6大地測量基本技術(shù)與方法

1、,第五章 大地測量基本技術(shù)與方法,5.1 國家平面大地控制網(wǎng)的建立 5.2 國家高程控制網(wǎng)的建立 5.3 精密水準(zhǔn)測量的方法,5.1.1 建立國家平面大地控制網(wǎng)的方法 1、常規(guī)大地測量法 三角測量法 1)網(wǎng)形,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),2)坐標(biāo)計算原理: 正弦定理 3)三角網(wǎng)的元素: 起算元素：已知的坐標(biāo)、邊長和已知的方位角。 觀測元素：三角網(wǎng)中觀測的所有方向(或角度)。 推算元素：由起算元素和觀測元素的平差值推算的三角網(wǎng)中其他邊長、坐標(biāo)方位角和各點的坐標(biāo)。 優(yōu)點：圖形簡單，結(jié)構(gòu)強(qiáng)，幾何條件多，便于檢核，網(wǎng)的精度較高。 缺點：易受障礙物的影響，布設(shè)困難，增加了建標(biāo)費用；推算邊長精度不均勻，距

2、起始邊越遠(yuǎn)邊長精度越低。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng), 導(dǎo)線測量法: 優(yōu)點：布設(shè)靈活，容易克服地形障礙；導(dǎo)線測量只要求相鄰兩點通視，故可降低覘標(biāo)高度，造標(biāo)費用少，且便于組織觀測；網(wǎng)內(nèi)邊長直接測量，邊長精度均勻。 缺點：導(dǎo)線結(jié)構(gòu)簡單，沒有三角網(wǎng)那樣多的檢核條件，不易發(fā)現(xiàn)粗差，可靠性不高。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng), 三邊測量及邊角同測法 邊角全測網(wǎng)的精度最高，相應(yīng)工作量也較大。在建立高精度的專用控制網(wǎng)(如精密的形變監(jiān)測網(wǎng))或不能選擇良好布設(shè)圖形的地區(qū)可采用此法而獲得較高的精度。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),2、天文測量法 天文測量法是在地面點上架設(shè)儀器，通過觀測天體(主 要是恒星)并記錄觀測瞬

3、間的時刻，來確定地面點的地理位 置，即天文經(jīng)度、天文緯度和該點至另一點的天文方位角。 優(yōu)點：各點彼此獨立觀測，也勿需點間通視，測量誤差不會積累。 缺點：精度不高，受天氣影響大。 用途：在每隔一定距離的三角點上觀測天文來推求大地方位角，控制水平角觀測誤差積累對推算方位角的影響。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),3、現(xiàn)代定位新技術(shù)簡介 GPS測量 全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)可為各位用戶提供精密的三維坐標(biāo)、三維速度和時間信息。 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。,5.

4、1 國家平面大地控制網(wǎng), 甚長基線干涉測量系統(tǒng)(VLBI) 甚長基線干涉測量系統(tǒng)(VLBI)是在甚長基線的兩端(相距幾千公里)，用射電望遠(yuǎn)鏡，接收銀河系或銀河系以外的類星體發(fā)出的無線電輻射信號，通過信號對比，根據(jù)干涉原理，直接測定基線長度和方向的一種空間技術(shù)。 長度的相對精度10-6，可達(dá)0.001，由于其定位的精度高，在研究地球的極移、地球自轉(zhuǎn)速率的短周期變化、地球固體潮、大地板塊運(yùn)動的相對速率和方向中得到廣泛的應(yīng)用。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng), 慣性測量系統(tǒng)(INS) 慣性測量是利用慣性力學(xué)基本原理，在相距較遠(yuǎn)的兩點之間，對裝有慣性測量系統(tǒng)的運(yùn)動載體(汽車或直升飛機(jī))從一個已知點到另一個

