華南農(nóng)業(yè)大學(xué)《測量學(xué)》第一章測量學(xué)的基本知識(shí)

第一章測量學(xué)的基本知識(shí)主講：于紅波任務(wù)（測繪、放樣、監(jiān)測）作用（經(jīng)濟(jì)、國防、科研）教育研究地球形狀、大小及地球表面信息的科學(xué)§1.1測繪學(xué)一、測量學(xué)定義：研究地球的形狀和大小以及確定地面（包含空中、地下和水下）點(diǎn)空間位置信息并繪制成圖的科學(xué)。

二、任務(wù)：

測定：使用測量儀器和工具，通過測量和計(jì)算，得到一系列測量數(shù)據(jù)或成果，將地球表面的地形縮繪成地形圖，供經(jīng)濟(jì)建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、國防建設(shè)及科學(xué)研究使用。

（地面圖紙）§1.1測繪學(xué)

二、內(nèi)容：測設(shè)：測設(shè)是指用一定的測量方法，按照一定的精度，把設(shè)計(jì)圖紙上劃設(shè)計(jì)好的建(構(gòu))筑物的平面位置和高程標(biāo)定在實(shí)地上，作為施工的依據(jù)。（圖紙地面）§1.1測繪學(xué)三、測量學(xué)的學(xué)科分類大地測量學(xué)：研究地球表面廣大區(qū)域點(diǎn)位測定的理論和方法。包括地球的大小和形狀的測定、大地區(qū)控制測量、天文和重力測量。普通測量學(xué)：研究確定地球表面小范圍（10—25公里）內(nèi)點(diǎn)位的理論和方法，不顧及地球曲率，把地球表面當(dāng)作平面看待。§1.1測繪學(xué)三、測量學(xué)的學(xué)科分類攝影測量學(xué)：利用攝影相片或遙感技術(shù)來確定地面物體的形狀、大小、性質(zhì)、特征和空間位置的學(xué)科?！?.1測繪學(xué)三、測量學(xué)的學(xué)科分類工程測量學(xué)：研究工程建設(shè)中所進(jìn)行的各種測量工作的理論和方法的學(xué)科。（城市建設(shè)、大型廠礦建筑、農(nóng)田水利及道路修建等在勘測設(shè)計(jì)、施工放樣、竣工驗(yàn)收和工程監(jiān)測保養(yǎng)等方面的測繪工作。）海洋測量學(xué)、及地圖制圖學(xué)等。本課程主要介紹普通測量學(xué)及部分工程測量學(xué)的內(nèi)容，以便能為土木工程相關(guān)專業(yè)提供測量專業(yè)服務(wù)。§1.1測繪學(xué)科學(xué)研究國防建設(shè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)五、測量學(xué)的發(fā)展：古代現(xiàn)代四、測量學(xué)的作用：

即：提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供地圖行政勘界與權(quán)屬定界提供各種工程需要的測量技術(shù)軍事測繪§1.2地球形狀及地面點(diǎn)位置的確定一、地球的形狀和大小地球自然表面 是最自然的面，包括海洋底部、高山高原在內(nèi)的固體地球表面。難以用一個(gè)簡潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來，所以不適合于數(shù)學(xué)建模。陸地：29.2%海洋：70.8%最高：8844.43m，最低：-11022m地球半徑：平均6371km§1.2地球形狀及地面點(diǎn)位置的確定一、地球的形狀和大小地球是一個(gè)南北極稍扁，赤道稍長，平均半徑約為6371km的橢球。

1水準(zhǔn)面：假想靜止不動(dòng)的水面延伸穿過陸地，包圍整個(gè)地球，形成一個(gè)封閉的曲面，這個(gè)封閉曲面稱為水準(zhǔn)面(levelsurface)。水準(zhǔn)面也可以定義為：處處與鉛垂線垂直的連續(xù)封閉曲面。2大地水準(zhǔn)面：與平均海水面相吻合的水準(zhǔn)面稱為大地水準(zhǔn)面(geoid)。水準(zhǔn)面有無窮個(gè)，而大地水準(zhǔn)面是唯一的。WENS橢球面大地水準(zhǔn)面§1.2地球球形形狀狀及及地地面面點(diǎn)點(diǎn)位位置置的的確確定定特點(diǎn)點(diǎn)：：水準(zhǔn)準(zhǔn)面面是是受受地地球球重重力力影影響響而而形形成成的的，，其其特特點(diǎn)點(diǎn)是是水準(zhǔn)準(zhǔn)面面上上任任意意一一點(diǎn)點(diǎn)的的鉛鉛垂垂線線(重力力作作用用線線)都垂垂直直于于該該點(diǎn)點(diǎn)的的曲曲面面。