华南农业大学《测量学》第一章测量学的基本知识

第一章测量学的基本知识主讲：于红波任务（测绘、放样、监测）作用（经济、国防、科研）教育研究地球形状、大小及地球表面信息的科学§1.1测绘学一、测量学定义：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）点空间位置信息并绘制成图的科学。

二、任务：

测定：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。

（地面图纸）§1.1测绘学

二、内容：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测绘学三、测量学的学科分类大地测量学：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。普通测量学：研究确定地球表面小范围（10—25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。§1.1测绘学三、测量学的学科分类摄影测量学：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测绘学三、测量学的学科分类工程测量学：研究工程建设中所进行的各种测量工作的理论和方法的学科。（城市建设、大型厂矿建筑、农田水利及道路修建等在勘测设计、施工放样、竣工验收和工程监测保养等方面的测绘工作。）海洋测量学、及地图制图学等。本课程主要介绍普通测量学及部分工程测量学的内容，以便能为土木工程相关专业提供测量专业服务。§1.1测绘学科学研究国防建设经济建设五、测量学的发展：古代现代四、测量学的作用：

即：提供基础数据提供地图行政勘界与权属定界提供各种工程需要的测量技术军事测绘§1.2地球形状及地面点位置的确定一、地球的形状和大小地球自然表面 是最自然的面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。难以用一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适合于数学建模。陆地：29.2%海洋：70.8%最高：8844.43m，最低：-11022m地球半径：平均6371km§1.2地球形状及地面点位置的确定一、地球的形状和大小地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km的椭球。

