测绘工程与地理信息系统作业指导书

测绘工程与地理信息系统作业指导书TOC\o"1-2"\h\u20311第1章绪论 430891.1测绘工程概述 42151.1.1测绘工程的发展历程 4150641.1.2测绘工程的主要任务 4144141.2地理信息系统概述 482401.2.1GIS的发展历程 4244911.2.2GIS的主要功能 5133211.2.3GIS的应用领域 522000第2章测绘基本知识 5196842.1测量坐标系 5258562.1.1地理坐标系 5115072.1.2投影坐标系 5201472.1.3本地坐标系 5157062.2测量误差与精度分析 5296012.2.1测量误差分类 541682.2.2精度分析 6269572.3测量基本方法 6186892.3.1距离测量 6170402.3.2角度测量 6166572.3.3高程测量 69334第3章地理信息系统基本原理 6154223.1地理数据模型 6212283.1.1矢量数据模型 6186843.1.2栅格数据模型 6317273.1.3面向对象数据模型 764983.2空间分析 7320243.2.1缓冲区分析 7166313.2.2叠加分析 7324513.2.3网络分析 7260733.2.4地统计分析 7228103.3地理信息系统设计 7102373.3.1系统需求分析 868613.3.2系统设计 8224353.3.3系统实现与测试 81601第4章遥感技术与应用 872164.1遥感原理 8167624.1.1遥感基本概念 8304734.1.2电磁波谱 856434.1.3遥感平台与传感器 9107934.2遥感图像处理 9188964.2.1图像预处理 921844.2.2图像增强 977494.2.3图像分类 998684.2.4图像解译 9132314.3遥感应用案例 9212664.3.1土地利用与覆盖变化监测 9139404.3.2环境监测与评价 9178874.3.3地质灾害预警与监测 9123754.3.4城市规划与管理 957504.3.5农业资源调查与监测 1025716第5章全球定位系统（GPS） 10262685.1GPS原理 1051635.1.1GPS系统概述 10179485.1.2GPS定位原理 10154555.2GPS测量技术 10167725.2.1静态定位 1055575.2.2动态定位 10235415.2.3网络RTK技术 11142575.3GPS数据处理 11297515.3.1数据预处理 11322335.3.2坐标系统转换 11224505.3.3基线解算 1119615.3.4精度评定 1166585.3.5数据输出与应用 1111694第6章摄影测量与激光雷达 11159246.1摄影测量原理 11263546.1.1摄影测量概述 11263606.1.2摄影测量基本原理 1273226.1.3数字摄影测量 12115886.2激光雷达技术 12119066.2.1激光雷达概述 12310446.2.2激光雷达工作原理 12135656.2.3激光雷达数据处理 12224056.3应用案例分析 12127396.3.1摄影测量应用案例 12216936.3.2激光雷达应用案例 1212578第7章地下管线探测技术 13319107.1地下管线探测方法 1397127.1.1电磁法探测 13155477.1.2地震波法探测 13240177.1.3钻探法 13127647.1.4地面物探法 1363387.1.5激光法探测 13246177.2探测数据处理 13261367.2.1数据采集与预处理 1337287.2.2数据解析与反演 13149257.2.3数据整合与成图 1430367.3地下管线管理系统 1431487.3.1系统架构 1444377.3.2数据管理 14322927.3.3信息查询与统计 14223077.3.4空间分析与应用 14297707.3.5系统维护与更新 1420764第8章地理信息系统软件应用 14224688.1常用GIS软件介绍 14324168.1.1ArcGIS 