测量学的基本知识及测量成果应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,测量学的基本知识及测量成果应用,中兵勘察设计研究院 翁克勤,2011,年,12,月,18,日,目 录,一、测量学的基本知识,二、电力设计院业务与测量的关系,三、测量坐标系统,四、测量高程系统,五、测量工作分类,六、测绘成果提交,七、,GPS,定位的坐标系统,八、,GPS,定位原理,九、,GPS,测量数据处理与应用,一、测量学的基本知识,1.1,测量学的基本概念,传统的测量学是以地球为研究对象，对地球进行测定和描绘的科学，是利用测量仪器和工具测定地球表面自然的形态、森林植被、土壤、湖泊和各种人工设施的形态、大小、空间位置及其属性等，然后将地面的自然形态和人工设施等绘制成地图。随着科学技术的发展和社会的进步，测量学的研究对象不仅是地球，还需要将其研究范围扩大到地球外层空间的各种自然和人造实体。,1.2,测量学的分类,测量学是测量科学技术的总称，它所涉及的技术领域，按照研究内容和测量手段的不同，分为许多分支科学，这些学科有：,1,）天文测量学、,2,）大地测量学、,3,）地形测量学、,4,）遥感测量学、,5,）摄影测量学、,6,）工程测量学、,7,）海洋测量学、,8,）地图测量学、,9,）地理 信息学、,10,）边界测量及测量平差理论等。,工程测量学：,是研究工程测量和自然资源开发在规划设计、施工放样和运营管理各阶段中进行测量工作的理论、技术和方法的科学，是测量学中最活跃的一个分支学科，所以又称为实用测量学或应用测量学。（工程测量按照建设的对象又分为城市测量、铁路工程测量、公路工程测量、水利测量、地籍测量、建筑测量、工业厂区施工安装测量、矿山测量、施工测量、变形测量、地下管线测量、竣工测量等。）,大地测量学：,是研究地球的大小、形状和重力场，测定地球表面广大地区的点位和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。,地图测量学：,是研究如何将地球表面较小区域内的自然地物和人工地物以及地球表面高低起伏的形态等测绘成地形图的基本理论、技术和方法的学科。,摄影测量学：,是利用航空或航天器对地面摄影或遥感，以获得地物和地貌的摄影或光谱，然后在对这些信息进行处理、量测、判释和研究，以确定被测物体的形态、大小和位置，并判断其性质，将地表形态和人工设施的影像信息用模拟的、解释的或数字的方式转变成各种比例尺的地形原图或形成地理数据库、并用图形、图像和数字形态来表达测量成果的基本理论和方法的一门学科。,海洋测量学：,是研究测量海岸、水体表层及海底自然与人工形态及其变化状况的理论、技术和方法的学科。,制图学：,是以地图信息传输为中心，探讨地图的编制及其制作的理论、工艺技术及其应用的一门综合性学科。,1.3,测量学的任务,确定地球的形状和大小，在已知地球的形状和大小及其重力场的基础上，建立统一的坐标和高程系统、精确的测定地面点的平面位置和高程。利用现代测量手段对地球表面和外层空间的各种自然和人造物体的几何、物理和人文信息及其时间变化进行采集、量测，再通过计算机和网络进行存储、分析、显示、分发和利用。进行国民经济建设和国防建设所需要的测量工作，以推动生产与科技的发展。,1.4.,地球的形态和大小,测量工作在地球表面上进行的，应知道地球的形状和大小。由于地球表面,71%,被海水覆盖，可以把海水所覆盖的地球形体看作地球的形状。虽然地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地及海洋等地物地貌，世界最高的珠穆拉玛峰高程,8844.43m,，最深的马里亚纳海沟深达,11022m,，地球的自然表面高低起伏最大近,20Km,，但这种起伏不到地球半径,6378.14Km,的,1/300,，对地球总体形状的影响可忽略不计。,大地水准面是测量工作的基准面。但是由于地球内部质量分布不均匀，致使大地水准面成为一个复杂的曲面。为此选用一个非常接近大地水准面，并使用数学式表达的几何形体来代表地球的总形状，称为旋转椭球体。