第1章 绪论分解.docx

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第1章绪论分解

第一章绪论

1.1测量学与土木工程测量

测量学的经典定义是：

测量学是研究地球的形状和大小，测定地面点的位置及高程，将地表形状及其它信息测绘成地形图的科学。

测量学的主要任务有三个方面：

一是研究确定地球的形状和大小，建立统一的测绘基准；二是将地球表面的地物地貌测绘成图；三是将图纸上的设计成果测设至现场。

根据测量及研究的对象、任务及采用技术手段的不同，传统上又将测量学分为以下几个分支学科：

大地测量学——研究和确定地球形状、大小和重力场，测定地面点的几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。

其基本任务是建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和重力场，为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据；为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料。

按照测量手段的不同，大地测量学又分为常规大地测量、卫星大地测量及物理大地测量等。

普通测量学——研究地球表面较小区域内测绘工作的基本理论、技术、方法及应用的学科。

是测量学的基础。

主要内容包括：

建立图根控制网、测绘地形图、应用地形图、以及一般工程的施工测量。

具体工作有角度测量、距离测量、高程测量、测量数据平差处理和绘图。

在测绘地形图过程中无需考虑地球曲率的影响，用平面代替地球曲面。

摄影测量学——研究利用摄影或遥感的手段获取目标物的影像数据，从中提取几何的或物理的信息，并用图形、图像和数字形式表达测绘成果的学科。

其基本任务是通过对摄影像片或遥感图像进行处理、量测、解译，以测定物体的形状、大小和空间位置，进而制作成图。

摄影测量学包括航空摄影测量、航天摄影测量（遥感）、地面摄影测量和近景摄影测量等。

地图制图学——研究模拟地图和数字地图的基础理论、设计、编绘和复制的技术方法以及应用的学科。

它的基本任务是利用各种测量成果编制各类地图，其内容主要包括地图投影、地图编制、地图整饰、地图制印和地图应用等。

随着计算机技术的引入，出现了计算机地图制图技术，使地图产品由纸质模拟地图向数字地图转变，从二维静态向三维立体和四维动态转变。

数字地图的发展及广阔的应用领域为地图学的发展展现出了光辉的前景，使数字地图成为21世纪社会生活中的主要测绘产品。

工程测量学——研究工程建设和自然资源开发中，在规划、勘察设计、施工和运营管理各个阶段进行的控制测量、地形测绘、施工放样、设备安装、变形监测及分析预报等的理论与技术的学科。

工程测量学按其研究对象的不同又可分为：

建筑工程测量、水利工程测量、矿山测量、铁路工程测量、公路工程测量、桥梁工程测量、隧道工程测量、输电线路与输油管道测量、港口工程测量、军事工程测量、城市建设测量等。

海洋测量学——研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制理论与方法的学科。

主要包括海洋大地测量、海道测量、海底地形测量、海洋重力测量及各种海图的编制。

土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。

它既指所进行的勘测设计、施工、运营维护等技术活动，也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、运输管道、隧道、桥梁、堤坝、港口、电站、机场、给排水等工程等。

为实施土木工程而进行的测量工作即为土木工程测量。

 因此，土木工程测量属于普通测量学和工程测量学的范畴。

基本内容包括测定和测设的理论与技术体系。

随着近代电子技术、空间技术、计算机技术以及通信技术的发展，测量工作的方法、工具、对象和成果有了较大的变化，现代的测量学又改称测绘学。

测绘学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的各种几何、物理、人文及其随时间变化的信息进行采集、处理、管理、更新和利用的科学和技术。

测量学这一古老的学科在这些新技术的支撑和推动下，出现了以全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）、遥感RS（RemoteSensing）和地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）即“3S”技术为代表的现代测绘科学技术，使测绘学科从理论到方法都发生了根本性的改变。

GPS主要用于实时、快速地提供目标的空间位置；RS用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息，以及它们的各种变化；GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理分析和应用的平台。

“3S”技术的集成应用是测绘技术的发展方向，从测绘学的现代发展可以看出，现代测绘学是指对空间数据的测量、分析、管理、存储和显示的综合研究。

这些空间数据来源于地球卫星、航空航天传感器以及地面的各种测量仪器，采用信息技术，利用计算机的硬件和软件对这些空间数据进行处理和使用。

原来各测绘分支学科之间的界限因计算机技术和通信技术的发展而逐渐变得模糊了，各测绘分支学科都因计算机和通信技术的发展而更加紧密地联系在一起，并结合地理学和管理学等学科知识，为现代社会对空间信息的各种需求提出全面的优化解决方案。

