《測(cè)量學(xué)》第一章教案課件

1、測(cè)量學(xué)電子教案東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 For 建筑1201、1202班2014年3月第1章 緒論1.1 測(cè)量學(xué)簡(jiǎn)介1、測(cè)量學(xué)將地表物體分為地物和地貌 地物(feature)：地面上天然或人工形成的物體，它包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路、橋梁、森林等； 地貌(geomorphy)：地表高低起伏的形態(tài)，它包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌總稱為地形(landform)。測(cè)量學(xué)(surveying)是研究地球的形狀和大小，確定地球表面各種物體的形狀、大小和空間位置的科學(xué)。2、測(cè)量學(xué)的任務(wù)是測(cè)定和測(cè)設(shè) 測(cè)定(location)：使用測(cè)量?jī)x器和工具，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算將地物和地貌的位置按一定比例尺、規(guī)

2、定的符號(hào)縮小繪制成地形圖，供科學(xué)研究和工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)使用。 測(cè)設(shè)(setting-out)：將地形圖上設(shè)計(jì)出的建筑物、構(gòu)筑物的位置在實(shí)地標(biāo)定出來(lái)，作為施工的依據(jù)。3、測(cè)量學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)介 古老應(yīng)用科學(xué)，中國(guó)，埃及，希臘；指南針，渾天儀等，地球圓球概念提出，實(shí)測(cè)地球大小，長(zhǎng)度單位提出； 主要事例： _我國(guó)遠(yuǎn)古，“天圓地方”的說(shuō)法； _公元前世紀(jì)后半葉，通過(guò)觀察月全食時(shí)地球在月球上的投影以及觀察航船在地平線消失的情況，古希臘的畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras）提出了地球是圓球的說(shuō)法； _公元前4世紀(jì)，我國(guó)就利用磁石制成了世界上最早的工具稱為“司南”，宋代出現(xiàn)人工磁鐵制成的指南針；_公元三世紀(jì)，西晉裴

3、秀，綜合前人經(jīng)驗(yàn)，制成制圖六體。即分率比例尺，準(zhǔn)望方位角，道理距離，高下地形起伏，方邪地物形狀，迂直河流道路的曲直，是世界上最早的制圖規(guī)范； _公元二世紀(jì)（后漢）張衡制成渾天儀，進(jìn)行了天文觀察；_用子午弧長(zhǎng)規(guī)定長(zhǎng)度單位是我國(guó)首創(chuàng)，清康熙年間，為統(tǒng)一尺度，規(guī)定二百里合經(jīng)線一度的弧長(zhǎng)，即每尺合經(jīng)線上百分之一秒（一尺等于0.317m）,這比1792年法國(guó)建立米為長(zhǎng)度單位早90年。 公元前世紀(jì)，亞歷山大學(xué)者埃拉托色尼（Eratosthenes）首次用子午圈測(cè)量法估算地球半徑。 埃拉托色尼測(cè)量原理如下圖所示。 他認(rèn)為亞歷山大城與賽尼城位于同一子午線上。他發(fā)現(xiàn)在夏至（月日）這一天正午，日光正直射賽尼城的井

4、底，同日正午在亞歷山大城日光偏南7012 ，又認(rèn)為這兩束太陽(yáng)光彼此平行，故可認(rèn)為兩城的緯度差 7012 ，即 7012；他由埃及地籍圖估計(jì)這兩城的距離為古埃及尺，即 古埃及尺，由* ,可得 。所得數(shù)值與現(xiàn)代比較誤差左右。 ROSuns raysEarth SSyeneAlexandria長(zhǎng)度單位的建立。法國(guó)利用新的更精確的弧度測(cè)量結(jié)果，于1799年計(jì)算了一個(gè)新的橢球參數(shù)（稱為1800年德蘭勃爾橢球）：a=6375653m,=1/334,取其子午圈弧長(zhǎng)的四千萬(wàn)分之一作為長(zhǎng)度單位，稱為1m。我國(guó)對(duì)測(cè)量科學(xué)的主要貢獻(xiàn)1）在公元前21世紀(jì)夏禹治水時(shí)，就已發(fā)明和應(yīng)用了“準(zhǔn)、繩、規(guī)、矩”四種測(cè)量工具和方法

