第2章 测量学的基础知识
2-1 测量学的基本知识(第1次)
总地球椭球： 总地球椭球：
配合最佳的 参考椭球面 大地水准 面差距N 面差距
——与全球大地水准面最为 与全球大地水准面最为 接近的椭球。 接近的椭球。
（利用全球的各种卫星测量资 利用全球的各种卫星测量资 全球 料，顾及地球的几何及物理参 数确定椭球元素）。 数确定椭球元素）。
大地 水准面
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几个世纪以来，许多学者曾算出参考椭球的参数值，如表： 几个世纪以来，许多学者曾算出参考椭球的参数值，如表：
(L，B)54 ，
x
(x,y,z)54 (x,y,z)80
西安80坐标系下： 西安80坐标系下： 80坐标系下
(L，B)80 ，
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2、外部变换
①空间直角坐标系间的转换 (x，y，z)54 ， ，
Z Z′
(x，y，z) 80 ′ ， ，
7参数转换公式：3个平移，3个旋转，1个尺度变化 参数转换公式： 个平移 个平移， 个旋转 个旋转， 个尺度变化 参数转换公式
第二章 测量学的基本知识
§2.1 地球的形状与大小 §2.2 参考椭球及其定位 §2.3 测量常用坐标系
1
§2.1 地球的形状与大小
认识地球是人类探索的目标之一， 认识地球是人类探索的目标之一，也是测量学的任务之一 绝大多数测量工作是在地球上进行， 绝大多数测量工作是在地球上进行，或作为参考系
一、地球的自然表面——岩石圈的表面 地球的自然表面
高山、丘陵、平原、湖泊、 高山、丘陵、平原、湖泊、海洋 最高点： 最高点： ——珠峰 1975：8848.13m 珠峰 ：
2005：8844.43m ：
最低点： 最低点： ——马里亚那海沟 马里亚那海沟11022m， 相差 马里亚那海沟 ， 相差19.866km
2-3 测量学的基本知识(第3次)
1、方位角 2、象限角
三、坐标方位角的推算
一、直线定向的概念 确定直线与标准方向之间的关系称为直线 确定直线与标准方向之间的关系称为直线 标准方向 定向。 定向。
真子午线方向(真北 真子午线方向 真北) 真北
标 准 方 向
磁子午线方向(磁北 磁子午线方向 磁北) 磁北 坐标北方向(坐标北向 坐标北方向 坐标北向) 坐标北向
*主要考虑实用、经济
三、地形图符号
为便于测图和用图， 为便于测图和用图，用各种符号将实地的地物和地貌 在图上表示出来，这些符号总称为地形图图式( 符号总称为地形图图式 在图上表示出来，这些符号总称为地形图图式(GB/T 7929-1995) 7929-1995)。 图式是由国家统一制定的， 图式是由国家统一制定的，它是测绘和使用地形图的 重要依据和标准。 重要依据和标准。
某城市主要交通图 断面图
2、按成图方法分类
线划图： 线划图：
实地实测、 实地实测、线划描绘
影像图： 影像图：
采用彩色像片， 采用彩色像片，以其色彩影像表示
3、按成图介质分类
白纸地图 数字地图
二、图的比例尺
1.图的比例尺 1.图的比例尺
地图上任一线段的长度与地面上相应线段的水平长度 之比。 之比。
3.比例尺精度 3.比例尺精度
人用肉眼能分辨的最小距离一般为0.1mm，所以把图上 人用肉眼能分辨的最小距离一般为0.1mm，所以把图上 0.1mm所表示的实地水平距离称为比例尺精度，即： 0.1mm所表示的实地水平距离称为比例尺精度，即： 0.1mm× 0.1mm×M 举例：
比例尺 比例尺最 大精度 1:500
1:1000 1:2000 1:5000
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一、长度单位
国际单位制中，常用的长度单位的名称和符号
如下：基本单位为米（ m） ，还有千米
（ km） ，分米（ dm） ，厘米（ cm） ，毫
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图 3 参考椭球体的定位
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我国1980 年国家大地坐标系采用了 1975年国 际椭球，该椭球的基本元素是：
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第三节 测量上的基准线和基准面
一、基准线 任何地面点都受着地球上各种力的作用，其中
主要的有地球质心的吸引力和地球自转所产生 的离心力，这两个力的合力称为重力，如图 （4）所示。如果在地面点上悬一个垂球，其 静止时所指的方向就是重力方向，这时的垂球 线，称为铅垂线，如图 （4）所示。
（2）高斯投影3度带：它的中央子午线一部分同6 度带中央子午线重合，一部分同6度带的分界子午 线重合，如用 n表示3度带的带号， 表示L带中央 子午线经度，它们的关系L=3n。我国3度带共计22 带（24～45带）。
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测量上以每一带的中央子午线的投影为直角坐 标系的纵轴x ，向上（北）为正、向下（南） 为负；以赤道的投影为直角坐标系的横轴 y， 向东为正、向西为负，两轴的交点o为坐标原 点。由于我国领土全部位于赤道以北，因此， x值均为正值，而y值则有正有负，为了使计算 中避免y值出现负值，故规定每带的中央子午 线各自西移500km ，同时为了指示投影是哪 一带，还规定在横坐标值前面要加上带号。
