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1、信阳师范学院城市与环境科学学院 地理科学专业课程教案 讲授人：徐丰 2010年3月,测量与地图学课程基本信息,（一）课程名称：测量与地图学 （二）学时学分：54学时（周3学时），3学分 （三）预修课程： （四）使用教材 潘正风、杨正尧、程效军、成枢、王腾军编著：数字测图原理与方法（第1版），武汉大学出版社，2004年 祝国瑞等编著：地图设计与编绘武汉大学出版社，2004年,（五）教学参考书 1、测量学，顾孝烈、鲍 锋、程效军等，同济大学出版社。 2、测量学实验，顾孝烈、鲍 锋、程效军等，同济大学出版社。 3、测量与地图学，王慧麟等编，南京大学出版社。 4、新编地图学教程，蔡孟裔等编，高等教育出
2、版社。 5、数字测图原理与方法，潘正风等编，武汉大学出版社出版。 （六）教学方法： 课堂讲授，启发式教学，课堂讨论，案例教学，课程设计,（七）教学手段：多媒体教学 （八）考核方式：闭卷考试，课程设计 （九）学生创新精神与实践能力的培养方法： 通过实验设计、实验结果分析与讨论来提高学生分析问题、解决问题的能力、培养学生的动手能力、提高学生解决实际问题的能力。 （十）其它要求： 严格考勤，注重学生课堂表现及课堂参与情况，课下作业，课程设计等占学生成绩的较大比率（30，改变仅由期终考试决定学生该门课程成绩的状态）。,（十一）教学重点： 测量坐标系，测量误差基本知识，基本测量方法，控制测量，地形图的基
3、本知识，碎部测量，大比例尺地面数字测图方法。 地图符号与地图的表示方法，地图的数学基础，制图综合，普通地图，专题地图 （十二）教学难点： 误差传播定律，测角、测距原理，控制测量，等高线和地貌测绘 制图综合，地图符号，地图数学基础,第一部分 测量学（数字测图原理与方法）,教学目的： 1. 掌握测量的基本知识和基本理论，具有使用常规测量仪器的操作技能。 2. 学习大比例尺数字测图的原理、方法，掌握全站仪数字测图的全过程。 3. 掌握处理测量数据的基本理论和方法，在工程建设的规划、设计和施工中能正确使用地形图和测绘资料。 4. 掌握施工测设过程中最基本的测量方法，能正确使用测量仪器进行一般工程的施工
4、放样工作。,第一章 绪 论,一、测绘学的内容和任务,测绘学是研究测定和推算地面的几何位置、地球形状及地球重力场，据此测量地球表面自然形态和人工设施的几何分布，并结合某些社会信息和自然信息的地球分布，编制全球和局部地区各种比例尺的地图和专题地图的理论和技术的学科，是地球科学的重要组成部分。 测绘学按照研究范围、研究对象及采用技术手段的不同，分为以下几个分支学科：大地测量学、摄影测量学、地图学、工程测量学、海洋测绘学。,第一节 测绘学的任务及作用,1大地测量学,大地测量学是研究和确定地球的形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。,2摄影测量学,摄影测
5、量学是研究摄影影像与被摄物体之间的内在几何和物理关系，进行分析、处理和解译，以确定被摄物体的形状、大小和空间位置，并判定其性质的一门学科。,3地图学,地图学是研究模拟和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术方法以及应用的学科。,4工程测量学,工程测量学是研究工程建设和自然资源开发中，在规划、勘测设计、施工和运营管理各个阶段进行的控制测量、大比例尺地形测绘、地籍测绘、施工放样、设备安装、变形监测及分析与预报等的理论和技术的学科。,5海洋测绘学,海洋测绘学是以海洋水体和海底为对象，研究海洋定位、测定海洋大地水准面和平均海面、海底和海面地形、海洋重力、海洋磁力、海洋环境等自然和社会信息的地理分布
6、及编制各种海图的理论和技术的学科。,测量学研究地球表面局部地区内测绘工作的基本理论、技术、方法及应用。由于是在地球表面一个小区域内进行测绘工作，故可以把这块球面看做平面而不顾及地球曲率的影响。测量学又称为普通测量学或地形测量学，其主要内容包括角度测量、距离测量、水准测量、控制测量、地形图测绘及地形图的应用。,20世纪80年代，由于全站仪以及计算机硬件、软件技术的迅速发展，大比例尺地形图测绘技术由传统的白纸测图向自动化、数字化方向发展。到80年代后期，出现了以全站仪为主体的地面数字测图系统。,6地形测量学（普通测量学）,二、测绘科学技术的地位和作用,国民经济建设方面 国防建设方面 科学研究方面,