5、；2）戰(zhàn)國(guó)時(shí)期制定了世界上最早的恒星表，確定一年為365.25天，比羅馬人早400500年；3）公元前4世紀(jì)，我國(guó)就利用磁石制成了世界上最早的工具稱為“司南”，宋代出現(xiàn)人工磁鐵制成的指南針；4）公元前4世紀(jì)，管仲著管子書，書內(nèi)第十卷（地形第二十七）專門論述了地圖的內(nèi)容和重要用途；5）三國(guó)時(shí)，劉徽發(fā)明“重差術(shù)”，后來(lái)編成海島算經(jīng)一書，舉了九個(gè)測(cè)量題，是世界上最早的地形測(cè)量規(guī)范；6）公元二世紀(jì)（后漢）張衡制成渾天儀，進(jìn)行了天文觀察；7）公元三世紀(jì)，西晉裴秀，綜合前人經(jīng)驗(yàn)，制成制圖六體。即分率比例尺，準(zhǔn)望方位角，道理距離，高下地形起伏，方邪地物形狀，迂直河流道路的曲直，是世界上最早的制圖規(guī)范；8）南

6、北朝時(shí)，祖沖之所測(cè)的朔望月為29.530588日，與現(xiàn)今采用的數(shù)值只差0.3秒；9）公元8世紀(jì)，唐朝南宮說(shuō)在河南測(cè)子午線一度之長(zhǎng)為351.2唐里（132.31Km）;10）宋代楊忠輔編制的統(tǒng)天歷，一年為365.2425,與現(xiàn)代值相比，只有26秒的誤差；11）北宋時(shí)，沈括在夢(mèng)溪筆談中記載了磁偏角現(xiàn)象，比哥倫布的發(fā)現(xiàn)早400年；12）元代時(shí)，郭守敬在測(cè)繪黃河流域地形圖時(shí)，“以海面較京師至汴梁地形高下之差”，是世界上最早使用“海拔”觀念的人；13）用子午弧長(zhǎng)規(guī)定長(zhǎng)度單位也是我國(guó)首創(chuàng)，清康熙年間，為統(tǒng)一尺度，規(guī)定二百里合經(jīng)線一度的弧長(zhǎng)，即每尺合經(jīng)線上百分之一秒（一尺等于0.317m）,這比1792年法

7、國(guó)建立米為長(zhǎng)度單位早90年。 現(xiàn)代測(cè)量時(shí)期（20世紀(jì)40年代至今） 20世紀(jì)下半葉，以電磁波測(cè)距、人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等為代表的新的測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，為測(cè)繪學(xué)科又帶來(lái)了一次飛躍。（1）1948年瑞典人貝爾斯特蘭德（E. Bergstrand）首先研制成功世界上第一臺(tái)光電測(cè)距儀，60年代又出現(xiàn)了激光測(cè)距儀；（2）1956年南非人沃德利（T. L. Wadley）研制成功世界上第一臺(tái)微波測(cè)距儀；（3）70年代德國(guó)首先研制成功測(cè)距、測(cè)角相結(jié)合的電子速測(cè)儀（全站儀）；它具有自動(dòng)計(jì)算測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)、自動(dòng)保存觀測(cè)數(shù)據(jù)和將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，結(jié)合測(cè)繪成圖軟件從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)圖；（4）美國(guó)1973年開始的于19

8、94年3月28日徹底完成的GPS（Global Positioning System）系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)的通過(guò)測(cè)角量邊計(jì)算地面點(diǎn)位坐標(biāo)的方法，測(cè)量 人員只需將GPS接收機(jī)安置在測(cè)點(diǎn)上，通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，使用專門的數(shù)據(jù)處理軟件就可以快速計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。 除了美國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)外，俄羅斯開發(fā)了格Glonass系統(tǒng)，歐洲正在開發(fā)伽利略系統(tǒng)，中國(guó)開發(fā)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng):1983年，“兩彈一星”元?jiǎng)住⒅锌圃涸菏筷惙荚侍岢隽穗p星定位設(shè)計(jì)方案?；诖朔桨?，我國(guó)開始積極立項(xiàng)論證。1994年，經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的大幕正式拉開。 我國(guó)基于國(guó)情，創(chuàng)造性地提出了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建

