数字测图原理与方法

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1、 1.1 测绘学的任务及作用一、测绘学定义、内容、任务： 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。 二、测绘学分支学科 ：大地测量学、测量学、摄影测量与遥感学、地图制图学、工程测量 学、海洋测绘学。 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 、 摄影测量与遥感学 摄影测量与遥感学是研究利用电磁波传感器获

2、取目标物的影像数 据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图象和数字形式表达的一门学科。 3 、 地图制图学 地图制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，及编制各种海图

3、的理论和技术的学科。 三、测绘科学技术的地位和作用 测绘科学技术的应用范围非常广阔，测绘科学技术在国民经济建设、国防建设以及科学研 究等领域，都占有重要的地位，对国家可持续发展发挥着越来越重要的作用。 测绘工作常被人们称为建设的尖兵，不论是国民经济建设还是国防建设，其勘测、设计、 施工、竣工及运营等阶段都需要测绘工作，而且都要求测绘工作“先行” 。 1 、在国民经济建设方面 ，测绘信息是国民经济和社会发展规划中最重要的基础信息之一。 测绘工作为国土资源开发利用，工程设计和施工，城市建设、工业、农业、交通、水利、 林业、通信、地矿等部门的规划和管理提供地形图和测绘资料。土地利用和土壤改良、地 籍

4、管理、环境保护、旅游开发等等都需要测绘工作，应用测绘工作成果。 2 、在国防建设方面 ，测绘工作为打赢现代化战争提供测绘保障。各种国防工程的规划、 设计和施工需要测绘工作，战略部署、战役指挥离不开地形图，现代测绘科学技术对保障 远程导弹、人造卫星或航天器的发射及精确入轨起着非常重要的作用，现代军事科学技术 与现代测绘科学技术已经紧密结合在一起。 3 、在科学研究方面 ，诸如航天技术、地壳形变、地震预报、气象预报、滑坡监测、灾害 预测和防治、环境保护、资源调查以及其他科学研究中，都要应用测绘科学技术，需要测 绘工作的配合。地理信息系统 (GIS) 、数字城市、数字中国、数字地球的建设，都需要现

5、代测绘科学技术提供基础数据信息。 近十几年来，随着空间科学、信息科学的飞速发展，全球定位系统（ GPS ） 、遥感（ RS ） 、地理信息系统（ GIS ）技术已成为当前测绘工作的核心技术。计算机和网络通讯技术 的普遍采用，测绘领域早已从陆地扩展到海洋、空间，由地球表面延伸到地球内部；测绘 技术体系从模拟转向数字、从地面转向空间、从静态转向动态，并进一步向网络化和智能 化方向发展；测绘成果已从三维发展到四维、从静态到动态。随着新的理论、方法、仪器 和技术手段不断涌现及国际间测绘学术交流合作日益密切，我国的测绘事业必将取得更多 更大的成就。每个测绘工作者有责任兢兢业业，不避艰辛，努力当好国民经济

6、建设的尖兵，为我国的经济建设和社会发展多做贡献。 四、测绘学的发展概况 1 、 中国古代测绘科学的发展 夏朝的简单的测量工具；春秋时期记载的地图；战国时期的 “ 司南（指南针） ” ；西 汉初期的已出土的 “ 地形图 ” 及 “ 驻军图 ” ；发现大气折射现象、制图理论等等。2 、 国外测绘科学的发展 17 世纪初开始，望远镜应用于天象观测；三角测量方法、高斯最小二乘理论解决数据处理 问题、投影学说、摄影测量等等。 3 、 现代测绘科学的发展 电磁波测距仪、自动安平水准仪、电子经纬仪、电子水准仪、全站型速测仪（全站仪） 、陀 螺经纬仪、激光经纬仪、人卫大地测量、 GPS 、全数字摄影测量。 1

7、.2 数字测图的 发展概况一、传统测图（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。在当今的信息时代，纸质地形图已难承载诸多图形信息，更新也极不方便， 难以适应信息时代经济建设的需要。 二、 数字测图 。实质上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、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

8、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。 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。 三、发展概况。 数字化成图是由制图自动化开始的。 20 世纪 50 年代美国国防制图局开 始研究制图自动化问题，这一研究同时推动了制图自动化配套设备的研制与开发。 20 世 纪 70 年代初，制图自动化已形成规模生产，在美

