测量第一章(地信)课件

测 量 学主讲：郭朝霞surveying第一节第一节 测量学的定义和任务测量学的定义和任务第二节第二节 地球的形状和大小地球的形状和大小第三节第三节 地面点位置的表示地面点位置的表示第四节第四节 测量工作的基本内容和程序测量工作的基本内容和程序第一章第一章 绪论绪论测量测量:是指对是指对自然地理要素或自然地理要素或地表地表人工设施人工设施的形状、大小、空间位置及其属性等进行测定、的形状、大小、空间位置及其属性等进行测定、采集、表述及其对获取的数据、信息、成果进行采集、表述及其对获取的数据、信息、成果进行处理和提供的活动处理和提供的活动。其实质上是要确定空间点的位置。其实质上是要确定空间点的位置。1.1.1 1.1.1 测量学的学科分类测量学的学科分类v 大地测量学大地测量学：研究地球的整体形状和大小，解：研究地球的整体形状和大小，解决大地区控制测量和地球重力场问题决大地区控制测量和地球重力场问题。v工程测量学工程测量学：研究工程建设中所进行的各种测研究工程建设中所进行的各种测 量工作。量工作。设计设计-工程准备工程准备-施工施工-验收验收-维护维护v 地图制图学地图制图学：利用测量所得的成果资料，研究利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印地图的如何投影编绘和制印地图的理论和技术。理论和技术。v 摄影测量学摄影测量学：研究利用航天、航空、地面的摄：研究利用航天、航空、地面的摄影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。1.1.2 1.1.2 普通测量学的任务普通测量学的任务测定：测定：使用仪器和工具通过测量和计算把地球使用仪器和工具通过测量和计算把地球表面局部地区的地物、地貌和地籍界线表面局部地区的地物、地貌和地籍界线测绘到图纸上。测绘到图纸上。v 普通测量学普通测量学：研究地球表面较小区域内测量与：研究地球表面较小区域内测量与制图的理论、技术和方法的科学。制图的理论、技术和方法的科学。用图用图：解决如何使用图纸，利用图纸进行地形分：解决如何使用图纸，利用图纸进行地形分析和规划设计。析和规划设计。测设测设：把规划设计好的建筑物、构筑物的位置在：把规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来地面上标定出来。1.1.3 1.1.3 测量学在测量学在GIS中的作用中的作用 测量学是地理信息系统最主要的数据测量学是地理信息系统最主要的数据来源之一。来源之一。在几何学中；在几何学中；用笛卡尔坐标系用笛卡尔坐标系由由x、y、z坐标来表示。坐标来表示。其实质上是要确定空间点的位置。其实质上是要确定空间点的位置。1.21.2地球的形状和大小地球的形状和大小 地球的自然地球的自然表面有高山、丘表面有高山、丘陵、平原、海洋陵、平原、海洋等起伏形态，海等起伏形态，海洋面积约占地表洋面积约占地表面的面的71%，陆，陆地面积约占地面积约占29%，是一个，是一个不规则曲面不规则曲面。地球上的任意地球上的任意一点，都同时受到一点，都同时受到两个力的作用：地两个力的作用：地球自转的离心力和球自转的离心力和地心引力，它们的地心引力，它们的合力称为重力，合力称为重力，重重力的方向即为铅垂力的方向即为铅垂线方向。线方向。水准面水准面：自由静止的自由静止的海水面海水面延伸到大陆、岛屿延伸到大陆、岛屿内而形成的闭合曲面。内而形成的闭合曲面。大地水准面大地水准面：自由静止的：自由静止的平均海水面平均海水面延伸到大延伸到大陆、岛屿内而形成的闭合曲面。陆、岛屿内而形成的闭合曲面。同一水准面上的重力位同一水准面上的重力位处处相等；处处相等；同一水准面上任一点的同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正铅垂线都与水准面相正交。交。大地体大地体：由大地水准面所包围的地球形体。：由大地水准面所包围的地球形体。由于地球内部质量分布不均匀及地壳有高低起伏，所由于地球内部质量分布不均匀及地壳有高低起伏，所以重力方向有局部变化，致使处处与重力方向垂直的大地以重力方向有局部变化，致使处处与重力方向垂直的大地水准面也就水准面也就不规则不规则，即，即无法用数学公式准确地表达出来无法用数学公式准确地表达出来，所以它不能作为大地测量计算的基准面。所以它不能作为大地测量计算的基准面。参考椭球面参考椭球面：接近大地水准面，用：接近大地水准面，用数学式数学式表示表示的椭球面，作为测量计算工作基准面。的椭球面，作为测量计算工作基准面。