9、設(shè)發(fā)展的總體思路，先“區(qū)域”再“全球”，采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。李長(zhǎng)江說(shuō)，“三步走”的意思是，先建立北斗衛(wèi)星雙星定位試驗(yàn)系統(tǒng)，形成區(qū)域有源定位與導(dǎo)航服務(wù)能力；然后完成3種軌道10余顆衛(wèi)星的發(fā)射，建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，形成區(qū)域無(wú)源服務(wù)能力，向亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)；最后建成由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成、覆蓋全球的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成全球無(wú)源服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、國(guó)際一流、具有中國(guó)特色北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)。北斗一代 :1989年，“雙星定位”原理進(jìn)行演示性試驗(yàn)成功。1994年開始工程研制建設(shè)。北斗工程啟動(dòng)后，中國(guó)航天科技

10、集團(tuán)五院承擔(dān)起北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的研制工作。經(jīng)過(guò)數(shù)年攻關(guān)，北斗定位衛(wèi)星01星于2000年10月31日發(fā)射，11月6日成功定點(diǎn)；同年12月21日，02星發(fā)射，12月26日成功定點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近3年的調(diào)試、測(cè)試和試運(yùn)行，2003年12月15日，我國(guó)第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通運(yùn)行，成為繼美國(guó)的GPS和俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)之后，全球第三個(gè)建成并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三大功能，一是快速確定用戶所在的地理位置，向用戶及主管部門提供導(dǎo)航信息；二是為用戶與用戶、用戶與地面指揮中心之間提供雙向簡(jiǎn)短報(bào)文通信服務(wù)，用戶可以一次傳送120個(gè)漢字的短報(bào)文信息；三是向用戶定時(shí)發(fā)播授時(shí)信息，為用戶提供時(shí)差修正值。北斗試

11、驗(yàn)系統(tǒng)建成后，對(duì)推動(dòng)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了重要作用。2008年汶川地震，重災(zāi)區(qū)通信中斷。救援部隊(duì)持“北斗”終端設(shè)備進(jìn)入，利用其短報(bào)文功能突破通信盲點(diǎn)，與外界取得聯(lián)系。同時(shí)管理中心則通過(guò)位置報(bào)告功能，隨時(shí)掌握著每一個(gè)終端所處的位置。此外，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、通信、電力、金融、氣象、海洋、水文監(jiān)測(cè)等各個(gè)方面，取得了顯著效益。北斗試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的突破，但也存在一些問(wèn)題，如覆蓋范圍有限、用戶數(shù)量受限、定位精度不高、不適用于高速移動(dòng)的用戶等。新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成，具備無(wú)源定位、測(cè)速和授時(shí)功能，同時(shí)也將雙向簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信、位置報(bào)告等功能保留了下來(lái)。 2004年，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)?/p>

12、航系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)，各項(xiàng)工作全面啟動(dòng)。新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成，具備無(wú)源定位、測(cè)速和授時(shí)功能，同時(shí)也將雙向簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信、位置報(bào)告等功能保留了下來(lái)。 2007年2月3日，北斗一代第四顆衛(wèi)星發(fā)射成功，不過(guò)此時(shí)，北斗一代已經(jīng)改名為北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，原來(lái)的北斗二代則稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，英文名為Compass Navigation Satellite System。第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星不僅作為早期三顆衛(wèi)星的備份，同時(shí)還將進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)

13、免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為50納秒，測(cè)速精度為02米秒。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更精確的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)信息。2007年4月14日，第1顆正式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射成功 ；2009年4月15日，第2顆正式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射成功 ；也是北斗家族中首顆地球靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射成功。這標(biāo)志著該系統(tǒng)正式進(jìn)入部署實(shí)施階段。 2010年1月17日，第3顆正式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射成功 . 2010年共成功發(fā)射5顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星 2011年共成功發(fā)射3顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星；當(dāng)2011年4月第8顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星入軌后，北斗衛(wèi)星區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)形成了由3顆同步

