测量学的基本知识及测量成果应用.ppt

,测量学的基本知识及测量成果应用 中兵勘察设计研究院 翁克勤 2011年12月18日,目 录,一、测量学的基本知识 二、电力设计院业务与测量的关系 三、测量坐标系统 四、测量高程系统 五、测量工作分类 六、测绘成果提交 七、 GPS定位的坐标系统 八、 GPS定位原理 九、 GPS测量数据处理与应用,一、测量学的基本知识 1.1测量学的基本概念 传统的测量学是以地球为研究对象，对地球进行测定和描绘的科学，是利用测量仪器和工具测定地球表面自然的形态、森林植被、土壤、湖泊和各种人工设施的形态、大小、空间位置及其属性等，然后将地面的自然形态和人工设施等绘制成地图。随着科学技术的发展和社会的进步，测量学的研究对象不仅是地球，还需要将其研究范围扩大到地球外层空间的各种自然和人造实体。,1.2测量学的分类,测量学是测量科学技术的总称，它所涉及的技术领域，按照研究内容和测量手段的不同，分为许多分支科学，这些学科有： 1）天文测量学、2）大地测量学、3）地形测量学、4）遥感测量学、5）摄影测量学、6）工程测量学、7）海洋测量学、8）地图测量学、9）地理 信息学、10）边界测量及测量平差理论等。,工程测量学： 是研究工程测量和自然资源开发在规划设计、施工放样和运营管理各阶段中进行测量工作的理论、技术和方法的科学，是测量学中最活跃的一个分支学科，所以又称为实用测量学或应用测量学。（工程测量按照建设的对象又分为城市测量、铁路工程测量、公路工程测量、水利测量、地籍测量、建筑测量、工业厂区施工安装测量、矿山测量、施工测量、变形测量、地下管线测量、竣工测量等。）,大地测量学： 是研究地球的大小、形状和重力场，测定地球表面广大地区的点位和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。 地图测量学： 是研究如何将地球表面较小区域内的自然地物和人工地物以及地球表面高低起伏的形态等测绘成地形图的基本理论、技术和方法的学科。 摄影测量学： 是利用航空或航天器对地面摄影或遥感，以获得地物和地貌的摄影或光谱，然后在对这些信息进行处理、量测、判释和研究，以确定被测物体的形态、大小和位置，并判断其性质，将地表形态和人工设施的影像信息用模拟的、解释的或数字的方式转变成各种比例尺的地形原图或形成地理数据库、并用图形、图像和数字形态来表达测量成果的基本理论和方法的一门学科。 海洋测量学： 是研究测量海岸、水体表层及海底自然与人工形态及其变化状况的理论、技术和方法的学科。 制图学： 是以地图信息传输为中心，探讨地图的编制及其制作的理论、工艺技术及其应用的一门综合性学科。,1.3测量学的任务,确定地球的形状和大小，在已知地球的形状和大小及其重力场的基础上，建立统一的坐标和高程系统、精确的测定地面点的平面位置和高程。利用现代测量手段对地球表面和外层空间的各种自然和人造物体的几何、物理和人文信息及其时间变化进行采集、量测，再通过计算机和网络进行存储、分析、显示、分发和利用。进行国民经济建设和国防建设所需要的测量工作，以推动生产与科技的发展。,1.4.地球的形态和大小,测量工作在地球表面上进行的，应知道地球的形状和大小。由于地球表面71%被海水覆盖，可以把海水所覆盖的地球形体看作地球的形状。虽然地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地及海洋等地物地貌，世界最高的珠穆拉玛峰高程8844.43m，最深的马里亚纳海沟深达11022m，地球的自然表面高低起伏最大近20Km，但这种起伏不到地球半径6378.14Km的1/300，对地球总体形状的影响可忽略不计。,大地水准面是测量工作的基准面。但是由于地球内部质量分布不均匀，致使大地水准面成为一个复杂的曲面。为此选用一个非常接近大地水准面，并使用数学式表达的几何形体来代表地球的总形状，称为旋转椭球体。它们的关系见图1-1 1.5地面点的表示方式 测量工作的基本任务是确定地面点的空间位置。地面点的空间位置通常是用地面点在球面或平面上的投影位置（即地面点的坐标），以及地面点到大地水准面的铅垂距离（即地面点的高程）来描述的。,旋转椭球体是由一椭球面（长半轴为a、短半轴b）绕其短半轴b旋转而成的椭球体。长半轴a、短半轴b、扁率是决定旋转体的形状和大小的元素，随着测绘科学的进步，可以越来越精确的测定这些元素。