园林工程测量-1-绪论

园林工程测量-1--绪论第一页，共48页。1.1.1测绘学的基本概念测绘学研究的对象是地球整体及其表面和外层空间的各种自然物体和人工物体的有关信息。它研究的内容是对这些与地理空间有关的信息进行采集、处理、管理、更新和利用。由此，测绘学可定义为：测绘学就是研究测定和推算地面及其外层空间点的几何位置，确定地球形状和地球重力场，获取地球表面自然形态和人工设施的几何分布以及与其属性有关的信息，并结合某些社会信息和自然信息，编制全球或局部地区各种比例尺的普通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。1.1测绘学的任务与作用2第二页，共48页。1.1.2测绘学的分支学科测绘学按照研究范围、研究对象及采用技术手段的不同，可分为大地测量学、摄影测量学、地图制图学、工程测量学及海洋测绘学等学科。1)大地测量学大地测量学是研究和确定地球的形状、大小和地球重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。大地测量学由于将地球表面的一个大范围作为一个整体来研究，必须考虑地球曲率的影响。3第三页，共48页。2)摄影测量学摄影测量学是以获取地表摄影像片和辐射能的各种图像记录为手段，经过图像的处理、量测、判释和研究，以测得物体的形状、大小和位置，并判断其属性的一门学科。按获取像片的方法不同，分为地面摄影测量学、航空摄影测量学及航天摄影测量学，其主要任务是测绘地形图。3）地图学地图学是研究模拟和数字地图的基础理论、地图设计、地图编制与复制的技术方法及其应用的学科。地图是经济建设、国防建设及相关科学研究工作中一种重要的基础图件，也是测绘工作的重要产品形式。地图学由地图的基础理论、制图的方法与技术和地图应用三部分组成。4第四页，共48页。4)工程测量学工程测量学是研究各种工程建设和资源开发在规划、设计、施工和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。其主要内容包括工程控制网的建立、地形测绘、施工放样、设备安装测量、竣工测量、变形观测和维修养护测量的理论、技术和方法。5)海洋测绘学海洋测绘学是以海洋水体和海底为研究对象所进行的测量和海图编制理论、技术与方法的学科。其主要内容包括海洋大地测量、海洋工程测量、海道测量、海底地形测量和海图编制等。5第五页，共48页。1.1.3测绘学的发展状况1)测绘学的发展简史科学技术是生产力。现代科学技术是人类世世代代同自然界斗争的结晶。测绘科学也不例外，早在远古时代就有夏禹治水时使用的“准、绳、规、矩”4种测量工具和埃及尼罗河泛滥后农田边界整理工作中所产生的原始测量技术。2)测绘科学发展现状20世纪中叶，由于电子学、信息学、计算机科学和空间科学的迅猛发展，微电子技术、激光技术、遥感技术的应用，极大地推动着测绘科学的变革和进步。6第六页，共48页。1)测绘科学在国民经济建设中的作用测绘科学应用范围广泛，在国民经济和社会发展规划中，测绘信息是最重要的基础信息之一。各种工程建设的规划和土地资源管理需要测绘地形图和地籍图，工程建设的施工、竣工阶段及国防建设都需要进行大量的测绘工作。因此测绘工作者常被人们称为各项工程建设的尖兵。测绘工作在国民经济建设中起着十分重要的作用，其主要体现为以下几点：①为科学研究、地形图测绘和工程施工提供所需点的大地坐标、高程和重力值。