測(cè)量學(xué)第一章概論

1、工程測(cè)量工程測(cè)量主講：主講：周擁軍周擁軍單位：?jiǎn)挝唬荷虾＝煌ù髮W(xué)船建學(xué)院土木系上海交通大學(xué)船建學(xué)院土木系Email:2022-4-30“測(cè)量測(cè)量” 廣義的測(cè)量廣義的測(cè)量機(jī)械測(cè)量，物理測(cè)量，光電測(cè)量機(jī)械測(cè)量，物理測(cè)量，光電測(cè)量, 長(zhǎng)度范圍可長(zhǎng)度范圍可以從納米到空間測(cè)量以從納米到空間測(cè)量 本課程的測(cè)量本課程的測(cè)量主要指主要指幾何測(cè)量幾何測(cè)量，是指用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀測(cè)量角度、，是指用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀測(cè)量角度、邊長(zhǎng)、高差等幾何量來(lái)確定點(diǎn)的空間或平面位置，邊長(zhǎng)、高差等幾何量來(lái)確定點(diǎn)的空間或平面位置，長(zhǎng)度范圍從長(zhǎng)度范圍從亞毫米到幾十公里亞毫米到幾十公里。知識(shí)結(jié)構(gòu)知識(shí)結(jié)構(gòu)課堂講授課堂講授實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)數(shù)據(jù)計(jì)算

2、數(shù)據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)本課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)第一章第一章 概述概述1.1 測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介1.2 地球的形狀和大小地球的形狀和大小1.3 地面點(diǎn)位的表示方法地面點(diǎn)位的表示方法1.4 測(cè)量工作的程序及基本內(nèi)容測(cè)量工作的程序及基本內(nèi)容1.5 水準(zhǔn)面的曲率對(duì)觀測(cè)量的影響水準(zhǔn)面的曲率對(duì)觀測(cè)量的影響 測(cè)繪科學(xué)研究的對(duì)象主要是地球的形測(cè)繪科學(xué)研究的對(duì)象主要是地球的形狀、大小和地表面上各種物體的狀、大小和地表面上各種物體的幾何幾何形狀形狀及其及其空間位置空間位置。1.1 1.1 測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介1.1 測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)繪測(cè)繪是測(cè)量和地圖制圖的是測(cè)量和地圖制圖的簡(jiǎn)稱。測(cè)量就是獲取反映簡(jiǎn)稱。測(cè)

3、量就是獲取反映地球形狀、地球重力場(chǎng)、地球形狀、地球重力場(chǎng)、地球上自然和社會(huì)要素的地球上自然和社會(huì)要素的位置、形狀、空間關(guān)系、位置、形狀、空間關(guān)系、區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。地區(qū)域空間結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。地圖制圖是將這些數(shù)據(jù)經(jīng)處圖制圖是將這些數(shù)據(jù)經(jīng)處理、分析或綜合后加以表理、分析或綜合后加以表達(dá)和利用的一種形式。達(dá)和利用的一種形式。測(cè)繪學(xué)科結(jié)構(gòu)測(cè)繪學(xué)科結(jié)構(gòu)大地測(cè)量大地測(cè)量與測(cè)量工程與測(cè)量工程攝影測(cè)量攝影測(cè)量與遙感與遙感地圖學(xué)與地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)測(cè)繪學(xué)測(cè)繪學(xué) 工程測(cè)量工程測(cè)量（測(cè)量學(xué)）（測(cè)量學(xué)）測(cè)繪學(xué)科的發(fā)展歷程測(cè)繪學(xué)科的發(fā)展歷程古老的測(cè)量方法古老的測(cè)量方法皮尺、指南針等皮尺、指南針等光學(xué)儀器的測(cè)