7、第二节 数字测图的发展概况,一、白纸测图,传统的地形测量是利用测量仪器对地球表面局部区域内的各种地物、地貌特征点的空间位置进行测定，以一定的比例尺并按图示符号将其绘制在图纸上，即通常所称的白纸测图。,影响精度的因素多,工序多,劳动强度大,质量管理难,不足,数字测图实质上是一种全解析机助测图方法，在地形测量发展过程中这是一次根本性的技术变革。,计算机的存储介质,计算机处理,远距离传输,多方共享,数控绘图仪输出,电子地图或DTM,二、数字测图,广义的数字测图,大比例尺地面数字测图,三、大比例尺地面数字测图的作业模式,1. 全站仪+电子记录簿(如PC-E500等)成图软件 2. 全站仪+仪器内存成图
8、软件 3. 全站仪+便携式计算机+成图软件 4. 全站仪+掌上电脑+成图软件 5. GPSRTK接收机成图软件（Real Time Kinematic 实时动态定位技术 ）,第二章 测量的基本知识,一、大地水准面,第一节 地球的形状和大小,水准面静止海水面所形成的封闭曲面。,特性,处处与铅垂线正交,是不规则的表面（？），有无穷多,水准面与铅垂线可作为野外测量的基准面和基准线,大地水准面其中通过平均海水面的那个水准面。,大地体大地水准面包围的形体,大地水准面和铅垂线是测量的基准面和基准线,二、参考椭球体,由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地水准面是个复杂的曲面。无法准确描述和计算。也难
9、以在其面上处理测量成果。,因此，用一非常接近大地水准面的数学面-旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球。代表地球形状和大小的旋转椭球称为“地球椭球”。,与某个区域如一个国家大地水准面最为密合的椭球称为参考椭球，其椭球面称为参考椭球面。,参考椭球有许多个，而总地球椭球只有一个。,旋转椭球体由椭圆（长半轴a，短半轴b）绕b轴旋转而成的椭球体。可用数学式表示的光滑曲面。,椭球的基本几何参数,椭圆的第一偏心率：,椭圆的第二偏心率：,五个基本元素,扁率反映了椭球体的扁平程度,e和e反映椭球体的扁平程度，偏心率越大，椭球愈扁,a、b称为长度元素,决定旋转椭球的形状和大小，只需知逍五个参数中的两个参
10、数就够了，但其中至少有一个长度元素，（比如a和b）。通常习惯于用a、e2或a、 e2或a、 。,我国目前采用的是1975年“国际大地测量与地球物理联合会”推荐的椭球参数，称为“1980年国家大地坐标系”（简称80系），大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇。,一、测量常用坐标系,第二节 测量常用坐标系和参考椭球定位,1. 大地坐标系,L,B,大地经度(L),大地纬度(B),大地高(H),过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角,过地面点的法线与赤道面之间的夹角,地面点沿法线至参考椭球面的距离,H,2. 空间直角坐标系,以椭球体中心O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，赤道面上与X轴正交的方向为Y轴，椭
11、球体的旋转轴为Z轴，构成右手直角坐标系O-XYZ，在该坐标系中，P点的点位用OP在这三个坐标轴上的投影X、Y、Z表示。,e为第一偏心率,由空间直角坐标转换为大地坐标，可采用下式：,3. WGS-84坐标系,x,z,y,原点位于地球质心；,Y轴垂直于X、Z轴，X、Y、Z轴构成右手直角坐标系。,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CIP)方向；,X轴指向BIHl984.0的零子午面和CIP赤道的交点；,BIH1984.0零度子午面,BIH1984.0定义的CIP,4. 平面直角坐标系,不同点： 1) 测量上北方向为X轴正向，东方向为Y轴正向。 2) 角度方向顺时针度量；象限顺时针编号。 相
