測量學(第五版)第1章緒論課件

《測量學》作者：程效軍鮑峰顧孝烈同濟大學出版社1（第五版）110《測量學》作者：程效軍鮑峰顧孝烈1（第五測量學的教學目的

《測量學》是城市規(guī)劃、土木工程、道路交通工程、測繪工程、地質工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，是一門實踐性強，理論和實踐相結合的課程。掌握測量的基本理論，基本方法和基本技能，培養(yǎng)學生動手、實踐和創(chuàng)新能力，為學生從事城市規(guī)劃、土木工程勘測、設計、施工、管理奠定基礎。1102測量學的教學目的《測量學》是城市規(guī)劃、土木工程、道路第一章緒論

§1-1測量學的任務與主要內(nèi)容

生產(chǎn)、生活的需要城市建設、農(nóng)田、水利建設等交通運輸?shù)男枰锪鬟\輸、航空、航海、旅行等軍事的需要

1103

一、測量學的產(chǎn)生第一章緒論

§1-1測量學的任務與主要內(nèi)容生產(chǎn)、生(一)測量學在生活上的作用城市交通圖1104二、測量學的作用(一)測量學在生活上的作用城1104二、測量學的作用上海市水系專題圖1105上海市水系專題圖1105同濟校園圖(四平路校本部)1106同濟校園圖(四平路校本部)1106(二)測量學在軍事的作用“天時，地利，人和”是打勝仗的三大要素。地利就要了解和利用地形。地圖上詳細表示著山脈、河流、道路、居民點等地形和地物，具有確定距離、位置、辨識方向的作用。1107(二)測量學在軍事的作用“天時，地利，人和”是打勝仗的三

(三)

測量學在國土管理中的作用

城市土地的規(guī)劃，城市道路的紅線規(guī)劃，房地產(chǎn)開發(fā)，地籍的界址點測定,都需要由測量提供地形圖和有關土地信息。用高科技測量手段標定國界，常在國家間的領土爭執(zhí)中起到重要作用;也常以對方出版的地圖上對國境線的表示,作為有利于己方的證據(jù)。1108(三)測量學在國土管理中的作用城市土地的規(guī)劃，城市(四)測量學在工程建設中的作用

在工程建設的規(guī)劃設計中，首先需要有地形圖。在修建工廠和居民點時，須要先平整地基和設計房屋的放樣。在建設城市道路網(wǎng)（包括高架道路、地下鐵道和橋梁)，都需要用測量方法精確地定向,定位和定高程。我國的考古工作者研究證實，早在2000多年前已經(jīng)有在修建帝都、宮殿時大規(guī)模平整地基和定街道與建筑軸線的措施，當時也需要有原始的測量手段。1109(四)測量學在工程建設中的作用在工程建設的規(guī)劃設計工程的竣工和變形監(jiān)測為了保障建筑物的施工和運行時的安全，需要測量工作者以技術上可行的最高精度，監(jiān)測建筑物的變形量和變形的發(fā)展情況。經(jīng)常需要在一段時間內(nèi)進行連續(xù)觀測，為此要使用自動化的監(jiān)測和記錄的測量儀器，在各種工程建設中的應用愈來愈廣泛。11010工程的竣工和變形監(jiān)測11010§1-2測繪學科的內(nèi)涵

和發(fā)展簡史11011一、測繪學科的定義和內(nèi)涵二、測繪科學的歷史和近代發(fā)展三、測繪學科的分支§1-2測繪學科的內(nèi)涵

和發(fā)展簡史11011一一、測量學的定義和內(nèi)涵1.早期的定義

研究地球的形狀和大小，確定地面點的坐標的學科。2.當前的定義

研究測定和描繪地球及其表面的各種形態(tài)的理論和方法的學科。11012一、測量學的定義和內(nèi)涵1.早期的定義11012

測繪和采集表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等空間幾何數(shù)據(jù)，進行數(shù)字化管理，提供工程設計所必要的地形信息(地形圖和地形數(shù)據(jù))。把設計的建筑物、大型設備等按設計的形狀、大小和位置準確地在實地標定出來，才能進行施工(稱為測設或施工放樣，并貫穿于施工全過程)。11013測量工作在工程建設中作用

測繪和采集表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等

這是人類為了生存和發(fā)展，在歷史上長期探索的問題，并知道需要用大地測量的方法來解決。早在公元前6世紀,古希臘的畢達哥拉斯(Pythagoras)就提出了地球形態(tài)的概念。11014二、測繪學科的歷史和近代進展“

