数据采集技术课件

1、第一讲 绪论、大地测量数据采集技术本课程概况教材情况主讲教材大地测量学基础，吕志平辅助教材椭球大地计算，朱华统控制测量学，张建军电子速测技术，段定乾网络课程大地测量学基础网络课程信息版 19:8070/ 资源版 http:/mta.chxy.mtn本课程的地位：“是理解和掌握大地测量学与测量工程、摄影测量学与遥感工程、地图制图学与地理信息工程等专业知识的基础”。 讲课内容（共21次课，42学时）绪论、大地测量数据采集技术、大地控制网的建立（2次,第一、二、三章）大地水准面与高程系统（2次，第四章）参考椭球面与大地坐标系（8次，第五章）高斯投影与高斯平面直角坐标系（5次，第六章）大地坐标系的建立

2、（4次，第七章） 本课程概况学习时间安排本课程学习时间共60学时讲课：42学时实习：4次，共8学时坐标转换白赛尔大地问题解算（正算）白赛尔大地问题解算（反算）高斯正、反算本课程概况成绩评定作业、提问 5分上机实习 5分卷面考核 90分本课程概况教员自我介绍教研室： 一系大地测量教研室办公室： 办公楼五楼 36070机 房： 大地楼一楼 36072电 话：Email ： 本次课主要内容一、大地测量学的定义和作用二、大地测量学的学科体系三、大地测量学的发展简史与趋势四、大地测量数据采集技术高程测量角度测量距离测量一、大地测量学的定义和作用位置是一类重要的信息位置怎么描述？

3、 我在郑州我在测绘学院我在图书馆我在二楼中文阅览室我在中文阅览室进门的座位上位置的描述形式有哪些？ 用文字用图形（示意图、地图）用数字（坐标）Definition and Function of Geodesy一、大地测量学的定义和作用坐标系怎么确定？原点放在哪里坐标轴怎么定向 必然涉及怎么认识我们的地球这一问题地球形状、大小重力场 结论：大地测量学的这两项任务密切相关Definition and Function of Geodesy一、大地测量学的定义和作用测量：又称度量（measure或survey），用仪器测定地形、物体位置或温度、速度、功能等物理量。大地测量(geodesy)：是“测

4、定和描绘地球表面的科学”其主要任务是：测量和描绘地球并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息。技术任务：精确确定地面点位及其变化 。科学任务：研究地球重力场、地球形状和地球动力现象 。 在大多数情况下，二者并没有质上的区别。而从现在的观点来看，在测绘领域，“测量”讲的是实际确定位置，“大地测量”则是指测量的理论基础。Definition and Function of Geodesy作用地形图测绘工程建设交通运输地球科学研究资源开发环境监测 与保护防灾减灾救灾空间技术国防建设一、大地测量学的定义和作用Definition and Function of Geodesy1）在建立坐标参考框

5、架方面的应用GPS一二级网，GPS A、B级网和网络工程网及其它空间大地测量成果与天文大地网联合平差，建立了BGS2000 。是我国新一代测绘基准，即数字地图生产、导弹发射、卫星测控、国际工程等统一的参考框架。OXYZBGS20003）在空间技术方面的应用军事工程应用4）在军事工程方面的应用5）在新型武器测绘保障方面的应用二、大地测量学的学科体系普通测量学大地测量学测量学研究范围是不大的地球表面，把地球表面认为是平面且不损害测量精度，计算时认为在该范围内的铅垂线彼此是平行的。研究全球或相当大范围内的地球，铅垂线被认为彼此不平行，同时需顾及地球的形状及重力场。Frame of Subject物理

6、学计算机科学数学城市管理制图学工程管理学边界划分学地理学行星学水文学天文学地球动力学勘探学环境管理学生态学空间科学海洋学大气科学地球物理学大地测量学与大地测量学有关的学科交叉融合示意图地球空间的范围理论大地测量学大地控制测量学海洋大地测量学工程大地测量学 时空属性几何大地测量学物理大地测量学动力大地测量学整体大地测量学 技术手段地面大地测量学空间大地测量学惯性大地测量学 Frame of Subject二、大地测量学的学科体系萌芽阶段 学科的形成 弧度测量的发展 几何大地测量学的发展 物理大地测量学的发展 卫星大地测量学的发展 动力大地测量学的发展 发展简史三、大地测量学的发展简史与趋势 Br

