1、工作單位：哈爾濱工業(yè)大學 交通學院測量教研中心 講授教師：孔凡玉 聯(lián)系方式測量學,第一章緒 論 第一節(jié) 測量學的產(chǎn)生與組成 第二節(jié) 測量學的發(fā)展與作用 第三節(jié) 地球的形狀和大小 第四節(jié) 地面點位的確定 第五節(jié) 水準面的曲率對測量的影響 第六節(jié) 地面點位的確定原理,第一節(jié) 測量學的產(chǎn)生與組成 測量學的產(chǎn)生 1、生產(chǎn)、生活的需要-建筑、農(nóng)田、水利建設等 2、軍事、交通運輸?shù)男枰?旅行、航海等。,測量學是一門研究地面點位的空間位置的確定,將地球表面的地貌、地物、行政和權屬界線測繪成圖，以及將規(guī)劃設計的點和線在實地定位的科學，它包括測繪和測設（施工 放樣）兩部分。,測量學科的

2、組成,大地測量學(Geodesy ) 是研究和確定地球形狀、大小、重力場、整體與局部運動和地表面點的幾何位置以及它們的變化的理論和技術的學科。其基本任務是建立國家大地控制網(wǎng)，測定地球的形狀、大小和重力場，為地形測圖和各種工程測量提供基礎起算數(shù)據(jù)；為空間科學、軍事科學及研究地殼變形、地震預報等提供重要資料。按照測量手段的不同，大地測量學又分為常規(guī)大地測量 學、衛(wèi)星大地測量學及物理大地測量學等。,地圖制圖學(Cartography) 是研究模擬和數(shù)字地圖的基礎理論、設計、編繪、復制的技術、方法以及應用的學科。它的基本任務是利用各種測量成果編制各類地圖，其內(nèi)容一般包括地 圖投影、地圖編制、地圖整飾和

3、地圖制印等分支。,攝影測量與遙感 (Photogrammetry and remote sensing) 是研究利用電磁波傳感器獲取目標物的影像數(shù)據(jù)，從中提取語義和非語義信息，并用圖形、圖像和數(shù)字形式表達的學科。其基本任務是通過對攝影像片或遙感圖像進行處理、量測、解譯，以測定物體的形狀、大小和位置進而制作成圖。根據(jù)獲得影像的方式及遙感距離的不同，本學科又分為地面攝影測量學，航空攝影測量學和航天遙感測量等。,工程測量學(Engineering surveying) 工程測量學是研究各項工程在規(guī)劃設計、施工建設和運營管理階段所進行的各種測量工作的學科。 各項工程包括：工業(yè)建設、鐵路、公路、橋梁、隧

4、道、水利工程、地下工程、管線（輸電線、輸油管）工程、礦山和城市建設等。一般的工程建設分為規(guī)劃設計、施工建設和運營管理三個階段。工程測量學是研究這三階段所進行的各種測量工作。,土木工程測量學屬于工程測量學范疇，即研究各種工程在規(guī)劃設計、施工放樣、竣工驗收和運營中測量的理論和方法， 它主要面向土木建筑、環(huán)境、道路、橋梁、水利等學科。 主要任務是： （1） 研究測繪地形圖的理論和方法測圖 （2） 研究在地形圖上進行規(guī)劃、設計的基本原理和方法 圖的應用 （3） 研究建筑物施工放樣、建筑質(zhì)量檢驗的技術和方法 放樣（測設） （4）對大型建筑物的安全性進行位移和變形監(jiān)測,測量儀器學 研究測量儀器的制造、改進

5、和創(chuàng)新的學科。,地形測量學(普通測量學) 是研究如何將地球表面局部區(qū)域內(nèi)的地物、地貌及其它有關信息測繪成地形圖的理論、方法和技術的學科。按成圖方式的不同地形測圖可分為模擬化測圖和數(shù)字化測圖。,“天時，地利，人和”是打勝仗的三大要素。 要有地利就要了解和利用地利。 地圖上詳細表示著山脈、河流、道路、居民點等地形和地物，具有確定位置、辨識方向的作用。 地圖一直在軍事活動中起著重要的作用，這對于行軍、布防以及了解敵情等軍事活動都是十分重要的。因此，早就成為軍事上不可缺少的工具，獲得廣泛的應用。,第二節(jié) 測量學的作用與發(fā)展,人造衛(wèi)星定位技術（GPS)早期用于軍事部門，后逐步解密才在測繪及其它眾多部門中

