1第一講-測量學(xué)概述

數(shù)字測圖原理及方法,武漢大學(xué)測繪學(xué)院,第一章緒論,1.1測量學(xué)概述1.2地球的形狀和大小1.3用水平面代替水準(zhǔn)面的限度1.4測量坐標(biāo)系1.5地形測量的基本概念1.6直線的定向,1.1測量學(xué)概述,第4頁,測量學(xué)的產(chǎn)生生產(chǎn)、生活的需要以及建筑、農(nóng)田、水利建設(shè)等公元前二十七世紀(jì)埃及大金字塔二千多年前夏商時代夏禹治水秦代李冰父子都江堰水利樞紐工程軍事、交通運(yùn)輸?shù)男枰f里長城指南針,1.1測量學(xué)概述,一、測量學(xué)簡介,測量學(xué)是一門很古老的科學(xué)，至少有四千多年的歷史。古埃及的尼羅河泛濫后，消滅了土地界限，洪水過后需要重新劃定地界，這樣就需要測量學(xué)與幾何學(xué)的理論與技能。古代的一些重要水利工程和市政建設(shè)，都離不開測量科學(xué)，例如公元前六世紀(jì)的尼羅河紅海運(yùn)河、底格里斯河與幼發(fā)拉底河之間的霍巴運(yùn)河、伊拉克巴比他的“空中花園”等。據(jù)資料記載，公元前200年希臘人埃拉托斯芬第一個測定了地球的形狀與大小。,早在春秋戰(zhàn)國時期，已經(jīng)制成了利用磁石的指南儀器“司南”，它是沿用幾千年的指南針與羅盤的雛型。大約是公元前2200年，夏禹治水時，使用了“左準(zhǔn)繩，右規(guī)矩”的測量工具和方法。長沙馬王堆3號漢墓出土了西漢時期的地形圖和駐軍圖。俄國時代的甘石星表、東漢張衡研制的天球儀與侯風(fēng)地動儀、魏晉時期劉徽的海島算經(jīng)、西晉裴秀的制圖六體、唐李吉甫的元和群縣圖志等等一系列成就都在我國測繪史上增添了光輝的篇章。,唐代增一行（張遂）主持了大規(guī)模的天文測量，其中包括公元724年進(jìn)行的從河南滑縣到上蔡長達(dá)300km的子午線弧長測量，并用日圭測定緯度，這是世界上最早的子午線弧長測量。宋代沈括在他的著名著作夢溪筆談中提出了磁偏角現(xiàn)象，這比哥倫布的發(fā)現(xiàn)要早400年。,世界測繪科學(xué)的發(fā)展與成熟始于17世紀(jì)。1617年開始應(yīng)用三角測量；1668年出現(xiàn)了放大倍數(shù)為40倍的望遠(yuǎn)鏡，并普遍應(yīng)用于各種測量儀器上。法國人皮卡爾等從1669年起進(jìn)行子午線弧長測量，直到17921798年米申和德倫貝爾進(jìn)行了歷史性的工作，把通過巴黎的子午圈的長度的四千萬分之一作為lm。德國數(shù)學(xué)家高斯在1794年提出最小二乘法理論，奠定測量平差的基礎(chǔ)。高斯又于18161820年推導(dǎo)了橫圓柱正形投影的計(jì)算公式，克呂格在1912年加以研究改進(jìn)，用于測量實(shí)際。,在我國清代初期開展了全國性測圖工作，17081718年完成了皇輿全圖。法國在17301780年進(jìn)行全國性地形測量。俄國在1745年繪成了歐洲部分地圖13幅和亞洲部分地圖6幅。20世紀(jì)50年代前后開始，不少新的科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展。如電子學(xué)、信息論、相干光理論、電子計(jì)算機(jī)、空間科學(xué)技術(shù)等，它們又推動了測繪科學(xué)的發(fā)展。1947年研究利用光波進(jìn)行測距，到60年代中利用氦氖激光器作為光源的電磁波測距儀就問世了，這是量距工作的一大變革。在80年代電磁波測距儀在白天或黑夜的最大測程就能達(dá)到60公里，而且精度可達(dá)（5mm+1ppm）。短測程的測距儀，測程為12km，誤差僅及厘米。,20世紀(jì)40年代自動安平水準(zhǔn)儀的問世，標(biāo)志著水準(zhǔn)測量自動化的開端。1990年已研制出數(shù)字水準(zhǔn)儀，可以作到讀數(shù)記錄全自動化。1968年生產(chǎn)了電子經(jīng)緯儀，它采用光柵、光學(xué)編碼來代替刻度分劃線，以電信號方式獲得測量數(shù)據(jù)，并可自動記錄在存貯載體上。陀螺經(jīng)緯儀與激光經(jīng)緯儀亦已應(yīng)用于工程測量的定向工作。,1957年第一顆人造地球衛(wèi)星上天，1966年開始進(jìn)行人衛(wèi)大地測量，能以可全天候觀測，速度快，精度高，對洲際之間、島嶼和島嶼之間及島嶼和大陸之間的聯(lián)測能既快速又正確。