14253468.1.2SuperMap 15201398.1.3MapGIS 1556808.2ArcGIS软件操作 15249188.2.1软件启动与界面认识 1559438.2.2地图文档创建与管理 15313078.2.3地图显示与操作 1589208.2.4空间数据编辑与处理 15215068.3地理信息数据管理与可视化 1580648.3.1地理信息数据管理 15168338.3.2数据导入与导出 15101758.3.3数据可视化 1516047第9章测绘工程项目管理 16208839.1测绘工程项目组织与管理 16149769.1.1项目组织结构 16247979.1.2项目管理流程 16144699.1.3项目资源管理 16181149.1.4项目风险管理 16153899.2测绘项目质量控制 1673639.2.1质量控制原则 1656029.2.2质量控制体系 164549.2.3质量控制措施 16325159.2.4质量改进 16124139.3测绘项目成果验收 1773409.3.1成果验收标准 1786369.3.2成果验收程序 1749689.3.3成果验收内容 17252769.3.4成果验收结论 1721221第10章测绘与地理信息系统发展趋势 171802910.1新技术在测绘中的应用 171753610.1.1卫星遥感技术 17466110.1.2激光雷达技术 17703910.1.3无人机测绘技术 17251410.1.4北斗导航系统 171534410.2地理信息系统与大数据 18698010.2.1大数据在GIS中的应用 18549010.2.2GIS在大数据处理中的作用 181301610.3智能测绘与地理信息系统前景展望 183110910.3.1智能测绘技术 181659710.3.2地理信息系统的发展趋势 18第1章绪论1.1测绘工程概述测绘工程是一门综合性工程技术学科，主要研究地球表面及其附属物的形状、大小、空间位置和属性等信息，采用科学手段进行测定、表达和管理工作。测绘工程在我国经济社会发展中具有重要地位，其应用范围广泛，包括基础设施建设、城市规划、土地管理、环境保护、资源调查等多个领域。1.1.1测绘工程的发展历程测绘工程的发展可以追溯到古代，当时主要用于土地测量、地图绘制等。科学技术的进步，测绘工程方法和技术不断更新，特别是20世纪下半叶以来，全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）等现代测绘技术的出现，使得测绘工程取得了突破性进展。1.1.2测绘工程的主要任务测绘工程的主要任务包括：空间数据的采集、处理、分析和应用。具体表现为：地形测量、工程测量、地籍测量、海洋测量、重力测量等，为国民经济建设和社会发展提供基础数据和支撑。1.2地理信息系统概述地理信息系统（GIS）是一种基于计算机硬件和软件，对地球表面及附属物的空间数据和相关属性数据进行采集、存储、管理、分析和可视化表达的信息系统。GIS技术在我国得到了广泛应用，为资源管理、环境保护、城市规划、灾害防治等领域提供了有力支持。1.2.1GIS的发展历程GIS的发展始于20世纪60年代，最初主要用于地图制作和空间分析。计算机技术的快速发展，GIS的功能不断完善，应用领域不断拓宽，已成为地理信息领域的重要技术手段。1.2.2GIS的主要功能GIS的主要功能包括：空间数据采集、空间数据管理、空间数据分析、空间数据可视化、决策支持等。通过对空间数据的处理和分析，GIS可以为部门、企事业单位和社会公众提供及时、准确、可靠的空间信息服务。1.2.3GIS的应用领域GIS在众多领域得到了广泛应用，主要包括：资源管理、环境保护、城市规划、土地管理、灾害防治、交通物流、公共安全等。大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的快速发展，GIS的应用前景将更加广阔。第2章测绘基本知识2.1测量坐标系测量坐标系是进行测绘工作的基础，它为地球表面提供了一种统一的数学描述。本节将介绍常用的测量坐标系及其相关概念。2.1.1地理坐标系地理坐标系是以地球质心为原点，通过经度和纬度来表示地球上任意一点的位置。