目前a=6378140m, =1/298.257，b=6356755.288m。 由于扁率很小，当测区不大时，可将地球当做为半径6371Km的圆球。当测区面积很小时，可用水平面代替水准面，作为局部地区的测量基准面。,二、电力设计院业务与测量的关系,预可研阶段,可研阶段,规划阶段 选址选线,设计阶段,施工阶段,竣工阶段,运营维护阶段,卫星遥感测量,航空摄影测量,航空摄影测量,数字地形测量,施工测量、变形测量,竣工测量、变形测量,地理信息建立,航空影像,小比例尺地图,中比例尺地形图,大比例尺数字地形图,放样、安装、变形控制,大比例尺现状图,资源管理系统,三、测量坐标系统,1、天球坐标系-协议天球坐标系（瞬时平天球坐标系（岁差）、瞬时天球坐标系（章动） ）,2、地球坐标系-协议地球坐标系（瞬时地球坐标系（极移） ）,3、协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换 转换公式: 1）两坐标系的原点均位于地球的质心； 2）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向一致； 3）瞬时天球坐标系的x轴与瞬时地球坐标系的X轴指向不同，且其夹角为春分点的格林威治恒星时。 在GPS卫星定位测量中，通常在协议天球坐标系中研究卫星运动轨道；而在协议地球坐标系中研究地面点的坐标。,4、地球参心坐标系 5、国家大地坐标系 1）1954年北京坐标系（参心） 1954北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于前苏联1942年普尔科夫坐标系。 椭球：克拉索夫斯基椭球 长半轴a：6378245m 扁率f：1/298.3 高程：以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准 2）1980年西安坐标系（参心） a. 全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面上进行。为此首先需要建立一个新的大地坐标系，并名之为1980国家大地坐标系；,b. 1980国家大地坐标系的大地原点定在我国中部。具体选在陕西泾阳县永乐镇 c. 采用国际大地测量和地球物理联合会1975年推荐的四个地球椭球参数（a,J2,GM,omega），并根据这四个参数求解椭球扁率和其它参数。（a=6378140m；GM=3.986005*pow（10，14）；J2=1.08263*pow（10，-8）；omega=7.292115*pow（10，-5） d. 1980年国家大地坐标系的椭圆短半轴平行于地球质心指向我国地极原点JYD1968.0方向；大地起始子午面平行于格林尼治天文台的平均子午面 e. 高程方向的约束条件：椭球定位参数以我国范围内-高程异常值平方和-最小。 3）新1954年北京坐标系（参心）,4）2000国家大地坐标系（地心） 地心系CGCS2000的定义如下： a. 原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心 b. 长度单位：国际单位制m，与局部地心框架下的地心坐标时一致，通过适当 c. 定向：初始定向由1984.0时的BIH 定向给出 d. 定向的时变：定向的时变不产生相对于地壳的残余全球旋转 e. CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系（直角坐标系包括笛卡尔空间直角坐标系（X、Y、Z）和空间大地直角坐标系（B、L、H）。原点位于地球质心；Z轴与IERS参考极（IRP）方向一致，X轴为IERS参考子午面（IRM）与垂直于Z轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴、X轴垂直并最终形成右手正交系。,参考椭球采用2000参考椭球，其相应参数为： a=6378137m， f：1/298.257222101 GM=3.986004418*pow（10，14） J2=0.001082629832258 omega=7.292115*pow（10，-5） 5）城市坐标系或独立坐标系（参心） 6）站心坐标系 6、高斯平面直角坐标系与UTM坐标系 参心椭球坐标的平面投影：等角投影、等面积投影、等距离投影和任意投影。 