20世紀(jì)70年代，通過人造衛(wèi)星拍攝地球的照片，使航天技術(shù)有了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開始發(fā)射的全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星，在90年代全部完成發(fā)射任務(wù)。,數(shù)字化自動成圖系統(tǒng)，其中包括航測數(shù)字化成圖與全站儀數(shù)字化成圖，它與傳統(tǒng)的方法相比，具有成圖周期短、勞動強(qiáng)度小、圖紙精度高等等無可比擬的優(yōu)點(diǎn)；“3s”技術(shù)的崛起，其中包括地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和遙感，使測繪科學(xué)走向更高層次的電子化與自動化；我國測繪事業(yè)自1949年新中國成立后進(jìn)入了迅速發(fā)展的時期。1956年建立了國家測繪總局，建立了全國統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)，建立了全國范圍的大地控制網(wǎng)，測繪了全國基本圖和大量不同比例尺地形圖。,測繪學(xué)是研究測定和推算地面的幾何位置、地球形狀及地球重力場，據(jù)此測量地球表面自然形態(tài)和人工設(shè)施的幾何分布，并結(jié)合某些社會信息和自然信息的地球分布，編制全球和局部地區(qū)各種比例尺的地圖和專題地圖的理論和技術(shù)的學(xué)科。是地球科學(xué)的重要組成部分。地球上一點(diǎn)（三維坐標(biāo)系）XYZ平面上（x，y）高程（海拔高）H,一、測量學(xué)簡介,測量學(xué)是研究對地球整體及其表面和外層空間中的各種自然和人造物體上與地理空間分布有關(guān)的信息進(jìn)行采集處理、管理、更新和利用的科學(xué)和技術(shù)。,一、測量學(xué)簡介,測量學(xué)的主要內(nèi)容包括測定和測設(shè)兩部分。測定(測繪)從地球上獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，表示成圖表，測定是指用測量儀器和工具，通過測量和計(jì)算，得到一系列測量數(shù)據(jù)，或地球表面的地貌、地物縮繪成地形圖，供經(jīng)濟(jì)建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和國防建設(shè)使用。,一、測量學(xué)簡介,測設(shè)（放樣）把圖上設(shè)計(jì)好的建筑物和構(gòu)筑物的位置標(biāo)定到實(shí)地上去。,一、測量學(xué)簡介,隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測量學(xué)在生產(chǎn)中的作用越來越大，所涉及的內(nèi)容也越來越豐富，并派生出許多分支學(xué)科：,1、大地測量學(xué)大地測量學(xué)是研究和確定地球的形狀、大小、重力場、整體與局部運(yùn)動和地表面點(diǎn)的幾何位置以及它們的變化的理論和技術(shù)的學(xué)科。研究地球表面上較大區(qū)域、甚至地球的形狀、大小以及大范圍控制測量問題。必須考慮地球曲率的影響。,二、測量學(xué)內(nèi)容,2、地形測量學(xué)研究地球表面上較小區(qū)域的地表形態(tài)。是研究將地球表面的起伏狀態(tài)和其它信息測繪成圖的理論、技術(shù)和方法的學(xué)科。研究測繪小范圍地形圖，把地球表面看作平面而不考慮地球曲率影響。研究內(nèi)容：圖根控制網(wǎng)的建立和地形圖的測繪表示形式：數(shù)字、文字、圖,二、測量學(xué)內(nèi)容,3、攝影測量學(xué)攝影測量學(xué)是研究攝影影像與被攝物體之間的內(nèi)在幾何和物理關(guān)系，進(jìn)行分析、處理和解譯，以確定被攝物體的形狀、大小和空間位置，并判定其性質(zhì)的一門學(xué)科。利用攝影像片來測定物體的形狀、大小和空間位置?？煞譃楹娇諗z影測量學(xué)、地面攝影測量學(xué)、水下攝影測量學(xué)、航天攝影測量學(xué)等分支學(xué)科。,二、測量學(xué)內(nèi)容,4、海洋測繪學(xué)海洋測繪學(xué)是以海洋水體和海底為對象,研究海洋定位、測定海洋大地水準(zhǔn)面和平均海面、海底和海面地形、海洋重力、海洋磁力、海洋環(huán)境等自然和社會信息的地理分布，及編制各種海圖的理論和技術(shù)的學(xué)科。