配合最佳的配合最佳的参考椭球面参考椭球面大地大地水准面水准面大地水准大地水准面差距面差距N长半径长半径 a=6378140ma=6378140m短半径短半径b=6356755mb=6356755m扁率扁率f=(a-f=(a-b)/bb)/b=1/298.257=1/298.257椭球定位椭球定位：椭球面和大地水准面相对位置的确：椭球面和大地水准面相对位置的确定。定。泾阳县永乐泾阳县永乐镇大地原点镇大地原点1.1.3 3 地面点位置的表示方法地面点位置的表示方法在测量学中：在测量学中：由特定的由特定的地理（或平面）地理（或平面）坐标系统坐标系统和和高程系统高程系统来来表示。表示。赤道赤道平面平面OPM经度经度L纬度纬度B BnLB起始子午面起始子午面（首子午面）（首子午面）SNL取值范围：取值范围：东经东经0180西经西经0180B取值范围：取值范围：北纬北纬090南纬南纬0901.1.3.13.1 地理坐标（球面）地理坐标（球面）地理坐标地理坐标：用经纬度表示地面点位置的球面：用经纬度表示地面点位置的球面坐标坐标 1、天文地理坐标系：是建立在大地水准面上，、天文地理坐标系：是建立在大地水准面上，以铅垂线为基准线的坐标系。以铅垂线为基准线的坐标系。2、大地地理坐标系：是建立在参考椭球面、大地地理坐标系：是建立在参考椭球面上，以法线为基准线的坐标系。上，以法线为基准线的坐标系。l 1954年北京坐标系年北京坐标系（BJZ54BJZ54）l 1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系（GDZ80)GDZ80)l WGS-84WGS-84坐标系坐标系l 国家国家20002000坐标系（坐标系（CGCS2000CGCS2000）。参心坐标系参心坐标系：是以参考椭球的：是以参考椭球的几何中心几何中心为基为基 准的准的大地坐标系大地坐标系。选择或求定椭球的几何参数（长短半径）；选择或求定椭球的几何参数（长短半径）；确定椭球中心位置（定位）；确定椭球中心位置（定位）；确定椭球短轴的指向（定向）；确定椭球短轴的指向（定向）；建立大地原点。建立大地原点。l1954年北京坐标系（年北京坐标系（BJZ54）采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；大地原点在原苏联的普尔科沃；大地原点在原苏联的普尔科沃；采用多点定位法进行椭球定位；采用多点定位法进行椭球定位；高程基准为高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平均海年青岛验潮站求出的黄海平均海 水面；水面；高程异常以原苏联高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得。l 1980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（GDZ80)l椭球短轴椭球短轴Z Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X X轴在大地起始子午轴在大地起始子午面内与面内与 Z Z轴垂直指向经度轴垂直指向经度 0 0方向；方向；Y Y轴与轴与 Z Z、X X轴成右手坐标系；轴成右手坐标系；l椭球参数采用椭球参数采用IUG 1975IUG 1975年大会推荐的参数年大会推荐的参数长轴：长轴：637814063781405 5（m m）；扁率：）；扁率：1 1：298.257298.257l多点定位；椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为多点定位；椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数原则求解参数l大地高程以大地高程以19561956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。泾阳县永乐泾阳县永乐镇大地原点镇大地原点l WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系l原点是地球的质心，原点是地球的质心，Z Z轴指轴指向向BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地定义的协议地球极球极CTPCTP方向，方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0零度子午面和零度子午面和CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴和轴和Z Z、X X轴轴构成右手坐标系。构成右手坐标系。