1水准面：假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成一个封闭的曲面，这个封闭曲面称为水准面(levelsurface)。水准面也可以定义为：处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。2大地水准面：与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面(geoid)。水准面有无穷个，而大地水准面是唯一的。WENS椭球面大地水准面§1.2地球球形形状状及及地地面面点点位位置置的的确确定定特点点：：水准准面面是是受受地地球球重重力力影影响响而而形形成成的的，，其其特特点点是是水准准面面上上任任意意一一点点的的铅铅垂垂线线(重力力作作用用线线)都垂垂直直于于该该点点的的曲曲面面。由于于地地球球内内部部质质量量分分布布不不均均匀匀，，重重力力也也受受其其影影响响，，故故引引起起了了铅铅垂垂线线方方向向的的改改变变，，致致使使大大地地水水准准面面成成为为一一个个有有微微小小起起伏伏的的复复杂杂曲曲面面。。铅垂垂线线法线线地球球自自然然表表面面大地地水水准准面面地球球椭椭球球面面§1.2地球球形形状状及及地地面面点点位位置置的的确确定定大地地体体与与大大地地水水准准面面大地地体体：：静静止止海海水水面面向向陆陆地地延延伸伸形形成成的的封封闭闭曲曲面面所所包包围围的的地地球球实实体体。。代代表表了了地地球球的的形形状状和和大大小小铅垂垂线线：：重重力力的的作作用用线线，，是是外外业业测测量量工工作作的的基基准准线线地球球椭椭球球或或旋旋转转椭椭球球：：经测测量量实实践践证证明明，，大大地地体体与与一一个个以以椭椭圆圆的的短短轴轴为为旋旋转转轴轴的的旋旋转转椭椭球球的的形形状状十十分分近近似似，，而而旋旋转转椭椭球球是是可可以以用用数数学学式式严严格格表表示示的的，，测测量量工工作作便便取取大大小小和和大大地地体体很很接接近近的的旋旋转转椭椭球球作作为为地地球球的的参参考考形形状状和和大大小小。。（（计计算算的的基基准准面面））WENaboS§1.2地球球形形状状及及地地面面点点位位置置的的确确定定旋转转椭椭球球体体（（双双轴轴椭椭球球体体））：假假定定赤赤道道面面为为圆圆形形，，即即用用a代替替b，方程程为为：：旋转转椭椭球球体体表表面面是是测测量量计计算算和和制制图图基基准准。。椭球球定定位位：：确确定定大大地地水水准准面面与与椭椭球球面面之之间间的的相相对对关关系系以以使使椭椭球球体体与与大大地地体体间间达达到到最最好好密密合合。。大地原原点：：椭球球定位位中选选取的的相切切点cbcb§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定二、地地面点点位的的确定定空间上上任一一地面面的位位置，，通常常是指指地面面点沿沿铅垂垂线到到基准准面的的投影影和距距离，，它包包括包包括平平面位位置和和高程程位置置，平平面位位置用用坐标标表示示，高高程位位置用用高程程表示示。测量工工作的的实质是是确定定地面面点的的空间间位置置，首先先必须了了解测测量的的坐标标系统统和高高程系系统。。1、二维维坐标标系统统表示地地面点点Ａ在在地球球椭球球面或或投影影在水水平面面上的的位置置，通通常有有下列列三种种坐标标系统统:（1）地理理坐标标（球球面坐坐标））地理坐坐标系系又可可分为为天文文地理理坐标标系和和大地地地理理坐标标系两两种。。§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定1)天文地地理坐坐标系系天文地地理坐坐标又又称天天文坐坐标，，表示示地面面点在在大地地水准准面上上的位位置，，它的的基准准是铅铅垂线线和大大地水水准面面，它它用天天文经经度(astronomicallongitude)λλ和天文文纬度度φ(astronomicallatitude)两个参参数来来表示示地面面点在在球面面上的的位置置。过地面面上任任一点点P的铅垂垂线与与地球球旋转转轴NS所组成成的平平面称称为该该点的的天文文子午午面(astronomicalmeridianplane)，天文文子午午面与与大地地水准准面的的交线线称为为天文文子午午线(astronomicalmeridian)，也称称经线线。称称过英英国格格林尼尼治天天文台台G的天文文子午午面为为首子子午面面(Internationalmeridianplane)。可以应应用天天文测测量方方法测测定地地面点点的天天文经经度和和天文文纬度度。例例如广广州地地区的的概略略天文文地理理坐标标为东东经113°18′′，北纬纬23°°07′。§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定2)大地地地理坐坐标系系大地地地理坐坐标又又称大大地坐坐标，，是表表示地地面点点在参参考椭椭球面面上的的位置置，它它的基基准是是法线线和参参考椭椭球面面，它它用大大地经经度(geodeticlongitude)和大地地纬度度(geodeticlatitude)表示。。大地经经、纬纬度是是根据据起始始大地地点(又称大大地原原点，，该点点的大大地经经纬度度与天天文经经纬度度一致致)的大地地坐标标，按按大地地测量量所得得的数数据推推算而而得的的。我国以以陕西西省泾泾阳县县永乐乐镇大大地原原点(geodeticorigin)为起算算点，，由此此建立立的大大地坐坐标系系，称称为““1980西安坐坐标系系”(Xiangeodeticcoordinatesystem1980)，简称称80系或西西安系系。通过与与前苏苏联1942年普尔尔科沃沃坐标标系联联测，，经我我国东东北传传算过过来的的坐标标系称称“1954北京坐坐标系系”(Beijinggeodeticcoordinatesystem1954)，其大大地原原点位位于前前苏联联列宁宁格勒勒天文文台中中央。。