《测量学》基础

1、 测 量 学 基础,主讲：纪立明,1,110,测量学的教学目的,测量学是城市规划、土木工程、道路交通工程、测绘工程、地质工程、港口航道与海岸工程等专业必修的专业基础课，是一门实践性强，理论和实践相结合的课程。 掌握测量的基本理论，基本方法和基本技能，培养学生动手、实践和创新能力，为学生从事城市规划、土木工程勘测、设计、施工、管理奠定基础。,110,2,第一章 绪论1-1 测量学的任务与主要内容,生产、生活的需要 城市建设、农田、水利建设等 交通运输的需要 物流运输、航空、航海、旅行等 军事的需要,110,3,一、测量学的产生,(一) 测量学在生活上的作用,城 市 交 通 图,110,4,二、测量学的作用,上海市水系专题图,110,5,(二) 测量学在军事的作用,“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。 地利就要了解和利用地形。 地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定距离、位置、辨识方向的作用。,110,6,(三) 测量学在国土管理中的作用,城市土地的规划，城市道路的红线规 划，房地产开发，地籍的界址点测定,都 需要由测量提供地形图和有关土地信息。 用高科技测量手

2、段标定国界，常在国 家间的领土争执中起到重要作用;也常以 对方出版的地图上对国境线的表示,作为 有利于己方的证据。,110,7,(四) 测量学在工程建设中的作用,在工程建设的规划设计中，首先需要有地形图。在修建工厂和居民点时，须要先平整地基和设计房屋的放样。在建设城市道路网（包括高架道路、地下铁道和桥梁)，都需要用测量方法精确地定向,定位和定高程。 我国的考古工作者研究证实，早在2000多年前已经有在修建帝都、宫殿时大规模平整地基和定街道与建筑轴线的措施，当时也需要有原始的测量手段。,110,8,工程的竣工和变形监测 为了保障建筑物的施工和运行时的安全，需要测量工作者以技术上可行的最高精度，监测建筑物的变形量和变形的发展情况。经常需要在一段时间内进行连续观测，为此要使用自动化的监测和记录的测量仪器，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。,110,9,1-2 测绘学科的内涵 和发展简史,110,10,一、测绘学科的定义和内涵 二、测绘科学的历史和近代发展 三、测绘学科的分支,一、测量学的定义和内涵,1.早期的定义 研究地球的形状和大小，确定地面点的坐标的学科。 2.当前的定义 研究测定和描绘

3、地球及其表面的各种形态的理论和方法的学科。,110,11,测绘和采集表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等空间几何数据，进行数字化管理，提供工程设计所必要的地形信息(地形图和地形数据)。 把设计的建筑物、大型设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来，才能进行施工(称为测设或施工放样，并贯穿于施工全过程)。,110,12,测量工作在工程建设中作用,这是人类为了生存和发展，在历史上长期探索的问题，并知道需要用大地测量的方法来解决。 早在公元前6世纪,古希腊的毕达哥拉斯(Pythagoras)就提出了地球形态的概念。,110,13,二、测绘学科的历史和近代进展,“ 地球的形状是什么样的？” “ 如何用图形来表示地面形态？”,亚里士多德（Aristotle） 作了进一步论证 ，支持这一学说。又一世纪后 ，埃拉托斯特尼（Eratosthenes） 用在南北两地同时观测日影的办法,首次推算出地球子午圈的周长。 我国唐代僧人一行根据天文观测，计算出地球子午线1的长度。 测绘地图是地球表面形态认识的开始。晋代裴秀总结出“制图六体”， 为当时“地图制图”订立标准。,110,14,古希腊托勒密(

