第一章 测量学的基本知识

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地面点位的表示方法


空间是三维的，表示地面点在某个空间坐标系 中的位置需要三个参数，确定地面点位的实质 就是确定其在某个空间坐标系中的三维坐标。 确定地面上一点的空间位置，包括确定它在某 投影面上的位置(以坐标表示)及其到大地水准 面的垂直距离 (即高程)。
坐标系

地理坐标系 高斯平面直角坐标系 平面直角坐标系
大地水准面止的平均 海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水 面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面，这就 是大地水准面 其中与平均海水面重合并向大陆,岛屿延伸而 形成的封闭曲面称为大地水准面.
大地体

大地水准面所包围的形体，叫大地球体 通过长期的测绘和科学调查结果表明：地球表 面上的海洋面积约占百分之七十一，陆地面积 约占百分之二十九，因此人们把地球总的形状 看作是被海水包围的球体，也就是设想有一个 静止的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的 曲面。由于海水有潮汐，时高时低，所以区域 平均的海水面作为地球形状和大小的标准；它 所包围的形体成为大地体。
地理坐标系


最常用的地理坐标系是经纬度坐标系，这个坐标系可 以确定地球上任何一点的位置，如果我们将地球看作 一个椭球体，而经纬网就是加在地球表面的地理坐标 参照系格网，经度和纬度是从地球中心对地球表面给 定点量测得到的角度，经度是东西方向，而纬度是南 北方向，经线从地球南北极穿过，而纬线是平行于赤 道的环线。 地理坐标可分为天文地理坐标和大地地理坐标：天文 地理坐标是用天文测量方法确定的，大地地理坐标是 用大地测量方法确定的。我们在地球椭球面上所用的 地理坐标系属于大地地理坐标系，简称大地坐标系。
各种地球椭球体模型
椭球体名称 年代 长半轴（米） 短半轴（米） 扁率 白塞尔 1841 6377397 6356079 1：299.15 克拉克 1880 6378249 6356515 1：293.5 克拉克 海福特
克拉索夫斯基 I．U．G．G
1866
6378206
6356584 1：295.0 6356912 1：297 6356863 1：298.3 6356775 1：298.25 6356755 1：298.257 6356752 1： 298.257
第一章 测量学的基本知识
测量学


测量学——研究地球的形状和大小以及确定地 球表面各种物体的几何形状、大小和空间位置。 目的是为人们了解和改造自然服务。 测绘——测量和地图制图的简称。
测量学的分类

大地测量学 地形测量学 工程测量学 摄影测量
大地测量学


大地测量学是以研究广大地区甚至整个地球为 对象的测绘学科 大地测量学的基本任务是建立国家大地控制网， 测定地球的形状、大小和研究地球重力场的理 论、技术和方法。
大地坐标

大地坐标（Geodetic Coordinate）:大地测量 中以参考椭球面为基准面的坐标。地面点P的 位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。 当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地 纬度表示。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，大地纬度是通 过该点的法线与赤道面的夹角，大地高是地面 点沿法线到参考椭球面的距离。


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。
地形测量学

一个小区域的各类物体形状和大小及其空间位 置。
工程测量学



定义：指在工程建设勘测设计、施工和管理阶 段所进行的各种测量工作。 按工作顺序和性质分为：勘测设计阶段的控制 测量和地形测量；施工阶段的施工测量和设备 安装测量；管理阶段的变形观测和维修养护测 量。 按工程建设的对象分为：建筑、水利、铁路、 公路、桥梁、隧道、矿山、城市和国防等工程 测量。
80西安坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确 定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年 国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭 球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会 第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在 我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方 向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大 地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确 定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。
1909 6378388 1940 6378245 1967 6378160 1975 1984 6378140 6378137
IAG 75
WGS 84
从地球表面到地图的过程
地图投影


