1、《 測 量 學 》,作者 ： 顧孝烈 鮑 峰 程效軍同濟大學出版社,1,（第四版）,110,《測量學》,（第四版）,110,2,《測量實驗》（第二版）,110,3,測量學的教學目的,《測量學》是城市規(guī)劃、土木工程、道路交通工程、測繪工程、地質工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，是一門實踐性強，理論和實踐相結合的課程。 掌握測量的基本理論，基本方法和基本技能，培養(yǎng)學生動手、實踐和創(chuàng)新能力，為學生從事城市規(guī)劃、土

2、木工程勘測、設計、施工、管理奠定基礎。,110,4,第一章 緒論§1-1 測量學的任務與主要內容,生產(chǎn)、生活的需要 城市建設、農(nóng)田、水利建設等 交通運輸?shù)男枰?物流運輸、航空、航海、旅行等 軍事的需要,110,5,一. 測量學的產(chǎn)生,(一) 測量學在生活上的作用,城市交通圖,110,6,二. 測量學的作用,上海市水系專題圖,110,7,同濟校園圖(四平路校本部),,110,8,(二) 測量學在軍

3、事的作用,“天時，地利，人和”是打勝仗的三大要素。地利就要了解和利用地形。地圖上詳細表示著山脈、河流、道路、居民點等地形和地物，具有確定距離、位置、辨識方向的作用。,110,9,(三) 測量學在國土管理中的作用,城市土地的規(guī)劃，城市道路的紅線規(guī)劃，房地產(chǎn)開發(fā)，地籍的界址點測定,都需要由測量提供地形圖和有關土地信息。 用高科技測量手段標定國界，常在國家間的領土爭執(zhí)中起到重要作用;也常以對方出版的地圖上對國境線的表示,作為

4、有利于己方的證據(jù)。,110,10,(四) 測量學在工程建設中的作用,在工程建設的規(guī)劃設計中，首先需要有地形圖。在修建工廠和居民點時，須要先平整地基和設計房屋的放樣。在建設城市道路網(wǎng)（包括高架道路、地下鐵道和橋梁)，都需要用測量方法精確地定向,定位和定高程。 我國的考古工作者研究證實，早在2000多年前已經(jīng)有在修建帝都、宮殿時大規(guī)模平整地基和定街道與建筑軸線的措施，當時也需要有原始的測量手段。,110,11,工程的竣工和變形監(jiān)測

5、 為了保障建筑物的施工和運行時的安全，需要測量工作者以技術上可行的最高精度，監(jiān)測建筑物的變形量和變形的發(fā)展情況。經(jīng)常需要在一段時間內進行連續(xù)觀測，為此要使用自動化的監(jiān)測和記錄的測量儀器，在各種工程建設中的應用愈來愈廣泛。,110,12,§1-2 測繪學科的內涵 和發(fā)展簡史,110,13,一.測繪學科的定義和內涵二.測繪科學的歷史和近代發(fā)展三.測繪學科的分支,一. 測量學的定義和內涵,1.早期的定義：

6、 研究地球的形狀和大小，確定地面點的坐標的學科。2.當前的定義： 研究測定和描繪地球及其表面的各種形態(tài)的理論和方法的學科。,110,14,,測繪和采集表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等空間幾何數(shù)據(jù)，進行數(shù)字化管理，提供工程設計所必要的地形信息(地形圖和地形數(shù)據(jù))。 把設計的建筑物、大型設備等按設計的形狀、大小和位置準確地在實地標定出來，才能進行施工(稱為測設或施工放樣，并貫穿于施工全過程)。,110,

7、15,測量工作在工程建設中作用,這是人類為了生存和發(fā)展，在歷史上長期探索的問題，并知道需要用大地測量的方法來解決。 早在公元前6世紀,古希臘的畢達哥拉斯(Pythagoras)就提出了地球形態(tài)的概念。,110,16,二. 測繪學科的歷史和近代進展,“ 地球的形狀是什么樣的？”“ 如何用圖形來表示地面形態(tài)？”,,亞里士多德（Aristotle） 作了進一步論證 ，支持這一學說。又一世紀后 ，埃拉托斯特尼（Eratosthenes）