它包括三个主要参数：本初子午线、赤道和地球椭球体。2.1.2投影坐标系投影坐标系是将地球表面的三维地理坐标系转换成平面上的二维坐标系。常见的投影坐标系有高斯克吕格投影、墨卡托投影和通用横轴墨卡托投影等。2.1.3本地坐标系本地坐标系是在特定地区内为方便测量和绘图而建立的坐标系。它通常以某个基准点作为原点，通过正北方向和正东方向来表示其他点的位置。2.2测量误差与精度分析测量误差是测量值与真实值之间的差异，它直接影响测量结果的准确性。本节将介绍测量误差的分类、性质以及精度分析方法。2.2.1测量误差分类测量误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差。系统误差具有规律性，可通过校正方法消除；随机误差无规律性，可通过多次测量降低其影响；粗大误差通常是操作失误或设备故障导致，应予以剔除。2.2.2精度分析精度分析是对测量结果可信度的一种评价。常用的精度分析方法有标准差、相对误差、中误差等。还可以通过误差传播定律来分析测量误差在数据处理过程中的传播和累积。2.3测量基本方法测量基本方法包括距离测量、角度测量和高程测量。以下将分别介绍这三种测量方法。2.3.1距离测量距离测量是测绘工作中最基本的一项任务。常用的距离测量方法有：钢尺量距、视距测量、电子全站仪测量和全球定位系统（GPS）测量等。2.3.2角度测量角度测量是确定地面点之间方向关系的重要手段。常用的角度测量方法有：经纬仪测量、全站仪测量和激光测距等。2.3.3高程测量高程测量是确定地球表面点的高程值。常见的高程测量方法有：水准测量、三角高程测量、激光测距和GPS测量等。通过以上三种基本测量方法，可以获取地面点的空间位置信息，为地理信息系统（GIS）提供基础数据。第3章地理信息系统基本原理3.1地理数据模型地理数据模型是地理信息系统的核心组成部分，用于描述和表达现实世界中的地理现象和地理实体。本节主要介绍以下几种常见的地理数据模型。3.1.1矢量数据模型矢量数据模型通过点、线、面等基本几何图形来表示地理实体，适用于表达具有明确地理位置、边界和属性信息的地理现象。该模型具有以下特点：（1）图形数据结构简单，易于理解和操作；（2）数据存储占用空间较小，便于快速查询和分析；（3）图形显示清晰，便于用户观察和分析。3.1.2栅格数据模型栅格数据模型以规则网格单元表示地理实体，每个网格单元包含一个或多个属性值，适用于表达具有连续分布特性的地理现象。该模型具有以下特点：（1）数据结构简单，易于实现数据处理和图像显示；（2）适用于复杂的地理现象表达，如地形、土地利用等；（3）数据存储占用空间较大，但可通过压缩技术降低存储需求。3.1.3面向对象数据模型面向对象数据模型将地理实体抽象为对象，每个对象具有属性、方法和关系。该模型具有以下特点：（1）支持复杂地理实体的表达和建模；（2）有利于实现地理信息的抽象、继承和多态；（3）便于实现地理信息系统的模块化和组件化。3.2空间分析空间分析是地理信息系统的重要功能，用于解决地理空间问题。本节主要介绍以下几种常见的空间分析方法。3.2.1缓冲区分析缓冲区分析是指在给定点、线或面的周围创建一定范围的缓冲区域，以便分析其周边环境。缓冲区分析广泛应用于城市规划、环境保护等领域。3.2.2叠加分析叠加分析是指将两个或多个图层按照一定的规则进行合并，以产生新的图层。叠加分析可用于分析不同地理要素之间的相互关系，如土地利用与交通网络的叠加分析。3.2.3网络分析网络分析是指利用图论原理，对地理空间中的线性要素（如道路、河流等）进行建模和分析。网络分析在交通规划、资源分配等方面具有广泛应用。3.2.4地统计分析地统计分析是指利用地理数据的空间分布特征，进行空间变异性和空间相关性的分析。地统计分析在土壤调查、资源评价等方面具有重要应用。3.3地理信息系统设计地理信息系统设计是保证系统功能完善、功能稳定、易用性好的关键环节。本节从以下三个方面介绍地理信息系统设计。3.3.1系统需求分析系统需求分析是地理信息系统设计的基础，主要包括以下内容：（1）确定系统目标；（2）分析用户需求；（3）确定系统功能模块；（4）制定系统开发计划。