由于于地地球球內(nèi)內(nèi)部部質(zhì)質(zhì)量量分分布布不不均均勻勻，，重重力力也也受受其其影影響響，，故故引引起起了了鉛鉛垂垂線線方方向向的的改改變變，，致致使使大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面成成為為一一個(gè)個(gè)有有微微小小起起伏伏的的復(fù)復(fù)雜雜曲曲面面。。鉛垂垂線線法線線地球球自自然然表表面面大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面地球球橢橢球球面面§1.2地球球形形狀狀及及地地面面點(diǎn)點(diǎn)位位置置的的確確定定大地地體體與與大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面大地地體體：：靜靜止止海海水水面面向向陸陸地地延延伸伸形形成成的的封封閉閉曲曲面面所所包包圍圍的的地地球球?qū)崒?shí)體體。。代代表表了了地地球球的的形形狀狀和和大大小小鉛垂垂線線：：重重力力的的作作用用線線，，是是外外業(yè)業(yè)測測量量工工作作的的基基準(zhǔn)準(zhǔn)線線地球球橢橢球球或或旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球：：經(jīng)測測量量實(shí)實(shí)踐踐證證明明，，大大地地體體與與一一個(gè)個(gè)以以橢橢圓圓的的短短軸軸為為旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸的的旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球的的形形狀狀十十分分近近似似，，而而旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球是是可可以以用用數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)式式嚴(yán)嚴(yán)格格表表示示的的，，測測量量工工作作便便取取大大小小和和大大地地體體很很接接近近的的旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球作作為為地地球球的的參參考考形形狀狀和和大大小小。。（（計(jì)計(jì)算算的的基基準(zhǔn)準(zhǔn)面面））WENaboS§1.2地球球形形狀狀及及地地面面點(diǎn)點(diǎn)位位置置的的確確定定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球體體（（雙雙軸軸橢橢球球體體））：假假定定赤赤道道面面為為圓圓形形，，即即用用a代替替b，方程程為為：：旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球體體表表面面是是測測量量計(jì)計(jì)算算和和制制圖圖基基準(zhǔn)準(zhǔn)。。橢球球定定位位：：確確定定大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面與與橢橢球球面面之之間間的的相相對(duì)對(duì)關(guān)關(guān)系系以以使使橢橢球球體體與與大大地地體體間間達(dá)達(dá)到到最最好好密密合合。。大地原原點(diǎn)：：橢球球定位位中選選取的的相切切點(diǎn)cbcb§1.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定二、地地面點(diǎn)點(diǎn)位的的確定定空間上上任一一地面面的位位置，，通常常是指指地面面點(diǎn)沿沿鉛垂垂線到到基準(zhǔn)準(zhǔn)面的的投影影和距距離，，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標(biāo)標(biāo)表示示，高高程位位置用用高程程表示示。測量工工作的的實(shí)質(zhì)是是確定定地面面點(diǎn)的的空間間位置置，首先先必須了了解測測量的的坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)和高高程系系統(tǒng)。。1、二維維坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)表示地地面點(diǎn)點(diǎn)Ａ在在地球球橢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種種坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng):（1）地理理坐標(biāo)標(biāo)（球球面坐坐標(biāo)））地理坐坐標(biāo)系系又可可分為為天文文地理理坐標(biāo)標(biāo)系和和大地地地理理坐標(biāo)標(biāo)系兩兩種。。