7、ief History and Trend of Development 三、大地测量学的发展简史与趋势1、大地测量学发展简史第一阶段地球圆球阶段 第二阶段地球椭球阶段 第三阶段大地水准面阶段 第四阶段现代大地测量新时期2、大地测量学发展展望Brief History and Trend of Development 1) 第一阶段地球圆球阶段从远古至17世纪末，人们逐渐把地球认为是圆球。公元前3世纪，亚历山大学者埃拉托色尼首次用子午圈弧长测量法来估算地球半径，分为两种测量：一是属于天文部分：子午圈弧长两端点的纬度差；一是属于大地部分：两端点间的子午圈弧长。到1516世纪文艺复兴浪潮席卷欧洲时

8、，以哥白尼、伽里略及牛顿等为代表的一批科学家摆脱宗教枷锁后，才在自然科学方面获得一系列的惊人发明和创造，促进了大地测量学的萌芽和形成。 埃拉托色尼是著名亚历山大博物馆中的一名有名望的图书管理员，他被称为大地测量学的真正创始人，他精心地测量了亚历山大城和阿斯旺城之间的纬度，由此得出了地球的大小（前提地球为球形），此结果接近现代的结果.2) 第二阶段地球椭球阶段17世纪末至19世纪下半叶，人们把地球的认识推进到向两极略扁的椭球。17世纪初，荷兰人斯涅耳(WSnell)首创三角测量法。此后，望远镜，游标尺，十字丝，测微器等相继出现。天文学和物理学在地球形状、重力场及其空间位置等方面也都提出了崭新的观

9、念。荷兰的哥白尼1543年创立了日心说，确定了地球在太阳系中的空间位置；德国的开普勒1619年发表了行星运动遵循的三大定律；意大利的伽里略1590年根据自由落体原理进行了第一次重力测量；荷兰的惠更斯1673年提出用摆进行重力测量的原理，并推导了数学摆公式。牛顿于1687年根据他建立的万有引力定律，经论证认为：在引力定律下，并绕一轴旋转的均质流体物质的均衡形状，是两极扁平的旋转椭球；重力加速度由赤道向两极与(地理纬度)成比例地增加。惠更斯也推导了地球的扁率。把地球质量集中在球心，扁率等于赤道处离心力与引力之比的一半。人类进入了认识地球为旋转椭球的新阶段，几何大地测量学得到形成和发展，物理大地测量

10、学开始奠定基础。2) 第二阶段地球椭球阶段（续）第二阶段取得的成绩1) 长度单位的建立;2) 最小二乘法的提出;3) 椭球大地测量学的形成，解决了椭球数学性质，椭球面上测量计算，以及将椭球面投影到平面的正形投影方法。4) 弧度测量大规模展开;5) 推算了不同的地球椭球参数。 2) 第二阶段地球椭球阶段存在的问题：外业测量的基准线是铅垂线，方向是物理的重力方向；而椭球面计算基准线则是法线，方向则是几何的垂直方向。重力方向相对法线方向有偏差，即所谓垂线偏差。地球表面每点的重力及其方向都不相同。地球表面是极其复杂的自然地面，不能用简单数学关系式来表达，只能用控制点坐标来逐点描绘。 由于海水面占全球表

11、面大部分，且比较规则，在某种假设下，可认为海水面是重力等位面，并把它延伸到大陆下，得到一个遍及全球的等位面。 德国的李斯廷(J.B.Listing)1872年，把它命名为大地水准面。人类认识地球形状又产生了一次飞跃即将椭球面推进到大地水准面的新阶段。3) 第三阶段大地水准面阶段19世纪下半叶至20世纪40年代，对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。 几何大地测量学的进展：（1）天文大地网的布设有了重大发展；（2）因瓦基线尺出现，带平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用，将天文大地测量同重力测量相结合，代替天文水准等方面有较大进步。 (1) 大地测量边值问题理论的提出克莱罗是以椭球面为边