3.3.2系统设计系统设计主要包括以下内容：（1）确定系统架构；（2）设计系统模块和数据结构；（3）选择合适的开发工具和技术；（4）制定系统开发规范。3.3.3系统实现与测试系统实现与测试是地理信息系统设计的重要环节，主要包括以下内容：（1）编码实现系统功能；（2）进行系统测试，保证系统稳定可靠；（3）对系统进行优化和改进；（4）撰写系统文档，为用户提供操作指南和帮助。第4章遥感技术与应用4.1遥感原理遥感技术作为一种获取地球表面信息的重要手段，其基本原理是通过传感器从远处获取地物的电磁波信息，并通过对这些信息的处理、分析和解释，实现对地表各类地物和现象的识别、监测和分析。本章首先介绍遥感的基本概念、电磁波谱以及遥感平台和传感器。4.1.1遥感基本概念介绍遥感的定义、分类及其发展历程。4.1.2电磁波谱阐述电磁波谱的基本概念，以及不同波段的电磁波在地物探测中的应用。4.1.3遥感平台与传感器介绍常见的遥感平台（如卫星、飞机等）及其搭载的传感器，分析不同传感器在测绘工程与地理信息系统中的应用特点。4.2遥感图像处理遥感图像处理是遥感技术应用的关键环节，主要包括图像预处理、图像增强、图像分类和图像解译等步骤。4.2.1图像预处理介绍遥感图像预处理的任务和目的，包括图像辐射校正、几何校正、图像配准等。4.2.2图像增强阐述遥感图像增强的方法和手段，如对比度增强、滤波处理等，以提高图像质量。4.2.3图像分类介绍遥感图像分类的基本方法，包括监督分类、非监督分类、模糊分类等。4.2.4图像解译分析遥感图像解译的方法和步骤，如目视解译、计算机辅助解译等。4.3遥感应用案例本节通过具体案例展示遥感技术在测绘工程与地理信息系统中的应用。4.3.1土地利用与覆盖变化监测介绍遥感技术在土地利用与覆盖变化监测中的应用，以实例说明监测方法及成果。4.3.2环境监测与评价阐述遥感技术在环境监测与评价中的应用，如大气污染、水体污染监测等。4.3.3地质灾害预警与监测分析遥感技术在地质灾害预警与监测中的作用，如滑坡、泥石流等地质灾害的监测与预警。4.3.4城市规划与管理介绍遥感技术在城市规划与管理中的应用，如城市土地利用规划、基础设施建设监测等。4.3.5农业资源调查与监测阐述遥感技术在农业资源调查与监测中的应用，如作物种植面积监测、作物长势评估等。通过以上案例，可以看出遥感技术在测绘工程与地理信息系统中具有广泛的应用前景。在实际应用中，需根据不同任务需求，选择合适的遥感数据、处理方法和解译技术，以提高遥感应用的准确性和有效性。第5章全球定位系统（GPS）5.1GPS原理5.1.1GPS系统概述全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）是美国国防部为满足军事需求而开发的一种卫星导航定位系统。该系统由空间卫星、地面监控站和用户设备三部分组成。GPS系统自20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成并投入使用。5.1.2GPS定位原理GPS定位原理基于卫星发射的无线电信号在空间中的传播时间。用户设备接收来自多颗卫星的信号，计算出接收器至各卫星的距离，进而确定接收器的位置。具体包括以下三个基本方程：（1）距离方程：根据信号传播时间计算接收器与卫星之间的距离。（2）位置方程：根据卫星轨道参数和接收器与卫星的距离，确定接收器的位置。（3）时间方程：通过卫星发射的精确时间信号，实现接收器的时间同步。5.2GPS测量技术5.2.1静态定位静态定位是GPS测量中最常用的方法，适用于精度要求较高的场合。静态定位要求接收器在测量过程中保持静止，通过长时间（通常为数小时）观测，获取足够多的卫星信号，从而提高定位精度。5.2.2动态定位动态定位是针对运动目标的定位方法。根据运动状态的不同，动态定位可分为实时动态定位（RTK）和后处理动态定位。实时动态定位通过差分技术，实时获取高精度定位结果；后处理动态定位则需在测量结束后，对观测数据进行处理，获得定位结果。5.2.3网络RTK技术网络RTK技术是基于多个基准站的数据，通过数据通信网络，实现高精度、实时动态定位的技术。