高等测量学

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1、第1章 测绘科学概论1.1 测绘科学的历史与发展“测绘科学”常被人们称呼为“测量”，实际上“测量”只是“测绘科学”的一 部分内容，为顺应人们的习惯，本书中也将“测绘科学”简称为“测量”。1.1.1 测绘科学的定义、学科属性与主要分支学科测绘科学是研究与量度地球或其它天体表面高低起伏的自然形态及其四维变化 规律的科学。测绘科学的研究对象是地球或其它天体的固体表面，因此属于地球 科学（简称地学）的研究范畴。地球或其它天体固体表面以下的部分（内部）是 地质科学的研究范畴，地球或其它天体固体表面与液体表面之间的区域是水科学 的研究范畴，环绕地球或其它天体的气体空间是大气科学的研究范畴，地球与其 它天体

2、之间的关系问题是天文科学的研究范畴，从巨（宏）观领域对地球、天体 各种问题进行综合集成化分析与研究是地理科学的工作范畴，因此，测绘科学与 地质科学、地理科学、水科学、大气科学、天文科学共同组成了地学大家族，是 地学领域的6朵金花之一。 测绘科学本身也是一个多学科集成的综合性大学科并有着自己的分支学科和独特科学体系 ，测绘科学的主要分支学科有地形测量、大地测量、测绘遥感（航空摄影测量与遥感）、地图 制图、工程测量、海洋测绘、地籍测绘、测绘仪器8大学科。 地形测量学是研究地形测绘理论、方法和技术的科学，其成果是各种各样的地形图。 大地测量学是研究大区域（指地理区域）或全球地壳形态及其变化和重力场特

3、征的科学， 大地测量的成果是地球空间信息的基础，是地球科学其它五大学科关键性的、不可或缺的基础 平台。 测绘遥感（摄影测量与遥感）学是研究利用遥感的手段获取地表形态信息的科学。遥感是 指不直接接触被遥感物从而获知遥感物内、外部信息的技术，测绘遥感是通过遥感器（照相机 、电磁波发射与接收系统、CCD等）对地面进行摄影或扫描而获取地面三维地理信息的科学。 地图制图学是研究地图绘制理论与技术的科学。 工程测量学是利用测绘科学综合理论与技术为各类工程建设提供测绘保障服务的应用科学 ，也可称之为应用测绘学。 海洋测绘学是研究海底地形及其四维变化规律的科学。 地籍测绘学是研究地籍管理中地籍图测量与绘制理论

4、和技术的科学。 测绘仪器学是研究测绘仪器制造理论与技术的科学。 另外，还有房产测绘学，是研究房产管理中房产面积界定以及房产图测量与绘制理论 和技术的科学，也是一种具有法律效力的公共服务活动。国内广大测绘科学工作者的群众性联合学术团体是中国测绘学会（CSSM-Chinese Society of Surveying and Mapping）。 测绘类的国际性协会主要有IUGG（International Union of Geodesy and Geophysics-国 际大地测量学与地球物理学联合会）的创始者及主要成员IAG（International Association of Geode

5、sy-国际大地测量学协会）、ISPRS（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing-国际摄影测量与遥感学会）、ICA（International Cartographic Association- -国际地图学协会）、FIG（Federation Internationale des Geometres（法语）-国际测量师 联合会）、IHO（International Hydrography Organization-国际海道测量组织）、等。1.1.2 测绘科学的作用测绘科学是人类各种活动及各类工程建设的“眼睛”和“指

6、南针”。人类的任何活动和 任何工程建设都离不开测绘科学，测绘科学是人类活动和各种工程建设不可或缺的 重要技术保障。1.1.3 测绘测绘 科学的过过去、现现在与未 来测绘科学的起源可追溯到原始社会，是人们最早创造的科学体系之一。测绘 科学的发展时刻与人类的文明史同步，随着人类文明的历史进程一直发展到了 今天，对人类社会的发展作出了不可磨灭的重大贡献，成为人类各种活动不可 或缺的重要依靠和技术手段。17世纪望远镜的发明和应用对测量技术的发展起到了很大的促进作用，奠定了近代测绘的物质 基础，可以说是引领了测绘科学的第一次革命。1806年高斯（德国）提出了最小二乘原理、以 后又提出了横圆柱投影学说，对