6、獲得應用、海洋測量技術首先是由航海的需要而產(chǎn)生，但其高速發(fā)展的動力主要來自軍事部門的需要等等。至今軍事測繪部門仍在測繪領域科技前沿對重大課題進行探索和研究 傳統(tǒng)上各國測繪部門隸屬于軍事部門。至今相當多國家的測繪部門仍然隸屬于軍事部門。隨著測繪技術在各方面的應用愈來愈廣泛，測繪科技國際間的交流日益頻繁，不少國家終于建立了民用的測繪機構。,測量學的起源和土地界線的劃定緊密聯(lián)系著。非洲尼羅河每年泛濫會把土地的界線沖刷掉，為了每年恢復土地的界線很早就采用了測量技術 地籍測量 早期亦稱“土地測量”、“土地清丈”等。用以測定地塊的邊界和坐落，求算地塊的面積，在農(nóng)業(yè)為主的社會里，國家為了征稅而開展地籍測量，

7、同時記錄業(yè)主姓名和土地用途等。 在我國,地籍測量是國家管理土地的基礎。地籍測量的成果不僅用于征稅，還用于管理土地的權屬以保障用地的秩序，為了提高土地利用的效益、合理和節(jié)約利用十分珍貴和有限的土地。,1勘測設計階段 為選線測繪帶狀地形圖。 2施工階段 把線路和各種建筑物正確地測設到地面上。 3竣工測量 對建筑物進行竣工測量。 4運營階段 為改建、擴大建而進行的各種測量。 5變形觀測 為安全運營，防止災害進行變形測量。,在很長的一段時間內(nèi)是非常緩慢的。直到二十世紀初，由于西方的第一、二次技術革命和工程建設規(guī)模的不斷擴大，工程測量學才受到人們的重視，并發(fā)展成為測繪學的一個重要分支。以核子、電子和空間

8、技術為標志的第三次技術革命，使工程測量學獲得了迅速的發(fā)展。 20世紀50年代，世界各國在建設大型水工建筑物、長隧道、城市地鐵中，對工程測量提出了一系列要求； 20世紀60年代，空間技術的發(fā)展和導彈發(fā)射場建設促使工程測量進一步發(fā)展；,20世紀70年代以來，高能物理、天體物理、人造衛(wèi)星、宇宙飛行、遠程武器發(fā)射等，需要建設各種巨型實驗室，從測量精度和儀器自動化方面都對工程測量提出了更高的要求。 二十世紀末，人類科學技術不斷向著宏觀宇宙和微觀粒子世界延伸，測量對象不僅限于地面而且深入地下、水域、空間和宇宙，如核電站、摩天大樓、海底隧道、跨海大橋、大型正負電子對撞機等。由于儀器的進步和測量精度的提高，工

9、程測量的領域日益擴大，除了傳統(tǒng)的工程建設三階段的測量工作外，在地震觀測、海底探測、巨型機器、車床、設備的荷載試驗、高大建筑物（電視發(fā)射塔、冷卻塔）變形觀測、文物保護，甚至在醫(yī)學上和罪證調(diào)查中，都應用了最新的精密工程測量儀器和方法。,第三節(jié) 地球的形狀和大小 測量工作是在地球表面較大范圍內(nèi)進行的。 一、地球自然表面 不規(guī)則曲面 平均半徑6371km 珠峰+8844.43m，馬里亞那海溝-11022m， 海洋71%,陸地29%,二、大地水準面（mean sea level）,人們設想將靜止的海水面向整個陸地延伸，用所形成的封閉曲面代替地球表面，將這個封閉曲面稱為水準面。 同一水準面上的重力位處處相

