《测量学课件：第一章 绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测量学课件：第一章 绪论（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国地质大学测绘工程系中国地质大学测绘工程系中国地质大学测绘工程系中国地质大学测绘工程系测量学课程性质和目的课程性质和目的n n测量学是我校地质学、地质资源与地质工程测量学是我校地质学、地质资源与地质工程测量学是我校地质学、地质资源与地质工程测量学是我校地质学、地质资源与地质工程 、石、石、石、石油与天然气工程、地球物理工程、地球探测与信油与天然气工程、地球物理工程、地球探测与信油与天然气工程、地球物理工程、地球探测与信油与天然气工程、地球物理工程、地球探测与信息技术、土木工程、环境工程、工程管理等专业息技术、土木工程、环境工程、工程管理等专业息技术、土木工程、环境工程、工程管理等专业息技术、
2、土木工程、环境工程、工程管理等专业本科生的本科生的本科生的本科生的技术基础课程技术基础课程技术基础课程技术基础课程。n n学习本课程的目的在于通过本课程的学习，使学学习本课程的目的在于通过本课程的学习，使学学习本课程的目的在于通过本课程的学习，使学学习本课程的目的在于通过本课程的学习，使学生了解和掌握普通测量学的基本知识和基础理论，生了解和掌握普通测量学的基本知识和基础理论，生了解和掌握普通测量学的基本知识和基础理论，生了解和掌握普通测量学的基本知识和基础理论，测量基本方法和手段，培养学生使用基本的测绘测量基本方法和手段，培养学生使用基本的测绘测量基本方法和手段，培养学生使用基本的测绘测量基本
3、方法和手段，培养学生使用基本的测绘仪器的能力，应用地形图的能力，以及进行一般仪器的能力，应用地形图的能力，以及进行一般仪器的能力，应用地形图的能力，以及进行一般仪器的能力，应用地形图的能力，以及进行一般工程放样的能力。为本专业后续课程学习奠定基工程放样的能力。为本专业后续课程学习奠定基工程放样的能力。为本专业后续课程学习奠定基工程放样的能力。为本专业后续课程学习奠定基础。础。础。础。本课程的教学内容n n第一章第一章 绪论绪论n n第二章第二章 方向与角度测量方向与角度测量n n第三章第三章 距离测量距离测量n n第四章第四章 高程测量高程测量n n第五章第五章 误差基本知识误差基本知识n n
4、第六章第六章 控制测量控制测量n n第七章第七章 GPSGPS技术及应用技术及应用n n第八章第八章 大比例尺地形图测绘大比例尺地形图测绘n n第九章第九章 地形图投影及地形图的应用地形图投影及地形图的应用n n第十章第十章 施工测量基础施工测量基础第一章 绪论n n1-1 1-1 概述概述n n1-2 1-2 地球的形状和大小地球的形状和大小n n1-3 1-3 测量坐标系概念测量坐标系概念n n1-4 1-4 地球曲率对水平距离和高地球曲率对水平距离和高差的影响差的影响n n1-5 1-5 测量学现代发展测量学现代发展一、测量学定义一、测量学定义一、测量学定义一、测量学定义 研究测定地面点
5、在地球坐标系中的空间位置，将地球表面的形状和其研究测定地面点在地球坐标系中的空间位置，将地球表面的形状和其研究测定地面点在地球坐标系中的空间位置，将地球表面的形状和其研究测定地面点在地球坐标系中的空间位置，将地球表面的形状和其他信息测绘成图，以及确定地球形状和大小的科学。他信息测绘成图，以及确定地球形状和大小的科学。他信息测绘成图，以及确定地球形状和大小的科学。他信息测绘成图，以及确定地球形状和大小的科学。 它它它它是测绘科学的一个重要组成部分。是测绘科学的一个重要组成部分。 测量学研究的内容很多，其应用领域很广泛。总的来说，凡是需要确测量学研究的内容很多，其应用领域很广泛。总的来说，凡是需要
