测量学-测量学基础知识

测绘与GPS上章复习什么是测绘学？什么是测量学，其研究的范围和内容是什么？测量学的分科？现代测绘学的任务？测量学的应用？测绘与GPS第2章测量学的基础知识测绘与GPS2测量学的基础知识2.1地球的形状和大小2.2地球椭球2.3地面点位的确定2.4测量中常用的坐标系统2.5地面点的高程2.6用水平面代替水准面的限度2.7测量工作的基本概念2.8测量的度量单位测绘与GPS2.1地球的形状和大小地球的形状和大小，自古以来人们对它就很关心，研究地球的大小和形状是通过测量工作进行的。地球的形状和大小大地水准面大地体测绘与GPS人类对地球的认识过程圆球椭球大地水准面真实地球表面地球表面由高山、丘陵、平原、海洋等起伏状态，是一个不规则的曲面。海洋面积约占地球表面的71%。所以，人们设想静止的海水面向大陆延伸，形成的闭合曲面代替地球表面。由于地球自转产生的离心力，使地球形体呈椭球状，在赤道处较为突出，在两极处较为扁平。半径约为6371km。地球上的质点所受的万有引力与惯性离心力的合力称为重力，重力的方向称为铅垂线方向。地球表面的水面，每个水分子都受到重力的作用，水面静止时，水面上的重力位相等。测绘与GPS测绘与GPS水准面（Levelsurface）水准面：静止的水面称为水准面，水准面上处处重力位相等。特点：（1）是一个重力等位面；（2）水准面上各点均与重力方向正交；（3）在地球表面上、下重力的作用空间内，通过任何高度的点都有一个水准面，因此水准面有无穷多个，不相交也不平行。测绘与GPS大地水准面（Geoid）大地水准面：设想处于完全静止的平均海水面向陆地和岛屿延伸所形成的闭合曲面。特点：一个封闭的曲面；一个略有起伏的不规则曲面，无法用数学公式精确表达；是测量外业依据的基准面；是唯一的，具体数值来自验潮站的数据分析结果。测绘与GPS大地体：大地水准面所包围的代表地球形状和大小的形体。测绘与GPS大地体研究地球形状和大小就是研究大地水准面的形状和大地体的大小。重力方向线又称为铅垂线，是测量工作的基准线测量上统一以大地水准面作为野外测量的基准面大地水准面是研究地球重力场和地球内部构造的重要依据由于大地水准面是一个不规则的曲面，不能用数学公式表述，因而需要寻找一个理想的几何体代表地球的形状和大小。该几何体必须满足两个条件：①形状接近地球自然形体；②可以用简单的数学公式表示。测绘与GPS测绘与GPS2.2地球椭球地球椭球体以地球自转轴为短轴的椭圆绕地球自转轴旋转而成的椭球体，椭圆长轴旋转形成的平面与地球赤道平面相重合，因此称为地球椭球体，其表面称为旋转椭球面，与大地水准面最为接近。旋转椭球体外表面，是球面坐标系的基准面。测绘与GPS决定地球椭球体形状大小的参数为椭圆的长半径a和短半径b，则可计算出椭球的扁率f，公式为：f=(a-b)/a在测量中将旋转椭球面代替大地水准面作为测量计算和制图的基准面。地球椭球体参数参考椭球：技术条件限制，由局部资料推求椭球体参数椭球定位：椭球体与大地体达到最好扣合总地球椭球：和地球大地体体积相等，质量相等椭球中心和地球质心重合椭球短轴和地球地轴重合椭球和全球大地水准面差距N的平方和最小测绘与GPS我国解放前采用海福特椭球解放后采用克拉索夫斯基椭球，大地原点在苏联普尔科夫20世纪80年代采用IUGG(国际大地测量与地球物理联合会)推荐的总地球椭球。大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。a=6378140mb=6356755.3mf=1/298.257由于地球椭球体的扁率甚小,当测区面积不大时,在某些测量工作的计算中,可以把地球当成圆球看待,半径值近似为6371km。测绘与GPS测绘与GPS城市科学系周爱华测量工作的基准线和基准面测量工作的基准线—铅垂线测量工作的基准面—大地水准面测量计算和制图的基准线—法线测量计算和制图的基准面—旋转椭球面测绘与GPS注:铅垂线物体重心与地球重心的连线.法线（normalline）垂直于曲线上一点的切线的直线测绘与GPS2.3地面点位的确定地形表面的外形是复杂多样的，在测量工作中，一般将其分为两大类：地面上自然形成的高低起伏等变化，例如山岭、溪谷、平原、河海等称为地貌；地面上由人工建造的固定附着物，例如房屋、道路、桥梁、界址等称为地物；地物和地貌统称为地形。