控制測(cè)量學(xué)課件第1講分解

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

2、高差、坐標(biāo)差（GPS觀測(cè))等觀測(cè)值將各控制點(diǎn)連接起來(lái)。由于觀測(cè)值連接的控制點(diǎn)圖形通常是網(wǎng)狀，所以通常也稱控制測(cè)量為建控制網(wǎng)。緒論1.1 控制測(cè)量的基本任務(wù)和主要內(nèi)容（2）.基本任務(wù)測(cè)量工作的本質(zhì)是空間定位，即確定物體的空間相對(duì)位置。定位工作是建立在參照系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，控制測(cè)量的基本任務(wù)就是建立定位參考系統(tǒng)。建立覆蓋一個(gè)國(guó)家或地區(qū)廣大區(qū)域的參照系統(tǒng)屬于大地測(cè)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(cè)量范疇。本教材的內(nèi)容體系定位于工程控制測(cè)量范疇?？刂茰y(cè)量分類按定位類型分平面控制測(cè)量高程控制測(cè)量測(cè)定控制點(diǎn)平面位置測(cè)定控制點(diǎn)高程位置按定位區(qū)域分大地控制測(cè)量工程控制測(cè)量全國(guó)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(cè)量分類緒論1.1 控制測(cè)量的基本任務(wù)和主要內(nèi)容（3）.工程控制測(cè)量主要內(nèi)容工程控制測(cè)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(jì)階段用于大比例尺地形圖測(cè)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(yùn)營(yíng)階段，用于檢測(cè)建筑物變形?；炷谅袷刂泣c(diǎn)（圖1.1）水準(zhǔn)點(diǎn)平面控制點(diǎn)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(cè)量?jī)x器全站儀（圖1.5）測(cè)量?jī)x器GPS接收機(jī)和水準(zhǔn)儀（圖1.6）緒論1.2 地球重力場(chǎng)基本知識(shí)（1）.概述A.地球上任意一質(zhì)點(diǎn)，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(wú)數(shù)個(gè)水準(zhǔn)面,假設(shè)通過(guò)平均海水面的水準(zhǔn)面，稱為大地水準(zhǔn)面。D. 在大地測(cè)量范疇，重力場(chǎng)的研究和測(cè)量對(duì)研究地球形狀和大小，野外觀測(cè)值的歸算處理、空間探測(cè)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(chǎng)基本知識(shí)（2）.引力與離心力A.引力假設(shè)地球是一個(gè)質(zhì)量分均勻布的圓球，M 是地球質(zhì)量，m 是質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，f 是萬(wàn)有引力常數(shù)，r 是質(zhì)點(diǎn)到地心的距離。則質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)基本知識(shí)（3）.引力位與離心力位A.引力位一個(gè)質(zhì)點(diǎn)沿引力方向移動(dòng)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(duì)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(chǎng)基本知識(shí)（3）.引力位與離心力位A.引力位對(duì)（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(hào)表示加速度方向和向徑方向相反。式（17）表明：位函數(shù)對(duì)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(diǎn)引力位對(duì)其坐標(biāo)分量的偏導(dǎo)數(shù)，等于質(zhì)點(diǎn)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(chǎng)基本知識(shí)（3）.引力位與離心力位 B.離心力位 根據(jù)圖1.7，可見(jiàn)質(zhì)點(diǎn)位置可用質(zhì)點(diǎn) 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(duì)時(shí)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(chǎng)基本知識(shí)（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(diǎn)在隨地球旋轉(zhuǎn)時(shí)變化的兩個(gè)坐標(biāo)分量，其對(duì)時(shí)間的二階偏導(dǎo)就是單位質(zhì)點(diǎn)離心加速度在兩坐標(biāo)軸方向的兩個(gè)分量。 由此可以看出函數(shù)對(duì)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(hào)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(chǎng)基本知識(shí)（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(duì)坐標(biāo)分量的偏導(dǎo)數(shù)等于重力在各個(gè)坐標(biāo)軸方向的重力加速度。 （112） 重力加速度在質(zhì)點(diǎn)為單位質(zhì)點(diǎn)情況下，也等于該方向的分力。 緒論1.2 地球重力場(chǎng)基本知識(shí)（4）.重力位 各坐標(biāo)軸方向重力加速度（分力）的模： （113） 實(shí)際上單位質(zhì)點(diǎn)重力位對(duì)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(shí) 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(cè)量上所謂的水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面有無(wú)數(shù)多個(gè)，其中與設(shè)想靜止海水面重合的那一個(gè)，稱為大地水準(zhǔn)面。 