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1、3.1 概述海洋控制测量是海洋测绘的基础，可布设于海岸、岛屿之间，也可布设于海底。这些控制网可实现陆地与海洋平面基准的一致；为海底地形测量提供平面控制；为海上或水下高精度定位提供保障；为大地构造运动、地壳上升以及地震、火山活动进行有意义的动态监测；为研究地球形状大小提供丰富的科学依据。第1页/共56页3.2 海洋控制网的组成海洋控制网分为：n海岸控制网海岸控制网的布设、观测和计算方法与陆地相同。可采用常规三角测量方法或GPS测量方法。n海陆GPS控制网随着GPS的广泛应用，在海岸和岛屿、岛屿与岛屿之间布设控制网并进行联测将变得非常容易。n海底控制网海底控制网的联测和布设方法与陆地存在着较大的异
2、体，主要采用水声测距或测相设备量测控制点之间的距离实现控制网的测量。第2页/共56页3.3 海岸控制网测量常规三角测量方法建立海岸控制网的主要步骤：收集测区已有的测量成果及精度分析资料；设计控制网；对网形进行精度评定，检查各等级网最弱点是否符合设计精度；实地踏勘，最后设计图形；边、角或边角观测；对边网、角网或边角网平差及三角网精度评定。第3页/共56页控制网设计大地四边形正三角中心多边形 导线 第4页/共56页布设和测量三角锁网时应注意：测角网精度高于测边网，边角网精度高于测角网；控制网边长应在1-7km，角度小于30度；布设中心多边形时，边应小于8个。第5页/共56页3.4 海陆GPS网测量
3、GPS能够进行全天候、高精度测量，能够实现陆岛、岛岛间远距离联测，对于统计陆地与海洋平面基准、研究地球形状和海洋实际工程应用具有非常重要的作用。第6页/共56页第7页/共56页海陆GPS控制网测量包括如下工作流程：选点。布网数据采集基线向量解算及网平差精度评定海陆GPS控制网的建立与陆地基本相同，相关知识可参见GPS卫星导航定位原理与方法，刘基余，2003年。第8页/共56页为便于控制网的施测和应用，海底控制网的布设通常采用三角形或正方形网形。3.5 海底控制网第9页/共56页浮标负荷声标锚水听器海底控制点为中心标石。由于声波在水里的传播性能优于其它介质，因而，作为观测目标，只能采用水声照准标
4、志，而观测手段也只能采用水声测距技术。第10页/共56页水下控制网测量第11页/共56页浮标双三角锥测量测次k测次k+1测次k+2不同测次测量QjQj+1Qj+2第12页/共56页现代海底控制网建立的思想：n双三角锥测量是首先利用正三角锥测量，获得浮标或者船体的平面位置，即通常的GPS动态测量，依目前的定位技术，采用非差单点定位，可获得分米级甚至厘米级的平面定位精度。n正三角锥测量是声学测量，利用超短基线或长程超短基线确定各个水听器之间的距离，进而获得水底水听器的位置。n正倒三角锥测量实际上利用了GPS测量技术和超短基线定位技术联合实现海底控制网的建立。n采用的思想仍然为边交会。第13页/共5
5、6页海底控制点的解算原理wuv平行w平行u平行 vQj(uj,vj,wj)vi-vjui-ujwi-wjOrij Pi(ui,vi,wi)O-uvw地固坐标系。在测定GPS接收机与卫星间距离rij 的同时测量浮标或船载声纳设备到水下水听器之间的距离Rjm,并组建如下方程 第14页/共56页n上述数学模型为1测次倒三角锥和正三角锥的模型求解。n当1测次包含的卫星数或应答器多于4个，这样的解具有很好的图形强度。n当方程组随着ij和jm的增大而增大时，通过最小二乘将获得不同水听器位置的解。第15页/共56页3.6 高程控制几何水准测量三角高程测量GPS/水准测量第16页/共56页几何水准测量水准测量
6、注意事项：Sa=Sb100m用尺垫或踩实脚架打伞视差的消除精平尺子晃动时读最小值转点的作用第17页/共56页路线校核n附合水准路线.h理=H终-H始 闭合差fh:fh=h测-（H终-H始）n闭合水准路线.h理A=0 fh=h测n支线水准路线.fh=h往-h返第18页/共56页水准测量的精度要求:在测量工作中，由于种种原因，如仪器不够完善，观测、读数带有误差，以及外界条件的影响（如在大气折光，温度变化等），使得观测结果总是存在误差。虽然测量误差是不可避免的，但经过实践经验和科学分析，人们找出了有关测量误差的规律，从而规定了一定观测条件下观测误差的容许范围，作为区分误差和错误的界限。当观测误差小于
7、容许误差时，认为测量成果合格，可供使用；若大于容许误差，一般说明发生了差错，应该查明原因，予以重测。第19页/共56页水准测量的精度要求：式中：fh容：高差闭合差的容许值；L ：水准路线长度，以km为单位；n ：水准路线测站数。当地形起伏较大，每1km水 准路线超过16个测站时按山地计算容许闭合差。第20页/共56页点号测站数观测高差 （m）改正数(mm)该正后高差（m）高程（m）备注BMA60.152421.32615-0.325251.428342.511BMB425.062203.766附合水准路线的成果计算第21页/共56页高差闭合差计算：fh=h-(HB-HA)=3.766（425.
