控制测量学教程.

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1、东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 控控 制制 测测 量量 学学 东华理工学院测量系东华理工学院测量系 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 第一章第一章 绪绪 论论 一、大地测量学的定义和作用 二、控制测量学的基本任务和内容 三、控制测量的基准面和基准线 四、控制网的布设形式 五、控制测量新技术的发展应用 六、大地测量学的发展简史与展望 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 一、大地测量学的定义和体系一、大地测量学的定义和体系 u大地测量学： 是“测定和描绘地球表面的科学”。 主要任务： 测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动 提供关于地球的空间信息。 u包括： 精确测定

2、地球表面点的地理位置，研究地 球形状、大小和地球表面外部重力场，以 及它们随时间的变化。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 大地测量学的地位和作用 u在国民经济各项建设和社会发展中，发挥 着基础先行的重要保证作用 ，是一切测绘 科学技术的基础。 u在防灾、减灾、救灾及环境监测、评价与 保护中发挥着独具风貌的特殊作用 。 u是发展空间技术和国防建设的重要保障。 u在当代地球科学研究中的地位更加重要。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 大地测量学的基本体系大地测量学的基本体系 测量学 大地测量学 测 量 学 的 两 个 分 支 研究范围是不大 的地球表面，把 地球表面认为是 平

3、面且不损害测 量精度，计算时 也认为在该范围 内的铅垂线彼此 是平行的。 研究全球或相当大范围内的地球， 铅垂线被认为彼此不平行，同时顾 及地球的形状及重力场。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 常规大地测量学的基本体系： u应用大地测量学以研究建立国家大地测量控 制网为中心内容 ； u椭球大地测量学 以研究坐标系建立及地球 椭球性质以及投影数学变换为主要内容 ； u天文大地测量学 以研究测量天文经度、纬 度及天文方位角为中心内容 ； u重力大地测量学 以研究重力场及重力测量 方法为中心内容 ； u测量平差以研究大地测量控制网平差计算为 主要内容 ； u电磁波测距大地测量学 大地测量

4、学同无线 电电子学相结合 ； 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 与其它相关学科的发展相联系： u电磁波测距大地测量学 同无线电电子学相结合 ； u宇宙大地测量学 与天体力学及天文学结合 ； u海洋大地测量学 与海洋地质学及海洋导航学结合 u地球动力学 与地球物理、海洋地质学及地质学相 结合 ； u卫星大地测量学 与人造地球卫星学及天体力学相 结合 ； u惯性大地测量学 以惯性原理为基础，利用加速度计 测量运动物体某方向加速度，通过计算机积分计算得到 运动物体空间位置 ； u现代大地测量数据处理学 与线性代数、矩阵、概率 统计及优化设计、数值计算方法等相结合 ； 东 华 理 工 学 院

5、 控 制 测 量 学 现 代 大 地 测 量 学 的 基 本 体 系 (1)(1)几何大地测量学 确定地球的形状、大小及地面点的 几何位置。 主要内容是关于国家大地测量 控制网(平面和高程)建立的基本原理 和方法，精密角度测量，距离测量 ，水准测量；地球椭球数学性质， 椭球面上测量计算，椭球数学投影 变换以及地球椭球几何参数的数学 模型等。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 现 代 大 地 测 量 学 的 基 本 体 系 （2 2）物理大地测量学）物理大地测量学 用物理方法(重力测量)确定地球形状 及其外部重力场。 主要内容包括位理论，地球重 力场，重力测量及其归算，推求地 球形状及

6、外部重力场的理论与方法 等。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 现 代 大 地 测 量 学 的 基 本 体 系 （3 3）空间大地测量学）空间大地测量学 以人造地球卫星及其他空间探测器 为代表的空间大地测量的理论、技 术与方法。 新特征: 测量范围大；研究对象和范围不断 深入、全面和精细；观测精度高； 测量周期短。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 现代大地测量学基本科学技术内容 u(1) 确定地球形状及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，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 u (2) 研究月球及太阳系行星的形状及重力场。 u (3)

7、建立和维持具有高科技水平的国家和 全球的天文大地水平控制网和精密水准网 以及海洋大地控制网，以满足国民经济和 国防建设的需要。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 现代大地测量学基本科学技术内容 u(4) 研究为获得高精度测量成果的仪器和 方法等。 u (5) 研究地球表面向椭球面或平面的投影 数学变换及有关的大地测量计算。 u (6) 研究大规模、高精度和多类别的地面 网、空间网及其联合网的数学处理的理论 和方法，测量数据库建立及应用等。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 二、控制测量学的任务和内容二、控制测量学的任务和内容 u控制测量是研究精确测定地面点空间位置的学 科

8、如（X、Y、Z）、（L、B、H）。 u控制测量的特点： 服务对象主要是各种工程建设、城镇建设和土地规划与 管理工作。 测量范围比大地测量小，测量手段、数据处理多样化。 u工程建设大体可分为设计、施工、运营3个阶段 设计阶段-测图控制网 施工阶段-施工控制网 运营阶段-变形观测专用控制网 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 主要内容： 研究：研究： u国家大地控制网（平面与高程）的建立基本原 理与方法； u精密测角（方向）、测边，精密水准测量； u地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球 数学投影以及地球椭球几何参数的数学模型等 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 三、地球形体和