14、靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星組成的“3+3”星座構(gòu)型，具備了向我國(guó)大部分地區(qū)提供初始服務(wù)的能力。隨著2011年7月27日和12月2日，第9、第10顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星“落戶”傾斜同步軌道，更是有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。2011年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人宣布，該系統(tǒng)開始試運(yùn)行，向中國(guó)及周邊地區(qū)提供連續(xù)的、免費(fèi)的導(dǎo)航定位和授時(shí)服務(wù)。 2012年2月25日成功發(fā)射第11顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星2012年4月30日4時(shí)50分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)乙”運(yùn)載火箭， “一箭雙星”成功發(fā)射第12、第13顆北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道。2012年09月19日 “一箭雙星”

15、成功發(fā)射第14、15顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。2012年10月25日晚，第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星順利升空。至此，系統(tǒng)空間段由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中軌道衛(wèi)星組成星座，標(biāo)志著我國(guó)全面完成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)，形成了覆蓋亞太大部分地區(qū)的服務(wù)能力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度問(wèn)題，已經(jīng)與美國(guó)的GPS基本相當(dāng)，水平方向優(yōu)于10米（接近GPS民用等級(jí)的5米水平 ），高空方向優(yōu)于15米，測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒。2012 年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)新聞發(fā)布會(huì)召開，核心要點(diǎn)包括：北斗天基體系亞太區(qū)組網(wǎng)基本完成，總體性能和GPS相當(dāng)；北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（ICD）正式公

16、布；接下來(lái)示范項(xiàng)目和中長(zhǎng)期規(guī)劃將支持北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展，力爭(zhēng)2020年市占率達(dá)到70-80%。 2020年左右，將建成由30余顆衛(wèi)星組成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗”未來(lái)可在全球范圍內(nèi)提供全天候、全天時(shí)的高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，精度更可達(dá)到以分米、厘米計(jì)的亞米級(jí)，而“北斗”的位置報(bào)告、短報(bào)文服務(wù)等獨(dú)特功能，是其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 （5）1962年開始研究的地理信息系統(tǒng)（GISGeographic Information System）是一定格式的數(shù)字地圖與地面有關(guān)資源信息的集成并實(shí)現(xiàn)有關(guān)空間數(shù)據(jù)管理、空間信息分析及其傳播的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是傳統(tǒng)學(xué)科（測(cè)量學(xué)、地理學(xué)和地圖學(xué)等）與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)（遙感技術(shù)、

17、計(jì)算機(jī)科學(xué)等）相結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展歷程已經(jīng)取得了巨大的成就，被廣泛應(yīng)用于土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、城市規(guī)劃、礦山開采、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及政府各職能部門。（6）20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的航天遙感技術(shù)，利用航天遙感像片及掃描信息測(cè)繪地形圖，不僅覆蓋面積大，而且不受地理及氣候條件的限制，能全天候作業(yè)，極大地提高了測(cè)繪工作效率。伽利略衛(wèi)星 美國(guó)GPS衛(wèi)星美國(guó)正在研制的第二代GPS衛(wèi)星 俄羅斯GLONASS格洛納斯系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星歐洲伽利略定位導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖GPS星座中國(guó)“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星 中國(guó)“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星在地面檢修 北斗系統(tǒng)工作示意圖 “北斗”系列衛(wèi)星將組成大規(guī)模的導(dǎo)航衛(wèi)星“星座” 目前

18、解放軍的C3I系統(tǒng)已經(jīng)基于“北斗一號(hào)”平臺(tái) C3I技術(shù)是運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論和方法，對(duì)軍事指揮、控制、通信、情報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和管理的技術(shù)。美國(guó)總統(tǒng)利用C3I向第一線部隊(duì)下達(dá)命令，最快只需3至6分鐘，若越級(jí)下達(dá)，最快只需1至3分鐘。 Perspective view of San Mateo County, Calif. GIS在制圖中的應(yīng)用 Before faulting. After faulting. GIS在緊急事件處理中的應(yīng)用 Satellite image by GeoEye-10.41-meter ground resolution black-and-white images an

