控制測量學(xué)課件第1講分解

1、控制測量學(xué)課件第1講分解第一章緒論1.1 控制測量學(xué)的基本任務(wù)和主要內(nèi)容(掌握）1.2 地球重力場的基本知識(了解）1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線(掌握）1.4 控制測量的現(xiàn)狀與發(fā)展概況(了解）緒論1.1 控制測量的基本任務(wù)和主要內(nèi)容（1）. 基本概念控制測量的任務(wù)是建立定位參照系統(tǒng)，實際上就是在定位范圍內(nèi)，布設(shè)一系列測量標(biāo)志，精確測定標(biāo)志中心的位置。由于測量標(biāo)志是地形特征點測量、工程施工放樣等定位工程的基礎(chǔ)，實際上決定著測量工作的精確性，所以測量學(xué)稱這些測量標(biāo)志點為控制點，建立標(biāo)志點位置的工作為控制測量?？刂泣c位置是通過其在參照系中的坐標(biāo)來描述的，為計算控制點坐標(biāo)，控制測量是以角度、邊長、

2、高差、坐標(biāo)差（GPS觀測)等觀測值將各控制點連接起來。由于觀測值連接的控制點圖形通常是網(wǎng)狀，所以通常也稱控制測量為建控制網(wǎng)。緒論1.1 控制測量的基本任務(wù)和主要內(nèi)容（2）.基本任務(wù)測量工作的本質(zhì)是空間定位，即確定物體的空間相對位置。定位工作是建立在參照系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，控制測量的基本任務(wù)就是建立定位參考系統(tǒng)。建立覆蓋一個國家或地區(qū)廣大區(qū)域的參照系統(tǒng)屬于大地測量的范疇，建立服務(wù)于大型工程和城市建設(shè)的定位參照系統(tǒng)，則屬于工程控制測量范疇。本教材的內(nèi)容體系定位于工程控制測量范疇?？刂茰y量分類按定位類型分平面控制測量高程控制測量測定控制點平面位置測定控制點高程位置按定位區(qū)域分大地控制測量工程控制測量全國范

3、圍在工程和城市建設(shè)區(qū)域（2）.基本任務(wù)緒論控制測量分類緒論1.1 控制測量的基本任務(wù)和主要內(nèi)容（3）.工程控制測量主要內(nèi)容工程控制測量范疇內(nèi)，建立定位參照系統(tǒng)目地可劃分為：1.在城市規(guī)劃和工程設(shè)計階段用于大比例尺地形圖測繪。2.在工程施工階段用于構(gòu)筑物施工定位（施工放樣）。3.在工程竣工后的運營階段，用于檢測建筑物變形?；炷谅袷刂泣c（圖1.1）水準(zhǔn)點平面控制點三角控制網(wǎng)(圖1.2)導(dǎo)線控制網(wǎng)（圖1.3)高程控制網(wǎng)（水準(zhǔn)網(wǎng)）(圖1.4)測量儀器全站儀（圖1.5）測量儀器GPS接收機和水準(zhǔn)儀（圖1.6）緒論1.2 地球重力場基本知識（1）.概述A.地球上任意一質(zhì)點，都受到地球引力和因地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)

4、生的離心力，他們的合力稱為重力。B.處處與重力方向（鉛垂線方向）垂直的面稱為水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面是水準(zhǔn)等位面，在地球引力范圍內(nèi)有無數(shù)個水準(zhǔn)面,假設(shè)通過平均海水面的水準(zhǔn)面，稱為大地水準(zhǔn)面。D. 在大地測量范疇，重力場的研究和測量對研究地球形狀和大小，野外觀測值的歸算處理、空間探測器的發(fā)射與控制等工作具有重要意義。緒論1.2 地球重力場基本知識（2）.引力與離心力A.引力假設(shè)地球是一個質(zhì)量分均勻布的圓球，M 是地球質(zhì)量，m 是質(zhì)點質(zhì)量，f 是萬有引力常數(shù)，r 是質(zhì)點到地心的距離。則質(zhì)點受到的引力為： （11）B.離心力離心力 p 由地球自轉(zhuǎn)速度 、質(zhì)點質(zhì)量 m 和距旋轉(zhuǎn)軸距離確定 （12）C.重力重力