§1.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定1)天文地地理坐坐標(biāo)系系天文地地理坐坐標(biāo)又又稱天天文坐坐標(biāo)，，表示示地面面點(diǎn)在在大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面上上的位位置，，它的的基準(zhǔn)準(zhǔn)是鉛鉛垂線線和大大地水水準(zhǔn)面面，它它用天天文經(jīng)經(jīng)度(astronomicallongitude)λλ和天文文緯度度φ(astronomicallatitude)兩個(gè)參參數(shù)來來表示示地面面點(diǎn)在在球面面上的的位置置。過地面面上任任一點(diǎn)點(diǎn)P的鉛垂垂線與與地球球旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸NS所組成成的平平面稱稱為該該點(diǎn)的的天文文子午午面(astronomicalmeridianplane)，天文文子午午面與與大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的交線線稱為為天文文子午午線(astronomicalmeridian)，也稱稱經(jīng)線線。稱稱過英英國格格林尼尼治天天文臺(tái)臺(tái)G的天文文子午午面為為首子子午面面(Internationalmeridianplane)?？梢詰?yīng)應(yīng)用天天文測測量方方法測測定地地面點(diǎn)點(diǎn)的天天文經(jīng)經(jīng)度和和天文文緯度度。例例如廣廣州地地區(qū)的的概略略天文文地理理坐標(biāo)標(biāo)為東東經(jīng)113°18′′，北緯緯23°°07′。§1.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定2)大地地地理坐坐標(biāo)系系大地地地理坐坐標(biāo)又又稱大大地坐坐標(biāo)，，是表表示地地面點(diǎn)點(diǎn)在參參考橢橢球面面上的的位置置，它它的基基準(zhǔn)是是法線線和參參考橢橢球面面，它它用大大地經(jīng)經(jīng)度(geodeticlongitude)和大地地緯度度(geodeticlatitude)表示。。大地經(jīng)經(jīng)、緯緯度是是根據(jù)據(jù)起始始大地地點(diǎn)(又稱大大地原原點(diǎn)，，該點(diǎn)點(diǎn)的大大地經(jīng)經(jīng)緯度度與天天文經(jīng)經(jīng)緯度度一致致)的大地地坐標(biāo)標(biāo)，按按大地地測量量所得得的數(shù)數(shù)據(jù)推推算而而得的的。我國以以陜西西省涇涇陽縣縣永樂樂鎮(zhèn)大大地原原點(diǎn)(geodeticorigin)為起算算點(diǎn)，，由此此建立立的大大地坐坐標(biāo)系系，稱稱為““1980西安坐坐標(biāo)系系”(Xiangeodeticcoordinatesystem1980)，簡稱稱80系或西西安系系。通過與與前蘇蘇聯(lián)1942年普爾爾科沃沃坐標(biāo)標(biāo)系聯(lián)聯(lián)測，，經(jīng)我我國東東北傳傳算過過來的的坐標(biāo)標(biāo)系稱稱“1954北京坐坐標(biāo)系系”(Beijinggeodeticcoordinatesystem1954)，其大大地原原點(diǎn)位位于前前蘇聯(lián)聯(lián)列寧寧格勒勒天文文臺(tái)中中央。?！?.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定§1.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定(2)平面直直角坐坐標(biāo)系系地理坐坐標(biāo)對(duì)對(duì)局部部測量量工作作來說說是非非常不不方便便的。。例如如，在在赤道道上，，1″的經(jīng)度度差或或緯度度差對(duì)對(duì)應(yīng)的的地面面距離離約為為30m。測量量計(jì)算算最好好在平平面上上進(jìn)行行，但但地球球是一一個(gè)不不可展展的曲曲面，，必須須通過過投影影的方方法將將地球球表面面上的的點(diǎn)位位化算算到平平面上上。