19、d 1.65-meter color (multispectral) images.4、 測(cè)量學(xué)分類普通測(cè)量學(xué)大地測(cè)量學(xué)地形測(cè)量學(xué)攝影測(cè)量學(xué)工程測(cè)量學(xué)海道測(cè)量學(xué)1、普通測(cè)量學(xué)：研究地球表面較小區(qū)城內(nèi)的測(cè)繪工作的基本理論、技術(shù)、方法和應(yīng)用的學(xué)科，是測(cè)量學(xué)的基礎(chǔ)；2、大地測(cè)量學(xué)：是以大區(qū)城或整個(gè)地球?yàn)檠芯繉?duì)象，其基本任務(wù)是建立國(guó)家大地控制網(wǎng)，測(cè)定地球形狀、大小和研究地球重力場(chǎng)的理論、技術(shù)和方法；常規(guī)大地測(cè)量學(xué)，衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)。3、地形測(cè)量學(xué)：研究測(cè)繪地形圖的基本理論、技術(shù)和方法；4、攝影測(cè)量學(xué)：是利用攝影相片來(lái)研究地表形狀及大小的一門學(xué)科；有4個(gè)分支，地面攝影測(cè)量，航空攝影測(cè)量，水下攝影測(cè)量，航天

20、攝影測(cè)量。5、工程測(cè)量學(xué)：研究工程建設(shè)在勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工和管理階段所進(jìn)行的各種測(cè)量的學(xué)科。按工程建設(shè)的測(cè)量對(duì)象不同，可分為建筑、水利、鐵路、公路、橋梁、隧道、礦山、城市、國(guó)防、地籍、房產(chǎn)等測(cè)量。6、海道測(cè)量學(xué)：研究和測(cè)量地球表面水體（海洋、江河、湖泊等）以及水下地貌的一門綜合性學(xué)科。1.2 地球的形狀和大小1、地球(1) 地球是南北極稍扁，赤道稍長(zhǎng)，平均半徑約為6371km的橢球（長(zhǎng)半軸半徑：6378KM，短半軸半徑：6357KM）(2) 地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈現(xiàn)高低起伏的形態(tài)，并不平坦(3) 其中海洋面積約占71%，陸地面積約占29%2、地球的物理特性(

21、1) 重力與鉛垂線1) 重力地球上質(zhì)點(diǎn)所受萬(wàn)有引力與離心力的合力。2) 鉛垂線方向重力方向。(2) 水準(zhǔn)面假想靜止不動(dòng)的水面延伸穿過(guò)陸地，包圍整個(gè)地球，形成的封閉曲面稱水準(zhǔn)面。重力等位面，物體沿該面運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力不做功(如水在這個(gè)面上不會(huì)流動(dòng))或者說(shuō)水準(zhǔn)面是處處與鉛垂線垂直的連續(xù)封閉曲面水準(zhǔn)面不唯一(3) 大地水準(zhǔn)面與平均海水面相吻合的水準(zhǔn)面稱大地水準(zhǔn)面由靜止海水面并向大陸延伸所形成的不規(guī)則的封閉曲面。大地水準(zhǔn)面是唯一的。3、參考橢球(1) 大地水準(zhǔn)面微小起伏、不規(guī)則、很難用數(shù)學(xué)方程表示(2) 將地表地形投影到大地水準(zhǔn)面上計(jì)算非常困難。(3)、通常選擇一個(gè)與大地水準(zhǔn)面非常接近、能用數(shù)學(xué)方程表示的

22、橢球面作為投影基準(zhǔn)面，它由橢圓NESW繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的旋轉(zhuǎn)橢球，稱參考橢球，其表面稱參考橢球面。(4) 法線由地表任一點(diǎn)向參考橢球面所作的垂線。(5) 決定參考橢球大小的元素為橢圓的長(zhǎng)半軸a和扁率f，簡(jiǎn)稱參考橢球元素。(6) 決定參考橢球相對(duì)與地球的位置稱參考橢球定位，參考橢球面與大地水準(zhǔn)面相切的點(diǎn)稱大地原點(diǎn)，該點(diǎn)的鉛垂線與法線重合。4、我國(guó)現(xiàn)用的幾個(gè)參考橢球元素值4 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系 6378137 1：98.257222101CGCS20001.3 測(cè)量坐標(biāo)系與地面點(diǎn)位的確定1.3.1 確定點(diǎn)的球面位置的坐標(biāo)系1 參心坐標(biāo)系與地心坐標(biāo)系物理空間是三維的表示地面點(diǎn)在某個(gè)空間坐標(biāo)系