§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定(2)平面直直角坐坐标系系地理坐坐标对对局部部测量量工作作来说说是非非常不不方便便的。。例如如，在在赤道道上，，1″的经度度差或或纬度度差对对应的的地面面距离离约为为30m。测量量计算算最好好在平平面上上进行行，但但地球球是一一个不不可展展的曲曲面，，必须须通过过投影影的方方法将将地球球表面面上的的点位位化算算到平平面上上。地地图投投影有有多种种方法法，我我国采采用的的是高高斯-克吕格格正形形投影影(Gauss-Krugerconformalprojection)，简称称高斯斯投影影(Gaussprojection)。1)高斯平平面坐坐标系系高斯投投影是是将地地球按按经线线划分分成带带，称称为投投影带带，投投影带带是从从首子子午线线起，，每隔隔经度度6°划分为为一带带(称为统统一6°带)，自西西向东东将整整个地地球划划分为为60个带。。带号号从首首子午午线开开始，，用阿阿拉伯伯数字字表示示。§1.2地球形形状及及地面面点位位置的的确定定位于各各带中中央的的子午午线称称为该该带的的中央央子午午线(centralmeridian)。第一一个6°带的中中央子子午线线的经经度为为3°，任意意带的的中央央子午午线经经度与与投影影带号号的关关系为为投影时时是设设想用用一个个空心心椭圆圆柱横横套在在参考考椭球球外面面，使使椭圆圆柱与与某一一中央央子午午线相相切，，将椭椭球面面上的的图形形按保保角投投影的的原理理投影影到圆圆柱体体面上上，然然后将将圆柱柱体沿沿着过过南北北极的的母线线切开开，展展开成成为平平面，，并在在该平平面上上定义义平面面直角角坐标标系。。距离变变形过过大对对于测测绘大大比例例尺地地形图图和施施工测测量是是极不不方便便的。。减小小投影影带边边缘位位置距距离变变形的的方法法之一一就是是缩小小投影影带的的带宽宽，例例如可可以选选择统统一3°带或以以城市市中心心某点点的子子午线线为中中央子子午线线(任意带带)进行投投影，，其中中统一一3°带中央央子午午线经经度与与投影影带号号的关关系为为我国领领土所所处的的概略略经度度范围围是东东经73°°27′~东经135°09′′，根据据(1-5)式和(1-9)式求得得的统统一6°带投影与与统一3°带投影的的带号范范围分别别为13~23，25~45。可见，，在我国国领土范范围内，，统一6°带与统一一3°带的投影影带号不不重复。。B点真正横横坐标yb＝-124625.723m按照上述述规定，，y值应改写写为yb＝20(-124625.723+500000)＝20375374.277WENSABoybyayxWENSABoybya500kmyx例:B点位于6°带(Ｎ＝20)3、独立平平面直角角坐标系系《城市测量量规范》(CJJ8-99)规定，面面积小于于25km2的城镇，，可不经经投影采采用假定定平面直直角坐标标系统在在平面上上直接进进行计算算。将将测区中中心点C沿铅垂线线投影到到大地水水准面上上得c点，用过过c点的切平平面来代代替大地地水准面面，在切切平面上上建立的的测区平平面直角角坐标系系称为“假定平面面直角坐坐标系”。坐坐标系的的原点选选在测区区西南角角以使测测区内点点的坐标标均为正正值，以以过测区区中心的的子午线线为轴方方向。将将测区内内任一点点P沿铅垂线线投影到到切平面面上得p点，通过过测量，，计算出出的p点坐标就就是P点在假定定平面直直角坐标标系中的的坐标。。独立平面面直角坐坐标南南北向向为X轴，东东西向为为Y轴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)x(北)二、地面面点的高高程1.绝对高程程——地面点沿沿铅垂线线到大地地水准面面的距离离称为该该点的绝绝对高程程或海拔拔，简称称高程(height)（见图）；；或者说，，以青岛岛平均海海水面为为起点的的高程。。1956国家高程程基准的的起算高高程为72.289米；1985国家高程程基准的的起算高高程为72.260米。高程系是是一维坐坐标系，，它的基基准是大大地水准准面。由由于海水水面受潮潮汐、风风浪等影影响，它它的高低低时刻在在变化。。通常是是在海边边设立验验潮站(tidegaugestation)，进行长长期观测测，求得得海水面面的平均均高度作作为高程程零点，，以通过过该点的的大地水水准面为为高程基基准面(heightdatum)。也即大大地水准准面上的的高程恒恒为零。。(1)国家高程程系统我国境内内所测定定的高程程点是以以青岛验验潮站历历年观测测的黄海海平均海海水面为为基准面面，并于于1954年在青岛岛市观象象山建立立了水准准原点(levelingorigin)，通过水水准测量量的方法法将验潮潮站确定定的高程程零点引引测到水水准原点点，也即即求出水水准原点点的高程程。新中国成成立后，，1956年我国采采用青岛岛验潮站站1950年-1956年7年的潮汐汐记录资资料推算算出的大大地水准准面为基基准引测测出水准准原点的的高程为为72.289m，以这个个大地水水准面为为高程基基准建立立的高程程系称为为“1956年黄海高高程系”(Huanghaiheightsystem1956)，简称“56黄海系”。80年代，我我国又采采用青岛岛验潮站站1953年~1977年25年的潮汐汐记录资资料推算算出的大大地水准准面为基基准引测测出水准准原点的的高程为为72.260m，以这个个大地水水准面为为高程基基准建立立的高程程系称为为“1985国家高程程基准”(Chineseheightdatum1985)，简称“85高程基准准”。在水准原原点，85高程基准准使用的的大地水水准面比比56黄海系使使用的大大地水准准面高出出0.029m。(2)城市高程程系统的的选择《城市测量量规范》规定，一一个城市市只应采采用一个个统一的的高程系系统。城城市高程程系统应应采用1985国家高程程基准或或沿用1956年黄海高高程系统统，在远远离国家家水准点点的新设设城市或或在改造造旧有水水准网因因高程变变动而影影响使用用时，经经上级行行政主管管部门批批准后，