8、062421.326）=0.030m 高差闭合差的调整高差闭合差的调整计算各待定点高程计算各待定点高程|f fh h|f fh h容容|,|,观测精度符合观测精度符合 要求，继续向下计算。要求，继续向下计算。容许闭合差的计算：点号测站数观测高差 （m）改正数(mm)该正后高差（m）高程（m）备注BMA60.152421.32615-0.325251.428342.511BMB425.062203.766-0.008-0.008-0.008-0.006-0.0300.114-0.3331.4202.5053.736421.470421.137422.557第22页/共56页闭合水准路线的成果计算
9、改正数总和应等于高差闭合差（符号相反），改正后高差总和应等于零。计算时应注意用此条校核。第23页/共56页支水准路线成果计算：支水准路线在外业工作时已进行了往返观测，每测段都有往测高差h往和返测高差h返，每一测段的往、返相当于一个小闭合路线，其闭合差为fh=h往+h返。如闭合差在容许范围以内，则可取其绝对值的平均值作为测段高差，符号与往测相同，用这个高差即可计算支线各点高程。A1hA1(往)=-1.375h1A(返)=+1.396往返共16站fh=h往+h返=-1.375+1.396=0.021m闭合差容许值为：HA=86.785第24页/共56页三角高程测量 在地形起伏较大的地区，用水准测量
10、方法测定控制点的高程较为困难，通常采用三角高程测量的方法。随着光电测距仪器的普及，电磁波测距三角高程测量也得到广泛应用。工程测量规范对其技术要求作了规定，其高程测量的精度可以达到四等水准测量的精度。第25页/共56页三角高程测量原理如图,A、B点间的高差：其中，为觇标高为仪器高为竖直角第26页/共56页直觇直觇:仪器设在已知高程点，观测该点和未知高仪器设在已知高程点，观测该点和未知高程点间的高差。程点间的高差。反觇反觇:仪器设在未知高程点，观测该点和已知高仪器设在未知高程点，观测该点和已知高程点间的高差。程点间的高差。第27页/共56页地球曲率和大气折光的影响地球曲率的影响：由于大地水准面是曲
11、面，过测站点的曲面切线不一定和水平视线平行，故测得的高差和实际高差不一定相等。大气折光对三角高程测量的影响：空气密度随着所在位置的高程变化，越到高空，密度越稀，光线通过由下而上密度均匀变化的的大气层时，光线发生折射，形成凹向地面的曲线。引起三角高程测量偏差。第28页/共56页地球曲率和大气折光的影响 如图，PC为水平视线，PE 是通过P点的水准面。由于地球曲率的影响，C、E高程不等。P、E同高程。CE为地球曲率对高差的影响：第29页/共56页 如图，A点高程已知，测量A、B之间的高差hAB,求B点的高程。PC为水平视线。PM为视线未受大气折光影响的方向线，实际照准在N上。视线的竖直角为 a。则
12、MN为大气折光影响：其中，K为大气垂直折光系数，S0为AB两点间的实测的水平距离。R为地球曲率半径。第30页/共56页 为仪器高，为觇标高，则B点的高程可以表示为：其中第31页/共56页 通常取K0.16,则球气差的综合影响为取 ，三角高程测量的公式可写为：第32页/共56页竖直角测量竖盘构造：竖盘固定于望远镜旋转轴（横轴）上，随望远镜一起转动；竖盘读数指标不随望远镜一起转动。常见竖盘的注记为全圆式注记，注记的方向分为顺时针和逆时针两种。通过相对运动来测量角度。也即读数指标不动，而度盘旋转。第33页/共56页J6经纬仪的盘左位置的注记形式顺时针注记逆时针注记第34页/共56页竖直角测量竖直角观
13、测原理竖直角同一竖直面内，视线与水平线之间的夹角。竖直角有正负之分。当视线位于水平线之上时，其值为“正”，称为仰角；当视线在水平线之下时，其值为“负”，为俯角。与水平角测量一样，其角值仍为度盘上两个方向读数之差。竖直角测量中总有一个方向为水平方向，因此只需观测目标点一个方向就可得到该目标的竖直角。第35页/共56页安置经纬仪于测点上方；盘左照准目标B，使用十字丝横丝切于目标顶端，转动竖盘指标水准管微动螺旋，使竖盘指标水准管气泡居中，然后读取竖盘读数；倒转望远镜，盘右照准目标B，同样读取竖盘读数。计算竖直角。竖直角的观测和计算第36页/共56页顺时针注记的竖盘计算公式盘左9090盘右270270
14、将盘左、盘右取中数，则一测回竖直角为：（）/2/2 如果在一个测站上观测多个方向的竖直角，则在盘左顺时针依次照准各目标，而在盘右时，逆时针依次照准各目标，读数、记录方法同上。第37页/共56页逆时针注记的竖盘计算公式盘左：90盘右：270270将盘左、盘右取中数，则一测回竖直角为：（）/2/2第38页/共56页n竖直角的测量是基于：当竖盘指标水准管气泡居中时，指标应处于正确的位置。也即竖盘读数为90或270。然而实际上并非如此，即当指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向90或270，而与正确位置相差一个小角度x，x称为指标差n指标差产生的原因：指标水准管未校正完善。竖盘指标差第39页/共56页
