数字测图原理及方法绪论

数字测图原理及方法,武汉大学测绘学院,PrincipleandMethodsofDigitalMapping,第一章绪论,1.1测量学概述1.2地球的形状和大小1.3用水平面代替水准面的限度1.4测量坐标系1.5地形测量的基本概念1.6直线的定向,1.1测量学概述,第4页,测量学的产生生产、生活的需要以及建筑、农田、水利建设等公元前二十七世纪埃及大金字塔二千多年前夏商时代夏禹治水秦代李冰父子都江堰水利枢纽工程军事、交通运输的需要万里长城指南针,1.1测量学概述,一、测量学简介,测量学是一门很古老的科学，至少有四千多年的历史。古埃及的尼罗河泛滥后，消灭了土地界限，洪水过后需要重新划定地界，这样就需要测量学与几何学的理论与技能。古代的一些重要水利工程和市政建设，都离不开测量科学，例如公元前六世纪的尼罗河红海运河、底格里斯河与幼发拉底河之间的霍巴运河、伊拉克巴比他的“空中花园”等。据资料记载，公元前200年希腊人埃拉托斯芬第一个测定了地球的形状与大小。,1.1测量学概述,早在春秋战国时期，已经制成了利用磁石的指南仪器“司南”，它是沿用几千年的指南针与罗盘的雏型。大约是公元前2200年，夏禹治水时，使用了“左准绳，右规矩”的测量工具和方法。长沙马王堆3号汉墓出土了西汉时期的地形图和驻军图。俄国时代的甘石星表、东汉张衡研制的天球仪与侯风地动仪、魏晋时期刘徽的海岛算经、西晋裴秀的制图六体、唐李吉甫的元和群县图志等等一系列成就都在我国测绘史上增添了光辉的篇章。,1.1测量学概述,唐代增一行（张遂）主持了大规模的天文测量，其中包括公元724年进行的从河南滑县到上蔡长达300km的子午线弧长测量，并用日圭测定纬度，这是世界上最早的子午线弧长测量。宋代沈括在他的著名著作梦溪笔谈中提出了磁偏角现象，这比哥伦布的发现要早400年。,1.1测量学概述,世界测绘科学的发展与成熟始于17世纪。1617年开始应用三角测量；1668年出现了放大倍数为40倍的望远镜，并普遍应用于各种测量仪器上。法国人皮卡尔等从1669年起进行子午线弧长测量，直到17921798年米申和德伦贝尔进行了历史性的工作，把通过巴黎的子午圈的长度的四千万分之一作为lm。德国数学家高斯在1794年提出最小二乘法理论，奠定测量平差的基础。高斯又于18161820年推导了横圆柱正形投影的计算公式，克吕格在1912年加以研究改进，用于测量实际。,1.1测量学概述,在我国清代初期开展了全国性测图工作，17081718年完成了皇舆全图。法国在17301780年进行全国性地形测量。俄国在1745年绘成了欧洲部分地图13幅和亚洲部分地图6幅。20世纪50年代前后开始，不少新的科学技术迅速发展。如电子学、信息论、相干光理论、电子计算机、空间科学技术等，它们又推动了测绘科学的发展。1947年研究利用光波进行测距，到60年代中利用氦氖激光器作为光源的电磁波测距仪就问世了，这是量距工作的一大变革。在80年代电磁波测距仪在白天或黑夜的最大测程就能达到60公里，而且精度可达（5mm+1ppm）。短测程的测距仪，测程为12km，误差仅及厘米。,1.1测量学概述,20世纪40年代自动安平水准仪的问世，标志着水准测量自动化的开端。1990年已研制出数字水准仪，可以作到读数记录全自动化。1968年生产了电子经纬仪，它采用光栅、光学编码来代替刻度分划线，以电信号方式获得测量数据，并可自动记录在存贮载体上。陀螺经纬仪与激光经纬仪亦已应用于工程测量的定向工作。,1.1测量学概述,1957年第一颗人造地球卫星上天，1966年开始进行人卫大地测量，能以可全天候观测，速度快，精度高，对洲际之间、岛屿和岛屿之间及岛屿和大陆之间的联测能既快速又正确。20世纪70年代，通过人造卫星拍摄地球的照片，使航天技术有了广泛发展和应用。20世纪80年代开始发射的全球定位系统卫星，在90年代全部完成发射任务。,1.1测量学概述,数字化自动成图系统，其中包括航测数字化成图与全站仪数字化成图，它与传统的方法相比，具有成图周期短、劳动强度小、图纸精度高等等无可比拟的优点；“3s”技术的崛起，其中包括地理信息系统、全球定位系统和遥感，使测绘科学走向更高层次的电子化与自动化；我国测绘事业自1949年新中国成立后进入了迅速发展的时期。1956年建立了国家测绘总局，建立了全国统一的坐标系统和高程系统，建立了全国范围的大地控制网，测绘了全国基本图和大量不同比例尺地形图。,1.1测量学概述,一、测量学简介,测绘学是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。地球上一点（三维坐标系）XYZ平面上（x，y）高程（海拔高）H,测量学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的信息进行采集处理、管理、更新和利用的科学和技术。,一、测量学简介,一、测量学简介,测量学的主要内容包括测定和测设两部分。测定(测绘)从地球上获取数据，并进行处理，表示成图表，测定是指用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或地球表面的地貌、地物缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用。,测设（放样）把图上设计好的建筑物和构筑物的位置标定到实地上去。