水准面：处于自由静止状态的水面称为水准面。 大地体：在测量工作中，把一个假想的、与静止
第二章测量学基本知识
第一节 地球的形状与大小
测量工作的任务： 是确定地面点的空间位置。 平面坐标 x y 三维坐标高( 3程D )h
测量工作是在地球自然表面进行，而地 球自然表面形状十分复杂，不利于用数 学式来表达。
必须确定：平面原点（大地原点） 高程基点（水准面） （（
1、测量计算基准面——旋转椭球 由椭圆（长半轴a，短半轴b）绕b轴旋转而 成的椭球体。可用数学式表示的光滑曲面。
第二节 地面点的表示方法
测量工作的基本任务： 是确定地面点的空间位置，
地面上的物体大多具有空间形状， 如：丘陵、山地、河谷、
洼地等。
为了研究空间物体的位 置，数学上采用投影的 方法加以处理。
如将地面点Ａ沿铅垂线方向 投影到大地水准面上，得到A 投影位置；地面点Ａ的空间位 置，就可用A的投影位置在大 地水准面上的坐标及铅垂距离 ＨＡ来表示。（图２－５）
目前我国采用的椭球元素数值
短半径（a）=6378140m 长半径（b）=6356755.3m 扁率[α=（a-b）/a]=1：298.257
说明：a为长半径；b为短半径；α为扁率。 大地原点——西安附近的泾阳县永乐镇。 （80坐标系） 平均半径[R=1/3（2a+b）]为6371Km。
一、大地水准面
互关系并固定下来的
工作,称为参考椭球体
的定位。P点称为 大地原点。
旋转椭球 面
我国目前采用的参考椭球体为1980 年国家大地测量参考系, 原点在陕西省 泾阳县永乐镇,称为国家大地原点。部分 国家参考椭球体的基本元素见表2-1。
由于参考椭球体的扁率很小,在普通 测量中可把地球作为圆球看待,其半径为 6371km．R可视为参考椭球体的平均 半径,或称为地球的平均半径。
第2章测量学的基础知识
三维坐标(X,Y,Z)
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1980国家大地坐标系 大地原点 ——位于陕西省泾阳县永乐镇
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§ 2.4 测量中常用的坐标系统
四、大地坐标和空间直角坐标的转换 五、高斯投影和高斯平面直角坐标系
1.高斯投影——横切椭圆柱正形投影。又称为高 斯—克吕格投影。同时满足等角和高斯投影条件。 目的：将球面坐标转换为平面坐标。
一、地球形状和大小 1. 地球是一个表面起伏较大的椭球 地球表面最高峰： 8844.43m 海洋底部最深处: 11022.00m 地球表面最大高差近20km 2. 地球又是一个近似光滑的水球 大陆面积: 占29% 海洋面积: 占71 % 3. 地球平均半径: 6371km
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测量工作是在地球表面进行的。地球表
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二、对水平角的影响
球面三角形
内角和 180
球面角超
P R2
P—球面三角形面积
R—地球半径， 206265, 3438, 57.3
• 结论：当测区范围在100km2，用水平面代替水准面时，对 角度影响仅为0.51″，在普通测量工作中可以忽略不计
§ 2.1 地球的形状和大小
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第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
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第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
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第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
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第2章 测量学的基础知识
测量学基础知识点总结
测量学基础知识点总结测量学基础知识点总结测量学是一门研究测量理论、测量方法与测量结果的科学，广泛应用于工程、地质、物理等领域。
测量学基础知识点包括测量基本概念、错误与误差、测量精度、测量标准等方面。
本文将对测量学的基础知识点进行总结。
1. 测量基本概念测量是通过对事物进行观测和比较，以确定其数量、性质和关系的过程。
测量的基本要素包括测量对象、测量目的、测量方法和测量结果等。
测量对象是需要被测量的事物，测量目的是为了获取相应的测量结果，测量方法是通过使用工具和仪器来进行测量，测量结果是测量的具体数值。
2. 错误与误差在测量过程中，由于各种原因引起的测量结果与真实值之间的差异称为误差。
误差可分为系统误差和随机误差。
系统误差是由于仪器、测量方法、个人技术等因素引起的，其结果偏离真实值的方向是固定的，并且可能存在累积效应。
随机误差是由于不可控制的、随机的因素引起的，其结果偏离真实值的方向是随机的，并且可能存在均值为零的正态分布。
3. 测量精度测量精度是指测量结果与真实值之间的接近程度，反映了测量过程中产生的误差大小。
测量精度可以通过准确度和重复性来评价。
准确度是指测量结果接近真实值的程度，重复性是指在相同的条件下进行重复测量所得结果的一致性。
提高测量精度的方法包括选择合适的测量方法、使用精密的测量仪器和仔细控制测量条件等。