在地物的平面位置和地貌的轮廓线上选择的能表现其特征的点称为特征点。测绘工作的基本任务就是确定地面点的位置。测绘与GPS2.3地面点位的确定确定地面点位，应解决的问题：认识地球表面的形态？坐标系怎样建立？如何测量角度、距离和高差？测绘与GPS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——指地球表面高低起伏的形态，如山峰、河谷、台地、悬崖等；测量中将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。测绘与GPS地形测量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。所以测量实际是测定这些特征点的三维坐标。测绘工作的基本任务就是确定地面点的位置。测绘与GPS地面点的空间位置的表示：三个量两个量--地面点沿着投影线（铅垂线或法线）在投影面（大地水准面或椭球面或平面）上的坐标第三个量--地面点沿着投影线到投影面的距离（高度）地面点的空间坐标与选用的椭球及坐标系统有关。测绘与GPS2.4测量中常用的坐标系统测量中常用的坐标系统天文坐标系大地坐标系高斯平面直角坐标系独立平面直角坐标系测绘与GPS天文（地理）坐标系天文地理坐标（天文坐标），用天文经度λ和天文纬度φ来表示地面点投影在大地水准面上的位置。确定球面坐标（λ,φ）所依据的基准线为铅垂线，基准面为大地水准面。过地面点P与地轴的平面为子午面，该子午面与格林尼治子午面（首子午面）间的两面角为天文经度λ；过P点的铅垂线与赤道面的夹角为天文纬度φ。定位速度慢，定位精度不高天文测量、导弹发射、独立工程网的定向测绘与GPS大地（地理）坐标系大地坐标系用大地经度L，大地纬度B和大地高H表示地面点投影在地球椭球面上的位置。大地坐标以法线和旋转椭球面为基准线和基准面。大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的夹角。规定以起始子午面起算，向东由0°至180°称为东经；向西由0°至180°称为西经。大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角，规定由赤道面起算，由赤道面向北从0°至90°称为北纬；向南从0°到90°称为南纬。大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。测绘与GPS城市科学系周爱华测绘与GPS城市科学系周爱华大地经纬度是根据一个起始的大地点（称为大地原点，该点的大地经纬度与天文经纬度相一致）的大地坐标，按大地测量所得数据推算而得。我国的大地原点选在位于我国中部陕西省泾阳县永乐镇。测绘与GPS测绘与GPS大地坐标系采用不同的椭球，大地坐标也不一样。以参考椭球建立的坐标系为参考坐标系；以总地球椭球且坐标原点在地球质心建立的坐标系为地心坐标系。测绘与GPS空间直角坐标系原点O—地球质心Z轴—指向地球北极X轴—指向首子午面与赤道的交点Y轴，过O点与XOZ面垂直，构成右手坐标系地面点的空间位置用三维直角坐标(x,y,z)表示。测绘与GPS我国常用坐标系1954年北京坐标系（北京54）建国初期采用克拉索夫斯基椭球1980年国家大地坐标系（西安80）采用IUGG-75地球椭球大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇。新1954北京坐标系过渡精度同80，坐标值接近54测绘与GPS我国常用坐标系2000国家大地坐标系统（CGCS2000）坐标原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心北斗卫星导航定位系统使用WGS－84坐标系世界大地坐标系统，坐标原点在地心。采用WGS-84椭球GNSS卫星定位系统得到的地面点坐标是WGS－84坐标。测绘与GPS坐标系的转换大地坐标和空间直角坐标的转换大地坐标之间的坐标转换地心坐标系和参考坐标系之间的坐标转换参考坐标系之间的坐标转换测绘与GPS高斯投影和高斯平面直角坐标系采用大地坐标系和空间直角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。