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1、华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识主讲：于红波主讲：于红波华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识任务（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华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学一、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）
2、点空间位置信息并绘制成图的科学。二、任务：测定测定：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。（地面地面图纸图纸）华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学 二、内容：测设：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。（图纸图纸地面地面）华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红
3、红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学三、测量学的学科分类大地测量学大地测量学：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：普通测量学：研究确定地球表面小范围（1025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。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学三、测量学的学科分类摄影测量学：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
4、小、性质、特征和空间位置的学科。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学三、测量学的学科分类工程测量学：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。）海洋测量学海洋测量学、及地图制图学地图制图学等。本课程主要介绍普通测量学普通测量学及部分工程测量学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。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信
5、息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.1 1.1 测绘学测绘学科学研究科学研究国防建设国防建设经济建设经济建设五、测量学的发展：古代古代现代现代四、测量学的作用：即：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 军事测绘华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定一、地球的形状和大小一、地球的形状和大小地球自然表面地球自然表面是最自然的面，包括海洋底部、高山高原在
6、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华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定一、地球的形状和大小一、地球的形状和大小地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km6371km的椭球。的椭球。1 1 水准面：假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地
7、球，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形成一个封闭的曲面，这个封闭曲面称为水准面(level(level surface)surface)。水准面也可以定义为：处处与铅垂线垂直的连续封闭。水准面也可以定义为：处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。曲面。2 2 大地水准面：与平均海水面大地水准面：与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准相吻合的水准面称为大地水准面面(geoid)(geoid)。水准面有无穷个，。水准面有无穷个，而大地水准面是唯一的。而大地水准面是唯一的。WENS椭球面椭球面大地水准面大地水准面华华 南南 农农 业业 大大 学
8、学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定特点：水准面是受地球重力影响而形成的，其特点是水准面上任意一点的铅垂线(重力作用线)都垂直于该点的曲面。由于地球内部质量分布不均匀，重力也受其影响，故引起了铅垂线方向的改变，致使大地水准面成为一个有微小起伏的复杂曲面。铅垂线铅垂线法线法线地球自然表面地球自然表面大地水准面大地水准面地球椭球面地球椭球面华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2
9、 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定大地体与大地水准面大地体与大地水准面大地体：静止海水面向陆地延伸形成的封闭曲面所包围的地球实体。代表了地球的形状和大小铅垂线：重力的作用线，是外业测量工作的基准线华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识地球椭球或旋转椭球：地球椭球或旋转椭球：经测量实践证明，大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似，而旋转椭球是可以用数学式严格表示的，测量工作便取大小和大地体很接近的旋转椭球作为地球的参考形状和大小。（计算的基准面）WENaboS华
10、华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定旋转椭球体（双轴椭球体）旋转椭球体（双轴椭球体）：假定赤道面为圆形，即用a代替b，方程为：旋转椭球体表面是测量计算和制图基准。椭球定位：确定大地水准面与椭球面之间的相对关系以使椭球体与大地体间达到最好密合。大地原点：椭球定位中选取的相切点cbcb华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点