6、确定物体（静态或动态）三维空间坐标的工作都需要依靠测绘技术。定物体（静态或动态）三维空间坐标的工作都需要依靠测绘技术。11 概述概述二、测量学课程的特点和要求 （一）（一）特点特点 实践性强，责任性高， 必须遵照测量的规范和规则。 内容多：测量学基本原理、误差理 论、仪器使用、作业方法、基本计 算、地形图绘制等。 1.1.学会和掌握测量的基本作业方法学会和掌握测量的基本作业方法： 角度测量、距离测量、高程测量 2. 2. 学会控制测量、地形测量、施工放样学会控制测量、地形测量、施工放样 的基本作业方法的基本作业方法 外业测量、内业计算与绘图 3.3.建立测量误差的基本概念建立测量误差的基本概念
7、 掌握测量误差的基本理论和测量误差的计算 4.4.应用地形图的能力应用地形图的能力 在地形图上进行各种数据的量测及野外定点（二）学习（二）学习要求：要求：学习要求续学习要求续 野外作业：野外作业：严格按照规定的作业和操作程序。 记记 录：录：字迹清晰、端正，不得任意涂改 （按规定方式改数）。 计计 算：算：按平差规则、作计算检核、保证计算精度 （小数取位）。 正正 负负 号：号：在高差、竖直角、指标差、坐标增量、所有的闭合差、改正数等数据前，加“+、-”号。5.其他要求其他要求1 1、普通（地形）测量学（、普通（地形）测量学（、普通（地形）测量学（、普通（地形）测量学（topographyto
8、pography） 研究区域：研究地球表面较小区域内测绘工作的基本研究区域：研究地球表面较小区域内测绘工作的基本理论、方法和应用的学科。理论、方法和应用的学科。 主要任务主要任务：用图的形式描用图的形式描述地物、地貌述地物、地貌三、测量学的分类三、测量学的分类三、测量学的分类三、测量学的分类2 2、大地测量学大地测量学大地测量学大地测量学(geodesy)(geodesy) 研究在广大地面上建立国家大地控制网，测定地球形状、大小和地球研究在广大地面上建立国家大地控制网，测定地球形状、大小和地球重力场的理论、技术与方法的学科。随着人造卫星等科学技术的发展，重力场的理论、技术与方法的学科。随着人造
9、卫星等科学技术的发展，大地测量学又分为常规大地测量学和空间大地测量学。大地测量学又分为常规大地测量学和空间大地测量学。 主要任务：主要任务：研究地球形状、大小；研究地球形状、大小；建立国家统一的坐标系；建立国家统一的坐标系；研究地球重力场研究地球重力场理论、技术和方法理论、技术和方法对地观测对地观测 国家国家GPS A级网略图级网略图 PH大EBL赤道起始 大地子午线地球自转轴 OXYZ大地坐标系大地坐标系3 3、摄影测量学、摄影测量学、摄影测量学、摄影测量学( (photogrammetryphotogrammetry) )研究利用摄影或遥感手段获取被测物体的信息，以研究利用摄影或遥感手段获
10、取被测物体的信息，以确定被测物体的形状、大小、位置和性质的学科。确定被测物体的形状、大小、位置和性质的学科。 三、测量学的分类三、测量学的分类三三峡峡大大坝坝影影像像图图4 4、工程测量学、工程测量学、工程测量学、工程测量学(engineering (engineering surveying)surveying) 研究工程建设在设计、施工研究工程建设在设计、施工和管理阶段所进行的多种测和管理阶段所进行的多种测量工作的学科。主要内容有：量工作的学科。主要内容有：工程控制网的建立、地形图工程控制网的建立、地形图测绘、施工放样、设备安装、测绘、施工放样、设备安装、竣工测量、变形观测和维修竣工测量、