5、g 為引力和離心力的矢量和 g=F+P （13）緒論1.2 地球重力場基本知識（3）.引力位與離心力位A.引力位一個質(zhì)點沿引力方向移動微小距離 dr,則引力作功： （14）dA在數(shù)值上等于引力位能的減少，所以對式（14）積分，就得到： （15）取m的質(zhì)量為1（單位質(zhì)量）則式（15）又可以寫成： （16）式（16）就稱為地球的引力位或位函數(shù)。緒論1.2 地球重力場基本知識（3）.引力位與離心力位A.引力位對（16）式微分得 顧及到F=m.a，可得到 ，由于引力位是標(biāo)量函數(shù)，所以用負(fù)號表示加速度方向和向徑方向相反。式（17）表明：位函數(shù)對某一方向的偏導(dǎo)數(shù)，數(shù)值上等于該方向的加速度。由于向徑r可以直

6、角坐標(biāo)（x,y,z)表示，所以可進(jìn)一步得出為：一質(zhì)點引力位對其坐標(biāo)分量的偏導(dǎo)數(shù)，等于質(zhì)點在坐標(biāo)軸方向加速度的負(fù)值（方向相反）。 （17）緒論1.2 地球重力場基本知識（3）.引力位與離心力位 B.離心力位 根據(jù)圖1.7，可見質(zhì)點位置可用質(zhì)點 向徑r,地心緯度及經(jīng)度表示： （18） 地球旋轉(zhuǎn)只引起經(jīng)度變化，將（18）式對時間t求二階偏導(dǎo)數(shù)，并令 ，就得到： （19）圖1.7緒論1.2 地球重力場基本知識（3）.引力位與離心力位B.離心力位 根據(jù)圖1.7知，x,y是質(zhì)點在隨地球旋轉(zhuǎn)時變化的兩個坐標(biāo)分量，其對時間的二階偏導(dǎo)就是單位質(zhì)點離心加速度在兩坐標(biāo)軸方向的兩個分量。 由此可以看出函數(shù)對其坐標(biāo)分量

7、x,y的偏導(dǎo)數(shù)在數(shù)值上和（18）是相等而符號相反，所以（110）就是離心力位函數(shù)。 圖1.7（110）緒論1.2 地球重力場基本知識（4）.重力位 重力是引力和離心力的合力，因而重力位是引力位和離心力位的和。 （111） 同理，重力位對坐標(biāo)分量的偏導(dǎo)數(shù)等于重力在各個坐標(biāo)軸方向的重力加速度。 （112） 重力加速度在質(zhì)點為單位質(zhì)點情況下，也等于該方向的分力。 緒論1.2 地球重力場基本知識（4）.重力位 各坐標(biāo)軸方向重力加速度（分力）的模： （113） 實際上單位質(zhì)點重力位對任意方向 l 的偏導(dǎo)，等于重力在該方向的重力加速度或分力。當(dāng)重力方向與l 垂直時 dw0，即重力位是一常數(shù)。給出不同的常數(shù)

8、，就得到一簇等重力位曲面，這就是測量上所謂的水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面有無數(shù)多個，其中與設(shè)想靜止海水面重合的那一個，稱為大地水準(zhǔn)面。 當(dāng)重力方向與l 平行時dl=dw/g。由于同一等位面上g不相等，所以dl不會等于常數(shù)，也不會為0，即水準(zhǔn)面相互之間既不平行和不相交。緒論1.2 地球重力場基本知識（5）.正常重力位和正常重力 重力位表達(dá)式（111）是在假設(shè)地球是個質(zhì)量分布均勻的球體的基礎(chǔ)上得出的。實際上地球既不是規(guī)則球體，質(zhì)量分布也不均勻。所以公式不能精確求得實際的重力位。 由于（111）式不能精確求得實際重力位，測量學(xué)就中引入了一個近似而方便計算的正常重力位。 正常重力位函數(shù)形式簡單，計算無需知道地球?qū)嶋H

9、形狀和密度。引入正常重力位的目的是，首先求出正常重力位，然后設(shè)法求出其與實際重力位的差值（擾動位），從而求到接近實際的重力位。 1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 1.外業(yè)工作基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線由于海洋面積占地球總面積的71%,所以設(shè)想與靜止海水面重合,并延伸到陸地下面,包圍整個地球的封閉曲面,就稱為大地水準(zhǔn)面。由于大地水準(zhǔn)面的形狀和地球自然表面的形狀，所圍成的大地體和地球大小非常接近，所以測量上選取大地水準(zhǔn)面作為外業(yè)測量的基準(zhǔn)面，與之垂直的鉛垂線作為基準(zhǔn)線。測量工作對中，整平儀器都是根據(jù)重力作用完成，所以實際上外業(yè)測量的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面是測站處的鉛垂線和水準(zhǔn)面。由于水準(zhǔn)面既不平行也不相交，所以嚴(yán)格講