地球的形狀是什么樣的？”“如何用圖形來表示地面形態(tài)？”這是人類為了生存和發(fā)展，在歷史上長期探索的問題，并

亞里士多德（Aristotle）作了進一步論證，支持這一學說。又一世紀后，埃拉托斯特尼（Eratosthenes）用在南北兩地同時觀測日影的辦法,首次推算出地球子午圈的周長。我國唐代僧人一行根據(jù)天文觀測，計算出地球子午線1°的長度。測繪地圖是地球表面形態(tài)認識的開始。晉代裴秀總結出“制圖六體”，為當時“地圖制圖”訂立標準。11015亞里士多德（Aristotle）作了進一步論證古希臘托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地圖投影”概念和測經(jīng)緯度定地面點位方法。此后，一系列重大科學發(fā)明與測繪學科相輔相成地發(fā)展：

17世紀初發(fā)明望遠鏡，1730年,英國西森(Sisson)制成測角用的經(jīng)緯儀，促進三角測量的發(fā)展。

1795年,德國高斯(C.F.Gauss)提出最小二乘法(Least

Square

Method)為測量數(shù)據(jù)處理奠定數(shù)學基礎。11016古希臘托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地圖

高斯又提出將橢球面變換為平面的地圖投影方法,后經(jīng)克呂格爾(J.Krüger)擴充完善，稱為“高斯-克呂格爾投影”，沿用至今。

19世紀50年代,發(fā)明了攝影測量,后來發(fā)展成為航空、航天攝影測量和遙感。1948年發(fā)明電磁波測距儀，解決了遠程精密測距的測量難題。

20世紀60年代,發(fā)明電子計算機，應用于測繪界,創(chuàng)立“計算機輔助成圖”,出現(xiàn)了數(shù)字地圖,開創(chuàng)了數(shù)字化新時代。11017高斯又提出將橢球面變換為平面的地圖投影方法,后經(jīng)克呂三、測量學科的分支大地測量學研究和測定地球的形狀、大小、重力場和地面點幾何位置及其變化的理論和技術的學科。地球的形狀大小以大地水準面為代表。大地點的定位，用經(jīng)緯度或空間直角坐標，定位方法有幾何法大地測量、物理法大地測量和近代的衛(wèi)星法大地測量。11018三、測量學科的分支大地測量學11018世界屋脊-珠穆朗瑪峰的高程測定11019世界屋脊-珠穆朗瑪峰的高程測定11019用經(jīng)緯儀作三角高程測量11020用經(jīng)緯儀作三角高程測量11020用水準儀作精密水準測量11021用水準儀作精密水準測量11021

上述:三角高程測量和水準測量,都屬于幾何大地測量，幾何大地測量中還包括三角測量和天文測量等。天文測量研究測定恒星的坐標，以及利用觀測恒星確定地面點的大地位置(經(jīng)度、緯度、方位角)和十分精確的時間(世界時、恒星時)，它對于地球科學和空間技術(衛(wèi)星發(fā)射、定位和宇宙航行)都十分重要。11022上述:三角高程測量和水準測量,都屬11022天文臺的天文觀測11023天文臺外觀用天文望遠鏡觀測天文臺的天文觀測11023天文臺外觀用天文望遠鏡觀測

物理大地測量學研究地球的重力測量方法,重力分布情況(重力場)及其應用。測定重力加速度G的目的：

1.建立國家重力基準網(wǎng)和基本網(wǎng)；

2.確定全球重力場模型及其變化；

3.確定區(qū)域的和地球的大地水準面及其變化(重力異常使大地水準面產(chǎn)生不規(guī)則變化)。11024物理大地測量學研究地球的重力測量方法,重力分布情況在大地重力點上作重力測量11025在大地重力點上作重力測量11025在珠峰高山地區(qū)作重力測量11026在珠峰高山地區(qū)作重力測量11026利用衛(wèi)星作地球重力測量11027利用衛(wèi)星作地球重力測量11027攝影測量與遙感學研究利用攝影或遙感手段，獲取地面目標物的影像數(shù)據(jù)，從中提取幾何或物理信息，用圖形、圖像和數(shù)字信息表達的理論和方法的學科。攝影測量的方法有地面攝影、航空攝影和航天攝影和遙感。小范圍的地形測量或工程測量可利用地面攝影測量方法。11028攝影測量與遙感學11028機載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11029航空攝影測量機身利用衛(wèi)星定位機載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)11029航空攝影測量機身利用衛(wèi)星定同濟大學的車載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)－地面攝影測量的自動化11030同濟大學的車載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)－地面攝影測量的自動化1工程測量學研究工程建設和自然資源開發(fā)中進行的控制測量、地形測繪、施工放樣和變形監(jiān)測的理論和技術的學科。是測繪學科在國民經(jīng)濟和國防建設中的直接應用。