②提供多种比例尺地形图和地图，作为规划、工程设计、施工和编制各种专用图的基础。7第七页，共48页。③在工程竣工、大型设备安装和工程运营中提供定位依据，确保工程质量和工程建筑物的安全运营。④在国防建设方面，测绘科学为军事提供地形信息及攻击目标的定位和远程导弹、空间武器的发射提供测绘保障。⑤为诸如人造卫星发射、宇宙航行等空间技术提供定位基础。⑥为信息高速公路、空间信息基础设施与数字地球提供基础地理信息。8第八页，共48页。2)测绘科学在相关专业知识结构中的作用测绘科学在资源与环境、城乡规划、土地资源管理、林学、水土保持、水利工程、建筑工程、园林工程等专业领域中有广泛的应用，并且与各专业结合得越来越紧密。这些专业对测绘知识的需求体现在以下几个方面：①利用测绘获得的地形图进行各种工程的规划与设计。②借助于相关测绘技术进行各种资源的调查与专题地图的绘制。③将规划设计图纸通过测量的手段标定到实地。④利用测量手段标定取样点的位置、监控工程施工质量等。⑤绘制工程竣工平面图或更新施工区域地形图等。⑥为各种信息系统提供基础地理信息。9第九页，共48页。1.2.1地球的形状和大小地球的形状与大小，自古以来为人类所关注，对它的研究从来没有停止过。认识地球的形状和大小是通过测量工作进行的。地球自然表面是极不规则的，有陆地、海洋、高山和平原。地球上最高的山是我国境内的珠穆朗玛峰，其高程为8844.43m，而在太平洋西部的马里亚纳海沟深达11022m，地形起伏很大，但这样的高低起伏相对于地球的平均半径6371km，是可以忽略不计的，仍可把地球看成圆滑的球体。1.2地球的形状和大小10第十页，共48页。图1.1大地体、重力与铅垂线11第十一页，共48页。图1.2大地水准面与旋转椭球面12第十二页，共48页。13第十三页，共48页。1.2.2椭球定位确定了椭球的形状和大小后，还必须进一步确定椭球与大地体、椭球面与大地水准面的相关位置，使椭球与大地体间达到最好的密合，才能将地面上的观测成果归算到椭球面上。最简单的是单点定位，如图1.3所示，在一个国家的合适地方选择一点P，设想在该点把椭球体和大地体相切，切点P′位于P点的铅垂线上。此时，过椭球面上P′点的法线与该点对大地水准面的铅垂线相重合，这样，椭球体与大地体的相关位置就确定了。这项工作称为椭球定位，切点称为大地原点。P点的球面位置——大地经度L与大地纬度B就作为全国其他点球面位置的起算数据。14第十四页，共48页。图1.3椭球定位15第十五页，共48页。1.3.1地面点位置的确定由于地球表面的高低起伏和地物的占地轮廓都是由地面点位置确定的，因此测量工作的基本任务就是确定地面点的位置。要确定地面点的位置，必须首先对地面点的位置进行表示。地面点的位置由坐标和高程表示。坐标是地面点沿着铅垂线在投影基准面（大地水准面、椭球面或平面）上的位置；高程是地面点沿着铅垂线到投影面的距离。如图1.4所示，地面点A，B沿铅垂线投影到基准面上为a，b两点，可以得到在投影面坐标系的坐标。沿铅垂线量出高程HA，HB，由此可确定地面点的空间位置。1.3地面点位置的表示16第十六页，共48页。图1.4地面点空间位置的确定17第十七页，共48页。1.3.2地面点在常用测量坐标系中的表示地面点的空间位置是相对一定的坐标系统而言的。测量中常用的坐标系有天文坐标系、大地坐标系、高斯平面直角坐标系和独立平面直角坐标系等。