8、用在南北兩地同時觀測日影的辦法,首次推算出地球子午圈的周長。 我國唐代僧人一行根據(jù)天文觀測，計算出地球子午線1°的長度。 測繪地圖是地球表面形態(tài)認識的開始。晉代裴秀總結出“制圖六體”， 為當時“地圖制圖”訂立標準。,110,17,古希臘托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地圖投影”概念和測經(jīng)緯度定地面點位方法。 此后，一系列重大科學發(fā)明與測繪學科相輔相成地發(fā)展： 17世紀初發(fā)明望遠鏡，1

9、730年,英國西森(Sisson)制成測角用的經(jīng)緯儀，促進三角測量的發(fā)展。 1795年,德國高斯(C.F.Gauss)提出最小二乘法(Least Square Method)為測量數(shù)據(jù)處理奠定數(shù)學基礎。,110,18,高斯又提出將橢球面變換為平面的地圖投影方法,后經(jīng)克呂格爾(J.Krüger)擴充完善，稱為“高斯-克呂格爾投影”，沿用至今。 19世紀50年代,發(fā)明了攝影測量,后來發(fā)展成為航空、航天攝影測量和遙感

10、。1948年發(fā)明電磁波測距儀，解決了遠程精密測距的測量難題。 20世紀60年代,發(fā)明電子計算機，應用于測繪界,創(chuàng)立“計算機輔助成圖”,出現(xiàn)了數(shù)字地圖,開創(chuàng)了數(shù)字化新時代。,110,19,三、測量學科的分支,大地測量學 研究和測定地球的形狀、大小、重力場和地面點幾何位置及其變化的理論和技術的學科。地球的形狀大小以大地水準面為代表。大地點的定位，用經(jīng)緯度或空間直角坐標，定位方法有幾何法大地測量、物理法大地測量和近代的衛(wèi)星法

11、大地測量。,110,20,世界屋脊 - 珠穆朗瑪峰的高程測定,110,21,用經(jīng)緯儀作三角高程測量,110,22,用水準儀作精密水準測量,110,23,上述:三角高程測量和水準測量,都屬于幾何大地測量，幾何大地測量中還包括三角測量和天文測量等。 天文測量研究測定恒星的坐標，以及利用觀測恒星確定地面點的大地位置(經(jīng)度、緯度、方位角)和十分精確的時間(世界時、恒星時)，它對于地球科學和空間技術(衛(wèi)星發(fā)射、定位和宇宙航行)都

12、十分重要。,110,24,天文臺的天文觀測,110,25,天文臺外觀,用天文望遠鏡觀測,物理大地測量學研究地球的重力測量方法,重力分布情況(重力場)及其應用。 測定重力加速度G的目的： 1.建立國家重力基準網(wǎng)和基本網(wǎng)； 2.確定全球重力場模型及其變化； 3.確定區(qū)域的和地球的大地水準面 及其變化(重力異常使大地水準面產(chǎn) 生不規(guī)則變化)。,110,26,在大地重力點上作重力測量,110

13、,27,在珠峰高山地區(qū)作重力測量,110,28,利用衛(wèi)星作地球重力測量,110,29,攝影測量與遙感學 研究利用攝影或遙感手段，獲取地面目標物的影像數(shù)據(jù)，從中提取幾何或物理信息，用圖形、圖像和數(shù)字信息表達的理論和方法的學科。 攝影測量的方法有地面攝影、航空攝影和航天攝影和遙感。小范圍的地形測量或工程測量可利用地面攝影測量方法。,110,30,機載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),110,31,航空攝影測量,機身利用衛(wèi)星定位,

14、同濟大學的車載空間三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),－ 地面攝影測量的自動化,110,32,工程測量學 研究工程建設和自然資源開發(fā)中進行的控制測量、地形測繪、施工放樣和變形監(jiān)測的理論和技術的學科。是測繪學科在國民經(jīng)濟和國防建設中的直接應用。 工程規(guī)劃設計階段：提供地形資料； 施工興建階段：標定設計建筑的位置； 運行管理階段：竣工測量和變形監(jiān)測。 高精度工程測量用于大型、精密工程和 設備的精確定位、安裝和變形觀測。,11