而对于大量的点位来说测量的计算和绘图最好是在平面上进行。将椭球面上的元素按一定条件投影到平面上，称为地图投影。地图投影有等角投影、等积投影和任意投影等。测绘与GPS测量对地图投影的要求测量中大量的角度观测元素，在投影前后保持不变，这样免除了大量投影计算工作；保证在有限范围内使得地图上图形同椭球上原形保持相似，给识图用图带来很大方便；投影能方便的按分带进行，并能用简单的、统一的计算公式把各带连成整体。测绘与GPS高斯-克吕格投影（等角横切椭圆柱投影）以椭圆柱为投影面，使地球椭球体的某一经线与椭圆柱相切，然后按等角条件，将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将其展成平面而得。由德国数学家、天文学家高斯（C.F.Gauss，1777—1855）及大地测量学家克吕格（J.Krüger，1857—1923）共同创建。测绘与GPS使地球椭球体的某一经线与椭圆柱相切测绘与GPS按等角条件，将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将其展成平面测绘与GPS高斯投影的特性正形投影（等角投影）；中央子午线投影后为直线，且长度不变；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曲线，并以中央子午线为对称轴，投影后有长度变形；赤道投影后为直线，但有长度变形；除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；测绘与GPS除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；经线与纬线投影后仍然保持正交；所有长度变形的线段，其长度变形比均大于1；离中央子午线越远，长度变形越大。高斯投影的特性投影无角度变形，中央经线无长度变形。为保证精度，采用分带投影方法：经差6°或3°分带，长度变形0.14%6º带自首子午线开始，按6º的经差自西向东分成60个带；3º带自1.5º开始，按3º的经差自西向东分成120个带。测绘与GPS测绘与GPS中国国家基本比例尺地形图采用高斯-克吕格6°分带投影：1∶1万（3°分带）1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶25万、1∶50万。测绘与GPS6º带与3º带中央子午线之间的关系图3º带的中央子午线与6º带中央子午线及分带子午线重合，减少了换带计算；工程测量采用3º带，特殊工程可采用1.5º带或任意带。测绘与GPS按照6º带划分的规定，第1带中央子午线的经度为3º，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：L0=6ºN-3º（N为6º带的带号）例：20带中央子午线的经度为：L0=6º×20-3º=117º按照3º划分的规定，第1带中央子午线的经度为3º，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：L0=3ºn（n为3º带的带号）例：120带中央子午线的经度为：L0=3º×120=360º中央子午线经度与带号的关系（1）测绘与GPS若已知某点的经度为L，则该点的6º带的带号N由下式计算：若已知某点的经度为L，则该点所在3º带的带号n由下式计算：中央子午线经度与带号的关系（2）测绘与GPS我国版图的经度范围：东经74°-135°，请计算我国版图所在的6度带。74/6+1=13135/6+1=23测绘与GPS计算测绘与GPS高斯平面直角坐标系X轴—中央子午线的投影Y轴—赤道的投影原点O—两轴的交点注：X轴向北为正，Y轴向东为正。城市科学系周爱华我国位于北半球，东西横跨11个6o带，各带独立构成直角坐标系。境内X坐标值恒为正，Y坐标值有正有负。为避免出现负值，将每个投影带的坐标原点向西移500KM，则投影带中任一点的横坐标值也恒为正值。为了确定某点在哪一个6o带内，在横坐标值前冠以带的编号