1)天文坐标系天文坐标又称天文地理坐标，用天文经度λ和天文纬度φ表示地面点的位置。它是以铅垂线为基准线，以大地水准面为基准面。如图1.5所示，过地面点与地轴的平面称为子午面，该子午面与格林尼治子午面（首子午面）间的二面角为经度λ。过P点的铅垂线与赤道平面的交角为纬度φ。18第十八页，共48页。图1.5天文坐标系图1.6大地坐标系19第十九页，共48页。2）大地坐标系大地坐标系是以大地经度L、大地纬度B、大地高H表示地面点的空间位置。大地坐标系以法线为基准线，以椭球面为基准面。如图1.6所示，地面点P沿着法线投影到椭球面上为P′。过P′点的子午面和首子午面的二面角为P点大地经度L。过P点的法线与赤道面的交角为该点的大地纬度B，P点沿法线到椭球面的距离H大称为大地高。3)高斯平面直角坐标系大地坐标系是大地测量的基本坐标系，它对于大地问题的解算、研究地球的形状与大小、编制地形图都十分有用。但它不能直接用来地形测图。若将球面上的大地坐标按一定的数学法则归算到平面上，在平面上进行数据运算，这将对用平面图纸来表示地表形态的地形测图带来很大的方便。20第二十页，共48页。21第二十一页，共48页。22第二十二页，共48页。23第二十三页，共48页。高斯平面直角坐标系与数学上的笛卡儿平面直角坐标系有以下几个方面不同：①坐标轴不同，高斯平面直角坐标系中纵坐标为ｘ，正方向指向北，横坐标轴为ｙ，正方向指向东，而笛卡儿平面直角坐标系的纵坐标为ｙ，横坐标为ｘ，正好相反。②表示直线方向的方位角定义不同，高斯平面直角坐标系以纵坐标ｘ的北端起算，顺时针旋转到直线所夹的水平角；而笛卡儿坐标系以横轴ｘ轴东端起算，逆时针旋转计值。③坐标系象限不同，高斯平面直角坐标系，以北东区（ＮＥ）为第一象限，顺时针旋转划分为4个象限；而笛卡儿坐标系也是以北东为第一象限，逆时针旋转划分成4个象限，如图1.12。24第二十四页，共48页。25第二十五页，共48页。4）假定平面直角坐标系当测量区域较小（如半径不大于10ｋｍ的区域）时，可以不考虑地球曲率的影响，用测区中心点Ａ的切平面Ｐ来代替椭球体面作为基准面（如图1.13）。在该切平面上建立独立平面直角坐标系，以该地区真子午线或磁子午线为ｘ轴，正向指北，顺时针方向旋转构成右手坐标系，如图1.14。为了避免坐标出现负值，该坐标系的原点应选在测区西南角，如图1.13。地面点Ａ在椭球面的投影位置，就可利用该平面直角坐标中坐标值ｘＡ，ｙＡ来确定。26第二十六页，共48页。27第二十七页，共48页。1.3.3大地经、纬度坐标（Ｌ，Ｂ）与高斯平面直角坐标（ｘ，ｙ）之间的转换大地经、纬度坐标（Ｌ，Ｂ）与高斯平面直角坐标（ｘ，ｙ）之间的转换通过高斯投影的正、反算公式来实现，其转换公式的理论推导较繁琐，在这里不再赘述，具体可参阅《椭球大地测量学》或《地图投影学》的相关内容，下面仅列出高斯投影变换的正、反算的实用计算公式。1）高斯投影的正算公式将大地经、纬度坐标（Ｌ，Ｂ）转换成高斯平面直角坐标（ｘ，ｙ）的计算公式称为高斯投影的正算公式。其基本公式为：28第二十八页，共48页。29第二十九页，共48页。30第三十页，共48页。2）高斯投影的反算公式将高斯平面直角坐标（ｘ，ｙ）转换成大地经、纬度坐标（Ｌ，Ｂ）的计算公式称为高斯投影的反算公式。其基本公式为：31第三十一页，共48页。