10、兩點是不一樣的。緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 2.內(nèi)業(yè)計算基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線由于地球形狀不規(guī)則，質(zhì)量分布不均勻，因而鉛垂線指向和大地水準(zhǔn)面形狀都不規(guī)則，難以用一個簡潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來，所以建立覆蓋廣大區(qū)域定位參照系統(tǒng)時,鉛垂線和水準(zhǔn)面不能作為內(nèi)業(yè)數(shù)學(xué)計算的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線。緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 2.內(nèi)業(yè)計算基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 因為大地水準(zhǔn)面不適合作為建立坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)面,所以在內(nèi)業(yè)計算時,是采用一個形狀規(guī)則的數(shù)學(xué)橢球面,來做為建立廣大區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)的基準(zhǔn)面,采用橢球面的法線作為基準(zhǔn)線。 為方便計算,規(guī)則橢球面采用旋轉(zhuǎn)橢球面,即由長半軸 a、短半軸 b 確定的橢圓，繞短半軸旋轉(zhuǎn)而

11、形成的橢球體面。 確定旋轉(zhuǎn)橢球體要求與大地水準(zhǔn)面包圍的地球體(稱為大地體)盡可能接近.除了確定旋轉(zhuǎn)橢球體的大小、形狀外，還要確定其與大地體的關(guān)系，這項工作稱為橢球體定位。 為了減少觀測值歸算投影變形，旋轉(zhuǎn)橢球體越接近大地體越好。歷史上各國都是采用接近本國大地水準(zhǔn)面的旋轉(zhuǎn)橢球面作為基準(zhǔn)面，相應(yīng)的橢球體稱為參考橢球體。定位采用旋轉(zhuǎn)橢球中心與參考橢球體中心重合，短軸與地球旋轉(zhuǎn)軸重合。緒論3.參考橢球面參考橢球面理論是與定位區(qū)域大地水準(zhǔn)面吻合最好旋轉(zhuǎn)橢球面。參考橢球參數(shù)一般采用長半徑 a ，扁率，或者長半軸a 、短半軸b。圖1.8形象的表述參考橢球體，大地水準(zhǔn)面、參考橢球面和地表面間的關(guān)系。起始子午面

12、緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.84.我國先后采用的坐標(biāo)系統(tǒng)(1).1954北京坐標(biāo)系(2).1980西安坐標(biāo)系(3).國家2000坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)不斷優(yōu)化的方向是:坐標(biāo)系的原點由參心向質(zhì)心變化,橢球體由與區(qū)域地表符合最好,向與全球范圍地表符合最好演化。緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線5.大地高、正高、正常高根據(jù)高程系統(tǒng)采用的基準(zhǔn)面不同，高程系統(tǒng)主要有正高、大地高、正常高三類。大地高H:沿法線到參考橢球面的距離.正高Hg:沿鉛垂線到大地水準(zhǔn)面的距離.正常高Hr:沿正常重力線到似大地水準(zhǔn)面距離.由圖1.9可見,三者關(guān)系為: 緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.9(1-14)5

13、.大地高、正高、正常高沿著垂線量取一點到大地水準(zhǔn)面的距離顯然是不可能實施的,所以設(shè)地面點B沿垂線到大地水準(zhǔn)面C路線上一點的重力加速度為gB,沿另一非垂直水準(zhǔn)路線BAO到大地水準(zhǔn)面上點O路線上一點的重力值為g（圖1.10）。根據(jù):gB.dH=g.dh, dHg.dh/gB。得到正高計算公式 是過B點水準(zhǔn)面和大地水準(zhǔn)面位能差， 是BC路線重力平均值為一常數(shù)，因而正高是唯一值。由于BC路線上重力加速度平均值 實際上求不到，所以地面上一點正高也不能精確求得.緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.10(1-15)5.大地高、正高、正常高將正高系統(tǒng)中不能確定的 以正常重力值 代替,就得到另一種高程系統(tǒng),正常高系統(tǒng).正常高系統(tǒng)是我國目前采用的高程系統(tǒng)。正常高采用的基準(zhǔn)面稱似大地水準(zhǔn)面,是由地面點沿正常重力線量取正常高所得的連續(xù)閉合曲面.似大地水準(zhǔn)面不是等位面,是一個實際不存在的,虛擬的計算輔助面.正常高與正高,在海面相等,平原相差為厘米級，在高山區(qū)可達(dá)4米。 緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.10緒論1.3 控制測量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線6.垂線偏差地面上一點鉛垂線方向和法線方向的夾角稱為該點的垂向偏差。和總橢球法線的垂向偏差稱為絕對垂線偏差，和參考橢球法向夾角則稱為相對垂線偏差。通過天文測量測得的天文方位角，轉(zhuǎn)換為大地方位角，轉(zhuǎn)算需要知道垂線偏差。垂線偏差一般以其在