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1、数字测图原理与方法,武汉大学测绘学院,电子教案,2005.12,第一章 绪 论,退出,第1章绪论,1.1数字测图的发展概况,1.2 学习本课程的目的和要求,退出,第1章绪论,1.1 数字测图的发展概况,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绘制在图纸上，即通常所称的白纸测图。这种测图方法的实质是图解法测图，在测图过程中，数字的精度由于刺点、绘图、图纸伸缩变形等因素的影响会大大降低，而且工序多、劳动强度大、质量管理难。,随着科学技术的进步和计算机技术的迅猛发展及先进测量仪器和技术的广泛应用，促进了地形测量向自动化和数字
2、化方向发展，数字化测图技术应运而生。数字测图与传统的图解法测图相比，以其特有的高自动化、全数字化、高精度的显著优势而具有无限广阔的发展前景。,图解法测图的最终成果是地形图，图纸是地形信息的惟一载体。,广义的数字测图包括：利用全站仪或其它测量仪器进行野外数字化测图；利用手扶数字化仪或扫描数字化仪对纸质地形图的数字化；以及利用航摄、遥感像片进行数字化测图等技术。利用上述技术将采集到的地形数据传输到计算机，由数字成图软件进行数据处理，经过编辑、图形处理，生成数字地形图。,数字测图是一种全解析机助测图方法，数字测图地形信息的载体是计算机的存储介质(磁盘或光盘)，其提交的成果是可供计算机处理、远距离传输
3、、多方共享的数字地形图数据文件，通过数控绘图仪可输出地形图。另外，利用数字地形图可生成电子地图和数字地面模型（DTM）。更具深远意义的是，数字地形信息作为地理空间数据的基本信息之一，成为地理信息系统(GIS)的重要组成部分。,大比例尺地面数字测图是20世纪70年代电子速测仪问世后发展起来的，目前，数字测图技术在国内已趋成熟，它已作为主要的成图方法取代了传统的图解法测图。其发展过程大体上可分为两阶段。,第一阶段主要利用全站仪采集数据，电子手簿记录，同时人工绘制标注测点点号的草图，到室内将测量数据直接由记录器传输到计算机，再由人工按草图编辑图形文件，并键入计算机自动成图，经人机交互编辑修改，最终生
4、成数字地形图，由绘图仪绘制地形图。,第二阶段开发了智能化的外业数据采集软件；计算机成图软件能直接对接收的地形信息数据进行处理。利用全站仪配合便携式计算机或掌上电脑，以及直接利用全站仪内存的大比例尺地面数字测图方法已得到广泛应用。,GPS数字测图系统能够实时提供测点在指定坐标系的三维坐标成果，在数字测图领域有着广阔的发展前景。,第1章 绪论 1.1 数字测图的发展概况,目录,第1章 绪论 1.2 学习本课程的目的和要求,本课程是测绘工程专业的专业技术基础课，学习本课程的主要目的是：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
5、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；4）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；5）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放样工作。,数字测图原理和方法是一门实践性很强的课程，在教学过程中，除课堂讲授外，还有实验课和教学实习。要认真参加实验课，以巩固和验证所学理论。要自始至终完成各项实习任务，通过实习培养理论联系实际、分析问题与解决问题的能力以及实际动手能力，为今后从事测绘工作打下良好基础。,1.2 学习本课程的目的和要求,本课程使用的教材,目录,参考书目,1武汉测绘科技大学测量学编写组.测量学(第三版).北京: 测绘出版
6、社, 1996 2潘正风等.大比例尺数字测图.北京: 测绘出版社,1996 3徐庆荣等.计算机地图制图原理.武汉: 武汉测绘科技大学出版社, 1992 4银红霞等.计算机图形学.北京；中国水利水电出版社，20055杨正尧.数字测图原理与方法实验与习题.武汉: 武汉大学出版社, 20046城市测量规范 CJJ 8-99.北京.中国建筑工业出版社.1999.7 1500，11000，12000，地形图图式 GB/T 7929,第1章 绪论 1.2 学习本课程的目的和要求,退出,第2章 测量基本知识,2.1 地球形状和大小2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系2.4
7、 高程2.5 用水平面代替水准面的限度2.6 方位角2.7 地形图的基本知识2.8 地形图的分幅与编号,退出,第2章 测量基本知识 2.1 地球形状和大小,测量工作的主要研究对象是地球的自然表面，但地球表面形状极其复杂。有高山、丘陵、平原、河流、湖泊和海洋。 世界第一高峰珠穆郎玛峰高达 8844.43m，太平洋西部的马里亚纳海沟深达 11022m。海洋面积约占 71%, 陆地面积约占29%。测量中把地球形状看作是由静止的海水面向陆地延伸并围绕整个地球所形成的某种形状。,2.1.1大地水准面2.1.1.1地球概述,2.1.1.2 铅垂线,地球表面任一质点，都同时受到两个作用力：其一是地球自转产生
8、的惯性离心力；其二是整个地球质量产生的引力。这两种力的合力称为重力。,重力的作用线又称为铅垂线。铅垂线是测量外业所依据的基准线。,2.1.1.3 水准面,1.定义 处于自由静止状态的水面称为水准面。 2.特点 1）水准面是一个重力等位面，水准面上各点处处与该点的重力方向（铅垂线方向）垂直。 2）在地球表面上、下重力作用的范围内，通过任何高度的点都有一个水准面，因而水准面有无数个。,第2章 测量基本知识 2.1 地球形状和大小,图2-1,2.1.1.4 大地水准面,定义在测量工作中，把一个假想的、与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面。,1）是一个封闭的曲面。