,一、测量学简介,随着国民经济的发展和科学技术的进步，测量学在生产中的作用越来越大，所涉及的内容也越来越丰富，并派生出许多分支学科：,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。研究地球表面上较大区域、甚至地球的形状、大小以及大范围控制测量问题。必须考虑地球曲率的影响。,二、测量学内容,2、地形测量学研究地球表面上较小区域的地表形态。是研究将地球表面的起伏状态和其它信息测绘成图的理论、技术和方法的学科。研究测绘小范围地形图，把地球表面看作平面而不考虑地球曲率影响。研究内容：图根控制网的建立和地形图的测绘表示形式：数字、文字、图,二、测量学内容,3、摄影测量学摄影测量学是研究摄影影像与被摄物体之间的内在几何和物理关系，进行分析、处理和解译，以确定被摄物体的形状、大小和空间位置，并判定其性质的一门学科。利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置。可分为航空摄影测量学、地面摄影测量学、水下摄影测量学、航天摄影测量学等分支学科。,二、测量学内容,4、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，及编制各种海图的理论和技术的学科。以海洋和陆地水域为对象进行的测量工作。,5、矿山测量学研究如何保护矿产资源的合理开发、安全生产和矿区环境治理。,二、测量学内容,6、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。为满足工程建设的需要，结合各种工程建设的特点而进行测量工作。,二、测量学内容,7、地图学地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。随着RS、GPS和GIS等新技术的不断发展，新的测量分支学科将不断涌现。,二、测量学内容,8测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。,二、测量学内容,1、在国民经济建设和社会发展规划中，测绘信息是最重要的基础信息之一；测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。非洲尼罗河每年泛滥会把土地的界线冲刷掉，为了每年恢复土地的界线很早就采用了测量技术。地籍测量。用以测定地块的边界和坐落，求算地块的面积，在农业为主的社会里，国家为了征税而开展地籍测量，同时记录业主姓名和土地用途等。在我国,地籍测量是国家管理土地的基础地籍测量的成果不仅用于征税，还用于管理土地的权属以保障用地的秩序，为了提高土地利用的效益、合理和节约利用十分珍贵和有限的土地。测量学还服务于国家领土的管理。,三、测绘科学的应用范围,测量学在工程建设中的作用勘测设计阶段：为选线测制带状地形图。施工阶段：把线路和各种建筑物正确地测设到地面上。竣工测量：对建筑物进行竣工测量。运营阶段：为改建、扩大建而进行的各种测量。变形观测：为安全运营，防止灾害进行变形测量。现代的测量学作为一门能采集和表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等几何信息，以及能把设计的建筑物、设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来的技术，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。,三、测绘科学的应用范围,2、在国防建设中，军事测绘和军用地图是现代化、大规模诸兵种协同作战必不可少的重要保障；“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。要有地利就要了解和利用地利。地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定位置、辨识方向的作用。地图一直在军事活动中起着重要的作用，这对于行军、布防以及了解敌情等军事活动都是十分重要的。传统上各国测绘部门隶属于军事部门。至今相当多国家的测绘部门仍然隶属于军事部门。随着测绘技术在各方面的应用愈来愈广泛，测绘科技国际间的交流日益频繁，不少国家终于建立了民用的测绘机构,三、测绘科学的应用范围,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。,三、测绘科学的应用范围,GPS在大坝外观及滑坡监测中的应用,四、测绘科学的应用实例,在98年特大洪水中发挥的作用,三峡库区滑坡监测,TCA2003测量塔柱动态变形,GIS系统数据采集,大坝监测,桥梁监测,道路施工及露天煤矿挖掘监测,2000悉尼奥运会,体育竞赛测量,水准测量,高精度工业测量,DISTO手持激光测距仪面向大众用户,隧道开挖中的地质超前预报及断面测量,遥感图像处理,GIS建库,三维景观数据的快速测量,特种测量及军事应用,1、传统测绘方法（钢卷尺）2、光学测绘方法（经纬仪）3、光、电测绘方法（全站仪）4、光、机、电测绘方法（测量机器人）5、光、机、电、传感器（三维激光扫描仪）,五、测绘技术的发展过程,TPS,GPS,水准仪,航空相机,DISTO,矢量望远镜,激光跟踪,GIS软件,CYRAX,1.2地球的形状和大小,地球的自然表面：地球的自然表面高低起伏，其形状十分复杂。海洋的面积占71%,陆地的面积占29%。