15、0,33,道路測量,道路建筑高程放樣 用數(shù)字水準儀 和條碼水準尺。,110,34,渠道水位監(jiān)測,110,35,面水準測量 – 場地平整,110,36,大橋變形監(jiān)測,110,37,隧道工程測量,110,38,工業(yè)測量(屬于精密工程測量) 研究各種工業(yè)設備和大型工業(yè)產(chǎn)品（船舶、飛機等）的施工放樣、細部安裝、竣工測量和變形測量。,110,39,軌道梁架設中用全站儀施工定位,110,40,110,4

16、1,用激光三維掃描儀檢測飛機外形,海洋測繪學 研究以海洋水體和海底為對象的學科。包括：海洋大地測量、海底地形測量、海道測量、海洋專題測量等。 海洋測區(qū)條件復雜,受潮汐、氣象、透明度差等影響，需用特種儀器和方法:衛(wèi)星導航、慣性組合導航、天文測量、水聲定位系統(tǒng)、水下攝影測量等。,110,42,地圖制圖學 研究模擬地圖和數(shù)字地圖的設計、編繪、復制的理論和方法的科學。主要內容：

17、地圖投影 地圖編繪 地圖整飾 地圖出版,110,43,110,44,世界地圖,110,45,上海市地圖,測量儀器學 研究測量儀器的制造、改進和創(chuàng)新的學科。 測繪學科的發(fā)展離不開測繪理論的進展和測繪儀器的發(fā)明和創(chuàng)新。17世紀發(fā)明了望遠鏡、經(jīng)緯儀、水準儀、平板儀，使控制測量和地形測量精度提高。19世紀攝影技術發(fā)明，便應用于測量，到20世紀初，創(chuàng)造出自

18、動航空攝影機，實現(xiàn)了大面積航空攝影測量。,110,46,20世紀50年代，測繪儀器向電子化和自動化方向發(fā)展。1948年發(fā)明了電磁波測距儀，實現(xiàn)遠程精密測距。電子計算機的發(fā)明，使測繪儀器、測量作業(yè)、測量數(shù)據(jù)處理和制圖逐步實現(xiàn)了自動化。 1957年,前蘇聯(lián)第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，測繪學科產(chǎn)生“衛(wèi)星測量”的分支。從美國的 GPS, 俄羅斯的 GLONASS,歐盟的 Galileaous,我國的“北斗星”等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建立，衛(wèi)星定

19、位GNSS(Global Navigation Satellite System)接收機,已成為測量的主要儀器之一。,110,47,用衛(wèi)星定位的GNSS接收機,110,48,測量的主要儀器之一,測量的主要儀器之一,110,49,從 經(jīng)緯儀 發(fā)展到全能的 電子全站儀,T4高精密經(jīng)緯儀用于大地測量及天文測量,110,50,T3精密光學經(jīng)緯儀用于大地測量及精密工程測量,110,51,光學經(jīng)緯儀,110,52,電子經(jīng)緯儀,11

20、0,53,電子全站儀,110,54,功能： 角度測量 距離測量 地面定位 施工放樣 衛(wèi)星定位,地形測量學 研究將地球表面局部地區(qū)的地貌和地物測繪成地形圖、編制地籍圖和房產(chǎn)圖等的基本理論和方法的科學。,110,55,110,56,地形測量及施工放樣,,在控制測量的基礎上,測繪地形圖(表示地物和地貌),或進行施工放樣。,地形圖圖例2,110,57,地形圖圖例1,地形圖圖例2,110,58,認識地球是人類探索自然的

21、目標之一，也是測量學 的任務之一。絕大多數(shù)測量工作是在地球面上進行，以地球作為參考系。 因此，有必要首先討論地球的形狀和大小。,110,59,,§1-3 地面點位的確定和坐標系,一. 地球的形狀和大小,地球的制高點 － 珠穆朗瑪峰海拔高程 8844.43m,110,60,馬里亞納海溝 － 斐查茲海淵剖面圖,110,61,地球海面下最深處,高程為 －11000 m,大地水準面,與平靜的平均海水面相重合，并延伸通