工程規(guī)劃設計階段：提供地形資料；

施工興建階段：標定設計建筑的位置；

運行管理階段：竣工測量和變形監(jiān)測。高精度工程測量用于大型、精密工程和設備的精確定位、安裝和變形觀測。11031工程測量學11031道路測量

道路建筑高程放樣

用數(shù)字水準儀和條碼水準尺。11032道路測量道路建筑高程放樣11032渠道水位監(jiān)測11033渠道水位監(jiān)測11033面水準測量

–場地平整11034面水準測量–場地平整11034大橋變形監(jiān)測11035大橋變形監(jiān)測11035隧道工程測量11036隧道工程測量11036工業(yè)測量(屬于精密工程測量)研究各種工業(yè)設備和大型工業(yè)產(chǎn)品（船舶、飛機等）的施工放樣、細部安裝、竣工測量和變形測量。1103711037軌道梁架設中用全站儀施工定位11038軌道梁架設中用全站儀施工定位1103811039用激光跟蹤儀檢測飛機外形11039用激光跟蹤儀檢測飛機外形海洋測繪學

研究以海洋水體和海底為對象的學科。包括：海洋大地測量、海底地形測量、海道測量、海洋專題測量等。海洋測區(qū)條件復雜,受潮汐、氣象、透明度差等影響，需用特種儀器和方法:衛(wèi)星導航、慣性組合導航、天文測量、水聲定位系統(tǒng)、水下攝影測量等。

11040海洋測繪學11040地圖制圖學

研究模擬地圖和數(shù)字地圖的設計、編繪、復制的理論和方法的科學。主要內(nèi)容：地圖投影地圖編繪地圖整飾地圖出版

11041地圖制圖學1104111042世界地圖11042世界地圖11043上海市地圖11043上海市地圖測量儀器學研究測量儀器的制造、改進和創(chuàng)新的學科。測繪學科的發(fā)展離不開測繪理論的進展和測繪儀器的發(fā)明和創(chuàng)新。17世紀發(fā)明了望遠鏡、經(jīng)緯儀、水準儀、平板儀，使控制測量和地形測量精度提高。19世紀攝影技術發(fā)明，便應用于測量，到20世紀初，創(chuàng)造出自動航空攝影機，實現(xiàn)了大面積航空攝影測量。11044測量儀器學11044

20世紀50年代，測繪儀器向電子化和自動化方向發(fā)展。1948年發(fā)明了電磁波測距儀，實現(xiàn)遠程精密測距。電子計算機的發(fā)明，使測繪儀器、測量作業(yè)、測量數(shù)據(jù)處理和制圖逐步實現(xiàn)了自動化。

1957年,前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，測繪學科產(chǎn)生“衛(wèi)星測量”的分支。從美國的GPS,俄羅斯的GLONASS,歐盟的Galileaous,我國的“北斗星”等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建立，衛(wèi)星定位GNSS(Global

Navigation

Satellite

System)接收機,已成為測量的主要儀器之一。1104520世紀50年代，測繪儀器向電子化和用衛(wèi)星定位的GNSS接收機11046測量的主要儀器之一用衛(wèi)星定位的GNSS接收機11046測量的主要儀器之一測量的主要儀器之一11047從經(jīng)緯儀

發(fā)展到全能的電子全站儀測量的主要儀器之一11047從經(jīng)緯儀發(fā)展到全能的電子全T4高精密經(jīng)緯儀用于大地測量及天文測量11048T411048T3精密光學經(jīng)緯儀用于大地測量及精密工程測量11049T311049光學經(jīng)緯儀11050光學經(jīng)緯儀11050電子經(jīng)緯儀11051電子經(jīng)緯儀11051電子全站儀11052功能：角度測量距離測量地面定位施工放樣衛(wèi)星定位電子全站儀11052功能：地形測量學

研究將地球表面局部地區(qū)的地貌和地物測繪成地形圖、編制地籍圖和房產(chǎn)圖等的基本理論和方法的科學。11053地形測量學1105311054地形測量及施工放樣在控制測量的基礎上,測繪地形圖(表示地物和地貌),或進行施工放樣。11054地形測量及施工放樣在控制測量的基礎上,測繪地地形圖圖例211055地形圖圖例1地形圖圖例211055地形圖圖例1地形圖圖例211056地形圖圖例211056認識地球是人類探索自然的目標之一，也是測量學的任務之一。絕大多數(shù)測量工作是在地球面上進行，以地球作為參考系。因此，有必要首先討論地球的形狀和大小。11057§1-3地面點位的確定和坐標系一、地球的形狀和大小認識地球是人類探索自然的目標之一，也是測量學的任務之一。1地球的制高點－珠穆朗瑪峰海拔高程8844.43m11058地球的制高點－珠穆朗瑪峰11058