7、测绘科学的发展做出了历史性的不可磨灭的重大贡献（以至于 今天我们还在应用他的理论）。19世纪照相机的发明、1903年飞机的发明奠定了航空摄影测 量的基础，引发了测绘科学的第二次革命，为航空摄影测量的诞生和发展奠定了基础，航空摄 影测量技术的出现大大减轻了测绘工作的劳动强度。1945年第一台电子计算机（诞生在美国） 的出现，引发了测绘科学的第三次革命，电子计算机不仅将测绘从繁重的计算工作中解脱了出 来、大大提高了计算速度，而且为现代测绘技术、测绘仪器、测绘方法的改变奠定了重要的技 术基础。1957年10月4日世界第一颗人造地球卫星的发射（前苏联），引发了测绘科学的第四 次革命，促使测绘工作有了新

8、的飞跃，诞生了卫星大地测量学这一测绘新学科，多普勒定位是 空间技术用于大地测量并得到普遍应用的一种先进技术。1960年世界上第一台红宝石激光器的 诞生（诞生在瑞典），引发了测绘科学的第五次革命，使得距离测量摆脱了对尺子的依赖，测 绘进入了激光测量的时代。上世纪70年代GPS技术（全球定位系统）的出现，引发了测绘科学 的第六次革命，带来了空间测量技术的普及化和高精度。随之而来的是令人迎接不暇、眼花缭 乱的人类创造的各个领域的新技术的交叉与融合对测绘科学的改造与拉动，测绘科学迎来了一 个更加充满朝气的新时代，现代测绘技术的手段更加先进、现代测绘科学的理论更加进步与不 断完善，ETS（电子全站仪）、

9、GPS（卫星定位系统）、RS（遥感技术）、GIS（地理信息系 统）以及它们四者之间的集成已经成为当今测绘的主旋律，它们与惯性测量系统（INS-根据 惯性原理设计的测定地面点大地元素的系统）、甚长基线干涉测量技术（VLBI-独立站射电干 涉测量技术）、激光测月技术（LLR）、激光测卫技术（SLR）、卫星轨道跟踪和定位技术（ DORIS）、通讯技术、自动化技术、信息技术、等等各种技术一起构建起了测绘科学的绚丽大 花园，为人类文明的发展、为人类社会的进步、为各类工程建设源源不断地发挥着独特的、不 可替代的重要作用。1.2 地球外表形态态的描述方法地球的自然形状是一个表面起伏不平的类似鸭蛋状的球体。地

10、球的这种自然形状 无法数学化，因此，为了科学研究和应用的需要人们必须对地球的形状进行科学 的简化，人们对地球形状进行的第一次简化是利用物理学原理进行的，简化后的 地球形体称为地球的物理形状，地球的物理形状被称为大地体，大地体的表面（ 大地水准面）成为衡量地壳起伏度的基准面。由于地球内部密度各不相同，因此 大地水准面并不是一个非常光滑的曲面，而是一个复杂的曲面，如果将地球表面 上的图形投影到这个复杂的曲面上，这在测量计算上极为困难且不利于各种工程 建设活动，另外，大地水准面本身很难用一个确切的函数式进行表达，于是，人 们又用数学方法对大地体进行了简化，构建了地球的数学形状，这个数学形状被 称为总

11、地球椭球。1.2.1 地球的物理形状水准面是重力等位面，可理解为自由静止的水面，是一个类似球状的封闭 曲面，水准面有无数多个。与平均海水面吻合程度最高的水准面称之为大地水准面，大地水准面所包围的 形体称为大地体，大地体即为地球的物理形状。大地水准面只有一个，可理解为 自由静止的等密度海水在恒温、恒压、无潮汐、无波浪情况下向陆地内部延伸后 所形成的封闭海水面。毋庸置疑，大地水准面是一个极端理想化的曲面，是不可 能准确建立起来的，只能随着各方面条件的改善逐步趋近。精确的大地水准面无 法建立，只能建立一个接近于它的替代品，这个替代品就是国家水准面。所谓国 家水准面就是符合国家基本地理特征和需求的水准