22、過陸地而形成的封閉曲面稱為“大地水準面”,110,62,,液體受重力而形成的靜止表面稱為水準面,旋轉橢球體,由于大地水準面受地球內部質量分布不均勻影響，是不規(guī)則曲面，無法用數(shù)學方法準確描述和計算，也難以在其面上處理測量成果。,110,63,,,,旋轉橢球體,用一非常接大地水準面 的數(shù)學面－旋轉橢球面 代替大地水準面，用旋 轉橢球體描述地球，稱 參考橢球體。橢球參數(shù)：,110,64,,長半徑 a = 6378137m短半徑 b

23、= 6356752m扁 率 f = (a- b) / a = 1 / 298.257,二. 確定地面點位的坐標系,子午面 － 地球上任一點與 地球旋轉軸所組 成的平面。首子午面 － 通過英國格林尼 治(Greenwich) 天文臺的子午面。,110,65,,,,G,（一）大地坐標系,,,,A,首子午面,地球旋轉軸,赤道平面,格林尼治,A點子午面,大地經(jīng)度 － 通過A點的子午面

24、 與首子午面之間 的夾角(L)大地緯度 － 通過A點的 橢球面法線與 赤道平面的交角(B),110,66,世界上最古老的天文臺,110,67,英國格林尼治(Greenwich)天文臺,110,68,110,69,英 國格林尼治皇家天文臺,世界時授時鐘,（一）大地坐標系（地理坐標系）,110,70,以經(jīng)度與緯度表示點位的坐標系(球面坐標系統(tǒng)),以地球橢球的中心為原點，首子午面與赤道平面的交線為X軸，赤道平面

25、內通過原點與X軸垂直的為Y軸。地面某點A的空間三維直角坐標： （X Y Z ）,,（二）空間三維直角坐標系 （地心坐標系）,110,71,A， A， A,（三）高斯平面直角坐標系,高斯投影是等角橫切橢圓柱投影。等角投影就是 正形投影。就是在極小的區(qū)域內橢球面上的圖形， 投影后保持形狀相似。即投影后角度不變形。,110,72,,高斯投影的分帶和編號,110,73,,中央子午線經(jīng)度

26、投影分帶號 N,點在高斯平面直角坐標系中的坐標值,中央子午線的投影是X軸，赤道的投影是Y軸，其交點是坐標原點。點的X坐標是點至赤道的距離,赤道以北 x 值為正；點的Y坐標是點至中央子午線的距離，y 值有正有負。,110,74,,點在高斯平面直角坐標系中的坐標值,為了避免Y坐標出現(xiàn)負值，把Y坐標值加500公里。,110,75,,為了區(qū)分不同投影帶中的點，在點的Y坐標值上加帶號 N所以點的橫坐標以下式表示：

27、 Y = N*1000000 + 500000 + y,（四）地平坐標系,地平坐標系為小范圍的平面直角坐標系地平坐標系以當?shù)氐乃矫鏋橥队懊嫱ǔＲ援數(shù)氐恼狈较驗閄坐標軸的正方向某一建筑地區(qū)的“建筑坐標系”也是一種地平坐標系 地平坐標系為獨立坐標系應與國家或城市坐標系進行連測,110,76,（五）平面坐標變換—坐標軸的平移和旋轉,110,77,,,建筑坐標系(x′,y′)變換為城市坐標系( x, y )變換參

28、數(shù)(x ,y ),α,0 0,平移量(x0,y0)旋轉角 α,（五）平面坐標變換,110,78,,,,城市坐標系( x, y )變換為建筑坐標系（x′,y′）,變換參數(shù)(x0 ,y0 ),α,（六）地面點的高程,高程（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。,110,79,,高差－ 兩點間的高程之差(不論絕對高程或相對高程),測定平均海水面(高程為零)

29、的驗潮站,110,80,水準原點至1985國家高程基準“零海平面”的高程72.2604 m,110,81,青島觀象山水準原點,110,82,水準原點旱井,110,83,水準原點瑪瑙石標志,110,84,水準原點標牌,110,85,從水準原點測定全國各基準點高程的精密水準測量,110,86,§1-4 測量工作的程序及基本內容,基本原則控制測量地形測量施工放樣基本觀測量：距離,角度,高差,110,87,布局上：由整體到局