lWGS-84WGS-84椭球采用国际大地测椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第量与地球物理联合会第1717届届大会大地测量常数推荐值。大会大地测量常数推荐值。l 2000国家大地坐标系国家大地坐标系 经国务院批准，我国自经国务院批准，我国自20082008年年7 7月月1 1日起，启用日起，启用20002000国家大地坐标系。国家大地坐标系。l20002000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；个地球的质量中心；l20002000国家大地坐标系的国家大地坐标系的Z Z轴由原点指向历元轴由原点指向历元2000.02000.0的的地球参考极的方向，地球参考极的方向，X X轴由原点指向格林尼治参考子轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元午线与地球赤道面（历元2000.02000.0）的交点，）的交点，Y Y轴与轴与Z Z轴、轴、X X轴构成右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。2000国国家家大大地地坐坐标标系系采采用用的的地地球球椭椭球球参参数数的数值为：的数值为：长半轴长半轴 a6378137m扁率扁率 f=1/298.257222101 地心引力常数地心引力常数 GM3.9860044181014m3s-2 自转角速度自转角速度 7.292l1510-5rad s-11 1、地地图图投投影影平平面面坐坐标标系系 1.1.3.2 3.2 平面直角坐标系平面直角坐标系 高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 高斯投影是一种高斯投影是一种等角投影等角投影。它是由德国数学家高斯。它是由德国数学家高斯提出，后经德国大地测量学家克吕格加以补充完善，故提出，后经德国大地测量学家克吕格加以补充完善，故又称又称“高斯高斯-克吕格投影克吕格投影”，简称，简称“高斯投影高斯投影”。1 1、沿、沿N N、S S两极在参考椭球面均匀标出子午线两极在参考椭球面均匀标出子午线(经线经线)和分带。（按和分带。（按3 3、6 6等分带等分带 ）2 2、假想一个横椭圆柱面套在参考椭球面上。、假想一个横椭圆柱面套在参考椭球面上。3 3、地球表面投影到横椭圆柱面上并展开成高斯、地球表面投影到横椭圆柱面上并展开成高斯平面。平面。（1 1 1 1）投影带的划分）投影带的划分）投影带的划分）投影带的划分 为减少投影误差，我国规定为减少投影误差，我国规定按经差按经差6 6和和3 3进行投影分带。进行投影分带。l 6 6带自首子午线开始，按带自首子午线开始，按6 6的经差自西向东分成的经差自西向东分成6060个带。个带。l 3带自带自1.5 开始，按开始，按3的经差的经差自西向东分成自西向东分成120个带。个带。高斯投影带划分高斯投影带划分 6 6 带与带与3 3 带中央子午线之间的关系如图带中央子午线之间的关系如图:3 3 带的中央子午线与带的中央子午线与6 6 带中央子午线及分带子午线带中央子午线及分带子午线重合，减少了换带计算。重合，减少了换带计算。按照按照6 6 带划分的规定，第带划分的规定，第1 1带中央子午线的经度为带中央子午线的经度为3 3，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：L L。=6=6 N N3 3 （N N为为6 6 带的带号）带的带号）例：例：2020带中央子午线的经度为带中央子午线的经度为 L L。6 6 20 203 3 117 117 按照按照3 3 带划分的规定，第带划分的规定，第1 1带中央子午线的经度为带中央子午线的经度为3 3，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：L L。=3=3 n n （n n为为3 3 带的带号）带的带号）例：例：2020带中央子午线的经度为带中央子午线的经度为 L L。3 3 20 2060 60 由带号计算中央子午线经度由带号计算中央子午线经度由带号计算中央子午线经度由带号计算中央子午线经度 若已知某点的经度为若已知某点的经度为L L，则该点的，则该点的6 6带的带号带的带号N N由由下式计算：下式计算：N N （取整）（取整）+1+1 若已知某点的经度为若已知某点的经度为L L，则该点所在，则该点所在3 3带的带号按带的带号按下式计算：下式计算：n n （四舍五入）（四舍五入）由子午线经度由子午线经度由子午线经度由子午线经度计算带号计算带号计算带号计算带号SNc子子子子午午午午线线线线中中中中央央央央赤道赤道高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中中央央子子午午线线对每一分对每一分带，以中带，以中央子午线央子午线为基础，为基础，分别进行分别进行正形投影。