4. 测量标准测量标准是用于确立和比较测量结果的基准。
测量标准可以分为实物标准和基本单位标准两种类型。
实物标准是通过某种物理量的实质属性作为标准来建立的，例如国际千克原器是质量的实物标准。
基本单位标准是通过一系列的精密仪器以及相应的测量方法来建立的，例如米/秒是长度的基本单位标准。
除了上述基础知识点，测量学还涉及误差的传递、测量不确定度、数据处理与分析等内容。
误差的传递是指在多个测量量的组合中，各个测量量所引起的误差在组合结果中的传递规律。
测量不确定度是指对测量结果的概率性描述，通常用标准不确定度或扩展不确定度来表示。
第二章测量学基本知识
二、相关的名词概念
NS为椭球的旋转轴，N表示北极，S表示南 极。通过椭球旋转轴的平面称为子午面，而通 过原格林尼治天文台的子午面称为起始子午面。 子午面与椭球面的交线称为子午线。通过椭球 中心且与椭球旋转轴正交的平面称为赤道面。 赤道面与椭球面的交线称为赤道。与椭球旋转 轴正交，但不通过球心的平面与椭球面的交线， 称之为平行圈。大地经度（L）就是通过某点的 子午面与起始子午面的夹角。大地纬度（B） 就是通过某点的法线与赤道面的交角。大地经 度L和大地纬度B统称为大地坐标。大地坐标是 以法线和参考椭球面作为基准线和基准面的。 用经、纬度表示某点位置的坐标系是在球面上 建立的，故称为球面坐标或地理坐标。我国疆 域全部位于东经、北纬地区。
珠穆朗玛峰
马里亚纳海沟
地球的卫星照片
二、关于大地体的概念
大地体：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 取其平均的海水面作为地球形状和大小 的标准，它所包围的形体称为大地体。
重力：地球引力与离心力的合力。
面位置的相互关系。确定一条直线与基本 方向的关系称为直线定向。
三北方向及相互关系
基本方向线有三种，亦称“三北方向”。真北方向，
即椭球的子午线所指的北方向。磁北方向，即用磁针北 端所确定的北方向。坐标北方向，即平面直角坐标系X 坐标轴所指的北方向。三北方向是不重合的，在不同地
方它们相互位置是不一互致的，通过地面某点的真子午
即使在很短的距离内也要加以考虑。
第五节 测量工作概述
一、测图原理
地形图上各点是实地上相应各点在水平面 上正射投影的位置再用测图的比例尺缩绘到图 纸上的。测量工作中测定点与点之间关系的三 条规则： （1）测定地面上两点间的距离，是指水平距离。 （2）测定两条边之间的夹角，是指水平角。 （3）地面上各点的高差，是指各点沿铅垂线方 向到大地水准面的距离之差，即高程之差。
《数字地形测量学》第2章 测量的基本知识
高斯投影的规律是：
(1) 中央子午线的投影为一条直线，且投影之后的长 度无变形；其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线， 且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度变形也 就越大； (2) 赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道 的曲线，并以赤道为对称轴； (3) 经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后 无角度变形； (4) 中央子午线和赤道的投影相互垂直。
天文坐标系
大地坐标系
采用不同的椭球时，大地坐标不一样。 我国目前常采用的坐标系有：
1、1954年北京坐标系（BCJ-54）：建国初期，采用
克拉索夫斯基椭球建立的参考坐标系。大地原点在苏 联的普尔科沃，利用东北边境 呼玛、吉拉林、东宁三 个点与苏联大地网联测后的坐标作为我国天文大地网 的起算数据，推算出北京一点的坐标为原点。 缺点： （1）参考椭球长半径偏长（长了100多米） （2）椭球基准轴定向不明确 （3）椭球面与我国境内的大地水准面不吻合，东部高 程异常达+68m。 （4）点位精度不高。
§2.2 测量常用坐标系和参考椭球定位
测量的主要工作就是测定地面点的位置，而地面点的 空间位置通常用平面坐标和高程来表示。 地理坐标：地面上点的位置在球面上通常用经纬度表 示，某点的经纬度称为该点的地理坐标。 1. 地轴：地球自转轴。 2. 纬线：垂直于地轴的各平面与球面的交线。 3. 赤道平面：通过地心与地轴垂直的平面。 4. 赤道：赤道平面与地球表面的交线。 5.（L点）真子午面：通过地轴和地球上任一点L的平 面。
S 1 S S 3 R
2
结论：在半径为10km的圆面积内进行长度的 测量工作时，可以不必考虑地球曲率；也就 是说可以把水准面当作水平面看待，即实际 沿圆弧丈量所得距离作为水平距离，其误差 可忽略不计。
第二章 测量学的基本知识
3°投影带是从东经1°309开始，每隔经度3°划为一带， °投影带是从东经 ° 9开始，每隔经度 °划为一带， 将整个地球划分为120个带。带号依次为1～120，各带中央 个带。带号依次为 ～ 将整个地球划分为 个带 ， 的子午线的经度为3° 的子午线的经度为 °、6°、9°、…360°。任意一个带中 ° ° ° 央子午线经度
子午线的投影
赤道的投影
测量上选用的平面直角坐标系，规定纵坐标轴 测量上选用的平面直角坐标系，规定纵坐标轴 平面直角坐标系 为X轴，表示南北方向，向北为正；横坐标轴为 轴， 轴 表示南北方向，向北为正；横坐标轴为Y轴 表示东西方向，向东为正；象限按顺时针方向编号。 表示东西方向，向东为正；象限按顺时针方向编号。 2. 地区平面直角坐标系 当测量的范围较小时，可以把该测区的球面 当测量的范围较小时， 当作平面看待， 当作平面看待，直接将地面点沿铅垂线投影到水 平面上，用平面直角坐标来表示它的投影位置。 平面上，用平面直角坐标来表示它的投影位置。 坐标原点可假定，也可选在测区的已知点上， 坐标原点可假定，也可选在测区的已知点上，北 方向与地理保持一致（ 方向与地理保持一致（通常用罗盘仪来确定北方 向）。