4、量光學(xué)儀器的測(cè)量 經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀等經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀等電子儀器及其它測(cè)量方法電子儀器及其它測(cè)量方法電子經(jīng)緯儀、全站儀、自動(dòng)繪圖儀、電子經(jīng)緯儀、全站儀、自動(dòng)繪圖儀、GPS、遙感圖片等、遙感圖片等園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與測(cè)量園林規(guī)劃設(shè)計(jì)與測(cè)量 測(cè)量是工程的測(cè)量是工程的“眼睛眼睛” 工程建設(shè)工程建設(shè) 測(cè)量測(cè)量 勘測(cè)設(shè)計(jì)勘測(cè)設(shè)計(jì) 控制、測(cè)繪地形圖控制、測(cè)繪地形圖 施工建設(shè)施工建設(shè) 施工、竣工測(cè)量施工、竣工測(cè)量 運(yùn)營(yíng)管理運(yùn)營(yíng)管理 安全監(jiān)測(cè)、維修安全監(jiān)測(cè)、維修 地形測(cè)量地形測(cè)量施工測(cè)量施工測(cè)量安全監(jiān)測(cè)安全監(jiān)測(cè)工程測(cè)量學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)工程測(cè)量學(xué)發(fā)展的特點(diǎn) 測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)作業(yè)的測(cè)量?jī)?nèi)外業(yè)作業(yè)的一體化一體化 數(shù)據(jù)獲取及處理的數(shù)據(jù)獲取

5、及處理的自動(dòng)化自動(dòng)化 測(cè)量過(guò)程控制和系統(tǒng)行為的測(cè)量過(guò)程控制和系統(tǒng)行為的智能化智能化 測(cè)量成果和產(chǎn)品的測(cè)量成果和產(chǎn)品的數(shù)字化數(shù)字化 測(cè)量信息管理的測(cè)量信息管理的可視化可視化 信息共享和傳播的信息共享和傳播的網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化測(cè)繪學(xué)科研究熱點(diǎn)測(cè)繪學(xué)科研究熱點(diǎn)3S3S GPS(Global Position System)全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng) GIS(Geographic Information System)地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng) RS (Remote Sensing)遙感遙感 GPS(Global Position System) 美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)，用以滿美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空

6、間足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個(gè)通用參照系內(nèi)獲取在一個(gè)通用參照系中的位置、速度和時(shí)間信中的位置、速度和時(shí)間信息的要求。同時(shí)也可以滿息的要求。同時(shí)也可以滿足民用的要求，定位精度足民用的要求，定位精度根據(jù)定位方法的不同而不根據(jù)定位方法的不同而不同，采用靜態(tài)定位的方法同，采用靜態(tài)定位的方法可以達(dá)到可以達(dá)到mmmm級(jí)級(jí)。 用用 戶戶 部部 分分 控控 制制 部部 分分 在可羅拉多州在可羅拉多州監(jiān)監(jiān) 控控 站站 Diego Garcia Diego Garcia Ascension Ascension Is.Is.KwajaleinKwajaleinHawaiiHawaiiGPS各組成部分之間的關(guān)系

7、各組成部分之間的關(guān)系GIS(Geographic Information System)空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的綜合體RS (Remote Sensing)北京地區(qū)北京地區(qū)4米遙感影象圖米遙感影象圖1.2 1.2 地球的形狀和大小地球的形狀和大小 地球是一個(gè)不規(guī)則的橢球體，地球地球是一個(gè)不規(guī)則的橢球體，地球的自然表面是一個(gè)不規(guī)則的曲面。的自然表面是一個(gè)不規(guī)則的曲面。 地球自然表面的平面表示地球自然表面的平面表示描述地球形狀最重要的兩個(gè)概念描述地球形狀最重要的兩個(gè)概念大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面和和參考橢球體參考橢球體 大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面假設(shè)某個(gè)靜止不動(dòng)的水面延伸而穿