10、等； 同一水準面上任一點的鉛垂線都與水準面相正交。 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。 大地水準面包圍的形體稱為大地體(Geoid)。,由于地表起伏以及地球內(nèi)質(zhì)量分布不均勻，所以大地水準面是個復雜的曲面 水準面和鉛垂線是野外觀測的基準面和基準線。,三、旋轉(zhuǎn)橢球體（ellipse）,由于大地水準面是不規(guī)則曲面，無法準確描述和計算。也難以在其面上處理測量成果。,為了便于正確地計算測量成果，準確表示地面點的位置，測量上選用一個大小和形狀接近大地球體的旋轉(zhuǎn)橢球體作為地球的參考形狀和大小，稱為參考橢球體。 長半徑 a=6378140m 短半徑b=6356755m 扁

11、率=(a-b)/a=1/298.257,經(jīng)度與緯度（Latitude and Latitude）,子午面-地球上任一點的鉛垂線與地軸所組成的平面。 經(jīng)度-所在的子午面與首子午面（過英國格林尼治天文臺）的夾角,緯度-所在點的鉛垂線與赤道平面之間的夾角。,第四節(jié) 地面點位的確定 地面點位的確定是測量工作的根本任務。要確定地面某點的空間位置，通常是求出該點相對于某基準面和基準線的三維坐標或二維坐標。,一.地理坐標系,（一）天文地理坐標系（ ） 天文地理坐標系是用天文經(jīng)度和天文緯 度表示地面點投影在大地水準面上的位置。,測量（天文經(jīng)緯度）的外業(yè)以鉛垂線為準 大地水準面和鉛垂線是天文地理坐標系的主要面和

12、線 地面點的坐標是它沿鉛垂線在大地水準面上投影點的經(jīng)度和緯度,（二）大地地理坐標系（ ） 大地地理坐標系是用大地經(jīng)度和大地緯度表示地面點投影在地球橢球面上的位置。 大地地理坐標系是建立在地球橢球面上的坐標系 地球橢球面和法線是大地地理坐標系的主要面和線 地面點的大地坐標是它沿法線在地球橢球面上投影點的經(jīng)度L和緯度B,二. 地心坐標 地心坐標系屬空間三維直角坐標系，用于衛(wèi)星大地測量。,地心平坐標系是以地球質(zhì)心為坐標原點，以地軸為Z軸，正向指向北極；XY平面與赤道面重合，X軸指向起始子午面 。,x,o,y,z,三. 平面直角坐標系 地理坐標系和地心坐標系確定地面點位一般適用于少數(shù)高級控制點或作為初

13、始的計算，若將其直接用于工程建設規(guī)劃、設計、施工等，則很不方便，所以有必要把球面上的點位化算到平面上。即采用地圖投影的理論繪制地形圖。,(一)高斯平面直角坐標系,A,B,C,D,O,N,S,(一)高斯平面直角坐標系 6投影帶和3投影帶,6投影帶從零子午線開始每隔6為一個投影帶，第一個6帶的中央子午線的經(jīng)度為3，第二個6帶的中央子午線的經(jīng)度為9，依次類推。第N帶的中央子午線經(jīng)度為： 3投影帶 從東經(jīng)130的子午線開始經(jīng)差每隔3劃分一個投影帶，其第一帶的中央子午線是東經(jīng)3，第二帶中央子午線是東經(jīng)6,依次類推。第N帶的中央子午線經(jīng)度為： 例如：北京11624,(一)高斯平面直角坐標系,1、與數(shù)學上的

14、平面直角系有區(qū)別； 2、為保證y為正 , y 加500km； 3、為區(qū)分各帶， y前加帶號。 4、地面的點位用（x,y,H)來表示。 如某點的高斯平面坐標為： xA=42345678.87 cm YA=20638543.51 m HA= 32.456 m,國家地理范圍：約從東經(jīng): 72138， 北緯：254 6帶帶號（12 23）； 3 帶帶號（24 44）,高斯（CarlFriedrichGauss,17771855） 德國數(shù)學家、天文學家、物理學家、大地測量學家,(二)地區(qū)平面直角坐標 如果測量的范圍較小，可以將測量范圍球面當作平面看 待,并將坐標原點選在西南角,該區(qū)中心子午線為軸方 向。