ϕ
ϕ）
大地原点 大地原点”亦称“ 大地原点”亦称“大地 基准点” 基准点”，即国家水平控 制网中推算大地坐标的起 算点。建国初期，我国使 算点。建国初期， 用的大地测量坐标系统是 从前苏联测过来， 从前苏联测过来，其坐标 原点是前苏联玻尔可夫天 文台， 文台，这种状况与我国的 建设和发展极不相称。为 建设和发展极不相称。 此，国家有关方面决定建 立我国独立的大地坐标系。 立我国独立的大地坐标系。
大地水准面是测量野外工作的一种基准面， 大地水准面是测量野外工作的一种基准面， 是测量野外工作的一种基准面 铅垂线是测量野外工作的一种基准线 是测量野外工作的一种基准线。 铅垂线是测量野外工作的一种基准线
测量学基础知识
测 量 员 手 簿一、测量工作的基本原则布局上：由整体到局部精度上：由高级到低级次序上：先控制后细部所有测量工作都必须遵循以上原则，也是测量的工作次序。
二、控制测量的程序由整体到局部由高级到低级先控制后细部三、确定地面点位的三个基本要素水平距离：S水平夹角：β高 差：h称为三个基本观测量在测量过程中应遵循“随时检查、杜绝错误”的原则。
测量的三项基本工作：距离测量、角度测量、高差测量。
坐标系统：国家三角测量采用1980年西安坐标系统。
平面坐标系统：国家三角测量平面坐标系统采用高斯--克吕格平面坐标系统.三 角 函 数邻边与斜边的比叫做余弦，记作cos cos=邻边/斜边对边与邻边的比叫做正切，记作tan tan=对边/邻边对边与斜边的比叫做正弦，记作sin sin=对边/斜边弧 度（rad)已知弧度计算弧长的公式： 已知弧度÷（180°÷π）×半径已知弧长计算弧度的公式： 已知弧长÷半径×（180°÷π）象限角（R）及方位角（α）象限角：直线与X轴的夹角（R=0～90°）象限角R AB=arctan(ΔX AB2+ΔY AB2)方位角：从标准方向起，顺时针量到直线所成的夹角。
从0°～360°方位角αAB=该角所在的象限加上相应的数值（如下）当增量x正；y正，那就是在第一象限控 制 测 量小地区控制测量1.相关的概念：控制网：就是在测区内选择一些有控制意义的点（称为控制点）构成的几何图形。
按功能分为：平面控制网、高程控制网。
按规模分为: 国家控制网、城市控制网、小区域控制网和图根控制网。
国家控制网分为：一、二、三、四等4个级别。
小地区控制网：是指在面积小于15m2 范围内建立的控制网。
2.平面控制导线测量就是测量导线各边长和各转折角，然后根据已知数据和观测值计算各导线点的平面坐标。
（1）附合导线：起始于一个高级控制点，最后附和到另一个高级控制点的导线，称为附和导线。
2测量学的基础知识
三维坐标(X,Y,Z)
1.坐标原点为参考椭球球心或地心 2.Z轴指向地球北极 3.X轴指向格林尼治子午面与赤道面交线 4.Y轴垂直于XOZ平面，构成右手系。
空间直角坐标系
大地坐标系
(四)、空间直角坐标系与大地坐标系转换
（五）、高斯投影和高斯平面直角坐标系
1.为何采用地图投影?
由于地球的表面基本上是一个球面，而地图是一个平面。因此 把球面展成平面时，就像把一个乒乓球破开压平一样，必然产 生破裂或褶皱。这样也就不能表示各地面景物的形状，大小和 相互关系
2.高斯投影
高斯—克吕格投影，简称高斯投影，又名兰伯特圆柱投影 或横轴墨卡托投影。是一种横轴等角切椭圆柱投影
1)沿N、S两极在参考椭球面均匀标出子午线(经线) 和分带。 2)假想一个横椭圆柱面套在参考椭球面上。 3)地球表面投影到横椭圆柱面上。 4) 展开成高斯平面
2.高斯投影
x
中 央 子
赤道
高斯投 影平面
2016年11月20日星期日
特点： 采用多点定位原理建立，理论严密，定义明确； 椭球参数为现代精确的地球总椭球参数； 椭球面与我国大地水准面吻合得较好； 椭球短半轴指向明确； 经过了整体平差，点位精度高。
地心坐标系
GPS卫星绕地球运转，其轨道平面通过地球质心系。
地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、
面积等参数的量算
地球椭球体为不可展曲面
地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、
方位、面积等量算和各种空间分析
创建地图投影过程的最初设想为：在一个透 明的地球仪内部确定一个点光源，在地球仪 表面放上不透明的地球特征，然后在围绕地 球仪的二维表面上投影特征轮廓线。利用围 绕地球仪的圆柱、圆锥或平面模式产生不同 的投影方式。每一种方法都作为所谓地图投 影系列的原始产物。这样，就有了平面投影 系列、圆柱投影系列和圆锥投影系列等。 地图投影：将椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则， 变换为平面上相应点的平面直角坐标。 x f1 ( , ) y f 2 ( , ) 地图投影变形性质的分类 1.等面积投影 2.等角投影(正形投影) 3.等距离投影
现代普通测量学(第2版)课后习题参考答案
《现代普通测量学》习题参考答案第1章 绪 论略第2章 测量学的基础知识一、学习目的与要求1.掌握测量学的基础知识，清楚参照系的选择和地面点定位的概念。
2.了解水准面与水平面的关系。
3.明确测量工作的大体概念。
4.深刻理解测量工作的大体原则。