以海洋和陸地水域?yàn)閷ο筮M(jìn)行的測量工作。,5、礦山測量學(xué)研究如何保護(hù)礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)、安全生產(chǎn)和礦區(qū)環(huán)境治理。,二、測量學(xué)內(nèi)容,6、工程測量學(xué)工程測量學(xué)是研究工程建設(shè)和自然資源開發(fā)中，在規(guī)劃、勘測設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營管理各個階段進(jìn)行的控制測量、大比例尺地形測繪、地籍測繪、施工放樣、設(shè)備安裝、變形監(jiān)測及分析與預(yù)報(bào)等的理論和技術(shù)的學(xué)科。為滿足工程建設(shè)的需要，結(jié)合各種工程建設(shè)的特點(diǎn)而進(jìn)行測量工作。,二、測量學(xué)內(nèi)容,7、地圖學(xué)地圖學(xué)是研究模擬和數(shù)字地圖的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、編繪、復(fù)制的技術(shù)方法以及應(yīng)用的學(xué)科。隨著RS、GPS和GIS等新技術(shù)的不斷發(fā)展，新的測量分支學(xué)科將不斷涌現(xiàn)。,二、測量學(xué)內(nèi)容,8測量儀器學(xué)研究測量儀器的制造、改進(jìn)和創(chuàng)新的學(xué)科。,二、測量學(xué)內(nèi)容,1、在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展規(guī)劃中，測繪信息是最重要的基礎(chǔ)信息之一；測量學(xué)的起源和土地界線的劃定緊密聯(lián)系著。非洲尼羅河每年泛濫會把土地的界線沖刷掉，為了每年恢復(fù)土地的界線很早就采用了測量技術(shù)。地籍測量。用以測定地塊的邊界和坐落，求算地塊的面積，在農(nóng)業(yè)為主的社會里，國家為了征稅而開展地籍測量，同時記錄業(yè)主姓名和土地用途等。在我國,地籍測量是國家管理土地的基礎(chǔ)地籍測量的成果不僅用于征稅，還用于管理土地的權(quán)屬以保障用地的秩序，為了提高土地利用的效益、合理和節(jié)約利用十分珍貴和有限的土地。測量學(xué)還服務(wù)于國家領(lǐng)土的管理。,三、測繪科學(xué)的應(yīng)用范圍,測量學(xué)在工程建設(shè)中的作用勘測設(shè)計(jì)階段：為選線測制帶狀地形圖。施工階段：把線路和各種建筑物正確地測設(shè)到地面上?？⒐y量：對建筑物進(jìn)行竣工測量。運(yùn)營階段：為改建、擴(kuò)大建而進(jìn)行的各種測量。變形觀測：為安全運(yùn)營，防止災(zāi)害進(jìn)行變形測量?，F(xiàn)代的測量學(xué)作為一門能采集和表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等幾何信息，以及能把設(shè)計(jì)的建筑物、設(shè)備等按設(shè)計(jì)的形狀、大小和位置準(zhǔn)確地在實(shí)地標(biāo)定出來的技術(shù)，在各種工程建設(shè)中的應(yīng)用愈來愈廣泛。,三、測繪科學(xué)的應(yīng)用范圍,2、在國防建設(shè)中，軍事測繪和軍用地圖是現(xiàn)代化、大規(guī)模諸兵種協(xié)同作戰(zhàn)必不可少的重要保障；“天時，地利，人和”是打勝仗的三大要素。要有地利就要了解和利用地利。地圖上詳細(xì)表示著山脈、河流、道路、居民點(diǎn)等地形和地物，具有確定位置、辨識方向的作用。地圖一直在軍事活動中起著重要的作用，這對于行軍、布防以及了解敵情等軍事活動都是十分重要的。傳統(tǒng)上各國測繪部門隸屬于軍事部門。至今相當(dāng)多國家的測繪部門仍然隸屬于軍事部門。隨著測繪技術(shù)在各方面的應(yīng)用愈來愈廣泛，測繪科技國際間的交流日益頻繁，不少國家終于建立了民用的測繪機(jī)構(gòu),三、測繪科學(xué)的應(yīng)用范圍,3、在科學(xué)研究方面，諸如航天技術(shù)、地殼形變、地震預(yù)報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、滑坡監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)測和防治、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查以及其他科學(xué)研究中，都要應(yīng)用測繪科學(xué)技術(shù)，需要測繪工作的配合。