8、過(guò)陸地。包圍地球而形成的一個(gè)閉合曲面稱為水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面。水面有高低之分，這樣的水準(zhǔn)面有無(wú)數(shù)多個(gè)，其中與平均海水面吻合地最好的水準(zhǔn)面為大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面的特點(diǎn)大地水準(zhǔn)面的特點(diǎn) 大地水準(zhǔn)面是一個(gè)等勢(shì)面，該面上大地水準(zhǔn)面是一個(gè)等勢(shì)面，該面上任一點(diǎn)的鉛垂線都垂直于該點(diǎn)上的任一點(diǎn)的鉛垂線都垂直于該點(diǎn)上的切面；切面； 大地水準(zhǔn)面是不規(guī)則的，不好用數(shù)大地水準(zhǔn)面是不規(guī)則的，不好用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述；學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述； 大地水準(zhǔn)面是測(cè)量的基準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是測(cè)量的基準(zhǔn)面。中國(guó)中國(guó)2000似大地水準(zhǔn)面似大地水準(zhǔn)面地球的自然表面與大地水準(zhǔn)面地球的自然表面與大地水準(zhǔn)面參考橢球體參考橢球體 引入?yún)⒖紮E球體的原因：引

9、入?yún)⒖紮E球體的原因：由于地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，大地水由于地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，大地水準(zhǔn)面也是一個(gè)不規(guī)則的曲面，如果將地準(zhǔn)面也是一個(gè)不規(guī)則的曲面，如果將地球表面上的點(diǎn)投影到一個(gè)不規(guī)則的曲面球表面上的點(diǎn)投影到一個(gè)不規(guī)則的曲面上，在計(jì)算上會(huì)很困難，因此選用一個(gè)上，在計(jì)算上會(huì)很困難，因此選用一個(gè)非常接近大地水準(zhǔn)面，可以用數(shù)學(xué)公式非常接近大地水準(zhǔn)面，可以用數(shù)學(xué)公式表述的曲面來(lái)代替大地水準(zhǔn)面。表述的曲面來(lái)代替大地水準(zhǔn)面。參考橢球體的參數(shù)：122222bzayx旋轉(zhuǎn)橢球體的方程為：其中a,b分別為長(zhǎng)、短半軸長(zhǎng)也可以給定扁率f=(a-b)/b參考橢球與大地水準(zhǔn)面的關(guān)系參考橢球與大地水準(zhǔn)面的關(guān)系此橢球適合歐

10、洲此橢球適合歐洲此橢球適合北美此橢球適合北美大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面WGS84橢球的定位和定向橢球的定位和定向 確定橢球參數(shù)以后，還需要將橢球面確定橢球參數(shù)以后，還需要將橢球面與大地體面最佳切合，這一過(guò)程稱為與大地體面最佳切合，這一過(guò)程稱為橢球的定位和定向。橢球的定位和定向。 橢球定位：橢球定位：確定大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的相對(duì)關(guān)系以使橢球體與大地體間達(dá)到最好密合。 大地原點(diǎn)：大地原點(diǎn)：橢球定位中選取的相切點(diǎn)參考橢球體的確定參考橢球體的確定 每個(gè)國(guó)家都要求確定一個(gè)與本地區(qū)每個(gè)國(guó)家都要求確定一個(gè)與本地區(qū)吻合得最好的參考橢球體，用天文吻合得最好的參考橢球體，用天文測(cè)量的方法測(cè)定，其中我國(guó)于測(cè)量的方法測(cè)

11、定，其中我國(guó)于1954年和年和1980年對(duì)我國(guó)的參考橢球體的年對(duì)我國(guó)的參考橢球體的參數(shù)進(jìn)行了精確測(cè)定。參數(shù)進(jìn)行了精確測(cè)定。我國(guó)大地原點(diǎn)我國(guó)大地原點(diǎn)位于 陜省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。我國(guó)統(tǒng)一采用的坐標(biāo)系為“1980年國(guó)家坐標(biāo)系”。大地原點(diǎn)大地原點(diǎn)1980年國(guó)家坐標(biāo)系的橢球參數(shù) 我國(guó)確定的我國(guó)確定的1980年橢球體的參數(shù)為：年橢球體的參數(shù)為：a=6378137m,b=6356752m,f=1/298.257在近似計(jì)算中，也可以把地球近似當(dāng)成球在近似計(jì)算中，也可以把地球近似當(dāng)成球體，取近似半徑為：體，取近似半徑為：6371km.1.3 1.3 地面點(diǎn)位的表示方法地面點(diǎn)位的表示方法 1 地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系 2