5.充分熟悉普通测量学的主要内容。
二、课程内容与知识点1.地球特征，大地水准面的形成，地球椭球选择与定位。
地球形状和大小。
水准面的特性。
参考椭球面。
2.肯定点位的概念。
点的平面位置和高程位置。
3.测量中常常利用的坐标系统，坐标系间的坐标转换。
天文坐标（λ，φ），大地坐标（L ，B ），空间直角坐标（X ，Y ，Z ），高斯平面直角坐标（x ，y ），独立平面直角坐标（x ，y ）。
高斯投影中计算带号的公式：()()取整数部分取整数部分=+︒-==+=13/'30116/P P n N λλ计算中央子午线的公式：n N 33636=︒-︒=︒︒λλ 4.地面点的高程。
1985年国家黄海高程基准。
高程与高差的关系：''A B A B AB H H H H h -=-=。
5.用水平面代替水准面的限度。
对距离的影响：223RD D D ≈∆ 对水平角的影响："6.0≤ε 对高差的影响：R D h 2/2=∆ 6.测量工作的大体概念。
测量工作的原则：从整体到局部、先控制后碎部；步步检核。
测量工作的内容：地形图测绘，施工测量。
三、习题与思考题1.何谓大地水准面？它在测量工作中起何作用？答：静止平衡状态下的平均海水面, 向大陆岛屿延伸而形成的闭合水准面。
特性: 唯一性、等位面、 不规则曲面； 作用：测量野外工作的基准面。
2. 测量中常常利用的坐标系有几种？各有何特点？不同坐标系间如何转换坐标？ 答：测量中常常利用的坐标系统有：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。
3. 北京某点的大地经度为116º20′，试计算它所在的六度带和三度带带号，相应六度带和三度带的中央子午线的经度是多少？答：()().391]3/'301[;201191]6[=+︒-==+=+=P P n N λλ L 0=6 ºN -3 º=117 º ；L ’0 =3ºn=117 º。
测量学基础知识
水准测量：测出AB两点之间的高差，可在AB两点上分别竖 立两根标尺，在两点之间安置一架能提供水平视线的仪器， 使视线水平照准A点标尺读数，设为ａ，再照准B点标尺读 数，设为ｂ，则AB两点间的高差为 ：hAB =ａ-ｂ 因为A点高程已知，通常称a为后视读数，而称b为前视读 数。即hAB=后视读数一前视读数。
早在春秋战国时期，已经制成了利用磁石的指南仪器“司 南”，它是沿用几千年的指南针与罗盘的雏型。大约是公 元前2200年，夏禹治水时，使用了“左准绳，右规矩”的 测量工具和方法。长沙马王堆3号汉墓出土了西汉时期的 《地形图》和《驻军图》》。东汉张衡研制的天球仪与侯 风地动仪、魏晋时期刘徽的《海岛算经》、西晋裴秀的 《制图六体》、唐李吉甫的《元和群县图志》等等一系列 成就都在我国测绘史上增添了光辉的篇章。
22
S3型水准仪的构造 S3型微倾式水准仪组成，它主要由望远镜、水准器和基座三部 分。 仪器的上部有望远镜、水准管、水准管气泡观察窗、圆水准器、 目镜及物镜对光螺旋、制动螺旋、微动及微倾螺旋等。
23
仪器竖轴与仪器基座相连；望远镜和水准管连成一个整 体，转动微倾螺旋可以调节水准管连同望远镜一起相对 于支架作上下微小转动，使水准管气泡居中，从而使望 远镜视线精确水平，由于用微倾螺旋使望远镜上、下倾 斜有一定限度，可先调整脚螺旋使圆水准器气泡居中， 粗略定平仪器。
21
2.2 DS3水准仪及其操作
水准仪是水准测量的主要仪器，按其所能达到的精度分为DS05、 DS1、DS3及DS10等几种等级。 “D”和“S”表示中文“大地”和“水准仪”中“大”字和“水” 字的汉语拼音的第一个字母，通常在书写时可省略字母“D”， 下标“05”、“l”、“3”及“10”等数字表示该类仪器的精度。 S3型和S10型水准仪称为普通水准仪，用于国家三、四等水准 及普通水准测量，S05型和S1型水准仪称为精密水准仪，用于 国家一、二等精密水准测量。
测量学的基础知识 (2)
y(E) 赤 道
规定：
①中央子午线的投影为该坐标
系的纵轴x，向北为正。
②赤道的投影为横轴y，向东
为正。
③两轴的交点为坐标原点O。
2.2 地面点位的确定
高斯平面直角坐标 高斯投影的特点： 中央子午线的投影为一条直线，且投影之后的长度无变形；其余子午 线的投影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离 对称轴越远，其长度变形也就越大； 赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为 对称轴； 经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形； 中央子午线和赤道的投影相互垂直。
第二章 测量学的基础知识
本章主要内容
地球的形状和大小 地面点位的确定 用水平面代替水准面的限度 测量工作概述
2.1 地球的形状和大小
地球自然表面 测量工作的主要研究对象是地球的自然表面，但地球表面形状极其复杂。有 高山、丘陵、平原、河流、湖泊和海洋。世界第一高峰珠穆郎玛峰高达 8844.43m，太平洋西部的马里亚纳海沟深达 11022m。海洋面积约占 71%, 陆 地面积约占29%。测量中把地球形状看作是由静止的海水面向陆地延伸并围绕 整个地球所形成的某种形状。
地面点的高程 绝对高程：地面点到大地水准面的铅垂距离，称为该点的绝对高程，简 称高程，用H表示。地面点A、B的高程分别为HA、HB。 相对高程：地面点到假定水准面的铅垂距离，称为该点的相对高程或假 定高程。A、B两点的相对高程为HA′、HB′。
黄海平均海水面
B
hAB
