测量学-第一章课件

1、测 量 学课程性质：专业基础课总学时数： 48学时 其中：课堂理论教学48学时 使用教材：测量学 华中科技大学出版社（吴建新等主编相关课程：测量教学实习（1周） 测量学课程概述测量学教材内容分为两大部分第一部分：基本部分（前9章）第1章测量学基本概念第2、3、4、5章测量三项基本工作(H、D）第6章测量误差基础第7章控制测量第8、9章 地形图基本知识、地形图测绘与应用第二部分：专业部分（后3章）第10章测设基本工作与施工测量第11、12章道路中线测量1-1 测量学的任务与应用一、定义测量学：研究地球的形状和大小以及确定地面（包含空中、地下和水下）点空间位置的科学。二、任务1.测定（地面 图纸）

2、：使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据或成果，将地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、国防建设及科学研究使用。二、任务2.测设： 测设是指用一定的测量方法，按照一定的精度，把设计图纸上规划设计好的建(构)筑物的平面位置和高程标定在实地上，作为施工的依据。（图纸地面）1-1 测量学的任务与应用三、测量学的分类1.普通测量学：研究确定地球表面小范围（1025公里）内点位的理论和方法，不顾及地球曲率，把地球表面当作平面看待。2.大地测量学：研究地球表面广大区域点位测定的理论和方法。包括地球的大小和形状的测定、大地区控制测量、天文和重力测量。1-1 测量学的任务与应用1-

3、1 测量学的任务与应用三、测量学的分类3.摄影测量与遥感学：利用摄影相片或遥感技术来确定地面物体的形状、大小、性质、特征和空间位置的学科。1-1 测量学的任务与应用三、测量学的分类4.海洋测绘学：以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编绘工作，属于海洋测绘学的范畴。5.工程测量学：研究工程建设和资源开发中，在规划、设计、施工、管理各阶段进行的控制测量、地形测绘和施工放样、变形监测的理论、技术和方法的学科。 6.制图学：是利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印各种地图的工作，属于制图学的范畴。 本书主要介绍普通测量学及部分工程测量学的内容。1-1 测量学的任务与应用四、测量学的作用勘测

4、设计阶段: 测绘各种比例尺的地形图, 供规划、设计使用施工阶段: 施工测量、测设(施工放样)、竣工测量和变形观测运营管理阶段: 建（构）筑物变形观测和安全监测预报、扩建改建1-2 测量学的发展与现状一、测量学的发展简史世界最早的测量记载： 公元前21世纪史记.夏本记 记载“准、绳、规、距”世界最早的地球球体说：公元前6世纪，古希腊毕达哥拉 斯，地球自转世界最早的测量仪器：公元前3世纪中国四大发明之一 司南，即指南针世界最早提出大地测量名词：公元前3世纪古希腊亚里士 多德提出世界最早的地图论著：公元前3世纪古希腊埃拉托色尼 地理学提出经纬图，地球周长世界最早的天文测量仪器：公元100年，中国东汉

5、张衡， 混天仪1-2 测量学的发展与现状一、测量学的发展简史世界最早的地图制图规范：公元265年，中国西晋裴秀 禹贡地域图序言“制图六体”世界最早的地形模型：公元421年，中国南朝谢庄 制造木方丈图世界最早的近代地球仪：1429年，德国白海姆制作世界最早的地球投影：1569年，德国墨卡托投影世界最早的望远镜： 1608年，荷兰，汉斯发明望远镜世界最早的近代测量工作：1617年，荷兰，斯纳尔 在世界首次进行三角测量世界最早的地球椭球论： 1672年，法国里歇通过观测钟摆周期的实验，推论地球是椭球；1687年，英国牛顿在自然哲学的数学原理书中根据万有引力定律证明了地球是旋转椭球的理论1-2 测量学

6、的发展与现状一、测量学的发展简史高斯（C.F.Gauss，17771855年）世界近代测量史的杰出代表，现代测绘科学的奠基人，德国著名的数学家、物理学家、天文学家。1794年，最早提出最小二乘法，奠定了的近代测量平差理论的基础，1809年正式发表（概率论创始人法国拉格朗日1806年发表最小二乘原理）1822年，创立高斯投影理论，1912年由德国大地测量学家克吕格补充完善，正式建立高斯-克吕格投影和高斯-克吕格平面直角坐标系，简称高斯平面直角坐标系1826年，创立三角测量控制网整体条件平差理论1828年，提出平均海水面概念，为全球建立大地水准面作为高程基准面打下基础1-2 测量学的发展与现状二、