9、国、加拿大及欧洲各国，在相关重要部 门都建立了自动制图系统。当时的自动制图主要包括：数字化仪、扫描仪、计算机及显示 系统四个部分。其成图过程是：将地形图数字化，再由绘图仪在透明塑料片上回放出地形 图，并与原始地形图叠置以修正错误。 目前，数字化仪数字化已发展成极为普通的数字化和自动成图的方法。 在 20 世纪 80 年代，摄影测量经历了模拟法、解析法发展为数字摄影测量。数字摄影测 量是把摄影所获得的影象进行数字化或数字化影象，由计算机进行数字处理，从而提供数 字地形图或专题图、数字地面模型等各种数字化产品。 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， 80 年代

10、初全 站型电子速测仪的迅猛发展加速了数字测图的研究和应用。我国从 1983 年开始开展数字 测图的研究工作。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，最终生成数字地形图，由绘图仪绘制地形图。这虽是数字测图发展的初级阶段，但人们看到了数字测图自动成图的美好前景。 第二阶段仍采用野外测记模式，但成图软件有实质性的进展。一是开发了智能化的

11、外业数 据采集软件；二是计算机成图软件能直接对接收的地形信息数据进行处理。目前，国内利 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。 20 世纪 90 年代出现的载波相位差分技术，又称 RTK(real time kinematic) 实时动态定位 技术，这种测量模式是位于基准站 ( 已知的基准点 ) 的 GPS 接收机通过数据链将其观测 值及站坐标信息一起发给流动站的 GPS 接收机，流动站不仅接收来自参考站的数据，还 直接接收 GPS 卫星发射的观测数据组成相位差分观测值，进行实时处理，能够实时提供 测点在指定坐标系的三维坐标成果，

12、在 20 km 测程内可达到厘米级的测量精度。实时差分 观测时间短，并能实时给出定位坐标。可以预料，随着 RTK 技术的不断完善和更轻小型、 价格更低廉的 RTK 模式 GPS 接收机的出现， GPS 数字测图系统将在开阔地区成为地 面数字测图的主要方法。 1.3 学习数字测图原理和方法的目的和要求 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： 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。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。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。掌握施工测设过

13、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。在掌握课堂讲授内容的同时，要认真参加实验课，以巩固和验证所学理论。 教学实习 是巩固和深化课堂所学知识的 一个系统的实践环节， 是理论知识和 实验 技能 的综合运用，对掌握数字测图的基本理论、基本知识、基本技能，建立控制测量和地形图 测绘的完整概念是非常必要的。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。 第二章 测量的基本知识2.1 地球形

14、状和大小 一、水准面、大地水准面与铅垂线 重力的作用线又称为 铅垂线 ，用细绳悬挂一个垂球，其静止时所指示的方向即为铅垂线 方向。 处于静止状态的水面称为 水准面 。它是一个重力等位面，水准面上处处与铅垂线方向垂 直。通过任何高度的点都有一个水准面，因而水准面有无数个。其中，把一个假想的、与 静止的平均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， 它所包围的形体称之为 大地体 。 由于地球引力的大小与地球内部的质量有关，而地球内部的质量分布又不均匀，致使地面 上各点的铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个略有起伏的不规则 曲面，无法用数学公式精确表达。

15、 大地水准面和铅垂线是测量外业所依据的基准面和基准线。 二、参考椭球体 地球形状极近似于一个两极稍扁的旋转椭球，即一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体。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。 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。 在几何大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴 a 和扁率 f 来表示。 扁率 几个世纪以来，许多学者

16、曾分别测算出参考椭球体的参数值，表 2-1 为几次有代表性的测 算成果。 表 2-1 地 球 椭 球 几 何 参 数 椭 球 名 称 年代 长半轴 a /m 扁 率 f 附 注 德 兰 布 尔 1800 6 375 653 1 334.0 法国 白 塞 尔 1841 6 377 397.155 1 299.152 812 8 德国 克 拉 克 1880 6 378 249 1 293.459 英国 海 福 特 1909 6 378 388 1 297.0 美国 克拉索夫斯基 1940 6 378 245 1 298.3 苏联 1975 大地测量参考系统 1975 6 378 140 1 298.257 IUGG 第 16 届大会推荐 值 1980 大地测量参考系统 1979 6 378 137 1 298.257 IUGG 第 17 届大会推荐 值 W G S 8 4 1984 6 378 137 1 298.257 223 563 美国国