馬里亞納海溝－斐查茲海淵剖面圖11059地球海面下最深處高程為－11000

m馬里亞納海溝－斐查茲海淵剖面圖11059地球海大地水準面與平靜的平均海水面相重合，并延伸通過陸地而形成的封閉曲面稱為“大地水準面”11060液體受重力而形成的靜止表面稱為水準面大地水準面與平靜的平均海水面相重合，并延伸通過陸地而旋轉橢球體

由于大地水準面受地球內(nèi)部質量分布不均勻影響，是不規(guī)則曲面，無法用數(shù)學方法準確描述和計算，也難以在其面上處理測量成果。

11061旋轉橢球體由于大地水準面受地球內(nèi)部質量分布不均勻影響，是旋轉橢球體

用一非常接大地水準面的數(shù)學面－旋轉橢球面代替大地水準面，用旋轉橢球體描述地球，稱參考橢球體。橢球參數(shù)：

11062長半徑a

=

6378137m短半徑b

=

6356752m扁率f

=

(a-

b)

/

a

=

1

/

298.257

旋轉橢球體用一非常接大地水準面11062長半徑a=6二、確定地面點位的坐標系子午面

－地球上任一點與地球旋轉軸所組成的平面。首子午面－通過英國格林尼治(Greenwich)天文臺的子午面。11063G（一）大地坐標系A首子午面地球旋轉軸赤道平面格林尼治A點子午面二、確定地面點位的坐標系子午面－11063G（一）大大地經(jīng)度－通過A點的子午面與首子午面之間的夾角(L)大地緯度－

通過A點的橢球面法線與赤道平面的交角(B)11064大地經(jīng)度－11064世界上最古老的天文臺11065世界上最古老的天文臺11065英國格林尼治(Greenwich)天文臺11066英國格林尼治(Greenwich)天文臺1106611067英國格林尼治皇家天文臺世界時授時鐘11067英國世界時（一）大地坐標系（地理坐標系）11068以經(jīng)度與緯度表示點位的坐標系(球面坐標系統(tǒng))（一）大地坐標系（地理坐標系）11068以經(jīng)度與緯度表示點位以地球橢球的中心為原點，首子午面與赤道平面的交線為X軸，赤道平面內(nèi)通過原點與X軸垂直的為Y軸。地面某點A的空間三維直角坐標：

（X

Y

Z

）（二）空間三維直角坐標系

（地心坐標系）11069

A，A，A以地球橢球的中心為（二）空間三維直角坐標系

（地心坐標系（三）高斯平面直角坐標系

高斯投影是等角橫切橢圓柱投影。等角投影就是正形投影。就是在極小的區(qū)域內(nèi)橢球面上的圖形，投影后保持形狀相似。即投影后角度不變形。11070（三）高斯平面直角坐標系高斯投影是等角橫切橢圓柱投高斯投影的分帶和編號11071

中央子午線經(jīng)度

投影分帶號N高斯投影的分帶和編號11071中央子午線經(jīng)度點在高斯平面直角坐標系中的坐標值

中央子午線的投影是X軸，赤道的投影是Y軸，其交點是坐標原點。點的X坐標是點至赤道的距離,赤道以北x

值為正；點的Y坐標是點至中央子午線的距離，y

值有正有負。

11072點在高斯平面直角坐標系中的坐標值中央子午線的投影點在高斯平面直角坐標系中的坐標值

為了避免Y坐標出現(xiàn)負值，把Y坐標值加500公里。11073為了區(qū)分不同投影帶中的點，在點的Y坐標值上加帶號N所以點的橫坐標以下式表示：

Y

=

N*1000000

+

500000

+

y點在高斯平面直角坐標系中的坐標值為了避免Y坐標出（四）地平坐標系地平坐標系為小范圍的平面直角坐標系地平坐標系以當?shù)氐乃矫鏋橥队懊嫱ǔＲ援數(shù)氐恼狈较驗閄坐標軸的正方向某一建筑地區(qū)的“建筑坐標系”也是一種地平坐標系地平坐標系為獨立坐標系應與國家或城市坐標系進行連測11074（四）地平坐標系地平坐標系為小范圍的平面直角坐標系11074（五）平面坐標變換—坐標軸的平移和旋轉11075建筑坐標系(x′,y′)變換為城市坐標系(