11、变形观测和维修养护测量。养护测量。 三、测量学的分类三、测量学的分类汉口贺家墩地下人行通道地面沉降监测汉口贺家墩地下人行通道工地5 5、制图学（、制图学（、制图学（、制图学（cartographycartography）研究地图制作的理论、方法和工艺的科学研究地图制作的理论、方法和工艺的科学三、测量学的分类三、测量学的分类12地球的形状和大小地球的形状和大小大大地地体体地球表面海洋面积约占71%，陆地面积仅占29% 把地球总的形状看作是被海水包围的球体. 一、水准面、铅垂线一、水准面、铅垂线水准面：水准面：任何静止的水面水准面是一重力等位面，有无数个。铅垂线：铅垂线：重力方向线二、大地水准面二
12、、大地水准面设想在重力的作用下，一个静止的海水面无限延伸，穿过大陆和岛屿形成一个封闭的曲面，这个曲面称为大地水准面。它所围成的形体称为大地体，并以此代替地球的总体形状 。通常，各个国家或地区均选择一个平均海水面来代替它。例如，我国采用的是黄海平均海水面。地球自然表面与大地水准面地球自然表面与大地水准面水准面、水准面、铅垂线铅垂线是测量工作时的基准面和基准线是测量工作时的基准面和基准线大地水准面是海拔高程的起算面大地水准面是海拔高程的起算面n n三、水准面的特性三、水准面的特性三、水准面的特性三、水准面的特性n n水准面是一个重力等位面，水准面处处都与铅垂水准面是一个重力等位面，水准面处处都与铅
13、垂线正交。铅垂线指地面任一点处的重力方向线。线正交。铅垂线指地面任一点处的重力方向线。水准面是一个有微小起伏的不规则曲面。水准面是一个有微小起伏的不规则曲面。n n大地水准面是水准面之一，大地水准面也是一个大地水准面是水准面之一，大地水准面也是一个不规则的曲面。很难用一个简单数学公式来描不规则的曲面。很难用一个简单数学公式来描述述 n n并非任何水准面就是大地水准面，只是其中与平并非任何水准面就是大地水准面，只是其中与平均海水面相吻合的一个称为大地水准面。均海水面相吻合的一个称为大地水准面。 大地水准面大地水准面椭球面椭球面n n四、参考椭球体四、参考椭球体四、参考椭球体四、参考椭球体n n1
14、 1旋转椭球体旋转椭球体n n与大地水准面或大地体十分接近并以地球的自转轴为与大地水准面或大地体十分接近并以地球的自转轴为短轴、以地球的长半轴为长轴的椭圆绕其短轴旋转而短轴、以地球的长半轴为长轴的椭圆绕其短轴旋转而成的椭球体。成的椭球体。n n在数据处理时，用旋转椭球体来代表地球的形状和大在数据处理时，用旋转椭球体来代表地球的形状和大小。如图所示。小。如图所示。旋转椭球体其形状和大小可由下列元素确定： 长半径 短半径 也可用长半径 和扁率 来确定。 参考椭球参考椭球2参考椭球、总地球椭球参考椭球、总地球椭球将椭球短轴与地球旋转轴保持平行，并使椭球面与某一地区大地将椭球短轴与地球旋转轴保持平行，
15、并使椭球面与某一地区大地水准面的差距最小，这样得到的椭球叫做水准面的差距最小，这样得到的椭球叫做参考椭球参考椭球，参考椭球可参考椭球可以有多个以有多个。椭球面与某一椭球面与某一地区大地水准地区大地水准面差距最小面差距最小大地水准面大地水准面大地水准面大地水准面椭球面椭球面若将椭球中心、短轴与地球质心、旋转轴重合，并使椭球面在全若将椭球中心、短轴与地球质心、旋转轴重合，并使椭球面在全球与大地水准面的差距保持最小，这样得到的椭球叫做球与大地水准面的差距保持最小，这样得到的椭球叫做总地球椭总地球椭球球，由此可见，总地球椭球只有一个。，由此可见，总地球椭球只有一个。椭球面与大地水准椭球面与大地水准面全
16、球差距最小面全球差距最小总地球椭球总地球椭球我国建立1954年北京坐标系应用的是克拉索夫斯基椭球；建立1980年国家大地坐标系应用的是国际大地测量与地球物理联合会(International Union of Geodesy and Geophysics IUGG)于1975年推荐的正常地球椭球；而全球定位系统(GPS)应用的是WGS-84系椭球参数。国际椭球（international ellipsoid）表1-1 国际上曾经采用的椭球体参数3参考椭球的大小参考椭球的大小名 称年代和国家长半径/m扁率德兰布尔1800年法国6 367 6531:334白塞尔1841年德国6 377 3971:
17、299.15克拉克1801年英国6 378 2491:293.47海福特1910年美国6 378 3881:297克拉索夫斯基1940年苏联6 378 2451:298.3IUGG16届推荐参数1975年6 378 1401:298.257IUGG17届推荐参数1979年6 378 1371:298.257IUGG18届推荐参数1983年6 378 1361:298.25713 测量坐标系概念测量坐标系概念n n在测量工作中，在测量工作中，地面点的位地面点的位地面点的位地面点的位置置置置是由地面点在投影面上的是由地面点在投影面上的坐标坐标坐标坐标和地面点沿投影线到投和地面点沿投影线到投影面的距
18、离（影面的距离（高程高程高程高程）来确定）来确定的。的。n n目前，测绘领域中通常采用目前，测绘领域中通常采用大地坐标系和正常高系统；大地坐标系和正常高系统；高斯平面直角坐标系和正常高斯平面直角坐标系和正常高系统；空间大地直角坐标高系统；空间大地直角坐标系。系。点的空间位置的表示点的空间位置的表示一、大地坐标系(L,B)1.1.大地坐标系（大地坐标系（L,B,H大大) )（以椭球面为基准面）以椭球面为基准面）大地经度：过大地经度：过P点的子午面与首子午面所夹的两面角，用点的子午面与首子午面所夹的两面角，用L表示。从首子午表示。从首子午线向东线向东0至至180称东经，符号为（），从首子午线向西称
19、东经，符号为（），从首子午线向西0至至180，称为，称为西经。符号为（）。西经。符号为（）。大地纬度：是过大地纬度：是过P点的法线和赤道面之间的夹角，在子午面上量度，用点的法线和赤道面之间的夹角，在子午面上量度，用B表表示。从赤道向北，示。从赤道向北， 0至至90称北纬，符号为（）称北纬，符号为（） ；从赤道向南，；从赤道向南， 0至至90称为南纬，符号为（）。称为南纬，符号为（）。法线：垂直于椭球面的直线法线：垂直于椭球面的直线。 H大大沿法线至椭球面的距离。沿法线至椭球面的距离。大地坐标系与空间大地直角坐标系 PH大EBL赤道起始 大地子午线地球自转轴OXYZ2.2.空间大地直角坐标系空间
20、大地直角坐标系空间大地直角坐标系是由于卫星大地测量的需要而建立的。如图1-7所示，以椭球中心O为空间直角坐标系原点，OZ轴与椭球的旋转轴一致，OX轴位于起始子午面和赤道面的交线上，在赤道面上与X轴正交的方向为Y轴。O-XYZ构成右手坐标系。在此坐标系中，任一点P点的坐标为P（X，Y，Z）。3.两坐标系之间的关系以参考椭球为基准建立的坐标系称为参心坐标系以参考椭球为基准建立的坐标系称为参心坐标系以总地球椭球为基准建立的坐标系称为地心坐标系以总地球椭球为基准建立的坐标系称为地心坐标系54北京大地坐标系（参心坐标系）北京大地坐标系（参心坐标系）1980西安大地坐标系（参心坐标系）西安大地坐标系（参心
21、坐标系）2000国家地心大地坐标系（地心大地坐标系）国家地心大地坐标系（地心大地坐标系）WGS84坐标系为地心大地坐标系（坐标系为地心大地坐标系（GPS应用的坐标系）应用的坐标系）友情提示：友情提示：二、天文坐标二、天文坐标二、天文坐标二、天文坐标1.1.天文坐标的定义（天文坐标的定义（天文坐标的定义（天文坐标的定义（ , , ,H ,H正正正正）n n天文经度：过天文经度：过天文经度：过天文经度：过P P点的子午面与首子午面点的子午面与首子午面点的子午面与首子午面点的子午面与首子午面所夹的两面角，用所夹的两面角，用所夹的两面角，用所夹的两面角，用 表示。从首子午线表示。从首子午线表示。从首子
