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徐长海15385710369环境与测绘工程学院•1•110《测量学》（第四版）•110•2•《测量实验》（第二版）•110•3测量学的教学目的《测量学》是城市规划、土木工程、道路交通工程、测绘工程、地质工程、港口航道与海岸工程等专业必修的专业基础课，是一门实践性强，理论和实践相结合的课程。掌握测量的基本理论，基本方法和基本技能，培养学生动手、实践和创新能力，为学生从事城市规划、土木工程勘测、设计、施工、管理奠定基础。•110•4第一章绪论§1-1测量学的任务与主要内容生产、生活的需要城市建设、农田、水利建设等交通运输的需要物流运输、航空、航海、旅行等军事的需要•110•5一.测量学的产生(一)测量学在生活上的作用城市交通图•110•6二.测量学的作用上海市水系专题图•110•7同济校园图(四平路校本部)•110•8(二)测量学在军事的作用“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。地利就要了解和利用地形。地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定距离、位置、辨识方向的作用。•110•9(三)测量学在国土管理中的作用城市土地的规划，城市道路的红线规划，房地产开发，地籍的界址点测定,都需要由测量提供地形图和有关土地信息。用高科技测量手段标定国界，常在国家间的领土争执中起到重要作用;也常以对方出版的地图上对国境线的表示,作为有利于己方的证据。•110•10(四)测量学在工程建设中的作用在工程建设的规划设计中，首先需要有地形图。在修建工厂和居民点时，须要先平整地基和设计房屋的放样。在建设城市道路网（包括高架道路、地下铁道和桥梁)，都需要用测量方法精确地定向,定位和定高程。我国的考古工作者研究证实，早在2000多年前已经有在修建帝都、宫殿时大规模平整地基和定街道与建筑轴线的措施，当时也需要有原始的测量手段。•110•11工程的竣工和变形监测为了保障建筑物的施工和运行时的安全，需要测量工作者以技术上可行的最高精度，监测建筑物的变形量和变形的发展情况。经常需要在一段时间内进行连续观测，为此要使用自动化的监测和记录的测量仪器，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。•110•12§1-2测绘学科的内涵和发展简史•110•13一.测绘学科的定义和内涵二.测绘科学的历史和近代发展三.测绘学科的分支一.测量学的定义和内涵1.早期的定义：研究地球的形状和大小，确定地面点的坐标的学科。2.当前的定义：研究测定和描绘地球及其表面的各种形态的理论和方法的学科。•110•14测绘和采集表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等空间几何数据，进行数字化管理，提供工程设计所必要的地形信息(地形图和地形数据)。把设计的建筑物、大型设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来，才能进行施工(称为测设或施工放样，并贯穿于施工全过程)。•110•15测量工作在工程建设中作用这是人类为了生存和发展，在历史上长期探索的问题，并知道需要用大地测量的方法来解决。早在公元前6世纪,古希腊的毕达哥拉斯(Pythagoras)就提出了地球形态的概念。•110•16二.测绘学科的历史和近代进展“地球的形状是什么样的？”“如何用图形来表示地面形态？”亚里士多德（Aristotle）作了进一步论证，支持这一学说。又一世纪后，埃拉托斯特尼（Eratosthenes）用在南北两地同时观测日影的办法,首次推算出地球子午圈的周长。我国唐代僧人一行根据天文观测，计算出地球子午线1°的长度。测绘地图是地球表面形态认识的开始。晋代裴秀总结出“制图六体”，为当时“地图制图”订立标准。•110•17古希腊托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地图投影”概念和测经纬度定地面点位方法。