5、待定點的加速度，分別沿三個正交的坐標(biāo)軸方向進(jìn)行兩次積分，從而求定其運(yùn)動載體在三個坐標(biāo)軸方向的坐標(biāo)增量，進(jìn)而求出待定點的位置，它屬于相對定位，其相對精度為(12)10-5，測定的平面位置中誤差為25cm左右。 優(yōu)點：完全自主式，點間也不要求通視；全天候，只取決于汽車能否開動、飛機(jī)能否飛行。 缺點：相對測量，精度不高。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),5.1.2 建立國家平面大地控制網(wǎng)的基本原則,大地控制網(wǎng)應(yīng)分級布設(shè)、逐級控制 大地控制網(wǎng)應(yīng)有足夠的精度 大地控制網(wǎng)應(yīng)有一定的密度 大地控制網(wǎng)應(yīng)有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)格和要求,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),5.1.3 國家平面大地控制網(wǎng)的布設(shè)方案 1、 常規(guī)大地測量

6、方法布設(shè)國家三角網(wǎng) 1）一等三角鎖系布設(shè)方案,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),2）二等三角鎖、網(wǎng)布設(shè)方案,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),插網(wǎng)法,3）三、四等三角網(wǎng),5.1 國家平面大地控制網(wǎng),插點法,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),4）我國天文大地網(wǎng)基本情況簡介 20世紀(jì)50年代初，60年代末基本完成，先后共布設(shè)一等三角鎖401條，一等三角點6182個，構(gòu)成121個一等鎖環(huán)，鎖系長達(dá)7.3萬km。一等導(dǎo)線點312個，構(gòu)成10個導(dǎo)線環(huán)，總長約1萬km。 1982年完成天文大地網(wǎng)的整體平差工作。網(wǎng)中包括一等三角鎖系，二等三角網(wǎng)，部分三等網(wǎng)，總共約有5萬個大地控制點，30萬個觀測量的天文大地網(wǎng)。平差結(jié)果：網(wǎng)中

7、離大地點最遠(yuǎn)點的點位中誤差為0.9m，一等觀測方向中誤差為0.46。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),2、現(xiàn)代技術(shù)建立國家大地測量控制網(wǎng) 一般可把GPS網(wǎng)分為兩大類：一類是全球或全國性的高精度的GPS網(wǎng)(A、B級網(wǎng)），另一類是區(qū)域性的GPS網(wǎng)（C、D、E級網(wǎng)）。 1）EPOCH 92中國GPS大會戰(zhàn) 全網(wǎng)由27個點組成，平均邊長800km，使用4臺MINI-MAC2816、13臺Trimble 4000 SST和17臺Ashtech MDX C/A雙頻接收機(jī)觀測，平差后在ITRF 91地心參考框架中的定位精度優(yōu)于0.1m ，基線相對精度達(dá)到10-8。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),2） 96 GPS

8、 A級網(wǎng) 96 GPS A級網(wǎng)共包括33個主站，23個副站，與92 GPS A級網(wǎng)點重合21個。96 GPS A級網(wǎng)觀測時共使用了53臺雙頻GPS接收機(jī)，其中14臺Astech MD12，17臺Trimble 4000 SSE,8臺Leica 200,6臺Rogue 8000,8臺Astech Z12。經(jīng)數(shù)據(jù)精處理后基線分量重復(fù)性水平方向優(yōu)于4mm+3ppm，垂直方向優(yōu)于8mm+4ppm，地心坐標(biāo)分量重復(fù)性優(yōu)于2cm。全網(wǎng)整體平差后，在ITRF93參考框架中的地心坐標(biāo)精度優(yōu)于10cm,基線相對精度達(dá)到10-8.,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),3）國家高精度GPS B級網(wǎng) 全網(wǎng)由818個點組成，分

9、布全國各地(除臺灣省外)。東部點位較密，平均站間5070km,中部地區(qū)平均站間100km，西部地區(qū)平均站間距150km。外業(yè)自1991年至1995年結(jié)束，主要使用Ashtech MD 12和Trimble 4000 SSE儀器觀測。經(jīng)數(shù)據(jù)精處理后，點位中誤差相對于已知點在水平方向優(yōu)于0.07m，高程方向優(yōu)于0.16m，平均點位中誤差水平方向為0.02m，垂直方向為0.04m，基線相對精度達(dá)到10-7。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),4）全國GPS一、二級網(wǎng) 軍測部門建立，一級網(wǎng)由40余點組成，相鄰點間距平均為683km。自1991年5月至1992年4月進(jìn)行，使用10臺MINIMAC 2816接收

