哈工大测量学第一章课件.ppt

工作单位：哈尔滨工业大学交通学院测量教研中心讲授教师：孔凡玉联系方式：13904664815,测量学,第一章绪论第一节测量学的产生与组成第二节测量学的发展与作用第三节地球的形状和大小第四节地面点位的确定第五节水准面的曲率对测量的影响第六节地面点位的确定原理,第一节测量学的产生与组成测量学的产生1、生产、生活的需要-建筑、农田、水利建设等2、军事、交通运输的需要-旅行、航海等。,测量学是一门研究地面点位的空间位置的确定,将地球表面的地貌、地物、行政和权属界线测绘成图，以及将规划设计的点和线在实地定位的科学，它包括测绘和测设（施工放样）两部分。,测量学科的组成,大地测量学(Geodesy)是研究和确定地球形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。其基本任务是建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和重力场，为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据；为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料。按照测量手段的不同，大地测量学又分为常规大地测量学、卫星大地测量学及物理大地测量学等。,地图制图学(Cartography)是研究模拟和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术、方法以及应用的学科。它的基本任务是利用各种测量成果编制各类地图，其内容一般包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图制印等分支。,摄影测量与遥感(Photogrammetryandremotesensing)是研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。其基本任务是通过对摄影像片或遥感图像进行处理、量测、解译，以测定物体的形状、大小和位置进而制作成图。根据获得影像的方式及遥感距离的不同，本学科又分为地面摄影测量学，航空摄影测量学和航天遥感测量等。,工程测量学(Engineeringsurveying)工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。各项工程包括：工业建设、铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线（输电线、输油管）工程、矿山和城市建设等。一般的工程建设分为规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。工程测量学是研究这三阶段所进行的各种测量工作。,土木工程测量学属于工程测量学范畴，即研究各种工程在规划设计、施工放样、竣工验收和运营中测量的理论和方法，它主要面向土木建筑、环境、道路、桥梁、水利等学科。主要任务是：（1）研究测绘地形图的理论和方法测图（2）研究在地形图上进行规划、设计的基本原理和方法图的应用（3）研究建筑物施工放样、建筑质量检验的技术和方法放样（测设）（4）对大型建筑物的安全性进行位移和变形监测,测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。,地形测量学(普通测量学)是研究如何将地球表面局部区域内的地物、地貌及其它有关信息测绘成地形图的理论、方法和技术的学科。按成图方式的不同地形测图可分为模拟化测图和数字化测图。,“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。要有地利就要了解和利用地利。地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定位置、辨识方向的作用。地图一直在军事活动中起着重要的作用，这对于行军、布防以及了解敌情等军事活动都是十分重要的。因此，早就成为军事上不可缺少的工具，获得广泛的应用。,第二节测量学的作用与发展,人造卫星定位技术（GPS)早期用于军事部门，后逐步解密才在测绘及其它众多部门中获得应用、海洋测量技术首先是由航海的需要而产生，但其高速发展的动力主要来自军事部门的需要等等。至今军事测绘部门仍在测绘领域科技前沿对重大课题进行探索和研究传统上各国测绘部门隶属于军事部门。至今相当多国家的测绘部门仍然隶属于军事部门。随着测绘技术在各方面的应用愈来愈广泛，测绘科技国际间的交流日益频繁，不少国家终于建立了民用的测绘机构。,测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。非洲尼罗河每年泛滥会把土地的界线冲刷掉，为了每年恢复土地的界线很早就采用了测量技术地籍测量早期亦称“土地测量”、“土地清丈”等。