A
HB′
HB HA′
HA
铅垂线 铅垂线
2.2 地面点位的确定
独立平面直角坐标 当测区范围较小时，可以用测区中心点a的水平面来代替大地水准面。在 这个平面上建立的测区平面直角坐标系，称为独立平面直角坐标系。
测量学基础知识（ＰＤＦ）
1、大地水准面：平均海水面向陆地延伸形成的封闭曲面。
它是一种重力等位面，重力是地球引力与离心力的合力。
2、大地水准面和铅垂线是外业测量作业的基准面和基准线。
3、研究地球的形状和大小就是研究大地水准面和大地体的形状和大小。
4、测量计算和制图时将旋转椭球代替大地水准面作为基准面。
5、大地原点 普尔科沃（克拉索夫斯基）陕西省泾阳县永乐镇（IUGG ）6、测量上常用的坐标系有：天文坐标系、大地坐标系、高斯平面直角坐标系、高斯平面直角坐标系。
7、天文坐标系以垂线和大地水准面作为基准面和基准线。
因其受环境限制，定位速度慢、精度低（0.5”，相当于10m 的定位精度）、天文坐标间的推算较为困难，在工程应用中较少，常用于导弹发射和天文大地网或独立工程控制网的定向。
8、大地坐标系以法线和椭球面为基准面和基准线。
大地坐标根据大地原地（该点采用天文经纬度）按大地测量所测得的数据推算而得。
由于天文坐标系和大地坐标系所选择的基准面和基准线不同，二者之间的天文坐标和大地坐标不同。
同一点的垂线法线不一致产生垂线偏差。
9、空间直角坐标系：坐标原点选在椭球中心；X 轴与格林尼治起始子午面与赤道的交线重合；Z 轴与地球旋转轴重合；右手坐标系10、平面直角坐标系：高斯平面直角坐标系、独立平面直角坐标系、建筑施工坐标系。
11、测量坐标系与施工坐标系：00'cos 'sin 'sin 'cos p p x x x y y y x y αααα=+-⎧⎪⎨=++⎪⎩ 12、2222()cos cos ()cos sin e [(1)]sin p p p x N H B L a b y N H B L N a z N e H B2⎧=+⎪-⎪=+ = =⎨⎪=-+⎪⎩13、大地坐标系之间的转换（布尔莎7参数模型）211x y zx z x X X X m X Y Y Y m Y Z Z Z m Z εεεεεε∆-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+∆+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥∆-⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 14、椭球面是测量计算的基准面，但是在它上面进行各种计算并不简单，甚至可以说是复杂和繁琐的，为了便于测量计算和生产实践，我们宣讲椭球面上的元素化至平面上，在平面直角坐标系中采用简单公式计算平面坐标。
第二章测量学基本知识(2015)
(R h)2R 2D 2
D2 h
2R h 上式中，可以用D代替D′，相对于2R很小
，可略去不计，则
h D2 2R
（2-4）
对高差的影响
以不同的距离D值代入式可求出相应的高程误差△h，如表所示
。
平面代替水准面的高程误差
（二）结论
用水平面代替水准面，对高程的影响是很大的，因此，在 进行高程测量时，即使距离很短，也应顾及地球曲率对 高程的影响。
理解地面点位确定中的坐标系统及高程 系统；
理解用水平面代替水准面的限度； 理解测量工作程序、步骤及测图原理。
判断题：
1、相对同一地理位置，不同的大地基准面，它们的 经纬度坐标是有差异的。
2、测量成果的处理，距离与角度以参考椭球面为基 准面，高程以大地水准面为基准面。
3、在10km为半径的圆范围内，平面图测量工作可 以用水平面代替水准面。
8、高斯投影中，偏离中央子午线愈远变形愈 大。
9、三度带的中央子午线与六度带的中央子午 线和分带子午线重合 。
世界上最高的山峰——珠穆朗玛峰 世界上最深的海沟——马里亚纳海沟
第一节 地球形状与地球椭球体
一、地球的形状及大小 二、地球椭球体
一、地球的形状及大小
地球的形状
概念
水准面 大地水准面 大地体
对水平角度的影响
以不同的面积P代入式（2- 3），可求出球面角超值，如
表所示。
水平面代替水准面的水平角误差
（二）结论
当面积P不超过100km2时，进行水平角测量时，可以用水平 面代替水准面，而不必考虑地球曲率对距离的影响。
对高差的影响
一、地球曲率对高差的影响 （一）推导
如水图平所面示代，替地水面准点面B的后绝，对B点高的程高为程HB为，用 H替B′水，准H面B与产H生B′的的高差程值误，差即，为用水△平h表面示代
测量学基础知识
与业术语
5、数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写DEM） 是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的 平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。DEM的格网 间隑应不其高程精度相适配，幵形成有规则的格网系列。 根据丌同的高程精度，可分为丌同类型。为完整反映地 表形态，迓可增加离散高程点数据。 6、地籍测是对地块权属界线的界址点坐标迕行精确测定， 幵把地块及其附着物的位置、面积、权属关系和利用状 况等要素准确地绘制在图纸上和记录在与门的表册中的 测绘工作。地籍测量的成果包括数据集（控制点和界址 点坐标等）、地籍图和地籍册。
与业术语
14、基础测绘： 基础测绘是指建立全国统一的测绘基准和 测绘系统，迕行基础航空摄影，获取基础 地理信息的遥感资料，测制和更新国家基 本比例尺地图、影像图和数字化产品，建 立、更新基础地理信息系统。 15、军事测绘： 具有军事内容戒者为军队作戓、训练、军 事工程、戓略准备等而实斲的测绘的总称。