12、同点: 数学中的三角公式在测量中可直接应用。,5. 2000坐标系,这是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。原点位于地球质量中心的坐标系统 中国于上世纪50年代和80年代分别建立了1954年北京坐标系和1980西安坐标系,椭球短轴平行于地球自转轴; 大地起始子午面平行于天文起始子午面 ； 在一定区域范围内，椭球面与大地水准面最为密合。,椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位。椭球定位与定向应满足三个条件 ：,确定参考椭球面与大地水准面的相关位置使参考椭球面在一个国家
13、或地区范围内与大地水准面最佳拟合，称为参考椭球定位。,椭球定位是指确定椭球中心的位置，可分为两类:局部定位和地心定位。,二、参考椭球定位,选择或求定椭球的几何参数（长短半径）； 确定椭球中心位置（定位）； 确定椭球短轴的指向（定向）； 建立大地原点。,椭球定位与定向的实现方法,在一个国家适当地点选定一地面点P作为大地原点，并在该点进行精密天文测量和高程测量。将P点沿铅垂线方向投影到大地水准面上得到P点，设想大地水准面与参考椭球面在P点相切，椭球面上P点的法线与该点对大地水准面的铅垂线重合，令椭球短轴与地球自转轴平行，其赤道面与地球赤道面平行。,1）单点定位,即表明在大地原点K处，椭球的法线方向
14、和铅垂线方向重合，椭球面和大地水准面相切。,一点定位的结果在较大范围内往往难以使椭球面与大地水准面有较好的密合。,2）多点定位,多点定位的结果使椭球面在大地原点不再同大地水准面相切，但在所使用的测量资料的范围内，椭球面与大地水准面有最佳的密合。,利用许多测定了天文经度、天文纬度和天文方位角的大地点的测量成果和已有的椭球参数，按照 =最小这一条件，通过计算进行新的定位和定向。,第三节 地图投影和高斯平面直角坐标系,一、地图投影,所谓地图投影，简略说来就是将椭球面各元素（包括坐标、方向和长度）按一定的数学法则投影到平面上。研究这个问题的专门学科叫地图投影学。,椭球面是一个凸起的、不可展平的曲面，若
15、将这个曲面上的元素（比如一段距离、一个角度、一个图形）投影到平面上，就会和原来的距离、角度、图形呈现差异，这一差异称作投影的变形 （角度变形、长度变形和面积变形三种）。,1地图投影的概念,2地图投影的分类,1)按正轴投影时经纬网的形状分类 在正轴投影中，投影面的中心线与地轴一致。按正轴投影时经纬网的形状，投影可分为圆锥投影、圆柱投影、方位投影。 圆锥投影 设想用一个圆锥套在地球椭球上而把地球椭球上经纬线网投影到圆锥面上，然后沿某一条母线(经线)将圆锥面剪开展成平面，就得到圆锥投影。投影中纬线为同心圆圆弧，经线投影后为相交于一点的直线束，且夹角与经差成正比。 圆柱投影 设想圆锥顶点延伸到无穷远时
16、，即成为一个圆柱面。从几何意义上看，圆柱投影是圆锥投影的一个特殊情况。在圆柱面展开成平面后，投影中纬线为一组平行直线，经线为垂直于纬线的另一组平行直线。 方位投影 将一个平面切于椭球极点，再将经纬线网投影到此平面上，在正轴方位投影中，纬线投影后为同心圆，经线投影后为同心圆的半径，且两经线间的夹角与实地经度差相等。,2)按内在的变形特征分类 等角投影 任何点上两微分线段所组成的角度在投影后仍保持不变。也即投影前后对应的微分面积保持图形相似，所以也称为正形投影。 等积投影 某一微分面积投影前后保持相等。 任意投影 既不能保持等角(正形)又不能保持等面积的投影，统称为任意投影。,3) 按照地球椭球面与投影面不同的相对位置，可以分为： 正轴投影 投影面的中心线与地轴相重合时的投影。 斜轴投影 投影面的中心线与地轴斜交所得的投影。 横轴投影 投影面的中心线与地轴垂直所得的投影。,3地形图测绘对地图投影的要求,（1）要是等角投影（又称正形投影）；,（2）长度和面积变形不大，并能用简单公式计算由变形而