23、中的位置需要三個(gè)參數(shù)確定地面點(diǎn)位的實(shí)質(zhì)就是確定其在某個(gè)空間坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)測(cè)量學(xué)將空間坐標(biāo)系分為參心坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系 “參心”意指參考橢球的中心，由于參考橢球的中心一般不與地球質(zhì)心重合，所以它屬于非地心坐標(biāo)系，表1-1中的前兩個(gè)坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系“地心”意指地球的質(zhì)心，表1-1中GPS使用的WGS-84屬于地心坐標(biāo)系工程測(cè)量通常使用參心坐標(biāo)系，可以將地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為參心坐標(biāo)系2 確定點(diǎn)球面位置的坐標(biāo)系 空間坐標(biāo)系可以分解為確定點(diǎn)的球面位置坐標(biāo)系(二維)和高程系(一維)。確定點(diǎn)的球面位置坐標(biāo)系有地理坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系兩類。 (1) 地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系又可分為天文地理坐標(biāo)系和大地地理坐標(biāo)

24、系兩種。1) 天文地理坐標(biāo)系天文地理坐標(biāo)又稱天文坐標(biāo)，表示地面點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的位置基準(zhǔn)是鉛垂線和大地水準(zhǔn)面用天文經(jīng)度和天文緯度兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示地面點(diǎn)在球面上的位置過(guò)地面上任一點(diǎn)P的鉛垂線與地球旋轉(zhuǎn)軸NS所組成的平面稱為該點(diǎn)的天文子午面天文子午面與大地水準(zhǔn)面的交線稱為天文子午線，也稱經(jīng)線稱過(guò)英國(guó)格林尼治天文臺(tái)G的天文子午面為首子午面P點(diǎn)天文經(jīng)度定義：過(guò)P點(diǎn)天文子午面與首子午面的兩面角，從首子午面向東或向西計(jì)算，取值范圍是0180，在首子午線以東為東經(jīng)，以西為西經(jīng)。P點(diǎn)天文緯度定義：P點(diǎn)鉛垂線與赤道面的夾角，自赤道起向南或向北計(jì)算，取值范圍為 090在赤道以北為北緯，以南為南緯可以應(yīng)用天文測(cè)量方法

25、測(cè)定地面點(diǎn)的天文經(jīng)度和天文緯度如廣州地區(qū)的概略天文地理坐標(biāo)為東經(jīng)11318，北緯23072) 大地地理坐標(biāo)系大地地理坐標(biāo)又稱大地坐標(biāo)，表示地面點(diǎn)在參考橢球面上的位置基準(zhǔn)是參考橢球面和法線，用大地經(jīng)度L和大地緯度B表示P點(diǎn)大地經(jīng)度L：過(guò)P點(diǎn)的大地子午面和首子午面所夾的兩面角P點(diǎn)大地緯度B：過(guò)P點(diǎn)的法線與赤道面的夾角大地經(jīng)、緯度是根據(jù)起始大地點(diǎn)的大地坐標(biāo)，按大地測(cè)量所得數(shù)據(jù)推算而得起始大地點(diǎn)又稱大地原點(diǎn)，該點(diǎn)的大地經(jīng)緯度與天文經(jīng)緯度一致我國(guó)以陜西省-涇陽(yáng)縣-永樂(lè)鎮(zhèn)-石際寺村大地原點(diǎn)建立的大地坐標(biāo)系，稱為“1980西安坐標(biāo)系”通過(guò)與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系聯(lián)測(cè)，經(jīng)我國(guó)東北傳算過(guò)來(lái)的坐標(biāo)系稱“1

26、954北京坐標(biāo)系” ，其大地原點(diǎn)位于前蘇聯(lián)列寧格勒天文臺(tái)中央(2) 平面直角坐標(biāo)系球面坐標(biāo)對(duì)局部測(cè)量工作不方便，工程測(cè)量一般在平面直角坐標(biāo)系中進(jìn)行地球是一個(gè)不可展的曲面，通過(guò)投影方法將地球表面點(diǎn)位化算到平面上存在變形我國(guó)采用的高斯-克呂格正形投影(簡(jiǎn)稱高斯投影)屬于保角投影，存在距離變形1) 高斯平面坐標(biāo)系高斯投影是德國(guó)科學(xué)家高斯在18201830年間，為解決德國(guó)漢諾威地區(qū)大地測(cè)量投影問(wèn)題而提出的一種投影方法從1912年起，德國(guó)學(xué)者克呂格將高斯投影公式加以整理和擴(kuò)充并推導(dǎo)出了實(shí)用計(jì)算公式高斯投影是將地球按經(jīng)線劃分成帶，稱投影帶投影時(shí)，設(shè)想用一個(gè)空心橢圓柱橫套在參考橢球外面使橢圓柱與某一中央子午