与业术语
12、海洋大地测量是在海洋范围内建立大地控制网所迕行 的测量工作。内容有控制测量、水深测量、海洋重力测 量、卫星大地测量等。它不大地测量、地图制图、航海 学、海洋学、潮汐学、水声物理学、电子技术和遥感技 术等有着密切的联系。 13、航空测量指从空中由飞机等航空器拍摄地面像片。为 使取得的航空像片能用亍在与门的仪器上建立立体模型 迕行量测，摄影时飞机应按设计的航线往迒平行飞行迕 行拍摄，以取得具有一定重叚度的航空像片。按摄影机 物镜主光轴相对亍地表的垂直度，可分为近似垂直航空 摄影和倾斜航空摄影。近似垂直航空摄影主要用亍摄影 测量目的。科学考察和军事侦察有时采用倾斜航空摄影。
测量学基础知识
目录
认识测量 与业术语 地面点位的确定 控制测量 测图 放样 测量相关仪器（水准仪、经纬仪、全站仪、 GPS） 全站仪培训
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15
§ 2.1 地球的形状和大小
二、基本概念
5. 旋转椭球 与大地体非常接近的 数学椭球 长半径为a，短半径为b 扁率 Z
Y
a b a
2 2
X
数学模型
地球平均半径 R=6371km
x y z 2 2 1 2 a a b
2013-8-23
2
1 R ( a a b) 3
16
28
2013-8-23
2.高斯投影分带
L0 6 N 3 （1）6度投影带：中央子午线经度为 L'0 3 n （2）3度投影带：中央子午线经度为
2013-8-23 29
五、高斯投影和高斯平面直角坐标系
3.高斯平面直角坐标系 x坐标：中央子午线向西 平移500km，向北为正。 y坐标：赤道，向东为正。
§ 2.1 地球的形状和大小
2013-8-23
2
第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
2013-8-23
3
第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
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4
第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
2013-8-23
5
第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 地球的形状和大小
§ 2.3
地面点位的确定
地球表面所有 地理空间信息 总称为地形。
地形包括 地物和地貌两大 部分
2013-8-23
18
§ 2.3
地面点位的确定
地物：地面上人造和天 然的固定物体 将地物特征点按比例缩 小在图纸上，并用一定 的地物符号绘制在地形 图上。
2013-8-23
19
§ 2.3
地貌：地面高 低起伏的形态
测区 o y
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32
§ 2.5
地面点的高程
一、高程 地面点沿铅垂线方向到高程基准面的距离
绝对高程H（海拔）：地面 点沿铅垂线方向到大地水 准面的距离
相对高程H'：地面点沿铅 垂线方向到任意水准面的 距离
高差h：地面两点高程之差
hAB H B H A H H
' B
2013-8-23 35
二、对水平角的影响
球面三角形 内角和 180
P 球面角超 2 R
P—球面三角形面积 R—地球半径， 206265, 3438, 57.3
• 结论：当测区范围在100km2，用水平面代替水准面时，对 角度影响仅为0.51″，在普通测量工作中可以忽略不计
离心力
地心引力
重力G
地心O
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11
大地水准面
设想当海洋处于静止均衡状态时，将它 延伸到陆地内部所形成的封闭曲面。
陆地 大地水准面 静止海水 面
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12
地球表面
大地水准面和铅垂线示意图
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起始天文 子午面 G E O
地球自转轴
地球自然表面
大地水准面
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34
§ 2.6
用水平面代替水准面的限度
一、对距离的影响 大地水准面上：D R 在水平面上： D R tg 误差值： 相对误差：D
D D D R(tg )
D2 2 D 3R
结论：当测区半径 r<10km时, 误差仅为1/120万，可用水平面 代替大地水准面
一、地球形状和大小 1. 地球是一个表面起伏较大的椭球 地球表面最高峰： 8844.43m 海洋底部最深处: 11022.00m 地球表面最大高差近20km 2. 地球又是一个近似光滑的水球 大陆面积: 占29% 海洋面积: 占71 % 3. 地球平均半径: 6371km
2013-8-23
6
测量工作是在地球表面进行的。地球表 面虽然很不规则，有高山、平原、丘陵、海 洋等。但这些起伏相对于地球本身十分微小 。
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7
一、地球的形状
2013-8-23
8
一、地球的形状