22、午线表示。从首子午线向东向东向东向东00至至至至180180称东经，符号为（），称东经，符号为（），称东经，符号为（），称东经，符号为（），从首子午线向西从首子午线向西从首子午线向西从首子午线向西00至至至至180180，称为西经。，称为西经。，称为西经。，称为西经。符号为（）。符号为（）。符号为（）。符号为（）。n n天文纬度：是过天文纬度：是过天文纬度：是过天文纬度：是过P P点的垂线和赤道面之点的垂线和赤道面之点的垂线和赤道面之点的垂线和赤道面之间的夹角，在子午面上量度，用间的夹角，在子午面上量度，用间的夹角，在子午面上量度，用间的夹角，在子午面上量度，用 表表表表示。从赤道向北，示。从
23、赤道向北，示。从赤道向北，示。从赤道向北， 00至至至至9090称北纬，称北纬，称北纬，称北纬，符号为（）符号为（）符号为（）符号为（） ；从赤道向南，；从赤道向南，；从赤道向南，；从赤道向南， 00至至至至9090称为南纬，符号为（）。称为南纬，符号为（）。称为南纬，符号为（）。称为南纬，符号为（）。2.2.天文坐标与大地坐标的关系天文坐标与大地坐标的关系天文坐标与大地坐标的关系天文坐标与大地坐标的关系三、平面直角坐标系三、平面直角坐标系 为了研究的方便和简化，在一适当小的区域内进行测量工作时，往往把为了研究的方便和简化，在一适当小的区域内进行测量工作时，往往把投影面（地面）作为平面看待，并
24、用平面直角坐标来表示点的位置，而投影面（地面）作为平面看待，并用平面直角坐标来表示点的位置，而坐标系平面通常是通过某种投影方法建立的坐标系平面通常是通过某种投影方法建立的. 国家平面坐标系采用高斯国家平面坐标系采用高斯克吕格平面直角坐标系（第九章中介绍）克吕格平面直角坐标系（第九章中介绍） 测量中所用的平面直角坐标与数学上的笛卡尔坐标系测量中所用的平面直角坐标与数学上的笛卡尔坐标系不同不同，如图，如图1-7所所示，南北方向为坐标纵轴示，南北方向为坐标纵轴ox，东西方向为坐标横轴，东西方向为坐标横轴oy，交点为坐标原点。，交点为坐标原点。从东北象限开始依顺时针计为从东北象限开始依顺时针计为、象限
25、。象限。 测量中所用的平面直角坐标系有独立地方坐标系和国家平面坐标系测量中所用的平面直角坐标系有独立地方坐标系和国家平面坐标系四、高程四、高程n大地坐标和平面直角坐标只能反映地面点在投影面上的位置，不能反映地面点的高低起伏状况，在测量中采用高程来反映地面点的高低。n高程是指地面点沿其投影线到投影面的距离。由于基准面选择的不同，其高程系统也是不同的。n1大地高n在大地测量控制成果计算时，一般采用参考椭球体面作为基准面，这时通常采用的高程是地面点沿法线到参考椭球体面的距离，称其为大地高，用H大表示。高程与高差的定义5. 水准原点与高程系统n n1.1.水准原点（高程的起算点）水准原点（高程的起算点
26、）n n我国水准原点设在青岛附近。用精密水准测量方法测我国水准原点设在青岛附近。用精密水准测量方法测定水准原点至验潮站确定的黄海平均海水面水位标志定水准原点至验潮站确定的黄海平均海水面水位标志线间的垂直距离，得到水准原点的高程。线间的垂直距离，得到水准原点的高程。 n n2. 19562. 19562. 19562. 1956年黄海高程系年黄海高程系年黄海高程系年黄海高程系n n以青岛验潮站以青岛验潮站1950-19561950-1956年验潮结果推算的黄海平年验潮结果推算的黄海平均海水面，作为全国的高程起算基准面。均海水面，作为全国的高程起算基准面。n n19561956年黄海高程系年黄海高
27、程系年黄海高程系年黄海高程系求出的水准原点高程为求出的水准原点高程为72.289m72.289m。n n3. 19853. 19853. 19853. 1985国家高程系国家高程系国家高程系国家高程系n n以以1952-19791952-1979年年1919年周期验潮结果推算的黄海平均年周期验潮结果推算的黄海平均海水面。海水面。n n19851985国家高程系求出国家水准原点的高程为国家高程系求出国家水准原点的高程为72.260m72.260m。设地面上有三个点A，B，C，其中A，B为已知点，现要测定C点的平面坐标和高程。将仪器架在B点，测定水平角，量测BC 的距离DBC 和高差hBC，即可得