此后，一系列重大科学发明与测绘学科相辅相成地发展：17世纪初发明望远镜，1730年,英国西森(Sisson)制成测角用的经纬仪，促进三角测量的发展。1795年,德国高斯(C.F.Gauss)提出最小二乘法(LeastSquareMethod)为测量数据处理奠定数学基础。•110•18高斯又提出将椭球面变换为平面的地图投影方法,后经克吕格尔(J.Krüger)扩充完善，称为“高斯-克吕格尔投影”，沿用至今。19世纪50年代,发明了摄影测量,后来发展成为航空、航天摄影测量和遥感。1948年发明电磁波测距仪，解决了远程精密测距的测量难题。20世纪60年代,发明电子计算机，应用于测绘界,创立“计算机辅助成图”,出现了数字地图,开创了数字化新时代。•110•19三、测量学科的分支大地测量学研究和测定地球的形状、大小、重力场和地面点几何位置及其变化的理论和技术的学科。地球的形状大小以大地水准面为代表。大地点的定位，用经纬度或空间直角坐标，定位方法有几何法大地测量、物理法大地测量和近代的卫星法大地测量。•110•20世界屋脊-珠穆朗玛峰的高程测定•110•21用经纬仪作三角高程测量•110•22用水准仪作精密水准测量•110•23上述:三角高程测量和水准测量,都属于几何大地测量，几何大地测量中还包括三角测量和天文测量等。天文测量研究测定恒星的坐标，以及利用观测恒星确定地面点的大地位置(经度、纬度、方位角)和十分精确的时间(世界时、恒星时)，它对于地球科学和空间技术(卫星发射、定位和宇宙航行)都十分重要。•110•24天文台的天文观测•110•25天文台外观用天文望远镜观测物理大地测量学研究地球的重力测量方法,重力分布情况(重力场)及其应用。测定重力加速度G的目的：1.建立国家重力基准网和基本网；2.确定全球重力场模型及其变化；3.确定区域的和地球的大地水准面及其变化(重力异常使大地水准面产生不规则变化)。•110•26在大地重力点上作重力测量•110•27在珠峰高山地区作重力测量•110•28利用卫星作地球重力测量•110•29摄影测量与遥感学研究利用摄影或遥感手段，获取地面目标物的影像数据，从中提取几何或物理信息，用图形、图像和数字信息表达的理论和方法的学科。摄影测量的方法有地面摄影、航空摄影和航天摄影和遥感。小范围的地形测量或工程测量可利用地面摄影测量方法。•110•30机载空间三维数据采集系统•110•31航空摄影测量机身利用卫星定位同济大学的车载空间三维数据采集系统－地面摄影测量的自动化•110•32工程测量学研究工程建设和自然资源开发中进行的控制测量、地形测绘、施工放样和变形监测的理论和技术的学科。是测绘学科在国民经济和国防建设中的直接应用。工程规划设计阶段：提供地形资料；施工兴建阶段：标定设计建筑的位置；运行管理阶段：竣工测量和变形监测。高精度工程测量用于大型、精密工程和设备的精确定位、安装和变形观测。•110•33道路测量道路建筑高程放样用数字水准仪和条码水准尺。•110•34渠道水位监测•110•35•110•36•110•37•110•38工业测量(属于精密工程测量)研究各种工业设备和大型工业产品（船舶、飞机等）的施工放样、细部安装、竣工测量和变形测量。•110•39轨道梁架设中用全站仪施工定位•110•40•110•41用激光三维扫描仪检测飞机外形海洋测绘学研究以海洋水体和海底为对象的学科。包括：海洋大地测量、海底地形测量、海道测量、海洋专题测量等。海洋测区条件复杂,受潮汐、气象、透明度差等影响，需用特种仪器和方法:卫星导航、惯性组合导航、天文测量、水声定位系统、水下摄影测量等。•110•42地图制图学研究模拟地图和数字地图的设计、编绘、复制的理论和方法的科学。主要内容：地图投影地图编绘地图整饰地图出版•110•43•110•44世界地图•110•45上海市地图测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。测绘学科的发展离不开测绘理论的进展和测绘仪器的发明和创新。17世纪发明了望远镜、经纬仪、水准仪、平板仪，使控制测量和地形测量精度提高。19世纪摄影技术发明，便应用于测量，到20世纪初，创造出自动航空摄影机，实现了大面积航空摄影测量。