12、面，具有国家惟一性，国家水 准面是一个国家统一的高程起算面（比如珠穆朗玛峰高程（高出海平面） 8844.43m，就是指珠穆朗玛峰顶到我国国家水准面的铅直距离是8844.43m）。 我国的国家水准面是青岛验潮站求出的黄海平均海水面。以青岛验潮站1950年- 1956年的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面（国家水准面）的系 统称为“1956黄海高程系统”。根据1952年-1979年的验潮站资料确定的平均海 水面作为我国新的高程基准面（国家水准面）的系统称为“1985国家高程基准”（ 该基准1987年经国务院批准，于1988年1月正式启用）。我国国家水准面的基准 体系是建立在青岛的水准原点

13、网，该网由1个主点（国家水准原点）、6个参考点 和附点共同组成。“1956黄海高程系统”的水准原点高程为72.289m“1985国家高程 基准”的水准原点高程为72.260m。目前，“1956黄海高程系统”已经废止。在利用 高程数据时一定要弄清其归属的“高程系统”，“高程系统”不同时应根据“水准原点” 高程差换算为同一个系统。1.2.2 地球的数学形状由于地球的自然形状像鸭蛋，鸭蛋又是椭球型的，因此，人们设想利用双轴椭球作为地 球的数学形状，这种双轴椭球的大小与地球物理形状的大小必须近可能地接近，这种双轴椭 球被称为参考椭球。参考椭球的定义是体量与地球大致相当的椭圆绕短轴旋转180所形成的 封

14、闭球体（见图1-3-1），球的表面称为参考椭球面，球的实体称为参考椭球体，到目前为 止人们共推出过数十个参考椭球。参考椭球的大小和形状决定于其长半径a和短半径b，因此 ，参考椭球的长半径a、短半径b和扁率就构成了参考椭球的最重要的几何要素，=（ab ）/ a 。人们将与大地体吻合程度最高的参考椭球作为地球的数学形状，并称之为总地球椭 球，因此，总地球椭球具有惟一性。由于大地水准面是一个极端理想化的曲面不可能准确建 立，这就意味着总地球椭球也是不可能准确建立的，只能随着各方面条件的改善逐步趋近。 精确的总地球椭球无法建立，只能建立一个接近于它的替代品，这个替代品就是国家椭球。 所谓国家椭球就是符

15、合国家基本地理特征和需求的参考椭球，具有国家惟一性，国家椭球是 一个国家统一坐标系统的基础框架（即经纬度的衡量基准）。图1-3-1 参考椭球我国在1980年以前采用的国家椭球是前苏联大地测量学家克拉索夫斯基1940年 推求的参考椭球（称为克拉索夫斯基椭球，a=6378245、=1：298.3），利用 克拉索夫斯基椭球建立的大地坐标系统称为“1954年北京坐标系”，该坐标系的 大地原点在前苏联的普尔科沃，即我国的“1954年北京坐标系”是前苏联的普尔 科沃坐标系在中国境内的延伸，因此，也就带来了一些问题，这些问题包括椭 球参数有较大误差（长半轴约大109米）、参考椭球面与我国大地水准面存在 着自

16、西向东明显的系统性倾斜、几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不 统一、定向不明确。为了解决以上问题，1980年我国启用了新的国家大地坐标 系统，称为“1980年国家大地坐标系”（也有人称之为“1980年西安坐标系”）。 “1980年国家大地坐标系”采用的国家椭球是IAG-1975椭球。IAG-1975椭球是 1975年国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第16届大会上由国际大地测 量协会推荐的一个椭球（是1975年国际第三个推荐值，a=6378140、=1： 298.257），该椭球的地球引力常数GM=3.9860051014m3/s2、地球重力场 二阶带球谐系数J2=1.0826310-8、地球自转角速度=7.29211510-5rad/s、 赤道的正常重力值0=9.78032m/s2。“1980年国家大地坐标系”的特点是参心大 地坐标系是在1954年北京坐标系建立基础上建立起来的、椭球面同似大地水准 面在我国境内最为密合且是多点定位、定向明确、大地高程基准采用1956年黄 海高程系。“1980