世界各国常采用的是高斯与UTM两种投影，它的特征： 1）等角投影； 2）中央子午线投影为纵坐标轴，且是投影点的对称轴； 3）高斯投影中央子午线长度变形参数为1；UTM长度投影变形参数为0.9996.,6、高斯平面直角坐标,当测区范围较大时，由于有比较大的差异，不能用水平面代替球面，而是要采取高斯投影面。高斯投影的方法从首子午线起每隔经差6为一带。自西向东将整个地球分成60个带。各带号N=1、260。第一个6带中央子午线的经度为3，任意一带中央子午线经度LO=6N3。在大比例尺测图中，要求棱形变更小，可用3带或1.5带投影。,在高斯平面直角坐标系中，以每一带的中央子午线的投影为直角坐标系的纵轴X，向北为正，向南为负，以赤道的投影为直角坐标系的横轴Y，向东为正，向西为负，两轴交点O为坐标系原点。由于我国领土位于北半球，因此X坐标均为正值，Y坐标可能有正有负，为了避免出现负值，将横坐标值加500km。,四、测量高程系统,地面点到大地水准面的铅垂距离，称为绝对高程，又称海拔高。见图1.7，受海潮、风浪影响，海水面的高低时刻在变化。我国在青岛设立验潮站，进行长期观测，取黄海平均海水面作为高程基准面，建立“1956年黄海高程系”其原点高程为72.289m，即采用青岛水准原点和根据青岛设立验潮站从1950年1956年的验潮数据确定的黄海平均海水面所定义的高程基准。1987年废止并启用“1985年国家高程基准”，其原点高程为72.260m，即采用青岛水准原点和根据青岛设立验潮站从1956年1979年的验潮数据确定的黄海平均海水面所定义的高程基准。,确定地面点高程的测量工作，称为高程测量。国家高程控制测量分为四个等级。高程控制网的建立主要用水准测量的方法获得。 一、二等水准测量称为精密水准测量，在全国范围内沿主要干道、河流等整体布设，构成网状；三、四等水准网，在高等级水准环内进一步的加密。,五、测量工作分类,1、平面控制测量（GPS测量、三角测量、导线测量、RTK GPS测量等） 2、高程控制测量（水准测量、三角高程测量、 GPS测量等） 3、数字地形测量（各种比例尺数字摄影测量、数字地形测量、三维高程模型、线划图、正射影像图、栅格地图等） 4、纵横断面测量 5、线路测量 6、施工测量 7、摄影测量 8、安装测量 9、变形测量 10、地理信息系统,1.控制测量,控制测量就是在整个测区范围内用精密测量仪器和一定的方法测定少量大致均匀分布的点，确定这些点的空间位量（x、y、h）,这些点称为控制点。控制点为地形图测绘和各种工程测量、施工测量提供控制基础和计算依据。控制测量分平面控制测量和高程控制测量。 1.1平面控制测量 国家平面控制网按其测量精度分为一、二、三、四等四个等级。按照使用的仪器和采用的测量方法的不同，平面控制测量的方法分为：三角测量、导线测量和卫星全球定位（GPS）测量。,1.2国家三角控制网 我国的国家平面控制网首先是建立一等天文大地锁网，在全国范围内大致沿经线和纬线方向布设成格网式（见图2-2），格网间距约200km，三角形的平均边长为25km。一等三角网是国家控制网的骨干，它的主要作用是控制二等及其以下的等级测量，并为研究地球的形状和大小提供资料。,3.地形图测绘,地形图是测量工作的最重要的成果。为满足经济建设和国防建设的需要，测绘和编制了各种不同比例的地形图，通常称为1：100万、1:50万、1:20万为小比例尺地形图，1：10万、1:5万、1:2.5万为中比例尺地形图；1:1万、1:5000、1:2000、1:1000、1:500为大比例尺地形图。比例尺越大。比例尺精度越高。工程建设中通常采用大比例尺地形图。中小比例尺主要用于航空摄影方法成图，大比例尺主要用实测或数字化测图完成。地形图的分幅方法分为两类，一类是按经纬线分幅的梯形分幅，又称为国际分幅。中小比例尺地形图为此类分幅法，另一类是按坐标格网分幅的矩形分幅法，大比例尺地形图一般均为此类分幅法 。,地形图上是用地形图图式中规定的地物符号和标记及地貌符号表示。地物的类别、形状和大小及其在图上的位置用地物表示，根据地物大小及描绘方法的不同地物符号又可分为比例符号、非比例尺符号、半比例符号。地形图上的地貌通常用导高线表示，用等高线表示地貌，不仅能表示地面的起伏形态而且还能科学的表示出地面的坡度和地面点的高程。 等高线的特性是： 同一等高线上各点的高程相等 等高线为闭合曲线，不能中断，如果不在本图幅内闭合，则必在相邻的其他图幅内闭合。 