7、测量学的发展现状望远镜的发明，推动了光学测量仪器（如光学水准仪、经纬仪）的发展和广泛使用1859年第一台地形摄影机在法国制造，洛斯达开创了地面摄影测量方法1903年飞机的发明，1915年第一台自动连续航空摄影机在德国蔡司测绘仪器厂研制成功，使航空摄影测量成为现实1947年瑞典生产第一台光电测距仪，世界从此进入电子测量时代。随后相继出现了微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪等电子经纬仪+光电测距仪+计算机=电子全站仪1-2 测量学的发展与现状二、测量学的发展现状从游标经纬仪 光学经纬仪 电子经纬仪 电子全站仪数字智能型全站仪从光学水准仪自动安平水准仪电子水准仪数字水准仪从地面摄影测量航空摄影测量数

8、字摄影测量卫星遥感（RS）图像处理三维激光扫描系统从野外白纸测图计算机机助制图数字化自动成图地理信息系统（GIS）从全球卫星定位系统（GPS）“3S”集成技术1-2 测量学的发展与现状三、我国测量事业的发展建立和统一了全国坐标系统和高程系统建立了全国的大地控制网、国家水准网、基本重力网、完成了大地网和水准网的整体平差；完成了国家基本图的测绘工作已完成全国GPS 大地控制网和GIS基础框架进行了珠穆朗玛峰高程的测量。制定了各种测绘技术规范（规程）和法规，统一了技术规格和精度指标。 测绘仪器生产发展迅速，不仅生产出各等级的经纬仪、水准仪、平板仪，而且还能批量生产电子经纬仪、电磁波测距仪、自动安平水

9、准仪、全站仪、GPS接收机、解析测图仪等。 1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小1.地球的形状和大小地球是一个表面起伏较大的椭球 地球表面最高峰： 8844.43m 海洋底部最深处: 11022.00m 地球表面最大高差近20km地球平均半径: 6371km地球又是一个近似光滑的水球 大陆面积: 占29% 海洋面积: 占71 %1-3 测量学的基础知识1-3 测量学的基础知识1-3 测量学的基础知识1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小2.测量基准面（1）大地水准面 水准面：设想有一个自由平静的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，我们把自由平静的海水面称为水准面。水准面是一个

10、处处与重力方向垂直的连续曲面。1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小2.测量基准面（1）大地水准面大地水准面：水准面有无数个，其中通过平均海水面的一个水准面称为大地水准面。由大地水准面所包围的地球形体 称为大地体。大地水准面和铅垂线是测量工 作的基准面和基准线 。1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小2.测量基准面（1）大地水准面（2）参考椭球面为使用方便，通常用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体（即地球椭球）来代替地球的形状作为测量计算工作的基准面。地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称为旋转椭球。 1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小

11、2.测量基准面（1）大地水准面（2）参考椭球面椭球的基本元素有：长半径为a，短半径为b，扁率旋转椭球理论上是唯一的数学球体；旋转椭球参数，难以全球统一确定；各国自己测定并采用的旋转椭球称为参考椭球。ZYX1-3 测量学的基础知识一、地球的形状和大小2.测量基准面（1）大地水准面（2）参考椭球面根据一定的条件，确定参考椭球与大地水准面的相对位置，所作的测量工作，称为参考椭球体的定位。 以陕西省泾阳县永乐镇某点为大地原点进行定位，建立了全国统一坐标系，即“1980年国家大地坐标系”。1-3 测量学的基础知识抽象1-3 测量学的基础知识地球表面大地体旋转椭球体大地水准面旋转椭球面1-3 测量学的基础

12、知识大地体旋转椭球体大地水准面参考椭球面1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定测量工作的实质是确定地面点的空间位置，地面点的空间位置可用三维的空间直角坐标 （X，Y，Z）或用二维坐标系 (x, y)（如大地坐标系）和一维坐标系（如指定的高程系统（H）来表示，可写为(x, y，H) 1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定1大地坐标系 表示地面点在地球椭球面上的位置，用大地经度L和大地纬度B表示。基准面：参考椭球面基准线：法线1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定 2空间直角坐标系 以椭球体中心O为原点，起始子午面与赤道面交线为X轴，赤道面上与 X轴正交的方向为Y轴，椭球体的旋转轴为

13、Z轴，指向符合右手规则。在该坐标系中，P点的点位用OP在这三个坐标轴上的投影x,y,z表示 。1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定3独立平面直角坐标系 测量工作中采用的平面直角坐标系如图所示。规定：南北方向为纵轴X轴，向北为正；东西方向为横轴Y轴,向东为正。 yA西y (东)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AxAo(西南角)(北)1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定3独立平面直角坐标系测量平面直角坐标系 数学平面直角坐标系 1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（1）高斯投影 高斯投影：横切椭圆柱正形投影。又称为高斯克吕格投影。目的：将球面