是为解决由不可展的椭球面描绘到平面上的矛盾，用 几何透视方法或数学分析的方法，将地球上的点和线 投影到可展的曲面(平面、园柱面或圆锥面)上，将此 可展曲面展成平面，建立该平面上的点、线和地球椭 球面上的点、线的对应关系。 地图投影的过程是可以想象用一张足够大的纸去包裹 地球，将地球上的地物投射到这张纸上。地球表面投 影到平面上、圆锥面或者圆柱面上，然后把圆锥面、 圆柱面沿母线切开后展成平面。根据这张纸包裹的方 式，地图投影又可以分成：方位投影、圆锥投影和圆 柱投影

中国在1952年以前采用海福特（Hayford）椭球体 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基 (Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系， 1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体 建立了我国新的大地坐标系--西安80坐标系，目前大 地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与 西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照 表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地 心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量 数据多以WGS1984为基准。
大地地理坐标系


我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由 此计算出来的各大地控制点的坐标，称为 1954年北京坐标系。 我国1986年宣布在陕西省泾阳县设立了新的 大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量 协会推荐的大地参考椭球体，由此计算出来的 各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。


纬度——设椭球面上有一点M，通过M点作椭 球面的垂线，称之为过M点的法线。法线与赤 道面的交角，叫做M点的地理纬度（简称纬 度），通常以字母φ表示。 纬度从赤道起算，在赤道上纬度为0度，纬线 离赤道愈远，纬度愈大，至极点纬度为90度。 赤道以北叫北纬、以南叫南纬。


经度——过M点的子午面与通过英国格林尼治 天文台的子午面所夹的二面角，叫做M点的地 理经度（简称经度），通常用字母λ表示。 国际规定通过英国格林尼治天文台的子午线为 本初子午线（或叫首子午线），作为计算经度 的起点，该线的经度为0度，向东0-180度叫东 经，向西0-180度叫西经。
大地原点


中华人民共和国大地原点，亦称西安大地原点，位于陕西省泾阳 县永乐镇，距西安36公里。1978年1月建成。是我国地理坐标的 起算点和基准点。它不但在各项建设和科学技术上有重要的作用， 而且象征着国家的尊严。该原点推算的大地坐标，名为“1980 年大地坐标系”。 大地原点，即“大地基准点”，是国家水平控制网中推算大地坐 标的起算点。通常在国家大地网中选一个比较适中的点作为原点， 高精度测定它的天文经纬度和到另一点的天文方位角，根据“参 考椭球”定位的方法，求得该点的大地经纬度、大地高和到另一 点的大地方位角。这些数据称为“大地基准数据”。
3°分带法

从东经1°30′起，每3°为一带，将全球划分为120个 投影带，东经1°30′-4°30′，...178°30′-西经 178°30′，...1°30′-东经1°30′。 东半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线 计算公式：L0=3°n ,中央经线为3°、6°...180°。 西半球有60个投影带，编号1-60，各带中央经线 计算公式：L0=360°-3°n ,中央经线为西经 177°、...3°、0°。
为什么要用地球椭球体？

地球是一个表面很复杂的球体，人们以假想的 平均静止的海水面形成的“大地体”为参照， 推求出近似的椭球体，理论和实践证明，该椭 球体近似一个以地球短轴为轴的椭园而旋转的 椭球面，这个椭球面可用数学公式表达，将自 然表面上的点归化到这个椭球面上，就可以计 算了。
地球椭球体
地球椭球体
摄影测量学


摄影测量学是利用摄影象片来研究地表形状和 大小的测绘学科。 由于获取象片的方法和途径不同，摄影测量学 又可分为：地面摄影测量和航空摄影测量。
纽约帝国大厦
宝马公司德国总部
美国五角大楼
香港会展中心
北京天坛
地球的形状

地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的 表面，有高山、丘陵和平原，又有江河湖海。 地球表面约有71%的面积为海洋所占用，29% 的面积是大陆与岛屿。陆地上最高点与海洋中 最深处相差近20公里。这个高低不平的表面无 法用数学公式表达，也无法进行运算。所以在 量测与制图时，必须找一个规则的曲面来代替 地球的自然表面
基准线和基准面

铅垂线和水准面是测量工作所依据的线和面。 测量计算基准面——旋转椭球 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面 的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准 面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80 坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。