地地圖投投影有有多種種方法法，我我國采采用的的是高高斯-克呂格格正形形投影影(Gauss-Krugerconformalprojection)，簡稱稱高斯斯投影影(Gaussprojection)。1)高斯平平面坐坐標(biāo)系系高斯投投影是是將地地球按按經(jīng)線線劃分分成帶帶，稱稱為投投影帶帶，投投影帶帶是從從首子子午線線起，，每隔隔經(jīng)度度6°劃分為為一帶帶(稱為統(tǒng)統(tǒng)一6°帶)，自西西向東東將整整個(gè)地地球劃劃分為為60個(gè)帶。。帶號(hào)號(hào)從首首子午午線開開始，，用阿阿拉伯伯?dāng)?shù)字字表示示?！?.2地球形形狀及及地面面點(diǎn)位位置的的確定定位于各各帶中中央的的子午午線稱稱為該該帶的的中央央子午午線(centralmeridian)。第一一個(gè)6°帶的中中央子子午線線的經(jīng)經(jīng)度為為3°，任意意帶的的中央央子午午線經(jīng)經(jīng)度與與投影影帶號(hào)號(hào)的關(guān)關(guān)系為為投影時(shí)時(shí)是設(shè)設(shè)想用用一個(gè)個(gè)空心心橢圓圓柱橫橫套在在參考考橢球球外面面，使使橢圓圓柱與與某一一中央央子午午線相相切，，將橢橢球面面上的的圖形形按保保角投投影的的原理理投影影到圓圓柱體體面上上，然然后將將圓柱柱體沿沿著過過南北北極的的母線線切開開，展展開成成為平平面，，并在在該平平面上上定義義平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)系。。距離變變形過過大對(duì)對(duì)于測測繪大大比例例尺地地形圖圖和施施工測測量是是極不不方便便的。。減小小投影影帶邊邊緣位位置距距離變變形的的方法法之一一就是是縮小小投影影帶的的帶寬寬，例例如可可以選選擇統(tǒng)統(tǒng)一3°帶或以以城市市中心心某點(diǎn)點(diǎn)的子子午線線為中中央子子午線線(任意帶帶)進(jìn)行投投影，，其中中統(tǒng)一一3°帶中央央子午午線經(jīng)經(jīng)度與與投影影帶號(hào)號(hào)的關(guān)關(guān)系為為我國領(lǐng)領(lǐng)土所所處的的概略略經(jīng)度度范圍圍是東東經(jīng)73°°27′~東經(jīng)135°09′′，根據(jù)據(jù)(1-5)式和(1-9)式求得得的統(tǒng)統(tǒng)一6°帶投影與與統(tǒng)一3°帶投影的的帶號(hào)范范圍分別別為13~23，25~45。可見，，在我國國領(lǐng)土范范圍內(nèi)，，統(tǒng)一6°帶與統(tǒng)一一3°帶的投影影帶號(hào)不不重復(fù)。。B點(diǎn)真正橫橫坐標(biāo)yb＝-124625.723m按照上述述規(guī)定，，y值應(yīng)改寫寫為yb＝20(-124625.723+500000)＝20375374.277WENSABoybyayxWENSABoybya500kmyx例:B點(diǎn)位于6°帶(Ｎ＝20)3、獨(dú)立平平面直角角坐標(biāo)系系《城市測量量規(guī)范》(CJJ8-99)規(guī)定，面面積小于于25km2的城鎮(zhèn)，，可不經(jīng)經(jīng)投影采采用假定定平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)在在平面上上直接進(jìn)進(jìn)行計(jì)算算。將將測區(qū)中中心點(diǎn)C沿鉛垂線線投影到到大地水水準(zhǔn)面上上得c點(diǎn)，用過過c點(diǎn)的切平平面來代代替大地地水準(zhǔn)面面，在切切平面上上建立的的測區(qū)平平面直角角坐標(biāo)系系稱為“假定平面面直角坐坐標(biāo)系”。坐坐標(biāo)系的的原點(diǎn)選選在測區(qū)區(qū)西南角角以使測測區(qū)內(nèi)點(diǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)均為正正值，以以過測區(qū)區(qū)中心的的子午線線為軸方方向。將將測區(qū)內(nèi)內(nèi)任一點(diǎn)點(diǎn)P沿鉛垂線線投影到到切平面面上得p點(diǎn)，通過過測量，，計(jì)算出出的p點(diǎn)坐標(biāo)就就是P點(diǎn)在假定定平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系中的的坐標(biāo)。。獨(dú)立平面面直角坐坐標(biāo)南南北向向?yàn)閄軸，東東西向?yàn)闉閅軸yA西y(東)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AxAo(西南角)x(北)二、地面面點(diǎn)的高高程1.