9、2）是一个略有起伏的不规则曲面，无法用数学公式精确表达。3）大地水准面是测量外业所依据的基淮面。,大地水准面的特征,第2章 测量基本知识 2.1 地球形状和大小,图2-2,第2章 测量基本知识 2.1 地球形状和大小,2.1.2 参考椭球体,代表地球形状和大小的旋转椭球，称为“地球椭球”。与大地水准面最接近的地球椭球称为总地球椭球；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。由此可见，参考椭球有许多个，而总地球椭球只有一个。,旋转椭球面可以用数学公式准确地表达。因此，在测量工作中用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。,图2-3,扁率,在几
10、何大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴a 、短半轴b和扁率 f来表示。,我国1980年国家大地坐标系采用了1975年国际椭球，该椭球的基本元素是： = 6 378 140m , b = 6 356 755.3m , f =1/298.257。,由于参考椭球体的扁率很小，当测区面积不大时，在普通测量中可把地球近似地看作圆球体，其半径为：,第2章 测量基本知识 2.1 地球形状和大小,目录,图2-3,第2章 测量基本知识 2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,2.2.1测量常用坐标系,大地坐标系是以参考椭球面作为基准面，以起始子午面和赤道面作为在椭球面上确定某一点投影位置的两个参考面。,大地经
11、度 过地面某点的子午面与起始子午面之间的夹角，称为该点的大地经度，用 L表示。规定:从起始子午面起算，向东为正，由 0至180，称为东经；向西为负，由0至180，称为西经。大地纬度 过地面某点的椭球面法线与赤道面的夹角，称为该点的大地纬度，用B表示。,规定：从赤道面起算，由赤道面向北为正，从 0到90，称为北纬；由赤道面向南为负，从 0到90，称为南纬。大地高P点沿椭球面法线到椭球面的距离H，称为大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。,2.2.1.1大地坐标系,图2-4,第2章 测量基本知识 2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,2.2.1.2空间直角坐标系,以椭球体中心O为原点；起始子午
12、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点的位置用x，y，z表示。,WGS-84坐标系是全球定位系统（GPS）采用的坐标系，属地心空间直角坐标系。WGS-84坐标系采用1979年国际大地测量与地球物理联合会第17届大会推荐的椭球参数。WGS-84坐标系的原点位于地球质心；Z轴指向BIHl984.0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；Y轴垂直于X、Z轴，X、Y、Z轴构成右手直角坐标系。,2.2.1.3 WGS-84坐标系,图2-5,第2章 测量基本知识 2.2 测
13、量常用坐标系和参考椭球定位,2.2.1.4平面直角坐标系,测绘工作中所用的平面直角坐标系与解析几何中所用的平面直角坐标系有所不同，测量平面直角坐标系以纵轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；象限顺序依顺时针方向排列。,当测区范围较小时（如小于100km2），常把球面看作平面，建立独立平面直角坐标系，这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标来确定。建立独立坐标系时，坐标原点有时是假设的，假设的原点位置应使测区内各点的x、y值为正。,图2-6,第2章 测量基本知识 2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,2.2.2 参考椭球定位,确定参考椭球面与大地水准面的相关
14、位置，使参考椭球面在一个国家或地区范围内与大地水准面最佳拟合，称为参考椭球定位。如图所示，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。令大地原点上的大地经度和纬度分别等于该点上的天文经、纬度；由大地原点至某一点的大地方位角等于该点上同一边的天文方位角；大地原点至椭球面的高度恰好等于其至大地水准面的高度。这样的定位方法称为单点定位法。,在掌握了一定数量的天文大地和重力测量数据后，利用天文大地网中许多天文点的天文观测成果和已有的椭球参数进行椭球定位，这种方法称为多点定位法。多点定位的结果使在大地原点处椭球的法线方向不再与铅垂线方向重合，椭球面与大地水准面不再相
15、切，但在定位中所利用的天文大地网的范围内，椭球面与大地水准面有最佳的密合。,图2-8,第2章 测量基本知识 2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位,1949年以后，我国采用了两种不同的大地坐标系，即1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。1954年我国完成了北京天文原点的测定，采用了克拉索夫斯基椭球体参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，建立了1954年北京坐标系。为了适应我国经济建设和国防建设发展的需要，我国在1972-1982年期间进行天文大地网平差时，建立了新的大地基准，相应的大地坐标系称为1980年国家大地坐标系。大地原点地处我国中部，位于陕西省西安市以北60km处的泾阳县永
16、乐镇，简称西安原点。椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值（见表2-1），应用多点定位法定位。该坐标系建立后，实施了全国天文大地网平差，平差后提供的大地点成果属于1980年国家大地坐标系，它与原1954年北京坐标系的成果是不同的，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。,目录,第2章 测量基本知识 2.3 地图投影和高斯平面直角坐标系,2.3.1 地图投影,式中L、B是椭球面上某点的大地坐标，而x、y是该点投影后的平面直角坐标，这里所说的平面，通常也叫投影面。,2.3.1.1 地图投影的概念地图投影，简称为投影，简略说来就是将椭球面上各元素(包括坐标、方向和长度)按一定的数学法则投影到平面上。这里所说的一定的数学法则，可用两个方程式表示,