等高线只有在悬崖、绝壁处才能相交。 等高线与山脊线、山谷线正交。 同一幅地形图上的等高距相同，因此等高线平距大表示地面坡度小；等高线平距小表示地面坡度大；平距相同则坡度相同。,地形图除了所测绘内容外。还有以下几方面内容：内外图廓、图号和图名、图幅的大小与面积、比例尺、图幅接合表、地理坐标分度线和相邻带的方格网等。 地形图有定向功能、地物判读功能、地貌判读功能、可以在地形图上确定用图者所在的位置、可以求地面上任何一点的坐标、求图上两点间的水平距离和方向、根据等高线确定点的高程，确定直线的坡度和地形图坡度尺的绘制等等。地形图在军事上、工程建设上以及诸多领域都有广泛的用途。,六、测绘成果提交,1、测绘技术任务书、招标书、合同书等； 2、测绘技术设计方案和实施方案； 3、技术变更书； 4、检测验收报告； 5、测绘产品质量报告； 6、测绘技术总结报告；（概述、执行技术依据、技术执行过程、测绘成果质量情况、成果资料清单等） 7、测绘图件、表件；（各种比例尺地形图、纵横断面图、地下管线图、专题图、专用图、点志记图、各种成果表等） 8、影像图件；（卫星像片、航空影像、现场照片） 9、现场实物产品；（水准点、GPS控制点、三角点、导线点、塔位桩点、界址点、中线点等） 10、电子文件。（影像地图、数字地形图、数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图、数字栅格地图、电子地图、虚拟现实、地理数据库等）,七、 GPS定位的坐标系统,在全球卫星定位系统中，卫星主要是作为位置已知的空间观测目标，为了测定地球表面点的位置，GPS卫星的瞬时位置应换算到统一的地球坐标系统中。 WGS-84坐标系是世界大地坐标系（WGS），是协议地球坐标系的一种，其原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极（CTP）;X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，构成右手坐标系。,WGS-84坐标系采用的椭球称为WGS-84椭球，其常数由国际大地测量与地球物理学联合会推荐，主要的5个参数如下： 1）长半径a=63781372米； 2）地球（含大气层）引力常数GM=（396860051080.6108）m3/s2； 3）正常二阶带谐系数C2.0=-484.16685 10-60.610-6； 4）地球自转角速度=(729211510-110.150010-11)rad/s； 5）椭球扁率f=1/298.257223563。,八、 GPS定位原理,GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：,一）GPS绝对定位原理 1）测码伪距观测方程及线性化 2）测相伪距观测方程及线性化 3）动态绝对定位原理 4）静态绝对定位原理 二）观测卫星的几何分布与GPS授时 1）卫星几何分布精度因子（三维位置精度因子PDOP、钟差精度因子TDOP、垂直分量精度因子VDOP、水平分量精度因子HDOP） 2） GPS测时 三）GPS相对定位原理 1）相对定位的概念（静态相对定位概念、动态相对定位概念、） 2）静态相对定位的观测方程及其算解（单差观测模型及解算、双差模型及其算解、三差模型）,四）差分GPS测量原理 目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。 差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。 1）伪距差分原理 这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。 这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”。 2）位置差分原理,3）载波相位差分原理 载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。 载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。 五）广域差分GPS 1）单基准站差分GPS（SRDGPS） 2）区域差分GPS系统（LADGPS） 3）广域差