11、位置的确定地球形状及地面点位置的确定二、地面点位的确定二、地面点位的确定空间上任一地面的位置，通常是指地面点沿铅垂线到基准面的投影和距离，它包括包括平面位置和高程位置，平面位置用坐标表示，高程位置用高程表示。测量工作的实质是确定地面点的空间位置实质是确定地面点的空间位置，首先必须了解测量的坐标系统和高程系统。1 1、二维坐标系统、二维坐标系统 表示地面点在地球椭球面或投影在水平面上的位置，通常有下列三种坐标系统:（1 1）地理坐标（球面坐标）地理坐标（球面坐标）地理坐标系又可分为天文地理坐标系和大地地理坐标系两种。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测
12、量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定1)天文地理坐标系天文地理坐标又称天文坐标，表示地面点在大地水准面上的位置，它的基准是铅垂线和大地水准面，它用天文 经 度(astronomical longitude)和 天 文 纬 度(astronomical latitude)两个参数来表示地面点在球面上的位置。过地面上任一点P的铅垂线与地球旋转轴NS所组成的平面称为该点的天文子午面(astronomical meridian plane)，天文子午面与大地水准面的交线称为天文子午线(astronomical meridi
13、an)，也称经线。称过英国格林尼治天文台G的天文子午面为首子午面(International meridian plane)。可可以以应应用用天天文文测测量量方方法法测测定定地地面面点点的的天天文文经经度度和和天天文文纬纬度度。例例如如广广州州地地区区的的概概略略天天文文地地理理坐坐标标为为东东经经11318，北纬，北纬2307。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定2)大地地理坐标系大地地理坐标系 大地地理坐标又称大地坐标，是表示地面点
14、在参考椭大地地理坐标又称大地坐标，是表示地面点在参考椭球面上的位置，它的基准是法线和参考椭球面，它用大地球面上的位置，它的基准是法线和参考椭球面，它用大地经度经度(geodetic longitude)和大地纬度和大地纬度(geodetic latitude)表示。表示。大地经、纬度是根据起始大地点大地经、纬度是根据起始大地点(又称大地原点，该点又称大地原点，该点的大地经纬度与天文经纬度一致的大地经纬度与天文经纬度一致)的大地坐标，按大地测量的大地坐标，按大地测量所得的数据推算而得的。所得的数据推算而得的。我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点(geodetic or
15、igin)为为起算点，由此建立的大地坐标系，称为起算点，由此建立的大地坐标系，称为“1980西安坐标系西安坐标系”(Xian geodetic coordinate system 1980)，简称，简称80系或西系或西安系。安系。通过与前苏联通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联测，经我国东年普尔科沃坐标系联测，经我国东北传算过来的坐标系称北传算过来的坐标系称“1954北京坐标系北京坐标系”(Beijing geodetic coordinate system 1954)，其大地原点位于前苏联，其大地原点位于前苏联列宁格勒天文台中央。列宁格勒天文台中央。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信
16、 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置的确定(2)(2)(2)(2)平面直角坐标系平面直角坐标系平面直角坐标系平面直角坐标系 地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。例如，在赤道上，地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。例如，在赤道上，11的经度差或纬度差对应的地面距离约为的经度差或纬
17、度差对应的地面距离约为30m30m。测量计算最好在平面上。测量计算最好在平面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上的点位化算到平面上。地图投影有多种方法，我国采用的是高斯的点位化算到平面上。地图投影有多种方法，我国采用的是高斯-克吕格克吕格正形投影正形投影(Gauss-Kruger conformal projection)(Gauss-Kruger conformal projection)，简称高斯投影，简称高斯投影(Gauss(Gauss projection)projection)。1)1)1)1)
18、高斯平面坐标系高斯平面坐标系高斯平面坐标系高斯平面坐标系 高斯投影是将地球按经线划分成带，称为投影带，投影带是从首子午高斯投影是将地球按经线划分成带，称为投影带，投影带是从首子午线起，每隔经度线起，每隔经度6 6划分为一带划分为一带(称为统一称为统一6 6带带)，自西向东将整个地球，自西向东将整个地球划分为划分为6060个带。带号从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。个带。带号从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。华华 南南 农农 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院：于于 红红 波波测测量量学学测测量量学学测测量量学学基基本本知知识识1.2 1.2 地球形状及地面点位置的确定地球形状及地面点位置
19、的确定 位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线(central(central meridian)meridian)。第一个。第一个 6 6带的中央子午线的经度为带的中央子午线的经度为3 3，任意带的中央子午，任意带的中央子午线经度与投影带号的关系为线经度与投影带号的关系为 投影时是设想用一个空心椭圆柱横套在参考椭球外面，使椭圆柱与某一中央子午线相切，将椭球面上的图形按保角投影的原理投影到圆柱体面上，然后将圆柱体沿着过南北极的母线切开，展开成为平面，并在该平面上定义平面直角坐标系。距离变形过大对于测绘大比例尺地形图和施工测量是极不方便的。减小投影带边缘
20、位置距离变形的方法之一就是缩小投影带的带宽，例如可以选择统一3带或以城市中心某点的子午线为中央子午线(任意带)进行投影，其中统一3带中央子午线经度与投影带号的关系为我国领土所处的概略经度范围是东经7327东经13509，根据(1-5)式和(1-9)式求得的统一6带投影与统一3带投影的带号范围分别为1323，2545。可见，在我国领土范围内，统一6带与统一3带的投影带号不重复。B点真正横坐标yb-124625.723m 按照上述规定，y值应改写为 yb 20(-124625.723+500000)20375374.277WENSABoybyayxWENSABoybya500kmyx 例:B点位于