用以测定地块的边界和坐落，求算地块的面积，在农业为主的社会里，国家为了征税而开展地籍测量，同时记录业主姓名和土地用途等。在我国,地籍测量是国家管理土地的基础。地籍测量的成果不仅用于征税，还用于管理土地的权属以保障用地的秩序，为了提高土地利用的效益、合理和节约利用十分珍贵和有限的土地。,1勘测设计阶段为选线测绘带状地形图。2施工阶段把线路和各种建筑物正确地测设到地面上。3竣工测量对建筑物进行竣工测量。4运营阶段为改建、扩大建而进行的各种测量。5变形观测为安全运营，防止灾害进行变形测量。,在很长的一段时间内是非常缓慢的。直到二十世纪初，由于西方的第一、二次技术革命和工程建设规模的不断扩大，工程测量学才受到人们的重视，并发展成为测绘学的一个重要分支。以核子、电子和空间技术为标志的第三次技术革命，使工程测量学获得了迅速的发展。20世纪50年代，世界各国在建设大型水工建筑物、长隧道、城市地铁中，对工程测量提出了一系列要求；20世纪60年代，空间技术的发展和导弹发射场建设促使工程测量进一步发展；,20世纪70年代以来，高能物理、天体物理、人造卫星、宇宙飞行、远程武器发射等，需要建设各种巨型实验室，从测量精度和仪器自动化方面都对工程测量提出了更高的要求。二十世纪末，人类科学技术不断向着宏观宇宙和微观粒子世界延伸，测量对象不仅限于地面而且深入地下、水域、空间和宇宙，如核电站、摩天大楼、海底隧道、跨海大桥、大型正负电子对撞机等。由于仪器的进步和测量精度的提高，工程测量的领域日益扩大，除了传统的工程建设三阶段的测量工作外，在地震观测、海底探测、巨型机器、车床、设备的荷载试验、高大建筑物（电视发射塔、冷却塔）变形观测、文物保护，甚至在医学上和罪证调查中，都应用了最新的精密工程测量仪器和方法。,第三节地球的形状和大小测量工作是在地球表面较大范围内进行的。一、地球自然表面不规则曲面平均半径6371km珠峰+8844.43m，马里亚那海沟-11022m，海洋71%,陆地29%,二、大地水准面（meansealevel）,人们设想将静止的海水面向整个陆地延伸，用所形成的封闭曲面代替地球表面，将这个封闭曲面称为水准面。同一水准面上的重力位处处相等；同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交。与平静的平均海水面相重合、并延伸通过陆地而形成的封闭曲面称为大地水准面。大地水准面包围的形体称为大地体(Geoid)。,由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地水准面是个复杂的曲面水准面和铅垂线是野外观测的基准面和基准线。,三、旋转椭球体（ellipse）,由于大地水准面是不规则曲面，无法准确描述和计算。也难以在其面上处理测量成果。,为了便于正确地计算测量成果，准确表示地面点的位置，测量上选用一个大小和形状接近大地球体的旋转椭球体作为地球的参考形状和大小，称为参考椭球体。长半径a=6378140m短半径b=6356755m扁率=(a-b)/a=1/298.257,经度与纬度（LatitudeandLatitude）,子午面-地球上任一点的铅垂线与地轴所组成的平面。经度-所在的子午面与首子午面（过英国格林尼治天文台）的夹角,纬度-所在点的铅垂线与赤道平面之间的夹角。,第四节地面点位的确定地面点位的确定是测量工作的根本任务。要确定地面某点的空间位置，通常是求出该点相对于某基准面和基准线的三维坐标或二维坐标。,一.地理坐标系,（一）天文地理坐标系（）天文地理坐标系是用天文经度和天文纬度表示地面点投影在大地水准面上的位置。,测量（天文经纬度）的外业以铅垂线为准大地水准面和铅垂线是天文地理坐标系的主要面和线地面点的坐标是它沿铅垂线在大地水准面上投影点的经度和纬度,（二）大地地理坐标系（）大地地理坐标系是用大地经度和大地纬度表示地面点投影在地球椭球面上的位置。大地地理坐标系是建立在地球椭球面上的坐标系地球椭球面和法线是大地地理坐标系的主要面和线地面点的大地坐标是它沿法线在地球椭球面上投影点的经度L和纬度B,二.地心坐标地心坐标系属空间三维直角坐标系，用于卫星大地测量。,地心平坐标系是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。,x,o,y,z,三.平面直角坐标系地理坐标系和地心坐标系确定地面点位一般适用于少数高级控制点或作为初始的计算，若将其直接用于工程建设规划、设计、施工等，则很不方便，所以有必要把球面上的点位化算到平面上。即采用地图投影的理论绘制地形图。,(一)高斯平面直角坐标系,A,B,C,D,O,N,S,(一)高斯平面直角坐标系6投影带和3投影带,6投影带从零子午线开始每隔6为一个投影带，第一个6带的中央子午线的经度为3，第二个6带的中央子午线的经度为9，依次类推。第N带的中央子午线经度为：3投影带从东经130的子午线开始经差每隔3划分一个投影带，其第一带的中央子午线是东经3，第二带中央子午线是东经6,依次类推。