,三、測繪科學(xué)的應(yīng)用范圍,GPS在大壩外觀及滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用,四、測繪科學(xué)的應(yīng)用實(shí)例,在98年特大洪水中發(fā)揮的作用,三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測,TCA2003測量塔柱動態(tài)變形,GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集,大壩監(jiān)測,橋梁監(jiān)測,道路施工及露天煤礦挖掘監(jiān)測,2000悉尼奧運(yùn)會,體育競賽測量,水準(zhǔn)測量,高精度工業(yè)測量,DISTO手持激光測距儀面向大眾用戶,隧道開挖中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及斷面測量,遙感圖像處理,GIS建庫,三維景觀數(shù)據(jù)的快速測量,特種測量及軍事應(yīng)用,1、傳統(tǒng)測繪方法（鋼卷尺）2、光學(xué)測繪方法（經(jīng)緯儀）3、光、電測繪方法（全站儀）4、光、機(jī)、電測繪方法（測量機(jī)器人）5、光、機(jī)、電、傳感器（三維激光掃描儀）,五、測繪技術(shù)的發(fā)展過程,TPS,GPS,水準(zhǔn)儀,航空相機(jī),DISTO,矢量望遠(yuǎn)鏡,激光跟蹤,GIS軟件,CYRAX,1.2地球的形狀和大小,地球的自然表面：地球的自然表面高低起伏，其形狀十分復(fù)雜。海洋的面積占71%,陸地的面積占29%。珠穆朗瑪峰高達(dá)8848.13m馬里亞納海溝深達(dá)11022m,人類認(rèn)識地球的過程經(jīng)過了2-3千年的過程,第48頁,一、地球的自然表面,水準(zhǔn)面：液體受重力而形成的靜止表面稱為水準(zhǔn)面。是一個處處與重力方向垂直的連續(xù)曲面。有無數(shù)個水準(zhǔn)面。,P,離心力,地球引力,重力,垂球,鉛垂線,同一水準(zhǔn)面上的重力位處處相等；,同一水準(zhǔn)面上任一點(diǎn)的鉛垂線都與水準(zhǔn)面相正交。,二、大地水準(zhǔn)面,P,與平靜的平均海水面相重合、并延伸通過陸地而形成的封閉曲面稱為大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面包圍的形體稱為大地體（Geoid）由于地表起伏以及地球內(nèi)質(zhì)量分布不均勻，所以大地水準(zhǔn)面是個復(fù)雜的曲面。,水準(zhǔn)面和鉛垂線是野外觀測的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線。,由于大地水準(zhǔn)面是不規(guī)則曲面，無法準(zhǔn)確描述和計(jì)算。也難以在其面上處理測量成果因此，用一非常接近大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)面-旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面，用旋轉(zhuǎn)橢球體描述地球。,二、大地水準(zhǔn)面,由于大地水準(zhǔn)面是不規(guī)則曲面，無法準(zhǔn)確描述和計(jì)算。也難以在其面上處理測量成果因此，用一非常接近大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)面-旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面，用旋轉(zhuǎn)橢球體描述地球。作為描述地球表面空間位置的基準(zhǔn)，稱其為地球橢球。地球橢球分類總地球橢球:與全球范圍內(nèi)的大地水準(zhǔn)面最佳擬合參考橢球:與某個區(qū)域的大地水準(zhǔn)面最佳擬合,大地水準(zhǔn)面,大地水準(zhǔn)面差距N,配合最佳的參考橢球面,三、地球橢球,第52頁,大地水準(zhǔn)面差距:地球橢球與大地水準(zhǔn)面的距離垂線偏差:地面一點(diǎn)對大地水準(zhǔn)面的垂線和對于地球橢球面的法線夾角.,三、地球橢球,參考橢球面：一個以橢圓的短軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢球體的表面。