當(dāng)重力方向與l 平行時(shí)dl=dw/g。由于同一等位面上g不相等，所以dl不會(huì)等于常數(shù)，也不會(huì)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(chǎng)基本知識(shí)（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(gè)質(zhì)量分布均勻的球體的基礎(chǔ)上得出的。實(shí)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(shí)際的重力位。 由于（111）式不能精確求得實(shí)際重力位，測(cè)量學(xué)就中引入了一個(gè)近似而方便計(jì)算的正常重力位。 正常重力位函數(shù)形式簡(jiǎn)單，計(jì)算無(wú)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(shí)際重力位的差值（擾動(dòng)位），從而求到接近實(shí)際的重力位。 1.3 控制測(cè)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(gè)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(cè)量上選取大地水準(zhǔn)面作為外業(yè)測(cè)量的基準(zhǔn)面，與之垂直的鉛垂線作為基準(zhǔn)線。測(cè)量工作對(duì)中，整平儀器都是根據(jù)重力作用完成，所以實(shí)際上外業(yè)測(cè)量的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面是測(cè)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(diǎn)是不一樣的。緒論1.3 控制測(cè)量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 2.內(nèi)業(yè)計(jì)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(gè)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來(lái)，所以建立覆蓋廣大區(qū)域定位參照系統(tǒng)時(shí),鉛垂線和水準(zhǔn)面不能作為內(nèi)業(yè)數(shù)學(xué)計(jì)算的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線。緒論1.3 控制測(cè)量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 2.內(nèi)業(yè)計(jì)算基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線 因?yàn)榇蟮厮疁?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(jì)算時(shí),是采用一個(gè)形狀規(guī)則的數(shù)學(xué)橢球面,來(lái)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(jì)算,規(guī)則橢球面采用旋轉(zhuǎn)橢球面,即由長(zhǎng)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(xiàng)工作稱為橢球體定位。 為了減少觀測(cè)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(guó)都是采用接近本國(guó)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(zhǎng)半徑 a ，扁率，或者長(zhǎng)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(cè)量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.84.我國(guó)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(guó)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(diǎn)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(cè)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(jiàn),三者關(guān)系為: 緒論1.3 控制測(cè)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(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的距離顯然是不可能實(shí)施的,所以設(shè)地面點(diǎn)B沿垂線到大地水準(zhǔn)面C路線上一點(diǎn)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(diǎn)O路線上一點(diǎn)的重力值為g（圖1.10）。根據(jù):gB.dH=g.dh, dHg.dh/gB。得到正高計(jì)算公式 是過(guò)B點(diǎn)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(shí)際上求不到，所以地面上一點(diǎn)正高也不能精確求得.緒論1.3 控制測(cè)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(guó)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(diǎn)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(gè)實(shí)際不存在的,虛擬的計(jì)算輔助面.正常高與正高,在海面相等,平原相差為厘米級(jí)，在高山區(qū)可達(dá)4米。 緒論1.3 控制測(cè)量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線圖1.10緒論1.3 控制測(cè)量的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線6.垂線偏差地面上一點(diǎn)鉛垂線方向和法線方向的夾角稱為該點(diǎn)的垂向偏差。和總橢球法線的垂向偏差稱為絕對(duì)垂線偏差，和參考橢球法向夾角則稱為相對(duì)垂線偏差。通過(guò)天文測(cè)量測(cè)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