28、到C点的平面位置和高程。所以测角、量边、测高程是测量的基本工作。因BC=AB +180，xC=xB+DBCcos BC，yC=yB+DBCsin BC可见，可见，水平距离、水平夹角水平距离、水平夹角和高差和高差是确定地面点空间位置是确定地面点空间位置的三个基本量的三个基本量。五、确定地面点位的三个基本量五、确定地面点位的三个基本量HC=HB+hBC一、一、地球曲率对水平距离的影响地球曲率对水平距离的影响地球曲率对水平距离的影响地球曲率对水平距离的影响1-4 地球曲率对水平距离和高差的影响地球曲率对水平距离和高差的影响二、对高差（高程）的影响二、对高差（高程）的影响三、地球曲率对角度的影响三、地
29、球曲率对角度的影响n n图图1-10 1-10 地球曲率对角度的影响地球曲率对角度的影响表1-4 地球曲率对角度的影响面积（km2）10100250010000角度误差C（）0.020.174.2616.91由表中可以看出，在100km2范围内用平面代替球面产生的角度误差为0.17，而精密大地测量仪器的测角精度仅为0.7，所以在地形测量中完全可以不考虑地球曲率对角度的影响。 称为球面角超，其大小为： 1-5 测量学现代发展测量学现代发展n n随着空间技术、计算机技术、信息技术和通信技术的发展，产生随着空间技术、计算机技术、信息技术和通信技术的发展，产生了以了以GPSGPS、GISGIS和和RS
30、RS所谓所谓“ “3S”3S”技术为代表的现代测绘科学技术，技术为代表的现代测绘科学技术，使测绘科学从理论到手段发生了根本性的变化，促进了测绘的智使测绘科学从理论到手段发生了根本性的变化，促进了测绘的智能化、自动化的发展。能化、自动化的发展。n n一、一、一、一、GPSGPS技术技术技术技术n n全球定位系统全球定位系统GPSGPS（Global Positioning SystemGlobal Positioning System）是美国发展）是美国发展卫星导航和定位系统。卫星导航和定位系统。n n二、二、二、二、 RSRS技术技术技术技术n n遥感遥感RSRS（Remote Sensing
31、Remote Sensing）是不接触被研究的对象，用传感器）是不接触被研究的对象，用传感器采集被研究对象的电磁波信息，对目标的电磁波特性进行处理、采集被研究对象的电磁波信息，对目标的电磁波特性进行处理、分析，从而识别目标物，揭示其几何、物理性质和相互联系及其分析，从而识别目标物，揭示其几何、物理性质和相互联系及其变化规律的现代科学技术。变化规律的现代科学技术。n n三、三、三、三、GISGIS技术技术技术技术n nGISGIS是是Geographic Information System Geographic Information System 的缩写，称为地理信的缩写，称为地理信息系统。地理信息系统是在计算机硬件和软件支持下，把各种地息系统。地理信息系统是在计算机硬件和软件支持下，把各种地理信息按空间分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、理信息按空间分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析应用的技术系统。它具有空间操作和分析显示、制图和综合分析应用的技术系统。它具有空间操作和分析功能，能为地球科学、环境科学和工程设计，乃至政府和企业提功能，能为地球科学、环境科学和工程设计，乃至政府和企业提供对规划、管理和决策有用的信息，并回答用户提出的有关问题。供对规划、管理和决策有用的信息，并回答用户提出的有关问题。角度与弧度的换算关系