9、控制测量的基三、地球形体和控制测量的基 准面和基准线准面和基准线 1.地球自然表面 、地球体 地球的固 体和液体 部分相对 于大气的 分界面 地球自然表面包围的形体 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 2、大地水准面、大地体 u重力 （离心力、地心引 力的合力） u重力方向 铅垂线方向 u水准面 静止状态的水 面（无数个）， 重力位能相等。 测量中，要求仪器的垂直轴与铅垂线一致，故 铅垂线是外业测量工作的基准线。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 大地水准面 u用占地球表面71%的海水面代替地球的形体， 并作为测量外业工作统一的基准面大地水 准面。 u假定海洋的水体，只受重力

10、作用，无潮汐、风 浪影响，处于完全静止和平衡状态，将海洋的 表面延伸到大陆的下面并处处保持着与垂线方 向正交这一特点，也是一个水准面，称这一特 定的水准面为大地水准面大地水准面。 u所包围的形体称大地体大地体。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 u地球内部质量分布不均匀，地壳有高低起伏，所 以重力方向有局部变化，致使处处与重力方向垂 直的大地水准面也就不规则，它不能作为大地测 量计算的基准面。 u必须寻找一个与大地体相近的，能用简单的数学 模型表示的规则体形代替椭球面。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 3、总地球椭球、参考椭球 用来代替大地体的椭球体称为地球椭球体。 一个

11、与大地体外形符合最好的地球椭球叫总地球椭 球或平均地球椭球。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 总地球精球应满足的三个条件： u1总质量等于地球的总质量，中心与地球的质心重合 ，赤道平面与地球赤道面一致。 u2旋转角速度与地球的旋转角速度相等。 u3体积与大地体的体积相等。它的表面与大地水难面 之间的差距的平方和为最小。 u总地球精球面是个理想的测量计算的基准面。 4、参考椭球面、参考椭球体 各国或地区为各自的大地测量工作需要，采用了参 考椭球体，用参考椭球面作为测量计算的基准面。 参考椭球参考椭球只与某一个国家或某一地区的大地 水准面符合较好的地球椭球体。 东 华 理 工 学 院

12、控 制 测 量 学 5、垂线偏差和大地水准面差距 u大地水准面的铅垂 线与椭球面的法线 之间的夹角称为垂 线偏差。 u在某一点上，大地 水准面超出椭球面 的高差称为大地水 准面差距。 它们是标志大地水准面和椭球面之间的 差异的量。测量计算时要进行归化。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 地球模型 地球表面 水准面 大地水准面 铅垂线 地球椭球体 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 四控制网的布设形式四控制网的布设形式 1.1.水平控制网的布设形式水平控制网的布设形式 1）三角网 网形定义 观测量：方向值 测量基本原理和方法 优点：图形简单、 精度高、 多余观测量多、 便于计算

13、。 缺点：布网困难大 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 三角网起算数据和推算元素 u观测量（观测数据）：角度或方向值 u起算数据：X、Y、S u推算元素：由起算元素和观测元素的平差值推 算出的三角形边长、方位角、点的坐标等。 独立网与非独立网（附合网）非独立网（附合网） 只有必要的一套起算数据 （如一条边、一个方位角 和一个起算点坐标） 多于一 套起算 数据 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 2）导线网 u观测值：角度（或方向）和边长； u起算数据：一个起算点（X、Y）、一个方向的 方位角； u优点： 各点上方向少、通视限制小、易

14、于选点、无须 造标；图形灵活；边长精度均匀。 u缺点：可靠性低。 3）边角网和测边网（以三角形为基本图形） 4）GPS网 2.2.高程高程控制网的布设形式控制网的布设形式（第五章节介绍） 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 u1、精密测角仪器的发展 50年代垂直度盘自动归 零补偿器、光学对中器的改进。 60年代读娄的数字化与 自动化（电经）； u2、测距仪的发展 普通光源激光测距仪 红外测距仪 全站型电子速测仪 五、控制测量新技术的发展应用五、控制测量新技术的发展应用 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 3、精密水准仪的发展 u平板玻璃测微器 u自动安平水准仪 u“摩托化”水准

15、测量 u数字水准仪 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 4、计算机在测量上的应用 u用于控制测量的数据处理 u用于现代化数据采集 u测绘资料档案管理信息系统的 建立 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 5、三维激光扫描系统 u工作原理 三维激光扫描仪向目标 发射激光脉冲，依次扫 描被测区域，快速获得 地面景观的三维坐标和 反射光强，利用软件进 行三维建模，生成地面 景观的三维图象和可量 测点阵数据，并可方便 地转化为多种输出格式 的图形产品。 1、体积小、重量轻，操作简单、装拆便利，具备良好 的野外操作性能。 2、扫描范围大、速度快、精度高。 3、快速建立三维景观模型、图形图象

16、数据一次获取。 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 6、GPS（Global Positioning System)系 统 N=? 10个点控制整个北 京1.68万平方公里 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 东 华 理 工 学 院 控 制 测 量 学 7、惯性导航系统（INS系统） 导航是引导载体到达预定目的地的过程。 导航分为无线电导航、天文导航、卫星导航及惯性导航。 惯性导航则是利用惯性测量元件测量载体相对于惯性空间 的运动参数，然后在给定的初始条件下推算出导航参数，引 导载体到达目的地的技术。 惯性导航技术的理论基础是牛顿力学基本定律。 惯性导航仅依靠惯性装置本身就能在载体内部独立地完 成导航任务，不需要与外界发生任何信号联系，具有高度的 自主性。 武器系统的发展和需求，促进了惯性技术的发展。 惯性导航装置最先用于飞机，以后成功地用于舰船。 80年代中期以后，以激光陀螺和光纤陀螺为基础的地面 导