27、線相切將橢球面上的圖形按保角投影的原理投影到圓柱體面上將圓柱體沿過(guò)南北極的母線切開，展開成平面，并在該平面上定義平面直角坐標(biāo)系高斯投影是保角投影，球面上的角度投影到橫橢圓柱面上后保持不變，而距離將變長(zhǎng)只有中央子午線和赤道投影后距離不變，并相互垂直，以此建立的直角坐標(biāo)系稱高斯平面直角坐標(biāo)系原點(diǎn)和坐標(biāo)軸定義見右圖與數(shù)學(xué)的笛卡兒坐標(biāo)系的差異x軸與y軸互換了位置象限按順時(shí)針?lè)较蚓幪?hào)，以保證各類三角函數(shù)計(jì)算可直接在高斯平面直角坐標(biāo)系中進(jìn)行我國(guó)位于北半球，x坐標(biāo)值恒為正，y坐標(biāo)值則有正有負(fù)，最大的y坐標(biāo)負(fù)值約為-365km為保證y坐標(biāo)恒為正，我國(guó)統(tǒng)一規(guī)定將每帶的坐標(biāo)原點(diǎn)向西移500km，既給每個(gè)點(diǎn)的y坐標(biāo)

28、值加500km為確定投影帶的位置，還在y坐標(biāo)前冠以帶號(hào)高斯投影距離變形的規(guī)律是，離中央子午線越遠(yuǎn)，距離變形越大減小距離變形的方法之一是縮小投影帶的帶寬經(jīng)差高斯投影根據(jù)投影的經(jīng)度范圍與中央子午線的位置不同可分為下列幾種 統(tǒng)一6帶高斯投影投影帶從首子午線起，每隔經(jīng)度6劃分為一帶(稱統(tǒng)一6帶)，自西向東將整個(gè)地球劃分為60個(gè)帶帶號(hào)N從首子午線開始，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示位于各帶中央的子午線稱本帶中央子午線第一個(gè) 6帶中央子午線的經(jīng)度為3帶號(hào)N與中央子午線經(jīng)度L0的關(guān)系為 統(tǒng)一3帶高斯投影帶號(hào)n與中央子午線經(jīng)度l0的關(guān)系為我國(guó)大陸所處的經(jīng)度范圍是東經(jīng)7327東經(jīng)13509統(tǒng)一6帶投影與統(tǒng)一3帶投影的帶號(hào)范圍

29、分別為1323，2545兩種投影帶的帶號(hào)不重復(fù)，根據(jù)y坐標(biāo)前的帶號(hào)可以判斷屬于何種投影帶統(tǒng)一3帶與統(tǒng)一6帶高斯投影的關(guān)系為 任意帶高斯投影地方獨(dú)立坐標(biāo)系案例城市測(cè)量規(guī)范第1.0.6條 的規(guī)定之一長(zhǎng)度變形值大于2.5cm/km(1/40000)可采用高斯正形投影任意帶的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)例如：江門市中心的經(jīng)度為東經(jīng)11301 位于統(tǒng)一3帶的38號(hào)帶 (中央子午線經(jīng)度為114 )中央子午線以西98km長(zhǎng)度變形為1/8329 1/40000根據(jù)城市測(cè)量規(guī)范選擇過(guò)江門市中心的子午線為中央子午線進(jìn)行高斯投影建立江門市獨(dú)立坐標(biāo)系江門市區(qū)最邊緣距離中央子午線23km長(zhǎng)度變形值為1/1500001/400001