x,

y

)變換參數(shù)(x

,y

),α0

0平移量(x0,y0)旋轉角α（五）平面坐標變換—坐標軸的平移和旋轉11075建筑坐標系0（五）平面坐標變換11076城市坐標系(

x,

y

)變換為建筑坐標系（x′,y′）變換參數(shù)(x0

,y0

),α（五）平面坐標變換11076城市坐標系變換參數(shù)（六）地面點的高程高程（絕對高程、海拔）－地面點到大地水準面的鉛垂距離。假定高程（相對高程）－地面點到假定水準面的鉛垂距離。11077高差－兩點間的高程之差(不論絕對高程或相對高程)（六）地面點的高程高程（絕對高程、海拔）－地面點到大地水準測定平均海水面(高程為零)的驗潮站11078測定平均海水面(高程為零)的驗潮站11078水準原點至1985國家高程基準“零海平面”的高程72.2604m11079水準原點至1985國家高程基準“零海平面”的高程11079青島觀象山水準原點11080青島觀象山水準原點11080水準原點旱井11081水準原點旱井11081水準原點瑪瑙石標志11082水準原點瑪瑙石標志11082水準原點標牌11083水準原點標牌11083從水準原點測定全國各基準點高程的精密水準測量11084從水準原點測定全國各基準點高程的精密水準測量11084§1-4測量工作的程序及基本內(nèi)容基本原則控制測量地形測量施工放樣基本觀測量：距離,角度,高差11085§1-4測量工作的程序及基本內(nèi)容基本原則11085布局上：由整體到局部精度上：由高級到低級次序上：先控制后細部

一、測量工作的基本原則

所有測量工作都必須遵循以上原則也是測量的工作程序11086布局上：由整體到局部一、測量工作的基本原則所有測量工測量工作的程序由整體到局部由高級到低級先控制后細部11087測量工作的程序由整體到局部110872.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng)11088一等三角鎖為國家平面控制網(wǎng)的基礎傳統(tǒng)平面控制網(wǎng)布置形式二、控制測量2.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng)11088一等三角鎖為國家平面控制網(wǎng)11089110892.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng)11090

A級GNSS

網(wǎng)為國家平面控制網(wǎng)的基礎現(xiàn)代

GNSS

控制網(wǎng)布置形式2.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng)11090A級GNSS網(wǎng)為

中國的法定大地坐標中心—中華人民共和國大地原點，坐落在西安之北約100公里的涇陽縣內(nèi)。大地原點的地面海拔高程為417.7米，它距我國陸邊正北880公里，東北2500公里，正東1000公里，正南1750公里，西南2250公里，正西2930公里，西北2500公里。大致位于我國大陸領土的中心。11091中國的法定大地坐標中心—中華人民共和國大地原點，坐落11092我國大地坐標系原點所在地的大門11092我國大地坐標系原點所在地的大門國家測繪地理信息局建立的“大地原點”11093中國大地坐標系的基準點建筑外觀國家測繪地理信息局建立的“大地原點”11093中國大地坐標系11094國家大地原點地面標志11094國家大地原點地面標志11095大地原點瑪瑙中心標志11095大地原點瑪瑙中心標志三、細部測量11096在控制測量基礎上，測繪地形細部或進行建筑物的細部放樣。三、細部測量11096在控制測量基礎上，測繪地形細部浦東運河小灣橋擴建工程細部測繪11097浦東運河小灣橋擴建工程細部測繪11097四、基本觀測量－確定地面點位的三個基本要素:11098距離-

S角度-

α,

β高差-

h四、基本觀測量－11098距離-S§1-5水準面曲率對觀測量的影響在小測區(qū)內(nèi)，用水平面代替水準面，討論由此對距離和高差測量的影響：11099§1-5水準面曲率對觀測量的影響在小測區(qū)內(nèi)，11099一、水準面曲率對距離測量的影響110100一、水準面曲率對距離測量的影響110100

S(km)ΔS(cm)

ΔS/S10

0.81：120萬

25

12.81：20萬

50

102.71：4.9萬100

821.21：1.2萬結論：在半徑小于10

km的范圍內(nèi)測量距離不必考慮水準面曲率改正。水準面曲率對距離測量影響的具體數(shù)值：110101S(km)ΔS(cm)ΔS/S結論：在半徑小于10二、水準面曲率對高差測量的