1.3.4我国目前常用的坐标系1）1954年北京坐标系在新中国成立初期采用克拉索夫斯基椭球参数，将我国东北端地区的呼玛、吉拉林、东宁三个点与苏联大地网联测后的坐标作为我国天文大地网起算数据，然后通过天文大地网坐标，推算出北京一点的坐标，故命名为1954年北京坐标系。该坐标实际上是苏联的1942年坐标系，原点不在北京，而在普尔科沃。新中国成立以来，1954年北京坐标在我国经济建设和国防建设中发挥了重要作用。但这个坐标系存在以下一些问题。32第三十二页，共48页。2）19８0国家大地坐标系为了克服1954年北京坐标系的缺陷，利用我国原有天文大地网的潜在精度，对原大地网进行重新平差，在19８0年建立了国家大地坐标系。3）ＷＧＳ—８4坐标系ＷＧＳ—８4是由美国国防制图局于20世纪８0年代中期建立的，正式成为ＧＰＳ的新坐标参照系。它是采用ＷＧＳ—８4地球椭球参数的一个地心坐标系，其原点与各坐标轴定义为：33第三十三页，共48页。①ＷＧＳ—８4的原点是地球的质心；②ｚ轴指向国际时间局19８4年定义的协议地球极点方向；③ｘ轴指向国际时间局19８4年定义的零度子午面和协议地球极赤道的交点；④ｙ轴和ｚ轴、ｘ轴构成右手坐标系；⑤ＷＧＳ—８4坐标参照系的原点也被当作ＷＧＳ—８4椭球的几何中心，而ｚ轴作为该旋转椭球的自转轴。34第三十四页，共48页。4）2000中国大地坐标系在人类进入空间时代的今天，测绘也进入了空间时代。19８0国家大地坐标系虽然是经典大地测量成果的归算及其应用，但它仍是一个二维参心局部坐标系，这会导致用ＧＰＳ定位技术获得的高精度三维坐标与参心局部坐标系的低精度二维坐标成果之间，产生无法调和的矛盾，因此建立我国自己的地心坐标系已成必然。35第三十五页，共48页。1.3.5地面点的高程地面点沿铅垂线到大地水准面的距离称为该点的绝对高程，或称海拔高度，记为Ｈ。地面点沿铅垂线到任意水准面的距离称为该点的相对高程，记为Ｈ′。如图1.15所示，Ａ点的绝对高程为ＨＡ，其相对高程为Ｈ′Ａ。1）国家高程基准海水面因受潮汐、风浪的影响，是个动态的曲面。通过在海边设立验潮站，长期观测海水面涨落情况，取其平均高度作为高程零点，通过该点的大地水准面称为高程基准面。中华人民共和国成立前，采用的高程基准面十分混乱。36第三十六页，共48页。37第三十七页，共48页。2）高差地面上两点的高程之差称为高差，用ｈ表示。如图1.15所示，Ａ，Ｂ两点的高差表示为：高差有正负，如ｈＡＢ＞0，表示Ｂ点高程大于Ａ点的高程，Ａ点到Ｂ点为上坡，反之Ａ点到Ｂ点为下坡。38第三十八页，共48页。在普通测量中，将大地水准面近似看成圆球面。若将地面投影到球面上，然后再投影到平面的图纸上，这是很复杂的。在实际测量工作中，若测区小、工程对测量精度要求不高的情况下，通常用水平面代替水准面，将地面上的点投影到该水平面上，以确定其位置，可以简化一些复杂的投影计算。但必须通过地球曲率对测量工作的影响来讨论用水平面代替水准面的限度。

1.4地球曲率对测量工作的影响39第三十九页，共48页。1.4.1地球曲率对距离测量的影响在图1.16中，在测区中部选一点Ａ，Ａ点沿铅垂线投影到水准面Ｐ上为ａ，过ａ点作切平面Ｐ′。地面上Ａ，Ｂ两点投影到水准面上的弧长为Ｓ，在水平面上距离为ｔ，则Ａ，Ｂ两点投影到水准面与投影到水平面引起的距离误差为：40第四十页，共48页。41第四十一页，共48页。对上式以地球半径Ｒ＝6371ｋｍ，并取不同的大地水准面上两点的距离Ｓ值代入，得到如表1.2的计算结果。42第四十二页，共48页。1