30、.3.2 確定點(diǎn)的高程系1 高程的定義地面點(diǎn)沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離稱該點(diǎn)的絕對(duì)高程或海拔，簡(jiǎn)稱高程(height)。通常用加點(diǎn)名作下標(biāo)表示,如HA、HB。高程系是一維坐標(biāo)系，基準(zhǔn)是大地水準(zhǔn)面。因海水面受潮汐、風(fēng)浪等影響，它的高低時(shí)刻在變化。在海邊設(shè)立驗(yàn)潮站(tide gauge station)，進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，求得海水面的平均高度作為高程零點(diǎn)，以通過(guò)該點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面(height datum)。也即大地水準(zhǔn)面上的高程恒為零。1.3.2 確定點(diǎn)的高程系2 國(guó)家高程系統(tǒng)我國(guó)有兩個(gè)國(guó)家高程系統(tǒng)(1) 1956年黃海高程系(Huanghai height system 1956)以青島

31、驗(yàn)潮站歷年觀測(cè)的黃海平均海水面為基準(zhǔn)面，于1954年在青島市觀象山建立了水準(zhǔn)原點(diǎn)(leveling origin)，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量的方法將驗(yàn)潮站確定的高程零點(diǎn)引測(cè)到水準(zhǔn)原點(diǎn)，也即求出水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程。1956年我國(guó)采用青島驗(yàn)潮站1950年1956年7年的潮汐記錄資料推算出的大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)引測(cè)出水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程為72.289m，以這個(gè)大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)建立的高程系稱為“1956年黃海高程系”(Huanghai height system 1956)，簡(jiǎn)稱“56黃海系”。如珠穆瑯瑪峰的高程為8848.13m，是56黃海系。(2) “1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”(Chinese height datum 1

32、985)80年代，我國(guó)又采用青島驗(yàn)潮站1953年1977年25年的潮汐記錄資料推算出的大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)引測(cè)出水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程為72.260m（ 72.289m ），以這個(gè)大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)建立的高程系稱為“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”(Chinese height datum 1985)，簡(jiǎn)稱“85高程基準(zhǔn)”。在水準(zhǔn)原點(diǎn)，85高程基準(zhǔn)使用的大地水準(zhǔn)面比56黃海系使用的大地水準(zhǔn)面高出0.029m。(3) 珠江基面高程系(珠江高程系)1908年由兩廣督練公所參謀處測(cè)繪科建立，原點(diǎn)：廣州粵海關(guān)前。廣東廣西珠江流域水利系統(tǒng)使用。珠江基面零點(diǎn)比56黃海系高廣州高0.586m，粵西北高0.722m，粵東北高0.

33、377m。3 城市高程系統(tǒng)的選擇城市測(cè)量規(guī)范規(guī)定一個(gè)城市只應(yīng)采用一個(gè)統(tǒng)一的高程系統(tǒng)。城市高程系統(tǒng)應(yīng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)或沿用1956年黃海高程系統(tǒng)，在遠(yuǎn)離國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)的新設(shè)城市或在改造舊有水準(zhǔn)網(wǎng)因高程變動(dòng)而影響使用時(shí)，經(jīng)上級(jí)行政主管部門批準(zhǔn)后，可暫時(shí)建立或用地方高程系統(tǒng)，但應(yīng)爭(zhēng)取條件歸算到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)上來(lái)。江門市存在兩個(gè)高程系同時(shí)使用的問(wèn)題。1.3.3 WGS-84坐標(biāo)系WGS意指“World Geodetic System”(世界大地坐標(biāo)系)，是美國(guó)國(guó)防局為進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位于1984年建立的地心坐標(biāo)系，1985年投入使用。屬于地心坐標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系的幾何意義是：坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，y軸通過(guò)右手規(guī)則確定。使用GPS測(cè)量時(shí)，將遇到地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系的變換問(wèn)題WGS-84地心坐標(biāo)系變換到1954北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系的方法之一是：在測(cè)區(qū)內(nèi)，利用至少3個(gè)以上公共點(diǎn)的兩套坐標(biāo)列出坐標(biāo)變換方程，采用最小二乘原理解算出7個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)得到轉(zhuǎn)換方程。7個(gè)變換參數(shù)3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和1個(gè)尺度參數(shù)。一般通過(guò)計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)解算。1.4 地球曲率對(duì)測(cè)量工