15、竖盘指标差示意图第40页/共56页当视准轴水平、指标水准管气泡居中时，由于指标差x的存在，竖盘盘左读数为90+x，则正确的竖直角应为：（x)-L=x同样，盘右时正确的竖直角应为：（x)=x此时、已不是正确的竖直角了。=(=(）2 2。用正倒镜观测取平均数可以消除竖盘指标差的影响用正倒镜观测取平均数可以消除竖盘指标差的影响。第41页/共56页指标差的计算 x=(R+L-360)/2 =(）/2指标差x可用来衡量观测质量。在同一测站上观测不同目标时，指标差的变动范围，对于J6级经纬仪不应超过25，否则成果不合格，需重测。注意：指标差的互差不超过限差。第42页/共56页逆时针注记的指标差和竖角的计算
16、 左 L-(+x)=+x 右(+x)=x =(）/2 x=(R+L-360)/2 =(L-R）/2第43页/共56页三角高程测量的应用:三角高程测量的最大优点是在测定控制点平面位置的同时可以测定高程，能一次测定距离较远或较大两点间的高差。三角高程测量的应用常有四种形式：三角高程路线独立高程点高程导线光电测距三角高程测量第44页/共56页三角高程路线三角高程路线就是在两已知高程点间，由已知其水平距离的若干条边组成的路线，用三角高程测量的方法测定每条边两端的高差。在推算出整条路线的总高差后，根据两端点的已知高程算出高差闭合差，用水准测量的方法将闭合差按边长成比例分配，求出路线各点的高程。第45页/
17、共56页独立高程点由二至三个已知高程点对一个未知高程点，用三角高程的方法求算该点的高程，称为独立高程点。当用三个已知高程点推算得待定点P的高程互相有差异时，若其较差在容许范围内，可以其平均值为测量高程。第46页/共56页高程导线用导线的形式联测各点的高程。其特点是不需要确定点的平面位置。通常对附合和闭合导线可采用隔点设站，就是单向测定各边两点间的高差，称为单觇导线。若每点设站，往返测每条边的高差，称为复觇导线。第47页/共56页光电测距三角高程测量采用高程导线的施测形式而用光电测距仪施测距离来测量地面点高程的工作方式称为光电测距三角高程测量。往返三角高程测量测得的高程点的精度可以达到四等水准测
18、量的要求。第48页/共56页高程测量第49页/共56页n大地高：由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离，通常以H表示。利用GPS定位技术，可以直接测定测点在WGS84中的大地高程。大地高是一个几何量，不具有物理上的意义。它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合，来确定测点的正常高，具有重要的意义。n正高系统：地面点并沿该点的铅垂线至大地水准面的距离称为正高，通常以Hg表示。正高具有重要的物理意义，但不能精确测定。n正常高系统：正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统，通常以H表示。正常高同样具有重要的物理意义，广泛应用于水利水电工程、管道和隧道工程建设中，而且可以精密地确定。第50
19、页/共56页似大地水准面与椭球面之间的高程差，称为高程异常，见图1。正常高与大地高之间的转换关系为：如果能确定高程异常，就能将大地高H换算成正常高H。第51页/共56页确定高程异常的方法可分为直接法和拟合法。高程异常是地球重力场的一个参数，利用地球重力场模型，根据点位信息，直接可得该点的高程异常值，此为直接法。对于高程精度要求不高或不可能进行水准测量的极其困难地区，可采用直接法。如果在GPS网中一些点上同时测定水准高程（通常称这些点为公共点），结合GPS测量和水准测量资料，采用内插技术获得网中其它各点的高程异常，即为拟合法。常用的拟合法有：等值线图示法和解析法第52页/共56页参考文献海洋大地测量梁开龙等，1990数字测图原理与方法潘正风，杨正尧，2004。GPS卫星导航定位原理及方法，刘基余，2003第53页/共56页本章重点及需要掌握的内容概述（了解）：海洋大地控制网的概念海洋控制网的组成（了解）：存在哪些海洋控制网?各有什么特色？海岸控制网（了解）：陆海GPS网（重点）建立方法，注意事项海底控制网（重点）掌握海底建立控制网的流程、计算方法和注意事项。高程控制（重点）了解三角测量、水准测量方法，着重掌握GPS水准测量方法的原理第54页/共56页谢谢谢谢第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页