14、坐标转换为平面坐标。 1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（1）高斯投影OSN赤道面中央子午线M1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（1）高斯投影中央子午线和赤道投影后成相互垂直的直线。中央子午线长度不变，离中央子午线越远变形越大。为保证投影精度，必须采用分带投影。1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（2） 高斯平面直角坐标系 坐标原点：中央子午线和赤道的交点x坐标：中央子午线的投影向北为正。y坐标：赤道的投影，向东为正。WENSABoybyayx1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（2）

15、高斯平面直角坐标系（1）6度投影带：中央子午线经度为（2）3度投影带：中央子午线经度为1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（2） 高斯平面直角坐标系我国位于北半球(赤道以北)，x坐标值均为正值，而y坐标值则有正有负。为了避免y坐标值出现负值，我国规定将每带的坐标原点向西移500km。由于各投影带上的坐标系是采用相对独立的高斯平面直角坐标系，为了能正确区分某点所处投影带的位置，规定在横坐标值前面冠以投影带带号。1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定4高斯平面直角坐标系（2） 高斯平面直角坐标系B点真正横坐标yb-124625.723m； 按照上述规定，y值应改写为

16、yb 20(-124625.723+500000)20375374.277WENSABoybyayxWENSABoybya500kmyx1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定 5高程系统 （确定该点沿铅垂方向到某基准面的距离。）绝对高程（海拔）：指某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，用表示。相对高程：某点距假定水准面的铅垂距离。高差：地面上两点间的高程之差。ABHAHBHAHB黄海平均海水面大地水准面假定水准面hAB1-3 测量学的基础知识二、地面点位的确定5高程系统 高程基准面如何确定，基准点的高程为多少呢？以青岛验潮站多年的观测资料求得黄海平均海水面，作为我国的高程基准面，建立了“19

17、56年黄海高程系”，并在青岛市观象山上建立了国家水准基点（=72.289m）。在1987年启用“1985国家高程基准”，此时测定的国家水准基点高程72.260m。 1-3 测量学的基础知识三、用水平面代替水准面的限度就理论上而言，将极小部分的水准面(曲面)当作水平面是要产生变形的，必然对测量观测值(如距离、高差等)带来影响。 1水准面曲率对水平距离的影响大地水准面上：在水平面上：误差值：相对误差：取637lkm，以不同的代入式中，得出距离误差和相应相对误差 1-3 测量学的基础知识三、用水平面代替水准面的限度1水准面曲率对水平距离的影响 表1水平面代替水准面的距离误差和相对误差结论：由表可知，

18、在半径为10km的范围内（相当于面积320km2），用水平面代替水准面可不考虑地球曲率对距离的影响。当精度要求较低时，还可以将测量范围的半径扩大到25km(相当于面积2000km2)。距离D/km距离误差D/mm相对误差D/D1081/1 220 000251281/200 0005010261/49 00010082121/12 0001-3 测量学的基础知识三、用水平面代替水准面的限度 2水准面曲率对水平角的影响 由球面三角学知识知道，同一空间多边形在球面上投影的各内角之和，较其在平面上投影的各内角之和大一个球面角超 水平面代替水准面对角度的影响 结论：地球曲率对水平角度的影响在一般测量工

19、作中不必考虑，只有在最精密测量中才需要考虑。球面面积(km2）()球面面积(km2）()10500.050.251005000.512.541-3 测量学的基础知识三、用水平面代替水准面的限度3.水准面曲率对高差的影响1-3 测量学的基础知识三、用水平面代替水准面的限度3.水准面曲率对高差的影响 水平面代替水准面的高程误差 结论:由表可知，在进行水准(高程)测量时必须顾及其影响,进行改正S(m)10501002005001000(mm)0.00.20.83.119.678.51-4 测量工作的基本概念一、测量工作的基本原则在测量布局上，应遵循“由整体到局部”的原则；在测量精度上，应遵循“由高级到低级”的原则；在测量程序上，应遵循“先控制后碎部”的原则。在测量过程中，应遵循“随时检查，杜绝错误”的原则1-4 测量工作的基本概念二、控制测量的概念控制测量：测定测区内若干个具有控制意义的控制点的平面位置(坐标)和高程，作为测绘地形图或施工放样的依据。平面控制测量：确定测区