10、機(jī)作業(yè)。網(wǎng)平差后點位中誤差，絕大多數(shù)點在2cm以內(nèi)。二級網(wǎng)由500多個點組成，二級網(wǎng)是一級網(wǎng)的加密。 5）中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò) 地震局、總參測繪局、科學(xué)院和國家測繪局聯(lián)合建立，主要是服務(wù)于中長期地震預(yù)報，兼顧大地測量的目的，該網(wǎng)絡(luò)是以GPS為主，以SLR和VLBI以及重力測量為輔，由三個層次的網(wǎng)絡(luò)組成，即25站連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)網(wǎng)、56站定期復(fù)測的基本網(wǎng)和1000站復(fù)測頻率低的區(qū)域網(wǎng)。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),3、 國家平面大地控制網(wǎng)的布設(shè) 包括以下工作：技術(shù)設(shè)計，實地選點，建造覘標(biāo)，標(biāo)石埋設(shè)，外業(yè)測量，平差計算等 1）技術(shù)設(shè)計 收集資料 實地踏勘 圖上設(shè)計 編寫技術(shù)設(shè)計書 2）實地選點： 選

11、點圖，點之記，選點工作技術(shù)總結(jié)。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),國家平面大地控制網(wǎng),3）建造覘標(biāo)(傳統(tǒng)大地測量法),尋常標(biāo),雙錐標(biāo),4）標(biāo)石埋設(shè) 大地點的坐標(biāo)，實際上指的就是標(biāo)石中心的坐標(biāo)。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),5.1.4 大地控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計簡介 1、 概述 最優(yōu)化就是在相同的條件下從所有可能方案中選擇最佳的一個。 2、控制網(wǎng)的設(shè)計目標(biāo) 控制網(wǎng)設(shè)計的目標(biāo)，指的是控制網(wǎng)應(yīng)達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，它是設(shè)計的依據(jù)和目的，同時又是評定網(wǎng)的質(zhì)量的指標(biāo)。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)包括精度標(biāo)準(zhǔn)、可靠性標(biāo)準(zhǔn)、費用標(biāo)準(zhǔn)、可區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)及靈敏度標(biāo)準(zhǔn)等，其中常用的主要是前3個標(biāo)準(zhǔn)。,5.1 國家平面大地控制網(wǎng),國家高程基準(zhǔn) 高程基準(zhǔn)面 水

12、準(zhǔn)原點 1956年黃海高程系統(tǒng):水準(zhǔn)原點高程為72.289m 1985國家高程基準(zhǔn):水準(zhǔn)原點的高程為72.260米。1987年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，于1988年1月正式啟用。,5.2 國家高程控制網(wǎng),5.2.1 國家高程控制網(wǎng)的布設(shè)原則 目的和任務(wù)有兩個： 1)建立統(tǒng)一的高程控制網(wǎng)，為地形測圖和各項建設(shè)提供必要的高程控制基礎(chǔ)； 2)為地殼垂直運(yùn)動、平均海面傾斜及其變化和大地水準(zhǔn)面形狀等地球科學(xué)研究提供精確的高程數(shù)據(jù)。 從高到低、逐級控制 一等水準(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的骨干，同時也為相關(guān)地球科學(xué)研究提供高程數(shù)據(jù)；二等水準(zhǔn)測量是國家高程控制網(wǎng)的全面基礎(chǔ)；三、四等水準(zhǔn)測量是直接為地形測圖和其他工程建設(shè)提供高

13、程控制點。,5.2 國家高程控制網(wǎng),水準(zhǔn)點滿足一定的密度,5.2 國家高程控制網(wǎng),水準(zhǔn)測量達(dá)到足夠的精度 各等級水準(zhǔn)測量的精度，是用每公里高差中數(shù)的偶然中誤差M和每公里高差中數(shù)的全中誤差MW來表示的。 一等水準(zhǔn)網(wǎng)應(yīng)定期復(fù)測,5.2 國家高程控制網(wǎng),5.2.2 國家水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)方案及精度 我國的水準(zhǔn)測量分為四等，各等級水準(zhǔn)測量路線必須自行閉合或閉合于高等級的水準(zhǔn)路線上，與其構(gòu)成環(huán)形或附合路線，以便控制水準(zhǔn)測量系統(tǒng)誤差的積累和便于在高等級的水準(zhǔn)環(huán)中布設(shè)低等級的水準(zhǔn)路線。 一等閉合環(huán)線周長，在平原和丘陵地區(qū)為1 0001 500km，一般山區(qū)為2 000km左右。 二等閉合環(huán)線周長，在平原地區(qū)為50