12、界解决边值问题的。 英国的斯托克司提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。 荷兰学者维宁曼尼兹推出了以大地水准面为参考面的垂线偏差公式。 俄国学者莫洛金斯基直接利用地面上的重力观测值求定地球形状和外部重力场。 物理大地测量理论研究和实践取得重大进展(2)提出了新的椭球参数 主要特点是用重力测量资料推求椭球扁率。赫尔默特椭球参数：海福特椭球参数 ：克拉索夫斯基椭球参数： 物理大地测量理论研究和实践取得重大进展4) 第四阶段现代大地测量新时期4.1.距离测量的发展：1948年瑞典人贝尔斯特兰德研制成功世界上第一台光电测距仪；60年代出现了激光测距仪；1956年南非人沃德利研

13、制成功世界第一台微波测距仪；70年代德国首先研制成功测距、测角相结合的电子速测仪。导线测量及测边网、边角网测量成为可能 4) 第四阶段现代大地测量新时期4.2.空间技术的发展：20世纪70年代卫星多普勒技术；海洋卫星雷达测高；激光卫星测距(SLR)等得到应用。全球导航与卫星定位（GNSS）技术的发展80年代，美国全球卫星定位系统(GPS)得到全面发展，并投入使用；俄罗斯也有相应的定位系统GLONASS利用空间探测器、卫星或空间飞行器，形成了月球和行星大地测量学。 4) 第四阶段现代大地测量新时期4.3.控制网优化和测量平差理论的发展20世纪60年代，荷兰学者巴尔达重新研究并提出了大地控制网质量

14、标准问题，明确提出评价大地网质量的三项标准：精度、可靠性和经费。在精度标准中，提出准则矩阵的概念。在70年代，德国学者格拉法伦德等提出了人们公认的控制网优化设计的四类分法，系统地引进了数学规划的解法，并引进了准则矩阵的建立等问题。最小二乘配置法综合了平差，滤波和推估，形成了广义的最小二乘法平差理论。 4) 第四阶段现代大地测量新时期革命性转变，主要体现在：从分离式一维和二维大地测量发展到三维和包括时间变量的四维大地测量；从测定静态刚性地球假设下的地球表面几何和重力场元素发展到监测研究非刚性（弹性、流变性）地球的动态变化；局部参考坐标系中的地区性（相对）大地测量发展到统一地心坐标系中的全球性（决

15、定）大地测量；测量精度提高了23个量级。上述转变与三项高新技术有关：卫星定位技术卫星和航空重力技术卫星测高技术 以空间大地测量为主要标志的代大地测量学已经形成 向地球科学基础性研究领域深入发展 空间大地测量主导着学科未来的发展 卫星导航定位技术扩展了大地测量学科的应用面 地球重力场研究将致力于发展卫星和航空重力探测技术恢复高分辨率地球重力场 发展趋势三、大地测量学的发展简史与趋势Brief History and Trend of Development 注：大地测量除了测地之外，还可测其它天体的形状和重力场。main contents第二章 大地测量数据采集技术 为完成大地测量学的学科任务，

16、需要在广大范围内开展大地测量数据采集活动。2.1 角度测量2.2 距离测量2.3 高程测量2.4 天文测量2.5 GPS测量2.6 重力测量2.7 人造卫星激光测距-SLR2.8 甚长基线干涉测量-VLBI地面水平点位如何标志？中心标石是水平控制点位的永久性标志。野外观测是以标石的标志中心为准，最后算得点的平面坐标，就是标志中心的位置。如果标石被破坏或发生位移，测量成果就失去作用，点的坐标就毫无意义。一、二等三角点中心标石埋设图Supplement补充知识照准标志是什么？大地觇标是三角点或导线点的地面标志。觇标顶端装有圆筒，以供照准。根据其所用材料又分为钢寻常标、木质寻常标和混凝土寻常标等。需

17、要升高仪器的三角点或导线点就要建造高标，高标由内架和外架组成。钢寻常标Supplement补充知识照准标志是什么？圆筒中心、基板中心、标石中心基本位于同一铅垂线上，以标石中心为准，最大偏离不应超过0.1米。高标Supplement补充知识地面高程点位如何标志？水准标石是高程控制点位的永久性标志。野外观测是以标石的标志中心为准，最后算得点的高程，就是标志中心的位置。如果标石被破坏或发生位移，测量成果就失去作用，点的高程就毫无意义。基本水准标石埋设图Supplement补充知识野外观测的基准线是什么？测量是在地球重力场中进行的。地球上任一点都会受到地球引力和惯性离心力的作用，它们的合力称为重力，重