絕對(duì)高程程——地面點(diǎn)沿沿鉛垂線線到大地地水準(zhǔn)面面的距離離稱為該該點(diǎn)的絕絕對(duì)高程程或海拔拔，簡稱稱高程(height)（見圖）；；或者說，，以青島島平均海海水面為為起點(diǎn)的的高程。。1956國家高程程基準(zhǔn)的的起算高高程為72.289米；1985國家高程程基準(zhǔn)的的起算高高程為72.260米。高程系是是一維坐坐標(biāo)系，，它的基基準(zhǔn)是大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面。由由于海水水面受潮潮汐、風(fēng)風(fēng)浪等影影響，它它的高低低時(shí)刻在在變化。。通常是是在海邊邊設(shè)立驗(yàn)驗(yàn)潮站(tidegaugestation)，進(jìn)行長長期觀測測，求得得海水面面的平均均高度作作為高程程零點(diǎn)，，以通過過該點(diǎn)的的大地水水準(zhǔn)面為為高程基基準(zhǔn)面(heightdatum)。也即大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面上的的高程恒恒為零。。(1)國家高程程系統(tǒng)我國境內(nèi)內(nèi)所測定定的高程程點(diǎn)是以以青島驗(yàn)驗(yàn)潮站歷歷年觀測測的黃海海平均海海水面為為基準(zhǔn)面面，并于于1954年在青島島市觀象象山建立立了水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)(levelingorigin)，通過水水準(zhǔn)測量量的方法法將驗(yàn)潮潮站確定定的高程程零點(diǎn)引引測到水水準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)，也即即求出水水準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)的高程程。新中國成成立后，，1956年我國采采用青島島驗(yàn)潮站站1950年-1956年7年的潮汐汐記錄資資料推算算出的大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面為基基準(zhǔn)引測測出水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)的的高程為為72.289m，以這個(gè)個(gè)大地水水準(zhǔn)面為為高程基基準(zhǔn)建立立的高程程系稱為為“1956年黃海高高程系”(Huanghaiheightsystem1956)，簡稱“56黃海系”。80年代，我我國又采采用青島島驗(yàn)潮站站1953年~1977年25年的潮汐汐記錄資資料推算算出的大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面為基基準(zhǔn)引測測出水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)的的高程為為72.260m，以這個(gè)個(gè)大地水水準(zhǔn)面為為高程基基準(zhǔn)建立立的高程程系稱為為“1985國家高程程基準(zhǔn)”(Chineseheightdatum1985)，簡稱“85高程基準(zhǔn)準(zhǔn)”。在水準(zhǔn)原原點(diǎn)，85高程基準(zhǔn)準(zhǔn)使用的的大地水水準(zhǔn)面比比56黃海系使使用的大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面高出出0.029m。(2)城市高程程系統(tǒng)的的選擇《城市測量量規(guī)范》規(guī)定，一一個(gè)城市市只應(yīng)采采用一個(gè)個(gè)統(tǒng)一的的高程系系統(tǒng)。城城市高程程系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)采用1985國家高程程基準(zhǔn)或或沿用1956年黃海高高程系統(tǒng)統(tǒng)，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)離國家家水準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)的新設(shè)設(shè)城市或或在改造造舊有水水準(zhǔn)網(wǎng)因因高程變變動(dòng)而影影響使用用時(shí)，經(jīng)經(jīng)上級(jí)行行政主管管部門批批準(zhǔn)后，