14、0750km,山區(qū)一般不超過1 000km。 三、四等水準(zhǔn)用于加密，根據(jù)高等級水準(zhǔn)環(huán)的大小和實際需要布設(shè)，其中環(huán)線周長、附合路線長度和結(jié)點間路線長度，三等水準(zhǔn)分別為200km、150km和70km；四等分別為100km、80km和30km。,5.2 國家高程控制網(wǎng),5.2.3 水準(zhǔn)路線的設(shè)計、選點和埋石 1、 技術(shù)設(shè)計 技術(shù)設(shè)計是根據(jù)任務(wù)要求和測區(qū)情況，在小比例尺地圖上，擬定最合理的水準(zhǔn)網(wǎng)或水準(zhǔn)路線的布設(shè)方案。 一等水準(zhǔn)路線應(yīng)沿路面坡度平緩、交通不太繁忙的交通路線布設(shè)，二等水準(zhǔn)路線盡量沿公路、大河及河流布設(shè)，沿線交通較為方便。 水準(zhǔn)路線應(yīng)避開土質(zhì)松軟的地段和磁場甚強(qiáng)的地段，并應(yīng)盡量避免通過大的

15、河流、湖泊、沼澤與峽谷等障礙物。,5.2 國家高程控制網(wǎng),2、 選 點 圖上設(shè)計完成后，須進(jìn)行實地選線，其目的在于使設(shè)計方案能符合實際情況，以確定切實可行的水準(zhǔn)路線和水準(zhǔn)點的具體位置。選定水準(zhǔn)點時，必須能保證點位地基穩(wěn)定、安全僻靜，并利于標(biāo)石長期保存與觀測使用。水準(zhǔn)點應(yīng)盡可能選在路線附近的機(jī)關(guān)、學(xué)校、公園內(nèi)。不宜在易于淹沒和土質(zhì)松軟的地域埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)石，也不宜在易受震動和地勢隱蔽而不易觀測的地方埋石。 水準(zhǔn)點點位選定后，應(yīng)填繪點之記，繪制水準(zhǔn)路線圖及結(jié)點接測圖。,5.2 國家高程控制網(wǎng),3 、埋 石 按用途區(qū)分，水準(zhǔn)標(biāo)石有基巖水準(zhǔn)標(biāo)石、基本水準(zhǔn)標(biāo)石和普通水準(zhǔn)標(biāo)石三種類型。 各類水準(zhǔn)標(biāo)石的制作材料

16、和埋設(shè)規(guī)格及其埋設(shè)方法等，在國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范都有具體的規(guī)定和說明。,5.2 國家高程控制網(wǎng),5.2.4 水準(zhǔn)路線上的重力測量 因精密水準(zhǔn)測量成果需進(jìn)行重力異常改正，故在一、二等水準(zhǔn)路線沿線要進(jìn)行重力測量。 規(guī)范規(guī)定： 高程大于4 000m或水準(zhǔn)點間的平均高差為150250m的地區(qū)，一、二等水準(zhǔn)路線上每個水準(zhǔn)點均應(yīng)測定重力。高差大于250m的測段，在地面傾斜變化處應(yīng)加測重力。 高程在1 5004 000m或水準(zhǔn)點間的平均高差為50150m的地區(qū)，一等水準(zhǔn)路線上重力點間平均距離應(yīng)小于11km；二等水準(zhǔn)路線上應(yīng)小于23km。 在我國西北、西南和東北邊境等有較大重力異常的地區(qū)，一等水準(zhǔn)路線上每