•110•4620世纪50年代，测绘仪器向电子化和自动化方向发展。1948年发明了电磁波测距仪，实现远程精密测距。电子计算机的发明，使测绘仪器、测量作业、测量数据处理和制图逐步实现了自动化。1957年,前苏联第一颗人造地球卫星发射成功，测绘学科产生“卫星测量”的分支。从美国的GPS,俄罗斯的GLONASS,欧盟的Galileaous,我国的“北斗星”等卫星导航系统的建立，卫星定位GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)接收机,已成为测量的主要仪器之一。•110•47用卫星定位的GNSS接收机•110•48测量的主要仪器之一测量的主要仪器之一•110•49从经纬仪发展到全能的电子全站仪T4高精密经纬仪用于大地测量及天文测量•110•50T3精密光学经纬仪用于大地测量及精密工程测量•110•51光学经纬仪•110•52电子经纬仪•110•53电子全站仪•110•54功能：角度测量距离测量地面定位施工放样卫星定位地形测量学研究将地球表面局部地区的地貌和地物测绘成地形图、编制地籍图和房产图等的基本理论和方法的科学。•110•55•110•56地形测量及施工放样在控制测量的基础上,测绘地形图(表示地物和地貌),或进行施工放样。地形图图例2•110•57地形图图例1地形图图例2•110•58认识地球是人类探索自然的目标之一，也是测量学的任务之一。绝大多数测量工作是在地球面上进行，以地球作为参考系。因此，有必要首先讨论地球的形状和大小。•110•59§1-3地面点位的确定和坐标系一.地球的形状和大小地球的制高点－珠穆朗玛峰海拔高程8844.43m•110•60马里亚纳海沟－斐查兹海渊剖面图•110•61地球海面下最深处•高程为－11000m大地水准面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”•110•62液体受重力而形成的静止表面称为水准面旋转椭球体由于大地水准面受地球内部质量分布不均匀影响，是不规则曲面，无法用数学方法准确描述和计算，也难以在其面上处理测量成果。•110•63旋转椭球体用一非常接大地水准面的数学面－旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球，称参考椭球体。椭球参数：•110•64长半径a=6378137m短半径b=6356752m扁率f=(a-b)/a=1/298.257二.确定地面点位的坐标系子午面－地球上任一点与地球旋转轴所组成的平面。首子午面－通过英国格林尼治(Greenwich)天文台的子午面。•110•65G（一）大地坐标系A首子午面地球旋转轴赤道平面格林尼治A点子午面大地经度－通过A点的子午面与首子午面之间的夹角(L)大地纬度－通过A点的椭球面法线与赤道平面的交角(B)•110•66世界上最古老的天文台•110•67英国格林尼治(Greenwich)天文台•110•68•110•69英国格林尼治皇家天文台世界时授时钟（一）大地坐标系（地理坐标系）•110•70以经度与纬度表示点位的坐标系(球面坐标系统)以地球椭球的中心为原点，首子午面与赤道平面的交线为X轴，赤道平面内通过原点与X轴垂直的为Y轴。地面某点A的空间三维直角坐标：（XYZ）（二）空间三维直角坐标系（地心坐标系）•110•71A，A，A（三）高斯平面直角坐标系高斯投影是等角横切椭圆柱投影。等角投影就是正形投影。就是在极小的区域内椭球面上的图形，投影后保持形状相似。即投影后角度不变形。•110•72高斯投影的分带和编号•110•73中央子午线经度投影分带号N360N点在高斯平面直角坐标系中的坐标值中央子午线的投影是X轴，赤道的投影是Y轴，其交点是坐标原点。点的X坐标是点至赤道的距离,赤道以北x值为正；点的Y坐标是点至中央子午线的距离，y值有正有负。•110•74点在高斯平面直角坐标系中的坐标值为了避免Y坐标出现负值，把Y坐标值加500公里。•110•75为了区分不同投影带中的点，在点的Y坐标值上加带号N所以点的横坐标以下式表示：Y=N*1000000+500000+y（四）地平坐标系