正形投影。（2 2 2 2）投影）投影）投影）投影1 1）中央子午线中央子午线投影后为直线，且投影后为直线，且为投影的对称轴，为投影的对称轴，长度不变长度不变。2 2）除中央子午线外，其余子午线）除中央子午线外，其余子午线的投影均为凹向中央子午线的的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午线为对称曲线，并以中央子午线为对称轴。投影后有长度变形。轴。投影后有长度变形。3 3）赤道线投影后为直线，但有长）赤道线投影后为直线，但有长度变形。度变形。赤道赤道中央子午线中央子午线平行圈平行圈子午线子午线O Ox xy y高斯投影的特性高斯投影的特性高斯投影的特性高斯投影的特性4 4）除赤道外的其余纬线，投影后）除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴。对称轴。5 5）经线与纬线投影后仍然保持正）经线与纬线投影后仍然保持正交。交。6 6）所有长度变形的线段，其长所有长度变形的线段，其长度变形比均大于度变形比均大于l l。7 7）离中央子午线愈远，长度变形离中央子午线愈远，长度变形愈大。愈大。赤道赤道中央子午线中央子午线平行圈平行圈子午线子午线O Ox xy y（3 3 3 3）坐标系的建立）坐标系的建立）坐标系的建立）坐标系的建立 x x轴轴 中央子午线的投影中央子午线的投影 y y轴轴 赤道的投影赤道的投影 原点原点O O 两轴的交点两轴的交点OxyP（X，Y）高斯自高斯自然坐标然坐标注：注：X轴向轴向北北为为正正，y轴向轴向东东为为正正。赤道赤道中央子午线中央子午线 由于我国的位于北半由于我国的位于北半球，东西横跨球，东西横跨1212个个6 6带，带，各带又独自构成直角坐各带又独自构成直角坐标系。标系。故：故：X X值均为正，值均为正，而而Y Y值则有正有负值则有正有负。世界地图世界地图赤赤 道道xyo500km =500000+=+636780.360m =500000+=+227559.720m国家统一坐标：国家统一坐标：（带号）（带号）（带号）（带号）不同点：不同点：1 1、x x，y y轴互异。轴互异。2 2、坐标象限不同。、坐标象限不同。3 3、表示直线方向的方位角、表示直线方向的方位角 定义不同。定义不同。相同点：相同点：数学计算公式相同。数学计算公式相同。（4 4）高斯平面直角坐标系与数学上的笛卡尔平）高斯平面直角坐标系与数学上的笛卡尔平面直角坐标系的异同点面直角坐标系的异同点 ：高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系笛卡尔坐标系笛卡尔坐标系ooyyxxpp x=Dcos y=y=DsinDsin x=Dcos y=y=DsinDsinDD2 2、独立平面直角坐标独立平面直角坐标OXY测区北 当测区范围较小时，地面点当测区范围较小时，地面点的位置可用独立平面直角坐标确的位置可用独立平面直角坐标确定；定；坐标系原点一般选在测区西坐标系原点一般选在测区西南角，假定其坐标值（测区内南角，假定其坐标值（测区内X X、Y Y均为正值）；均为正值）；规定：规定：X X轴向北为正轴向北为正 Y Y轴向东为正轴向东为正1.1.3.3 3.3 地面点的高程地面点的高程 1、绝对高程、绝对高程：地面点到：地面点到大地水准面大地水准面 的铅垂距的铅垂距离，也称海拔。离，也称海拔。l1956年黄海高程系年黄海高程系l1985年国家高程基准年国家高程基准A A大地水准面HAB BHB水准原点水准原点H0验验潮潮站站大地水大地水准面准面72.26072.26072.28972.289 3、高差、高差：两点之间高程的差值称为高差。：两点之间高程的差值称为高差。hAc=Hc-HA 2、相对高程：地面点到一般水准面的铅垂距、相对高程：地面点到一般水准面的铅垂距离，又称为假定高程。离，又称为假定高程。高差具有方向性，其值高差具有方向性，其值有正负之分；有正负之分；高差的大小和高程的基高差的大小和高程的基准面无关。准面无关。经纬仪测绘法经纬仪测绘法DDD1.1.4 4 测量工作的原则和程序测量工作的原则和程序1.1.4.2 4.2 测量工作应遵循的原则测量工作应遵循的原则 1、由高级到低级，由控制到碎部。、由高级到低级，由控制到碎部。2、步步有检核。、步步有检核。1.1.4.1 4.1 测量工作的三个基本观测量测量工作的三个基本观测量 高差、角度、距离高差、角度、距离