17、個水準(zhǔn)點均應(yīng)測定重力。 在由青島水準(zhǔn)原點至國家大地原點的一等水準(zhǔn)路線上，應(yīng)逐點測定重力，以便精確求得大地原點的正常高。,5.2 國家高程控制網(wǎng),5.2.5 我國國家水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)概況 我國國家水準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)，按照布測目的、完成年代、采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和高程基準(zhǔn)等，基本上可分為三期： 第一期主要是1976年以前完成的，以1956年黃海高程基準(zhǔn)起算的各等級水準(zhǔn)網(wǎng)； 第二期主要是1976年至1990年完成的，以“1985國家高程基準(zhǔn)”起算的國家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)； 第三期是1990年以后進(jìn)行的國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測和局部地區(qū)二等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測，現(xiàn)已完成外業(yè)觀測和內(nèi)業(yè)平差計算工作，成果已提供使用。,5.2 國家高程控制

18、網(wǎng),1望遠(yuǎn)鏡目鏡 2水準(zhǔn)氣泡反光鏡 3傾斜螺旋 4調(diào)焦螺旋 5平行玻璃板測微螺旋 6平行玻璃板旋轉(zhuǎn)軸 7水平微動螺旋 8水平制動螺旋 9腳螺旋 10腳架,主要特征：傾斜螺旋，平行玻璃板測微器,5.3 精密水準(zhǔn)測量的方法,5.3.1 WildN3精密水準(zhǔn)儀,轉(zhuǎn)動傾斜螺旋，使符合氣泡觀察目鏡的水準(zhǔn)氣泡兩端符合，則視線精確水平，此時可轉(zhuǎn)動測微螺旋使望遠(yuǎn)鏡目鏡中看到的楔形絲夾準(zhǔn)水準(zhǔn)標(biāo)尺上的148分劃線，也就是使148分劃線平分楔角，再在測微器目鏡中讀出測微器讀數(shù)653(即6.53mm)，故水平視線在水準(zhǔn)標(biāo)尺上的全部讀數(shù)為148.653cm。,5.3 精密水準(zhǔn)測量的方法,精密水準(zhǔn)尺 精密水準(zhǔn)尺的分劃印刷

19、在銦瓦合金鋼帶上，由于這種合金的溫度膨脹系數(shù)很小，長度準(zhǔn)確而穩(wěn)定。銦瓦合金鋼帶不受木質(zhì)尺身伸縮的影響，以一定的拉力將其引張在木質(zhì)尺身的凹槽內(nèi)。水準(zhǔn)尺的分劃為線條式，水準(zhǔn)尺的分劃值有10mm和5mm兩種，與所用水準(zhǔn)儀的測微器相配合。,5.3 精密水準(zhǔn)測量的方法,10mm分劃的精密水準(zhǔn)尺如圖(a) 兩排分劃，右邊注記為0300cm，稱為基本分劃；左邊注記為300600cm，稱為輔助分劃?；痉謩澟c輔助分劃相差一個常數(shù)301.55cm，稱為基輔差，又稱尺常數(shù)。 5mm分劃的精密水準(zhǔn)尺如圖(b) 兩排分劃，錯開5mm。左邊是單數(shù)分劃，右邊是雙數(shù)分劃，右邊注記是米數(shù)，左邊注記是分米數(shù)，分劃注記恒比實際數(shù)

20、值大了一倍，讀數(shù)應(yīng)除以2才為實際的高度。,5.3 精密水準(zhǔn)測量的方法,1.精密水準(zhǔn)測量作業(yè)的一般規(guī)定 (1) 儀器距前、后視水準(zhǔn)標(biāo)尺的距離應(yīng)盡量相等，其差應(yīng)小于規(guī)定的限值：二等水準(zhǔn)測量中規(guī)定，一測站前、后視距差應(yīng)小于1.0m，前、后視距累積差應(yīng)小于3m。 (2) 在兩相鄰測站上，應(yīng)按奇、偶數(shù)測站的觀測程序進(jìn)行觀測。對于往測奇數(shù)測站按“后前前后”，偶數(shù)測站按“前后后前”的觀測程序在相鄰測站上交替進(jìn)行。返測時，奇數(shù)測站與偶數(shù)測站的觀測程序與往測時相反，即奇數(shù)測站由前視開始，偶數(shù)測站由后視開始。 (3) 每一測段的往測與返測，其測站數(shù)均應(yīng)為偶數(shù)，由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩水準(zhǔn)標(biāo)尺應(yīng)互換位置，并應(yīng)重新整置儀器。 每一測段的水準(zhǔn)測量路