2013-8-23
9
一、地球的形状
为什么需要 抽象出 两个‘椭球’
2013-8-23 10
§ 2.1
二、基本概念
地球的形状和大小
重 力 的 方 向 线 称 为 铅 垂 线
1. 重力方向线 即铅垂线, 是测量工作的基准线 2. 水准面 自由静止的水面; 是等位面, 有无数个
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三、普通测量的基本内容
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40
第2章 测量学的基础知识
§ 2.1 § 2.2 § 2.3 § 2.4 § 2.5 § 2.6 § 2.7
地球的形状和大小 地球椭球——参考椭球体 地面点位的确定 测量中常用的坐标系统 地面点的高程 用水平面代替水准面的限度 测量工作的基本概念
2013-8-23
1
第2章 测量学的基础知识
2013-8-23 36
三、对高程的影响
用水平面代替水准面对高 程的影响就是地球曲率对 高程的影响
h Bb Bb ob ob R sec R R (sec 1) D2 2R
结论: 必须顾及其影响,进行改正
2013-8-23
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§ 2.7 测量工作的基本概念
y
Ⅰ α
y
Ⅲ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 笛卡尔 平面直角坐标系
x
高斯 平面直角坐标系
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31
六、墨卡托投影——等角正圆柱投影 七、独立平面直角坐标系
在半径R<10km的范围内，可用水平面代替大地水准面作 为基准面。 以磁子午线的方向作为X轴，向北为正；其垂直方向为Y 轴，向东为正。 坐标原点选在测区西南角。 x
2013-8-23
' A
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二、我国的高程系统
国家水准原点（高程零点 H。）位于青岛观象山，
黄海平均海水面为高程基准面
•1956黄海高程系：H。=72.289m
•1985国家高程基准：H。=72.260m，相差29mm
•合肥市目前仍采用上海吴淞高程系 • 如合肥市某点: • 吴淞高程—1.856m=85黄海高程
2013-8-23 24
1980国家大地坐标系 大地原点 ——位于陕西省泾阳县永乐镇
2013-8-23
25
§ 2.4 测量中常用的坐标系统
四、大地坐标和空间直角坐标的转换 五、高斯投影和高斯平面直角坐标系
1.高斯投影——横切椭圆柱正形投影。又称为高 斯—克吕格投影。同时满足等角和高斯投影条件。 目的：将球面坐标转换为平面坐标。
2013-8-23
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高斯投影的概念
N
M
中 央 子 O 午 线 赤道面
S
2013-8-23互垂直 的直线。 中央子午线长度不 变，离中央子午线 越远变形越大。 为保证投影精度， 必须采用分带投影。
6度投影带：中央子午线经度为
L0 6 N 3
一、天文坐标系 球面坐标，称为地理坐标 基准面：大地水准面 基准线：铅垂线 地面点位用天文经度和天 文纬度来表示
2013-8-23 23
§ 2.4
测量中常用的坐标系统
二、大地坐标系 基准面：参考椭球面 基准线：法线 地面点位用大地经度和 大地纬度来表示 1.1954年北京坐标系 2.1980国家大地坐标系 3.WGS-84世界大地坐标系 三、空间直角坐标系 三维坐标(X,Y,Z)
地面点位的确定
在地形图上通 常用等高线来 表示地貌
20
2013-8-23
§ 2.3
地面点位的确定
地面点的空间位置由 三维坐标确定，包括
球面坐标（L，B，H） 或（X，Y，Z）
平面坐标 (x, y)和高程H， 可写为(x, y，H)
2013-8-23
21
起 始 大 地 子 午 面
N
P（L B H）
§ 2.2
地球椭球——参考椭球体
• 旋转椭球理论上是唯一 的数学球体 • 旋转椭球参数，难以全 球统一确定；各国自己 测定并采用的旋转椭球 称为参考椭球 • 同时顾及地球几何参数 和物理参数的旋转椭球 称为地球椭球体，又称 为参考椭球体 • 参考椭球面是测量计算 和制图的基准面
2013-8-23 17
一、测量三项基本工作
测量工作包括测定和测设 两部分，其实质都是确定 地面点的点位 确定点位的三要素：高差、 水平角、水平距离 测量三项基本工作： 高程测量（第三章） 角度测量（第四章） 距离测量（第五章）
38
2013-8-23
二、测量工作的原则
从整体到局部，先控 制后碎部 ——减少误差结累 ——加快测量速度 前项工作未作检核， 不进行下一步工作 ——保证成果质量
为区分点位所在的高斯投 影带，在Y坐标前必须加 两位数的带号。 如：x A 3516432.695m
y A 20587634.230m
• 我国六度带带号 N=13~23，三度带带号 n=25~45
2013-8-23 30
3. 测量高斯平面直角坐标系与 数学笛卡尔平面直角坐标系的区别
x
Ⅳ α Ⅰ Ⅱ
H P
O E
B
K
L
赤 道 面
1、确定椭球的形状和大小 S 大地经度L 大地纬度B
2013-8-23
2、椭球的定位和定向 大地高H
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