4、C.Ptolemeaus)提出“地图投影”概念和测经纬度定地面点位方法。 此后，一系列重大科学发明与测绘学科相辅相成地发展： 17世纪初发明望远镜，1730年,英国西森(Sisson)制成测角用的经纬仪，促进三角测量的发展。 1795年,德国高斯(C.F.Gauss)提出最小二乘法(Least Square Method)为测量数据处理奠定数学基础。,110,15,高斯又提出将椭球面变换为平面的地图投影方法,后经克吕格尔(J.Krger)扩充完善，称为“高斯-克吕格尔投影”，沿用至今。 19世纪50年代,发明了摄影测量,后来发展成为航空、航天摄影测量和遥感。1948年发明电磁波测距仪，解决了远程精密测距的测量难题。 20世纪60年代,发明电子计算机，应用于测绘界,创立“计算机辅助成图”,出现了数字地图,开创了数字化新时代。,110,16,三、测量学科的分支,大地测量学 研究和测定地球的形状、大小、重力场和地面点几何位置及其变化的理论和技术的学科。地球的形状大小以大地水准面为代表。大地点的定位，用经纬度或空间直角坐标，定位方法有几何法大地测量、物理法大地测量和近代的卫星法大地测量。,11

5、0,17,世界屋脊 - 珠穆朗玛峰的高程测定,110,18,用经纬仪作三角高程测量,110,19,用水准仪作精密水准测量,110,20,上述:三角高程测量和水准测量,都属 于几何大地测量，几何大地测量中还包 括三角测量和天文测量等。 天文测量研究测定恒星的坐标，以及 利用观测恒星确定地面点的大地位置(经 度、纬度、方位角)和十分精确的时间(世界时、恒星时)，它对于地球科学和 空间技术(卫星发射、定位和宇宙航行) 都十分重要。,110,21,天文台的天文观测,110,22,天文台外观,用天文望远镜观测,物理大地测量学研究地球的重力测量方法,重力分布情况(重力场)及其应用。 测定重力加速度G的目的： 1.建立国家重力基准网和基本网； 2.确定全球重力场模型及其变化； 3.确定区域的和地球的大地水准面 及其变化(重力异常使大地水准面产 生不规则变化)。,110,23,在大地重力点上作重力测量,110,24,在珠峰高山地区作重力测量,110,25,利用卫星作地球重力测量,110,26,摄影测量与遥感学 研究利用摄影或遥感手段，获取地面目标物的影像数据，从中提取几何或物理信息，用图形、图像和数字

6、信息表达的理论和方法的学科。 摄影测量的方法有地面摄影、航空 摄影和航天摄影和遥感。小范围的地 形测量或工程测量可利用地面摄影测 量方法。,110,27,机载空间三维数据采集系统,110,28,航空摄影测量,机身利用卫星定位,同济大学的车载空间三维数据采集系统, 地面摄影测量的自动化,110,29,工程测量学 研究工程建设和自然资源开发中进行的控制测量、地形测绘、施工放样和变形监测的理论和技术的学科。是测绘学科在国民经济和国防建设中的直接应用。 工程规划设计阶段：提供地形资料； 施工兴建阶段：标定设计建筑的位置； 运行管理阶段：竣工测量和变形监测。 高精度工程测量用于大型、精密工程和 设备的精确定位、安装和变形观测。,110,30,道路测量,道路建筑高程放样 用数字水准仪 和条码水准尺 。,110,31,渠道水位监测,110,32,面水准测量 场地平整,110,33,大桥变形监测,110,34,隧道工程测量,110,35,工业测量(属于精密工程测量) 研究各种工业设备和大型工业产品（船舶、飞机等）的施工放样、细部安装、竣工测量和变形测量。,110,36,轨道梁架设中用全站仪施工定位,1

