泾阳县永乐镇设大地原点，称“1980年国家大地坐标系”（又称1980年西安坐标系）。3.2000国家大地坐标系所用椭球参数：长半轴α＝6378137m，短半轴b=6356755.3m，扁率f＝1/298.257222101（2008年7月1日开始采用）。国家大地原点简介国家大地原点简介1.2.2坐标系统1.地理坐标系(球面坐标系)--大地坐标系、天文坐标系

(L、B、H大)2.地心坐标系(X、Y、Z)3.高斯平面直角坐标系(x,y)

一个点的空间位置，是用它的坐标和高程来表示的，它是一个三维向量（x,y,H）。目前，测绘工作中常用的坐标系有大地坐标系、天文坐标系、地心坐标系和高斯平面直角坐标系。1.地理坐标系(球面坐标系)a.大地坐标系基准面

－旋转椭球体面投影方向－椭球体面法线表述:大地经纬度

上图表示以O为中心的地球椭球体。N为北极，S为南极，NS为自转轴。P′为地面点P在椭球面上的投影,如何表示P点位置(L、B、H大)。子午面：包含地球自转轴的平面，无数个。子午线（经线）：子午面与椭球面的交线，无数条。首子午线（本初子午线）：过英国格林威治天文台的子午线，一条。赤道面：过中心且垂直于地球自转轴的平面。赤道：赤道面与椭球面的交线。

赤道面与首子午面是确定地面点大地坐标的两个基准面。地面点的大地坐标可用L、B表示，L、B是从这两个基准面起算的。大地经度L：过P点的子午面与首子午面的夹角。两面角的平面角。向东0~180°为东经，向西0~180°为西经。大地纬度B：过P点的法线与赤道面的夹角。向北0~90°为北纬，向南0~90°为南纬。

我国范围为东经74°~135°、北纬3°~54°。b.天文坐标系(不述)基准面

－大地水准面投影方向－铅垂线表述:天文经纬度天文测量中才用P’2.地心坐标系（X、Y、Z）

为适应卫星大地测量的发展，需建立以地球质心为原点的空间直角坐标系，称地心坐标系。大地坐标系是以参考椭球体几何中心为原点的坐标系，称参心坐标系。

如WGS—84坐标系，原点为WGS—84椭球地球的质心，供GPS定位专用。3.平面直角坐标系（x、y）测量平面直角坐标系OyxⅢ象限Ⅱ象限Ⅳ象限Ⅰ象限Pxpyp

大地坐标是地面点的球面坐标而工程设计是在平面上进行的，需将点的位置和地面图形表示在平面上，用球面坐标不方便。故用平面直角坐标，为高斯平面直角坐标系。高斯平面直角坐标系数学笛卡尔坐标系

…纵轴

x,横轴

y---x、y互换…方位角:顺时针量---逆时针量，都是从x轴起算。…象限定义:顺时针---逆时针…三角函数公式不变---相同不同点：1、x，y轴互异。2、坐标象限不同。3、表示直线方向的方位角定义不同。相同点：数学计算公式相同。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：高斯平面直角坐标系笛卡尔坐标系ααooyyxxⅠⅠⅢⅡⅡⅣⅣⅢppx=Dcosαy=Dsinαx=Dcosαy=DsinαDD1.2.3高程系统大地高系统：以参考椭球体面为基准面的高程系统。

大地高:

表示地面点沿椭球面法线到椭球面的距离H大。

正高系统：以大地水准面为基准面的高程系统。

正高:

表示地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离。正常高系统：以似大地水准面为基准面的高程系统。

正常高：表示地面点沿该点的正常重力线到似大地水准面的距离。似大地水准面：是由基于地球正常椭球的地球正常重力场所求得的曲面，与大地水准面很接近。我国测量工作采用的高程系统是正常高系统。地面点高程:是地面点到一定高程基准面的垂直距离。高程系统:相对一定基准面所定义的高程体系。1.绝对高程（H）：地面点沿（正常）重力线方向到（似）大地水准面的距离。绝对高程属正常高系统的高程。绝对高程也称海拔。2.相对高程（H′）：地面点沿正常重力线方向到任意水准面的距离。3.高差（h）：地面两点的高程之差，用h表示。如图所示A、B两点，其高差为4.高程基准

a.1956年黄海高程系

根据青岛验潮站1950-1956年的验潮数据所确定的黄海平均海水面所定义的高程基准称1956年黄海高程系，其青岛水准原点起算高程为72.289m。

b.1985国家高程基准

根据青岛验潮站1952-1979年的验潮数据所确定的黄海平均海水面所定义的高程基准，称1985国家高程基准，其青岛水准原点起算高程为72.260m。c.地方高程基准（如大连、大沽、黄海、废黄河口、吴淞、珠江）

H珠江=H85-0.557m，H珠江=H56-0.586m，H85=H吴淞-1.717m珠峰高程：8848.13是1956年黄海高程系高程（1975年登峰时测的）

8844.43是1956年黄海高程系高程（2005年登峰时测的）

8844.40是1985国家高程基准高程（2005年登峰时测的）总结：坐标系统和高程系统以前采用1954年北京坐标系、1956年黄海高程系

现在采用1980年西安坐标系、1985国家高程基准

第一章绪论§1-1

测绘工程学概论§1-2

坐标系统及高程系统§1-3地面点定位及测绘工作基本原则§1-4国家大地测量体系概述1.3.1定位过程地面点定位:以某种技术过程确定地面点的位置。是测绘工作的基本任务。1.测绘--测定地面点空间位置的过程

使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定的符号缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。--表述形式

:ₘ图形₷数字x,y,H

2.测设--把设计拟定的点标定到地面上的过程,也称放样。

将地形图上设计出的建筑物、构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。1.3.2地面点定位元素

定位就是确定点平面坐标和高程，相应的观测量分别是水平角β、水平距离D和高差h，相应的工作分别是平面测量和高程测量。1.定位三要素：水平距离、水平角度、高差—地面点定位的基本元素2.测量工作基本内容：距离测量、角度测量、高差测量绝对定位:采用现代测量仪器和定位技术GPS可直接测定地面点的三维坐标。相对定位:由地面点与已知点的相对关系进行定位，可间接计算地面点的三维坐标。

后述内容为相对定位1.3.3测绘工作基本原则测绘工作要遵循三个基本原则：1、整体原则即“从整体到局部”原则。

---先考虑大范围再顾及小范围。2、控制原则即“先控制后碎部”原则。

---先有已知点，后测绘或测设。3、检核原则即“步步检核”原则。

---贯穿于定位的全过程，确保成果的可靠性。控制网的布设和测绘碎部点测绘测绘数据采集和绘图

第一章绪论§1-1

测绘工程学概论§1-2

坐标系统及高程系统§1-3地面点定位及测绘工作基本原则§1-4国家大地测量体系概述布设原则：1、分级布网、逐级控制：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等。2、足够的精度：满足全国性地图测制、全局性工程需要。3、足够的密度:

要求控制点密度尽可能大.4、应有统一的规格:

由许多单位、大量人员同时作业，故需制定统一的规范，按统一规格执行。1.4.1国家大地控制网的基本