该技术有效解决了传统RTK技术在距离和覆盖范围方面的限制，提高了定位精度和可靠性。5.3GPS数据处理5.3.1数据预处理数据预处理主要包括数据编辑、质量检查、剔除异常值等。目的是保证观测数据的可靠性和准确性。5.3.2坐标系统转换GPS观测数据通常采用WGS84坐标系，而实际应用中可能需要转换为其他坐标系（如北京54坐标系、西安80坐标系等）。坐标系统转换主要包括基准面和投影方式的转换。5.3.3基线解算基线解算是GPS数据处理的核心部分，目的是计算接收器之间的距离（基线向量）。基线解算方法包括最小二乘法、卡尔曼滤波法等。5.3.4精度评定精度评定是对GPS定位结果进行可靠性分析的过程。主要指标包括均方根误差（RMSE）、标准差等。通过精度评定，可以评估GPS定位结果的可靠性，为实际应用提供参考。5.3.5数据输出与应用GPS数据处理结果可输出为各种格式，如坐标、高程、速度等。在测绘工程和地理信息系统等领域，GPS定位结果广泛应用于地图编制、地形测量、资源调查等。第6章摄影测量与激光雷达6.1摄影测量原理6.1.1摄影测量概述摄影测量是利用照片来测定物体的形状、大小和位置的技术和方法。它具有数据获取速度快、信息丰富、实时性强等特点，广泛应用于测绘、建筑、交通、环境监测等领域。6.1.2摄影测量基本原理摄影测量的基本原理是通过在两个或多个位置对同一物体进行拍摄，获取物体在不同视角下的影像。通过几何原理和数学方法，结合相机的内外参数，对这些影像进行处理和分析，从而得到物体的空间位置和形状。6.1.3数字摄影测量数字摄影测量是摄影测量技术与计算机技术的结合，它将传统摄影测量的模拟方法数字化。数字摄影测量主要包括影像获取、影像处理、特征提取、立体量测等步骤。6.2激光雷达技术6.2.1激光雷达概述激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging）是一种利用激光脉冲进行距离测量的技术。它具有高精度、高分辨率、高速度等特点，适用于复杂地形和环境的测量。6.2.2激光雷达工作原理激光雷达通过发射激光脉冲，照射到目标物体上，部分激光脉冲被反射回来。接收装置接收这些反射的激光脉冲，并测量其往返时间，从而计算出目标物体与激光雷达之间的距离。6.2.3激光雷达数据处理激光雷达数据处理主要包括数据预处理、点云、点云滤波、点云分类等步骤。通过对激光雷达数据的处理，可以得到高精度的三维空间信息。6.3应用案例分析6.3.1摄影测量应用案例案例一：某城市地形测绘。采用数字摄影测量技术，获取城市高分辨率航拍影像，通过立体量测和地形分析方法，快速准确地得到地形图和三维模型。案例二：某隧道工程监测。利用摄影测量技术，对隧道施工过程进行监测，实时获取隧道开挖、支护等关键参数，保证施工安全。6.3.2激光雷达应用案例案例一：某山区林业调查。采用激光雷达技术，对山区森林进行扫描，获取树木高度、胸径等参数，为林业资源调查和管理提供精确数据。案例二：某城市道路设计。利用激光雷达扫描城市地形，快速获取高精度三维数据，为道路设计和施工提供基础资料。案例三：某考古遗址发掘。运用激光雷达技术对遗址进行扫描，获取遗址的三维结构，为考古研究提供重要信息。第7章地下管线探测技术7.1地下管线探测方法7.1.1电磁法探测电磁法探测是地下管线探测中应用最广泛的方法之一。该方法基于地下管线中电流产生的磁场变化原理，通过接收到的电磁信号判断管线的位置、深度和材质等信息。7.1.2地震波法探测地震波法探测利用地震波在地下介质中的传播特性，对管线进行定位和探测。该方法适用于各种管线，尤其是深埋管线的探测。7.1.3钻探法钻探法通过对地下管线周边土层进行钻孔，直接观察和测量管线位置、深度和状况。该方法准确性高，但成本较高，适用于关键区域的管线探测。7.1.4地面物探法地面物探法包括磁法、电法和重力法等，通过对地表物理场的变化进行探测，分析地下管线的分布情况。7.1.5激光法探测激光法探测利用激光在地下管线中的反射原理，对管线进行精确定位。该方法具有高精度、高效率等特点。7.2探测数据处理7.2.1数据采集与预处理在地下管线探测过程中，需对采集的数据进行去噪、滤波等预处理，提高数据质量。