15、建立該地區(qū)的獨立平面直角坐標系。,(三)建筑坐標系 是指所采用的平面直角坐標系與建筑設計的軸線相平行或 垂直，對于前后、左右都對稱的建筑物，也可以把坐標原 點設置在其對稱中心，以簡化計算。,1、坐標軸原點2、坐標軸方向3、坐標轉(zhuǎn)換 公式如下：,X,O,O,P,Y,YO,XO,YP,XP,X,Y,國家大地坐標系介紹,1、1954年北京坐標系 建國初期，一方面廢除了南京大地原點，又由于當時工作的急需和歷史原因，從前蘇聯(lián)原點傳算過來的北京地區(qū)某大地點的坐標作為我國的大地測量的起算數(shù)據(jù)，既所謂的1954年北京坐標系實際上它是以原蘇聯(lián)當時采用的1942年普爾科沃坐標系為基礎建立起來的。采用克氏橢球，大地

16、原點在現(xiàn)在俄羅斯的普爾科沃。,2、1980年國家大地坐標系 鑒于1954年北京坐標系存在的橢球參數(shù)不夠精確、參考橢球與我國大地水準擬合不好等缺點。建立我國新的大地坐標系是必要的。1980年國家大地坐標系采用IGA-75橢球，大地原點在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，按局部密切條件重新定位。,國家大地原點外貌 （陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)）,中華人民共和國大地原點，占地570平方米，主體建筑面積500平方米。大地原點的整個設施由主體建筑、中心標志、儀器臺、投影臺四部分組成。主體建筑為7層圓頂塔樓，高26米，頂部是玻璃鋼整體半圓形屋頂，可自動啟閉，以便進行天文觀測。中心標志是位于地十室中心標石上的瑪瑙標志。原點標石為

17、整塊花崗巖鑿成，重7噸。原點標志用紅色瑪瑙石制成，直徑10厘米，精美堅固。儀器臺設在第7層儀器室內(nèi)。投影臺設于主體外北、東南、西南三個方向的三個亭式建筑中，亭中有儀器墩。大地原點對外開放，可參觀游覽，也是開展科普知識教育的好地方。,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。 高差兩點間的各處之差。,四地面點的高程(Elevation),、兩點的相對高程為 ， ，建筑工地常以建筑物地面層的設計地坪為高程零點，其他部位的高程均相對于地坪而言，稱為標高。標高也屬相對高程。 地面上兩點間的高程差稱為高差，用表示，、兩點高差為： ,國家高程系介紹,

18、1、1956年黃海高程系 根據(jù)青島驗潮站1950-1956年的驗潮資料確定的平均海平面作為高程基準面。由此建立的水準原點其高程為72.289m。 2、1985年國家高程基準 由于1956年黃海高程系采用的資料較短，不到一個潮汐周期。根據(jù)青島驗潮站1952-1979年的驗潮資料確定的平均海平面作為高程基準面。水準原點的高程為72.260m。,國家水準原點外貌 （青島觀象山）,第五節(jié) 水準面的曲率對測量的影響 在土木工程測量中，由于測區(qū)范圍小，或者工程 對測量精度要求較低時，為了簡化投影計算，常將橢球面視為球面，甚至將球面視為平面。直接將地面點沿垂線投影到平面上，進行幾何計算或繪圖，但投影到平面上會產(chǎn)生變形，稱為水準面曲率的影響。,一. 水準面曲率對距離測量的影響 在半徑為km測區(qū)內(nèi)，可以用 平面代替大地水準面。,在km的距離上，高差誤差就有cm。因此，當進行高程測量時，應考慮水準面曲率的影響。,上式中，用D代替D，同時 與2R相比可忽略不計，簡化為：,二. 水準面曲率對高差測量的影響,設,第六節(jié) 地面點位的確定原理 地物包括地面上人造或天