橢球體的大小和大地體十分接近。參考橢球面可用數(shù)學(xué)模型表示。,a,b,大地原點(diǎn)：確定大地水準(zhǔn)面和參考橢球面的相互關(guān)系。定向：短軸平行于地軸定位：大地體與橢球體相切定大?。簷E球的基本元素一定,P,P,垂線和法線重合,我國大地原點(diǎn)在西安涇陽縣永樂鎮(zhèn),四、參考橢球面,1、代表地球的數(shù)學(xué)表面；2、大地測量計(jì)算的基準(zhǔn)面；3、研究大地水準(zhǔn)面的參考面；4、地圖投影的參考面。,四、參考橢球面,地球的形狀是一個南北極稍扁的，類似于一個橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)的橢球體。,地球自然表面,大地水準(zhǔn)面,參考橢球面,圖地球的形狀和大小,水準(zhǔn)面,五、測量工作的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面測量工作的基準(zhǔn)線鉛垂線。測量工作的基準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)線法線。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)面參考橢球面。,O,G,大地水準(zhǔn)面,鉛垂線,六、測量工作及基本原則基本原則:1、從整體到局部；2、先控制后碎部；3、復(fù)測復(fù)算、步步檢核。前一步工作未檢核不進(jìn)行后一步工作優(yōu)點(diǎn)：減少誤差積累；避免錯誤發(fā)生；提高工作效率。,六、測量工作及的基本原則基本觀測量:測量作業(yè)就在于使用不同精度的測量儀器，測得角度距離和高差,第58頁,六、測量工作及基本原則測量單位:長度單位:英制單位：海里、碼、英尺、英寸市制單位：里、丈、尺、寸、公制單位：公里、米、分米、厘米、毫米米的最早的科學(xué)定義是子午線長度的/40000000十八世紀(jì)法國科學(xué)院派測量隊(duì)進(jìn)行“弧度測量”。隨后以測得的子午線弧長的四千萬分子一作為長度的基本單位，稱為“米”。為了使用方便，用鉑金屬制造了幾根長一米的尺子，稱為米的原尺。當(dāng)時，世界各國的長度標(biāo)準(zhǔn)都是由這幾根米尺派生復(fù)制出來。我國在六十年代之前也一直使用這樣的復(fù)制尺,第59頁,六、測量工作及基本原則測量單位:時間單位“秒”的定義經(jīng)典的時間標(biāo)準(zhǔn)是用天文測量方法測定的。設(shè)將測量儀器的望遠(yuǎn)鏡指向天頂，則某一天體連續(xù)兩次通過望遠(yuǎn)鏡縱絲的時間間隔就等于24時。1時的3600分之一就等于1秒。當(dāng)然精確的“秒”要用一年甚至幾年的時間間隔細(xì)分后求得。自二十世紀(jì)七十年代起才改用原子鐘取得時間的標(biāo)準(zhǔn)。角度單位60進(jìn)制單位度(d)、分(m)、秒（s)10進(jìn)制單位新度(g)、新分(gm)、新秒（gs)弧度單位一圓周=2、=57.3=3434=206265,第60頁,六、測量工作及基本原則長度單位換算1km=1000m1m=10dm=100cm=1000m1英里=1.6093公里1碼=3英尺1英尺=12英寸=30.48厘米1英寸=2.54厘米1海里=1.852公里=1852米1里=500米1丈=10尺1尺=1/3米1尺=10寸角度單位換算1度（d）=60分（m）=3600秒（s）1g(新度)=100C(新分)=10000CC(新秒)1g=0.9d1c=0.54m1cc=0.324so=180o/=57.3o=3438=206265,第61頁,1、地球的形狀近似于怎樣的形體？2、地球自然表面、水準(zhǔn)面、大地水準(zhǔn)面和參考橢球面的區(qū)別和聯(lián)系？3、參考橢球的基本元素有哪些？4、測量工作的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線是指什么？5、平均海水面_（是/不是）參考橢球面。6、任意高度的靜止的液體表面（如平靜的湖水面）_（都是/都不是/有的是）水準(zhǔn)面,七、思考題,1.3用水平面代替水準(zhǔn)面的限度,如圖，由平面代替曲面產(chǎn)生的誤差為D。D=ab-ab=D-S=Rtan-R=R(tan-）,在小范圍測區(qū)角很小。tan用級數(shù)展開，略去五次方項(xiàng)，將=D/R代入，則,一、水準(zhǔn)