12、 空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系 3 平面坐標(biāo)系高程平面坐標(biāo)系高程高斯平面直角坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)系地區(qū)平面直角坐標(biāo)系地區(qū)平面直角坐標(biāo)系建筑坐標(biāo)系建筑坐標(biāo)系 地面上點(diǎn)的高程地面上點(diǎn)的高程1.1.地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系 天文地理坐標(biāo)系天文地理坐標(biāo)系用天文精度和天文緯度來(lái)表示地面點(diǎn)投影在大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面上的位置。 大地地理坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系（大地地理坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系（B,L） 用大地精度L和大地緯度B表示地面上的點(diǎn)投影到參考橢球體參考橢球體上的位置。),(大地坐標(biāo)與天文坐標(biāo)的區(qū)別大地坐標(biāo)與天文坐標(biāo)的區(qū)別（1 1）參考基）參考基準(zhǔn)不同準(zhǔn)不同（2 2）測(cè)量方）測(cè)量方法不同法不同大地經(jīng)度：大地經(jīng)度：

13、過(guò)P點(diǎn)的子午面NPS與首子午面NMS所構(gòu)成 的二面角叫做P點(diǎn)的大地經(jīng)度，用L表示。大地緯度：大地緯度：過(guò)P點(diǎn)的法線 Pn與赤道面的夾角叫做P點(diǎn) 的大地緯度，用B表示。赤道平面赤道平面OPM大地經(jīng)度大地經(jīng)度L大地緯度大地緯度B BnLB起始子午面起始子午面SNL取值范圍：取值范圍：東經(jīng)0180西經(jīng)0180B取值范圍：取值范圍：北緯090南緯0902.空間直角坐標(biāo)系（空間直角坐標(biāo)系（X,Y,Z) 常用的地心坐標(biāo)系取地球的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X,Y軸在地球的赤道平面內(nèi)，首子午面與赤道平面的交線為X軸，Z軸與地球自轉(zhuǎn)軸的方向重合。3.3.平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)系 地

14、圖投影地圖投影 地圖投影（Map Projection）：把地球表面上的點(diǎn)歸化到平面上稱為投影。在大比例尺工程測(cè)量中，采用的最多的投影方式是高斯投影。高斯投影。高斯投影高斯投影 是一種是一種等角投影等角投影。它是由德國(guó)數(shù)學(xué)家。它是由德國(guó)數(shù)學(xué)家高斯高斯(Gauss，17771855)提出，后經(jīng)德提出，后經(jīng)德國(guó)大地測(cè)量學(xué)家克呂格國(guó)大地測(cè)量學(xué)家克呂格(Kruger，18571923)加以補(bǔ)充完善，故又稱加以補(bǔ)充完善，故又稱“高斯高斯克克呂格投影呂格投影”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱“高斯投影高斯投影”。 高斯投影的過(guò)程高斯投影的過(guò)程投影投影剪開(kāi)剪開(kāi)展展平平高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中央子午線中央子午線高斯投影

15、的原理高斯投影的原理NSc赤道赤道 高斯投影高斯投影采用分帶投影。將橢球面按采用分帶投影。將橢球面按一定經(jīng)差分帶，分別進(jìn)行投影一定經(jīng)差分帶，分別進(jìn)行投影。高斯投影的特點(diǎn)：高斯投影的特點(diǎn)： 高斯投影是保角投影，即球面圖形的角高斯投影是保角投影，即球面圖形的角度和平面圖形的角度保持不變；度和平面圖形的角度保持不變； 長(zhǎng)度有變形，中央子午線的長(zhǎng)度保持不長(zhǎng)度有變形，中央子午線的長(zhǎng)度保持不變，離中央子午線越遠(yuǎn)，則變形越大。變，離中央子午線越遠(yuǎn)，則變形越大。投影的計(jì)算公式為：投影的計(jì)算公式為：量?jī)牲c(diǎn)間的近似橫坐標(biāo)增：地球的平均曲率半徑值兩點(diǎn)間的橫坐標(biāo)的平均曲線在球面上的長(zhǎng)度；度；曲線在高斯平面上的長(zhǎng):yR