它们的关系见图,1-1,1.5,地面点的表示方式,测量工作的基本任务是确定地面点的空间位置。地面点的空间位置通常是用地面点在球面或平面上的投影位置（即地面点的坐标），以及地面点到大地水准面的铅垂距离（即地面点的高程）来描述的。,旋转椭球体是由一椭球面（长半轴为,a,、短半轴,b,）绕其短半轴,b,旋转而成的椭球体。长半轴,a,、短半轴,b,、扁率,是决定旋转体的形状和大小的元素，随着测绘科学的进步，可以越来越精确的测定这些元素。目前,a=6378140m,=1/298.257,，,b=6356755.288m,。,由于扁率很小，当测区不大时，可将地球当做为半径,6371Km,的圆球。当测区面积很小时，可用水平面代替水准面，作为局部地区的测量基准面。,二、电力设计院业务与测量的关系,预可研阶段,可研阶段,规划阶段,选址选线,设计阶段,施工阶段,竣工阶段,运营维护阶段,卫星遥感测量,航空摄影测量,航空摄影测量,数字地形测量,施工测量、变形测量,竣工测量、变形测量,地理信息建立,航空影像,小比例尺地图,中比例尺地形图,大比例尺数字地形图,放样、安装、变形控制,大比例尺现状图,资源管理系统,三、测量坐标系统,1,、天球坐标系,-,协议天球坐标系（瞬时平天球坐标系（岁差）、瞬时天球坐标系（章动）,2,、地球坐标系,-,协议地球坐标系（瞬时地球坐标系（极移）,3,、协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换,转换公式,:,1,）两坐标系的原点均位于地球的质心；,2,）瞬时天球坐标系的,z,轴与瞬时地球坐标系的,Z,轴指向一致；,3,）瞬时天球坐标系的,x,轴与瞬时地球坐标系的,X,轴指向不同，且其夹角为春分点的格林威治恒星时。,在,GPS,卫星定位测量中，通常在协议天球坐标系中研究卫星运动轨道；而在协议地球坐标系中研究地面点的坐标。,4,、地球参心坐标系,5,、国家大地坐标系,1,）,1954,年北京坐标系（参心）,1954,北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于前苏联,1942,年普尔科夫坐标系。,椭球：克拉索夫斯基椭球,长半轴,a,：,6378245m,扁率,f,：,1/298.3,高程：以,1956,年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准,2,）,1980,年西安坐标系（参心）,a.,全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面上进行。为此首先需要建立一个新的大地坐标系，并名之为,1980,国家大地坐标系；,b.1980,国家大地坐标系的大地原点定在我国中部。具体选在陕西泾阳县永乐镇,c.,采用国际大地测量和地球物理联合会,1975,年推荐的四个地球椭球参数（,a,J2,GM,omega,），并根据这四个参数求解椭球扁率和其它参数。（,a=6378140m,；,GM=3.986005*pow,（,10,，,14,）；,J2=1.08263*pow,（,10,，,-8,）；,omega=7.292115*pow,（,10,，,-5,）,d.1980,年国家大地坐标系的椭圆短半轴平行于地球质心指向我国地极原点,JYD1968.0,方向；大地起始子午面平行于格林尼治天文台的平均子午面,e.,高程方向的约束条件：椭球定位参数以我国范围内,-,高程异常值平方和,-,最小。,3,）新,1954,年北京坐标系（参心）,4,）,2000,国家大地坐标系（地心）,地心系,CGCS2000,的定义如下：,a.,原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心,b.,长度单位：国际单位制,m,，与局部地心框架下的地心坐标时一致，通过适当,c.,定向：初始定向由,1984.0,时的,BIH,定向给出,d.,定向的时变：定向的时变不产生相对于地壳的残余全球旋转,e.CGCS2000,大地坐标系是右手地固直角坐标系（直角坐标系包括笛卡尔空间直角坐标系（,X,、,Y,、,Z,）和空间大地直角坐标系（,B,、,L,、,H,）。