第N带的中央子午线经度为：例如：北京11624,(一)高斯平面直角坐标系,1、与数学上的平面直角系有区别；2、为保证y为正,y加500km；3、为区分各带，y前加带号。4、地面的点位用（x,y,H)来表示。如某点的高斯平面坐标为：xA=42345678.87cmYA=20638543.51mHA=32.456m,国家地理范围：约从东经:72138，北纬：2546带带号（1223）；3带带号（2444）,高斯（CarlFriedrichGauss,17771855）德国数学家、天文学家、物理学家、大地测量学家,(二)地区平面直角坐标如果测量的范围较小，可以将测量范围球面当作平面看待,并将坐标原点选在西南角,该区中心子午线为轴方向。建立该地区的独立平面直角坐标系。,(三)建筑坐标系是指所采用的平面直角坐标系与建筑设计的轴线相平行或垂直，对于前后、左右都对称的建筑物，也可以把坐标原点设置在其对称中心，以简化计算。,1、坐标轴原点2、坐标轴方向3、坐标转换公式如下：,X,O,O,P,Y,YO,XO,YP,XP,X,Y,国家大地坐标系介绍,1、1954年北京坐标系建国初期，一方面废除了南京大地原点，又由于当时工作的急需和历史原因，从前苏联原点传算过来的北京地区某大地点的坐标作为我国的大地测量的起算数据，既所谓的1954年北京坐标系实际上它是以原苏联当时采用的1942年普尔科沃坐标系为基础建立起来的。采用克氏椭球，大地原点在现在俄罗斯的普尔科沃。,2、1980年国家大地坐标系鉴于1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准拟合不好等缺点。建立我国新的大地坐标系是必要的。1980年国家大地坐标系采用IGA-75椭球，大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，按局部密切条件重新定位。,国家大地原点外貌（陕西省泾阳县永乐镇）,中华人民共和国大地原点，占地570平方米，主体建筑面积500平方米。大地原点的整个设施由主体建筑、中心标志、仪器台、投影台四部分组成。主体建筑为7层圆顶塔楼，高26米，顶部是玻璃钢整体半圆形屋顶，可自动启闭，以便进行天文观测。中心标志是位于地十室中心标石上的玛瑙标志。原点标石为整块花岗岩凿成，重7吨。原点标志用红色玛瑙石制成，直径10厘米，精美坚固。仪器台设在第7层仪器室内。投影台设于主体外北、东南、西南三个方向的三个亭式建筑中，亭中有仪器墩。大地原点对外开放，可参观游览，也是开展科普知识教育的好地方。,绝对高程（海拔）地面点到大地水准面的铅垂距离。假定高程（相对高程）地面点到假定水准面的铅垂距离。高差两点间的各处之差。,四地面点的高程(Elevation),、两点的相对高程为，建筑工地常以建筑物地面层的设计地坪为高程零点，其他部位的高程均相对于地坪而言，称为标高。标高也属相对高程。地面上两点间的高程差称为高差，用表示，、两点高差为：,国家高程系介绍,1、1956年黄海高程系根据青岛验潮站1950-1956年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。由此建立的水准原点其高程为72.289m。2、1985年国家高程基准由于1956年黄海高程系采用的资料较短，不到一个潮汐周期。根据青岛验潮站1952-1979年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。水准原点的高程为72.260m。,国家水准原点外貌（青岛观象山）,第五节水准面的曲率对测量的影响在土木工程测量中，由于测区范围小，或者工程对测量精度要求较低时，为了简化投影计算，常将椭球面视为球面，甚至将球面视为平面。直接将地面点沿垂线投影到平面上，进行几何计算或绘图，但投影到平面上会产生变形，称为水准面曲率的影响。,一.水准面曲率对距离测量的影响在半径为km测区内，可以用平面代替大地水准面。,在km的距离上，高差误差就有cm。因此，当进行高程测量时，应考虑水准面曲率的影响。,上式中，用D代替D，同时与2R相比可忽略不计，简化为：,二.水准面曲率对高差测量的影响,设,第六节地面点位的确定原理地物包括地面上人造或天然固定物体,如房屋、道路、河流、湖泊等。地貌是指地球表面高低起伏的形态，如山峰、河谷、平原、悬崖等。地物和地貌统称为地形。,测定地物和地貌的三维坐标，并用平面图形表示，称为地形图。地形测量实际是在地物和地貌上选择一些有代表性的点进行测量，将测量点投影到平面上，然后用点、折线、曲线连接起来表示地物和地貌。这些能表现地物和地貌特征的点称为特征点。,距离测量、角度测量和高差测量是确定地面点位的基本测量工作。在测区内选择若干有控制意义的点，即控制点。,测量工作应遵循的原则：在测量布局上，是由整体到局部。在测量次序上，是先控制后细部。在测量精度上，是从高级到低级。,