21、6带(20)3 3 3 3、独立平面直角坐标系、独立平面直角坐标系、独立平面直角坐标系、独立平面直角坐标系 城市测量规范城市测量规范(CJJ 8-99)(CJJ 8-99)规定，面积小于规定，面积小于25km25km2 2的城镇，可的城镇，可不经投影采用假定平面直角坐标系统在平面上直接进行计算。不经投影采用假定平面直角坐标系统在平面上直接进行计算。将测区中心点将测区中心点C C沿铅垂线投影到大地水准面上得沿铅垂线投影到大地水准面上得c c点，用过点，用过c c点的切点的切平面来代替大地水准面，在切平面上建立的测区平面直角坐标系称平面来代替大地水准面，在切平面上建立的测区平面直角坐标系称为为“假
22、定平面直角坐标系假定平面直角坐标系”。坐标系的原点选在测区西南角以使测区内点的坐标均为正值，坐标系的原点选在测区西南角以使测区内点的坐标均为正值，以过测区中心的子午线为轴方向。将测区内任一点以过测区中心的子午线为轴方向。将测区内任一点P P沿铅垂线投影沿铅垂线投影到切平面上得到切平面上得p p点，通过测量，计算出的点，通过测量，计算出的p p点坐标就是点坐标就是P P点在假定平点在假定平面直角坐标系中的坐标。面直角坐标系中的坐标。独立平面直角坐标独立平面直角坐标 南北向为南北向为X X轴，轴，东西向为东西向为Y Y轴轴yA西y(东)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AxAo(西
23、南角)x(北)二、地面点的高程 1.绝对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海拔，简称高程(height)（见图）；或者说，以青岛平均海水面为起点的高程。1956国家高程基准的起算高程为72.289米；1985国家高程基准的起算高程为72.260米。高程系是一维坐标系，它的基准是大地水准面。由于海水面受高程系是一维坐标系，它的基准是大地水准面。由于海水面受潮汐、风浪等影响，它的高低时刻在变化。通常是在海边设立潮汐、风浪等影响，它的高低时刻在变化。通常是在海边设立验潮站验潮站(tide gauge station)(tide gauge station)，进行长期观测，求得海
24、水面的，进行长期观测，求得海水面的平均高度作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程基准平均高度作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程基准面面(height datum)(height datum)。也即大地水准面上的高程恒为零。也即大地水准面上的高程恒为零。(1)(1)国家高程系统国家高程系统我国境内所测定的高程点是以青岛验潮站历年观测的黄海平均海水面为基准我国境内所测定的高程点是以青岛验潮站历年观测的黄海平均海水面为基准面，并于面，并于19541954年在青岛市观象山建立了水准原点年在青岛市观象山建立了水准原点(leveling origin)(leveling origin)，通过水
25、，通过水准测量的方法将验潮站确定的高程零点引测到水准原点，也即求出水准原点的准测量的方法将验潮站确定的高程零点引测到水准原点，也即求出水准原点的高程。高程。新中国成立后，新中国成立后，19561956年我国采用青岛验潮站年我国采用青岛验潮站19501950年年-1956-1956年年7 7年的潮汐记录资年的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为料推算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.289m72.289m，以这个大地，以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为水准面为高程基准建立的高程系称为“19561956年黄海高程系年黄海高程系”(Huanghai hei
26、ght(Huanghai height system 1956)system 1956)，简称，简称“5656黄海系黄海系”。8080年代，我国又采用青岛验潮站年代，我国又采用青岛验潮站19531953年年19771977年年2525年的潮汐记录资料推算出年的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.260m72.260m，以这个大地水准面为，以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为高程基准建立的高程系称为“19851985国家高程基准国家高程基准”(Chinese height datum(Chinese height datu
27、m 1985)1985)，简称，简称“8585高程基准高程基准”。在水准原点，在水准原点，8585高程基准使用的大地水准面比高程基准使用的大地水准面比5656黄海系使用的大地水准面高黄海系使用的大地水准面高出出0.029m0.029m。(2)(2)城市高程系统的选择城市高程系统的选择城市测量规范城市测量规范规定，一个城市只应采用一个统一的高程系统。城市高程规定，一个城市只应采用一个统一的高程系统。城市高程系统应采用系统应采用19851985国家高程基准或沿用国家高程基准或沿用19561956年黄海高程系统，在远离国家水准点年黄海高程系统，在远离国家水准点的新设城市或在改造旧有水准网因高程变动而
28、影响使用时，经上级行政主管部的新设城市或在改造旧有水准网因高程变动而影响使用时，经上级行政主管部门批准后，可暂时建立或用地方高程系统，但应争取条件归算到门批准后，可暂时建立或用地方高程系统，但应争取条件归算到19851985国家高程国家高程基准上来。基准上来。广东省假定珠江的平均海水面比黄海的平均海水面高广东省假定珠江的平均海水面比黄海的平均海水面高0.586m.0.586m.2.相对高程地面点到假定水准面的铅垂距离。3.高差地面两点高程之差 hAB=HB-HA hBA=HA-HB第四节第四节 测量工作概述测量工作概述测量工作包括距离测量、角度测量、高程测量测量工作包括距离测量、角度测量、高程
29、测量一、测量工作的实质及内容一、测量工作的实质及内容测量学将地表物体分为地物和地貌。测量学将地表物体分为地物和地貌。地地物物(feature)(feature)：地地面面上上天天然然或或人人工工形形成成的的物物体体，它它包包括括湖湖泊泊、河河流流、海海洋洋、房屋、道路、桥梁等；房屋、道路、桥梁等；地貌地貌(geomorphy)(geomorphy)：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌总称为地形地物和地貌总称为地形(landform)(landform)。实质：确定地面点空间位置实质：确定地面点空间位置测量工作的三项基本工作：测量工作的三项基本工作：高程测量、角度测量和距离测量高程测量、角度测量和距离测量二、测量工作的原则和程序二、测量工作的原则和程序为保证测区精度，防止测为保证测区精度，防止测量误差累积，同时可以进量误差累积，同时可以进行分幅测绘，加快测量精度，行分幅测绘，加快测量精度，测量必须遵守的三个原则：测量必须遵守的三个原则：1.1.布局上，由整体到局部布局上，由整体到局部2.2.程序上，先控制后碎部程序上，先控制后碎部3.3.精度上，由高级到低级精度上，由高级到低级测量常用计量单位与换算测量常用计量单位与换算测量常用的角度、长度、面积等几种法定计量单位的换算关系