7.2.2数据解析与反演对预处理后的数据进行解析，采用反演算法求解地下管线的位置、深度等参数。7.2.3数据整合与成图将不同探测方法获得的数据进行整合，绘制地下管线分布图，为后续分析和管理工作提供依据。7.3地下管线管理系统7.3.1系统架构地下管线管理系统包括数据采集、数据处理、信息查询、空间分析等功能模块。7.3.2数据管理对探测得到的地下管线数据进行存储、更新和管理，保证数据的一致性和准确性。7.3.3信息查询与统计提供地下管线信息的查询、统计和输出功能，为部门、企业和社会公众提供便捷的服务。7.3.4空间分析与应用利用地理信息系统（GIS）技术，对地下管线空间分布进行分析，为城市规划、建设和管理提供决策支持。7.3.5系统维护与更新定期对地下管线管理系统进行维护和更新，保证系统稳定运行，适应不断变化的管线状况。第8章地理信息系统软件应用8.1常用GIS软件介绍地理信息系统（GIS）软件是进行空间数据处理、分析和可视化的工具。本节将简要介绍几款常用的GIS软件。8.1.1ArcGISArcGIS是由美国环境系统研究所（ESRI）开发的GIS软件，是目前业界应用最广泛的一款GIS软件。它具有强大的数据处理、分析和可视化功能，适用于地图制作、空间分析和地理设计等领域。8.1.2SuperMapSuperMap是我国自主研发的GIS软件，具有完全自主知识产权。SuperMap系列产品在地图制作、空间分析和三维可视化等方面具有较强的功能，广泛应用于城市规划、土地管理、地质勘探等行业。8.1.3MapGISMapGIS是由我国国家测绘地理信息局直属的地理信息系统研究所研发的GIS软件。它具有丰富的数据处理、分析和可视化功能，适用于各类地理信息系统应用。8.2ArcGIS软件操作本节以ArcGIS软件为例，介绍其基本操作方法。8.2.1软件启动与界面认识启动ArcGIS，了解其主界面布局，包括菜单栏、工具栏、地图显示窗口、目录窗口和属性窗口等。8.2.2地图文档创建与管理学习如何创建地图文档，以及如何导入、导出和保存地图文档。8.2.3地图显示与操作掌握地图放大、缩小、平移、旋转等基本操作，以及图层控制、地图标注、符号设置等方法。8.2.4空间数据编辑与处理学习空间数据的添加、删除、修改和查询等操作，以及空间数据的拓扑关系建立和空间分析。8.3地理信息数据管理与可视化8.3.1地理信息数据管理了解地理信息数据的类型、组织结构和管理方法，包括矢量数据、栅格数据和属性数据等。8.3.2数据导入与导出掌握将不同类型和格式的地理信息数据导入到GIS软件中，以及将处理后的数据导出到其他格式的方法。8.3.3数据可视化学习如何使用GIS软件进行地图制作，包括地图布局、图层设置、符号选择、标注添加等，以及地图打印和输出。通过本章学习，使读者掌握常用GIS软件的基本操作，为后续的空间数据分析、应用和决策提供技术支持。第9章测绘工程项目管理9.1测绘工程项目组织与管理9.1.1项目组织结构测绘工程项目应建立科学合理的项目组织结构，明确项目团队成员职责，保证项目高效运行。项目组织结构包括项目经理、技术负责人、质量控制人员、作业人员等。9.1.2项目管理流程制定测绘工程项目管理流程，包括项目策划、项目实施、项目监控和项目收尾等阶段。保证项目按照预定计划推进，实现项目目标。9.1.3项目资源管理合理配置项目资源，包括人力资源、设备资源、技术资源等，保证项目顺利进行。9.1.4项目风险管理识别项目潜在风险，制定风险应对措施，降低项目风险对项目进展的影响。9.2测绘项目质量控制9.2.1质量控制原则遵循科学、公正、严谨、高效的原则，保证测绘项目质量满足相关法律法规和标准要求。9.2.2质量控制体系建立完善的质量控制体系，包括质量计划、质量控制、质量验收等环节。9.2.3质量控制措施制定具体质量控制措施，包括数据采集、数据处理、成果编制等过程的质量控制。9.2.4质量改进针对项目实施过程中发觉的问题，及时进行分析和改进，提高项目质量。9.3测绘项目成果验收9.3.1成果验收标准依据相关法律法规、技术规范和合同要求，制定测绘项目成果验收标准。9.3.2成果验收程序按照成果验收标准，开展测绘项目成果验收工作，包括成果提