原点位于地球质心；,Z,轴与,IERS,参考极（,IRP,）方向一致，,X,轴为,IERS,参考子午面（,IRM,）与垂直于,Z,轴的赤道面的交线，,Y,轴与,Z,轴、,X,轴垂直并最终形成右手正交系。,参考椭球采用,2000,参考椭球，其相应参数为：,a=6378137m,，,f,：,1/298.257222101,GM=3.986004418*pow,（,10,，,14,）,omega=7.292115*pow,（,10,，,-5,）,5,）城市坐标系或独立坐标系（参心）,6,）站心坐标系,6,、高斯平面直角坐标系与,UTM,坐标系,参心椭球坐标的平面投影,：等角投影、等面积投影、等距离投影和任意投影。,世界各国常采用的是高斯与,UTM,两种投影，它的特征,：,1,）等角投影；,2,）中央子午线投影为纵坐标轴，且是投影点的对称轴；,3,）高斯投影中央子午线长度变形参数为,1,；,UTM,长度投影变形参数为,0.9996.,6,、高斯平面直角坐标,当测区范围较大时，由于有比较大的差异，不能用水平面代替球面，而是要采取高斯投影面。高斯投影的方法从首子午线起每隔经差,6,为一带。自西向东将整个地球分成,60,个带。各带号,N=1,、,260,。第一个,6,带中央子午线的经度为,3,，任意一带中央子午线经度,LO=6N,3,。在大比例尺测图中，要求棱形变更小，可用,3,带或,1.5,带投影。,在高斯平面直角坐标系中，以每一带的中央子午线的投影为直角坐标系的纵轴,X,，向北为正，向南为负，以赤道的投影为直角坐标系的横轴,Y,，向东为正，向西为负，两轴交点,O,为坐标系原点。由于我国领土位于北半球，因此,X,坐标均为正值，,Y,坐标可能有正有负，为了避免出现负值，将横坐标值加,500km,。,四、测量高程系统,地面点到大地水准面的铅垂距离，称为绝对高程，又称海拔高。见图,1.7,，受海潮、风浪影响，海水面的高低时刻在变化。我国在青岛设立验潮站，进行长期观测，取黄海平均海水面作为高程基准面，建立“,1956,年黄海高程系”其原点高程为,72.289m,，即采用青岛水准原点和根据青岛设立验潮站从,1950,年,1956,年的验潮数据确定的黄海平均海水面所定义的高程基准。,1987,年废止并启用“,1985,年国家高程基准”，其原点高程为,72.260m,，即采用青岛水准原点和根据青岛设立验潮站从,1956,年,1979,年的验潮数据确定的黄海平均海水面所定义的高程基准。,确定地面点高程的测量工作，称为高程测量。国家高程控制测量分为四个等级。高程控制网的建立主要用水准测量的方法获得。,一、二等水准测量称为精密水准测量，在全国范围内沿主要干道、河流等整体布设，构成网状；三、四等水准网，在高等级水准环内进一步的加密。,五、测量工作分类,1,、平面控制测量（,GPS,测量、三角测量、导线测量、,RTK GPS,测量等）,2,、高程控制测量（水准测量、三角高程测量、,GPS,测量等）,3,、数字地形测量（各种比例尺数字摄影测量、数字地形测量、三维高程模型、线划图、正射影像图、栅格地图等）,4,、纵横断面测量,5,、线路测量,6,、施工测量,7,、摄影测量,8,、安装测量,9,、变形测量,10,、地理信息系统,1.,控制测量,控制测量就是在整个测区范围内用精密测量仪器和一定的方法测定少量大致均匀分布的点，确定这些点的空间位量（,x,、,y,、,h,）,这些点称为控制点。控制点为地形图测绘和各种工程测量、施工测量提供控制基础和计算依据。控制测量分平面控制测量和高程控制测量。,1.1,平面控制测量,国家平面控制网按其测量精度分为一、二、三、四等四个等级。按照使用的仪器和采用的测量方法的不同，平面控制测量的方法分为：三角测量、导线测量和卫星全球定位（,GPS,）测量。,1.2,国家三角控制网,我国的国家平面控制网首先是建立一等天文大地锁网，在全国范围内大致沿经线和纬线方向布设成格网式（见图,2-2,），格网间距约,200km,，