18、力的方向线称为铅垂线，简称垂线。铅垂线是野外观测的基准线。重力方向线G 铅垂线Supplement补充知识野外测量的基准面是什么？液体的静止表面称为水准面。水准面是物理表面，同一水准面上的重力位相等。因此，水准面也叫重力等位面，水准面上任一点的铅垂线都同这个面正交。水准面是野外观测的基准面。水准面铅垂线水准面和铅垂线的关系Supplement补充知识如何获得野外测量的基准面、基准线？水准器用于整置仪器。野外测量工作时，首先应调整水准器泡聚中，此时气泡中央的切线水平，也即水准器轴水平，它就是水准面的切线。因为垂直轴与水准器轴垂直，此时垂直轴代表测站的铅垂线。水准器水准器轴垂直轴Supplemen

19、t补充知识什么是大地水准面？通过不同高度的测站点各有自己的水准面。这些水准面既不相交也不平行，但都可以形成一个封闭的曲面。在所有的水准面中，有一个和地球自然表面最为接近的水准面，称为大地水准面。水准面大地水准面地球自然表面Supplement补充知识什么是地球形状？大地水准面是平均海水面及其在全球大陆内部的延伸。大地水准面包围的形体称为大地体，与地球的自然表面最为接近，在大地测量学中，用来代表地球的形状，最接近一个旋状椭球。全球大地水准面Supplement补充知识一、原理（method） 水平角：两条视准线在水 平面投影的夹角垂直角：视准线与其水平 平线的夹角天顶距：视准线与铅垂线 的夹角A

20、ngle Surveying2.1.角度测量二、仪器（instrument） 经纬仪基本结构经纬仪的主要部件垂直轴、水平轴、视准轴水准器水平度盘、垂直度盘主要部件之间的关系三轴关系正确两盘与三轴关系正确Angle Surveying2.1.角度测量二、仪器（instrument） 经纬仪基本结构水平轴水准器轴垂直轴视准轴Angle Surveying2.1.角度测量电子经纬仪Angle Surveying2.1.角度测量光学经纬仪三、水平角观测方法方向法：在每一测回中，把测站上所有待测方向逐一观测，以测得各方向的方向值。 上半测回：盘左，顺时针读取零方向、方向1、方向n的方向值下半测回：盘右，

21、逆时针读取方向n 、方向1、零方向的方向值测站水平切面零方向方向1方向2方向n测站O一测回Angle Surveying2.1.角度测量上半测回：盘左，顺时针读取零方向、方向1、方向n的方向值下半测回：盘右，逆时针读取方向n 、方向1、零方向的方向值上半测回：盘左，顺时针读取零方向、方向1、方向n、零方向的方向值、下半测回：盘右，逆时针读取零方向、方向n 、方向1、零方向的方向值三、水平角观测方法测站水平切面零方向方向1方向2方向n测站O全圆方向法：基于方向法在每半测回的末尾还再测一次零方向（称为归零）。 Angle Surveying2.1.角度测量三、水平角观测方法方向法、全圆方向法可统称

22、为方向法，主要用于较低精度的三角测量、导线测量，所得测站各方向的观测值是n测回的平均值，两方向之间的夹角可由两方向值之差获得。方向法的测回数由控制网的等级确定，可见下表：Angle Surveying2.1.角度测量观测方法和水平角类似，一般也取n测回中数作为垂直角观测值。天顶距可以由垂直角得到，其值也常称为天顶距观测值。垂直角和天顶距用于计算高程，在水平控制网中，还用于进行水平方向值的归算。三、垂直角观测方法水平控制网Angle Surveying2.1.角度测量一、原理（method） Distance Surveying2.2.距离测量二、几种测距方法的优缺点 脉冲法测距：又叫直接法测距，直接测定仪器间断发射的脉冲信号在被测距离上往返传播时间，按前面的公式求得距离的方法。相位法测距：又叫间接法测距，它是测定由仪器发出的连续正弦电磁波信号在被测距离上往返传播而产