7、10,37,110,38,用激光跟踪仪检测飞机外形,海洋测绘学 研究以海洋水体和海底为对象的学科。 包括：海洋大地测量、海底地形测量、海 道测量、海洋专题测量等。 海洋测区条件复杂,受潮汐、气象、透 明度差等影响，需用特种仪器和方法:卫星 导航、惯性组合导航、天文测量、水声定 位系统、水下摄影测量等。,110,39,地图制图学 研究模拟地图和数字地图的设计、编绘、复制的理论和方法的科学。主要内容： 地图投影 地图编绘 地图整饰 地图出版,110,40,110,41,世界地图,110,42,上海市地图,测量仪器学 研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。 测绘学科的发展离不开测绘理论的进展和测绘仪器的发明和创新。17世纪发明了望远镜、经纬仪、水准仪、平板仪，使控制测量和地形测量精度提高。19世纪摄影技术发明，便应用于测量，到20世纪初，创造出自动航空摄影机，实现了大面积航空摄影测量。,110,43,20世纪50年代，测绘仪器向电子化和自动化方向发展。1948年发明了电磁波测距仪，实现远程精密测距。电子计算机的发明，使测绘仪器、测量作业、测量数据处理和制图逐步实现了自动化。 1957年,前苏

8、联第一颗人造地球卫星发射成功，测绘学科产生“卫星测量”的分支。从美国的 GPS, 俄罗斯的 GLONASS,欧盟的 Galileaous,我国的“北斗星”等卫星导航系统的建立，卫星定位GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机,已成为测量的主要仪器之一。,110,44,用卫星定位的GNSS接收机,110,45,测量的主要仪器之一,测量的主要仪器之一,110,46,从 经纬仪 发展到全能的 电子全站仪,T4 高精密经纬仪 用于大地测量 及天文测量,110,47,T3 精密光学经纬仪 用于大地测量 及 精密工程测量,110,48,光学经纬仪,110,49,电子经纬仪,110,50,电子全站仪,110,51,功能： 角度测量 距离测量 地面定位 施工放样 卫星定位,地形测量学 研究将地球表面局部地区的地貌和地物测绘成地形图、编制地籍图和房产图等的基本理论和方法的科学。,110,52,110,53,地形测量及施工放样,在控制测量的基础上,测绘地形图(表示地物和地貌),或进行施工放样。,地形图图例2,110,54,地形图图例1,地形图图例2,110,5

9、5,认识地球是人类探索自然的目标之一，也是测量学 的任务之一。 绝大多数测量工作是在地球面上进行，以地球作为参考系。 因此，有必要首先讨论地球的形状和大小。,110,56,1-3 地面点位的确定和坐标系,一、地球的形状和大小,地球的制高点 珠穆朗玛峰 海拔高程 8844.43m,110,57,马里亚纳海沟 斐查兹海渊剖面图,110,58,地球海面下最深处,高程为 11000 m,大地水准面,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”,110,59,液体受重力而形成的静止表面称为水准面,旋转椭球体,由于大地水准面受地球内部质量分布不均匀影响，是不规则曲面，无法用数学方法准确描述和计算，也难以在其面上处理测量成果。,110,60,旋转椭球体,用一非常接大地水准面 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，称 参考椭球体。椭球参数：,110,61,长半径 a = 6378137m 短半径 b = 6356752m 扁 率 f = (a- b) / a = 1 / 298.257,二、确定地面点位的坐标系,子午面 地球上任一点与 地球旋转轴所组 成的平面。 首子午面 通过英国格林尼 治(Greenwich) 天文台的子午面。,110,62,G,（一）大地坐标系,A,首子午面,地球旋转轴,赤道平面,格林尼治,A点子午面,大地经度 通过A点的子午面 与首子午面之间 的夹角(L) 大地纬度 通过A点的 椭球面法线与 赤道平面的交角(B),110,63,世界上最古老的天文台,110,64,英国格林尼治(Greenwich)天文台,110,65,110,66,英 国 格林尼治 皇家天文台,世界时 授时钟,（一）大地坐标系（地理坐标系）,110,67,以经度与纬度表示点位的坐标系 (球面坐标系统),以地球椭球的中心为 原点，首子午面与 赤道平面的交线 为X轴，赤道平 面内通过原点 与X轴垂直的为 Y轴。地面某点A 的空间三维直角坐标： （X Y Z ）,（二）空间三维直角坐标系 （地心坐标系）,110,68,A， A， A,（三）高斯平面直角坐标系,高斯投影是等角横切椭圆柱投影。等角投影就是正形投影。就是

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