30、部精度上：由高級到低級次序上：先控制后細部,一. 測量工作的基本原則,所有測量工作都必須遵循以上原則 也是測量的工作程序,110,88,測量工作的程序,由整體到局部由高級到低級先控制后細部,,110,89,2.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng),110,90,一等三角鎖為國家平面控制網(wǎng)的基礎,傳統(tǒng)平面控制網(wǎng)布置形式,二.控制測量,110,91,2.一等三角鎖二等連續(xù)網(wǎng),110,92,A級 GNSS 網(wǎng)為國家平面控制網(wǎng)的基

31、礎,現(xiàn)代 GNSS 控制網(wǎng)布置形式,中國的法定大地坐標中心 —中華人民共和國大地原點，坐落在西安之北約100公里的涇陽縣內。 大地原點的地面海拔高程為417.7米，它距我國陸邊正北880公里，東北2500公里，正東1000公里，正南1750公里，西南2250公里，正西2930公里，西北2500公里。大致位于我國大陸領土的中心。,110,93,110,94,我國大地坐標系原點所在地的大門,國家測繪地理信息局建立的“大地原點”,110,

32、95,中國大地坐標系的基準點建筑外觀,110,96,國家大地原點地面標志,110,97,大地原點瑪瑙中心標志,三. 細部測量,,110,98,在控制測量基礎上，測繪地形細部或進行建筑物的細部放樣。,浦東運河小灣橋擴建工程細部測繪,,110,99,四.基本觀測量 － 確定地面點位的三個基本要素:,,110,100,距離- S角度- α, β高差- h,§1-5 水準面曲率對觀測量的影響,在小測區(qū)內，用水

33、平面代替水準面，討論由此對距離和高差測量的影響：,,110,101,一. 水準面曲率對距離測量的影響,110,102,S(km) ΔS(cm) ΔS/S 10 0.8 1：120萬 25 12.8 1： 20萬 50 102.7 1：4.9萬 100 821.2 1：1.2萬,結論：在半徑小于10 km 的范圍內測量 距離不必考慮水準面曲率改正。,水準面曲率對距離

34、測量影響的具體數(shù)值：,110,103,二.水準面曲率對高差測量的影響,110,104,水準面曲率對高差測量影響的具體數(shù)值：,S(m)　Δh(mm) 100 0.8 200 3 500 20 1000 80 2000 310,110,105,進行高程測量應顧及這種 影響并加改正或設法抵消,（一）長度單位 公制單位： 公里(千米)、米、 分米、厘米、毫米

35、 市制單位： 里、丈、尺、寸、 英制單位： 海里、碼、英尺、英寸,110,106,,§1-6 測量的度量單位,（二）面積和體積單位 1.面積單位： 平方米(m ) 畝(mu)= 666.6667m 公畝(are)= 100m = 0.15mu 公頃(hm )= 10000m = 15mu 平方公里(km )= 100公頃 ＝1500mu

36、 2.體積單位 立方米(方) m,110,107,2,2,2,3,2,2,,60進制角度單位： 度(d)、分(m)、秒（s)10進制角度單位： 新度(g)、新分(gm)、新秒（gs)弧度單位（弧長與半徑之比）： 一圓周 = 2?弧度弧度與角度單位的換算參數(shù)： 一弧度 ?°= 57.3? ρ′ = 3438? ρ ″ =

37、 206265?,110,108,（三）角度單位,測量計算工作中的數(shù)值取位,測量工作的基本觀測量為距離、高差和角度，前二者為長度單位，后者為角度單位。在測量學的計算中，長度與角度的小數(shù)取位應與測量的精度相配合。長度以米為單位，一般取3位小數(shù)(小數(shù)點后為分米、厘米、毫米)。角度以360°制的度、分、秒為單位，一般取至整秒。過少的小數(shù)取位會損失測量的精度，過多的小數(shù)取位造則成冗余數(shù)據(jù)。,110,109,110,110,《測