16、yDDmm12:)2421 (222212mmmRyRyDD高斯投影的過(guò)程 （1）選擇投影的中央子午線）選擇投影的中央子午線一般以按經(jīng)度6度或3度為一間隔進(jìn)行投影。高斯投影的過(guò)程高斯投影的過(guò)程 （2）投影）投影設(shè)想取一個(gè)空心圓柱體與地球橢球體上的某一中央子午線相切，在球面圖形與柱面圖形保持等角的條件下，將球面圖形投影在圓柱面上。然后將主體沿南北角的母線展開(kāi)，形成平面圖形。高斯投影的過(guò)程高斯投影的過(guò)程 （3 3）坐標(biāo)值的計(jì)算）坐標(biāo)值的計(jì)算X X軸向北為正，軸向北為正，Y Y軸向東為正，將每個(gè)投軸向東為正，將每個(gè)投影帶的坐標(biāo)原點(diǎn)向西移影帶的坐標(biāo)原點(diǎn)向西移500km500km，然后在前，然后在前面加

17、上帶號(hào)。面加上帶號(hào)。m20ba,20465760,2052768032240,27680babaYmYymy帶，則：兩點(diǎn)均位于假設(shè)3.平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系地區(qū)平面直角坐標(biāo)系地區(qū)平面直角坐標(biāo)系 當(dāng)測(cè)量的范圍較小時(shí)，可以把該測(cè)區(qū)的地表當(dāng)平面。將坐標(biāo)原點(diǎn)選在測(cè)區(qū)西南角，以該地區(qū)中心的子午線為X軸方向。建立該地區(qū)的獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系。3.3.平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系建筑坐標(biāo)系建筑坐標(biāo)系 在房屋建筑或其它工程建筑工地，為了對(duì)平面位置進(jìn)行施工放樣的方便，所采用的直角坐標(biāo)系與建筑設(shè)計(jì)的軸線垂直或平行。地面點(diǎn)的高程地面點(diǎn)的高程 地面上的點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的垂直距離稱為絕對(duì)高程（簡(jiǎn)稱高程，又稱海拔）。我

18、國(guó)的高程系統(tǒng)：我國(guó)的高程系統(tǒng)：水準(zhǔn)原點(diǎn)水準(zhǔn)原點(diǎn) 全國(guó)高程的起算點(diǎn)。全國(guó)高程的起算點(diǎn)。1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)年國(guó)家高程基準(zhǔn) （72.260m ）1956年黃海高程系年黃海高程系 （72.289m） 測(cè)量工作應(yīng)遵循的基本原則是：測(cè)量工作應(yīng)遵循的基本原則是：在布局上：“由整體到局部”在次序上：“先控制后細(xì)部”在精度上：“由高級(jí)到低級(jí)”1.1.測(cè)量的基本原則測(cè)量的基本原則以某廠區(qū)為例以某廠區(qū)為例2.2.控制測(cè)量控制測(cè)量 控制測(cè)量控制測(cè)量分為平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量，由一系列的控制點(diǎn)組成控制網(wǎng)，這些控制點(diǎn)應(yīng)較均勻地分布與測(cè)區(qū)，以較高地精度來(lái)施測(cè)。測(cè)量的基本原則測(cè)量的基本原則控制網(wǎng)的布設(shè)控制網(wǎng)的布設(shè)3 細(xì)部測(cè)量細(xì)部測(cè)量 細(xì)部測(cè)量細(xì)部測(cè)量是在控制測(cè)量的基礎(chǔ)上，測(cè)繪各控制點(diǎn)周?chē)牡匚锖偷孛病? 4 基本觀測(cè)量基本觀測(cè)量 （1）距離）距離 （2）角度）角度 （3）高差）高差上海磁懸浮上海磁懸浮控制網(wǎng)1.5 1.5 水準(zhǔn)面的曲率對(duì)水準(zhǔn)面的曲率對(duì)觀測(cè)量的影響觀測(cè)量的影響 測(cè)量工作是在不同高程的水準(zhǔn)面上進(jìn)行的。水準(zhǔn)面是一個(gè)曲