珠穆朗玛峰高达8848.13m马里亚纳海沟深达11022m,人类认识地球的过程经过了2-3千年的过程,第48页,一、地球的自然表面,水准面：液体受重力而形成的静止表面称为水准面。是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。有无数个水准面。,P,离心力,地球引力,重力,垂球,铅垂线,同一水准面上的重力位处处相等；,同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交。,二、大地水准面,P,与平静的平均海水面相重合、并延伸通过陆地而形成的封闭曲面称为大地水准面大地水准面包围的形体称为大地体（Geoid）由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地水准面是个复杂的曲面。,水准面和铅垂线是野外观测的基准面和基准线。,由于大地水准面是不规则曲面，无法准确描述和计算。也难以在其面上处理测量成果因此，用一非常接近大地水准面的数学面-旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球。,二、大地水准面,由于大地水准面是不规则曲面，无法准确描述和计算。也难以在其面上处理测量成果因此，用一非常接近大地水准面的数学面-旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球。作为描述地球表面空间位置的基准，称其为地球椭球。地球椭球分类总地球椭球:与全球范围内的大地水准面最佳拟合参考椭球:与某个区域的大地水准面最佳拟合,大地水准面,大地水准面差距N,配合最佳的参考椭球面,三、地球椭球,第52页,大地水准面差距:地球椭球与大地水准面的距离垂线偏差:地面一点对大地水准面的垂线和对于地球椭球面的法线夹角.,三、地球椭球,参考椭球面：一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球体的表面。椭球体的大小和大地体十分接近。参考椭球面可用数学模型表示。,a,b,大地原点：确定大地水准面和参考椭球面的相互关系。定向：短轴平行于地轴定位：大地体与椭球体相切定大小：椭球的基本元素一定,P,P,垂线和法线重合,我国大地原点在西安泾阳县永乐镇,四、参考椭球面,1、代表地球的数学表面；2、大地测量计算的基准面；3、研究大地水准面的参考面；4、地图投影的参考面。,四、参考椭球面,地球的形状是一个南北极稍扁的，类似于一个椭圆绕其短轴旋转的椭球体。,地球自然表面,大地水准面,参考椭球面,图地球的形状和大小,水准面,测量工作的基准线铅垂线。测量工作的基准面大地水准面。测量内业计算的基准线法线。测量内业计算的基准面参考椭球面。,O,G,大地水准面,铅垂线,五、测量工作的基准线和基准面,基本原则:1、从整体到局部；2、先控制后碎部；3、复测复算、步步检核。前一步工作未检核不进行后一步工作优点：减少误差积累；避免错误发生；提高工作效率。,六、测量工作及基本原则,六、测量工作及的基本原则基本观测量:测量作业就在于使用不同精度的测量仪器，测得角度距离和高差,第58页,六、测量工作及基本原则测量单位:长度单位:英制单位：海里、码、英尺、英寸市制单位：里、丈、尺、寸、公制单位：公里、米、分米、厘米、毫米米的最早的科学定义是子午线长度的/40000000十八世纪法国科学院派测量队进行“弧度测量”。随后以测得的子午线弧长的四千万分子一作为长度的基本单位，称为“米”。为了使用方便，用铂金属制造了几根长一米的尺子，称为米的原尺。当时，世界各国的长度标准都是由这几根米尺派生复制出来。我国在六十年代之前也一直使用这样的复制尺,第59页,六、测量工作及基本原则测量单位:时间单位“秒”的定义经典的时间标准是用天文测量方法测定的。设将测量仪器的望远镜指向天顶，则某一天体连续两次通过望远镜纵丝的时间间隔就等于24时。1时的3600分之一就等于1秒。当然精确的“秒”要用一年甚至几年的时间间隔细分后求得。自二十世纪七十年代起才改用原子钟取得时间的标准。角度单位60进制单位度(d)、分(m)、秒（s)10进制单位新度(g)、新分(gm)、新秒（gs)弧度单位一圆周=2、=57.3=3434=206265,第60页,六、测量工作及基本原则长度单位换算1km=1000m1m=10dm=100cm=1000m1英里=1.6093公里1码=3英尺1英尺=12英寸=30.48厘米1英寸=2.54厘米1海里=1.852公里=1852米1里=500米1丈=10尺1尺=1/3米1尺=10寸角度单位换算1度（d）=60分（m）=3600秒（s）1g(新度)=100C(新分)=10000CC(新秒)1g=0.9d1c=0.54m1cc=0.324so=180o/=57.3o=3438=206265,第61页,1、地球的形状近似于怎样的形体？2、地球自然表面、水准面、大地水准面和参考椭球面的区别和联系？3、参考椭球的基本元素有哪些？4、测量工作的基准面和基准线是指什么？5、平均海水面_（是/不是）参考椭球面。6、任意高度的静止的液体表面（如平静的湖水面）_（都是/都不是/有的是）水准面,七、思考题,1.3用水平面代替水准面的限度,如图，由平面代替曲面产生的误差为D。D=ab-ab=D-S=Rtan-R=R(tan-）,在小范围测区角很小。tan用级数展开，略去五次方项，将=D