这样，测绘学的现代概念就是研究地球和其它实体与地理空间分布有关的信息的采集、量测、分析、显示、管理和利用的科学和技术。

由于将空间数据与其它专业数据进行综合处理、分析，致使测绘学科从单一学科走向多学科交叉，其应用已扩展到与空间信息分布有关的众多领域，显示出现代测绘学正向着一门新兴学科——地球空间信息科学（Geo-SpatialInformationScience简称Geomatics）跨越和融合。

在21世纪的信息社会中，测绘资料是重要的基础信息之一。

测绘产品已由过去的单一硬拷贝纸质图逐步向软拷贝的“4D”数字产品，即数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）、数字正射影像图DOM（DigitalOrthophotoMap）、数字线划图DLG（DigitalLineGraphic）和数字栅格图DRG（DigitalRasterGraphic）以及地理信息系统过渡。

测绘工作承担着重要的信息采集、加工、整理及信息建库的任务。

在国民经济建设、国防建设和科学研究方面，测绘工作被称为建设的尖兵。

城乡规划与建设，国土整治，公路、铁路的修建，农林、水利建设，资源调查，矿产的勘探和开发，环境监测等都离不开测绘工作。

在国防建设中，军事测量和军用地图是现代大规模诸兵种协同作战不可缺少的重要保障，而且对诸如远程导弹、空间武器、人造卫星和航天器的发射也起着重要的作用。

测绘技术对于空间科学技术的研究、地壳形变、地震预报、地球动力学研究等是不可缺少的工具。

由诸多测绘成果集成的地理信息系统现已成为现代行政管理和军事指挥的重要工具。

随着科学技术的日益发展，测绘学已全面进入数字化时代，正向着自动化、信息化和网络化的方向迈进。

测量对象已由地球表面扩展到空间星球，由静态发展到动态，“3S”技术已成为测绘工作的主要技术手段。

测绘学的概念已被拓宽而注入了新的内容，成为一门名副其实的地球空间信息科学。

本教材的主要内容是地形图的测绘与应用以及一般工程建设的施工测量。

1.2地球的形状和大小

测绘工作大多是在地球表面上进行的，测量基准的确定，测量成果的计算及处理都与地球的形状和大小有关。

地球的自然表面是很不规则的，其上有高山、深谷、丘陵、平原、江湖、海洋等，最高的珠穆朗玛峰高出海平面8844.43m，最深的太平洋马里亚纳海沟低于海平面11034m，二者相对高差不足20km，与地球的平均半径6371km相比是微不足道的；就整个地球表面而言，陆地面积仅占29%，而海洋面积占了71%。

因此，我们可以设想地球的整体形状是被海水所包围的球体，即设想将静止的海水面扩展延伸，使其穿过大陆和岛屿，形成一个封闭的曲面，如图1-1所示。

静止的海水面称为水准面。

由于海水受潮汐风浪等影响而时高时低，故水准面有无穷多个，其中与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面。

由大地水准面所包围的形体称为大地体。

人们常用大地体来代表地球的真实形状和大小。

图1-1地球与大地体图1-2旋转椭球体

水准面的特性是处处与铅垂线相垂直。

同一水准面上各点的重力位相等，故又将水准面称为重力等位面，此面既具有几何意义又具有物理意义。

水准面和铅垂线就是实际测量工作所依据的面和线。

由于地球内部质量分布不均匀，致使地面上各点的铅垂线方向产生不规则变化，所以，处处与铅垂线垂直的大地水准面是一个不规则的无法用数学式表述的曲面，在这样的面上是无法进行测量数据的计算及处理的。

因此，人们进一步设想，用一个与大地体非常接近的又能用数学式表述的规则球体即旋转椭球体来代表地球的形状，如图1-2所示，它是由椭圆NESW绕短轴NS旋转而成。

旋转椭球体的形状和大小由椭球基本元素确定，即

长半轴a

短半轴b

扁率

某一国家或地区为处理测量成果而采用的与本国或本地区的大地体面形状最密合的旋转椭球称为参考椭球体。

而着眼于全世界的测量数据处理，选择在全球范围内与大地体的形状大小最密合的旋转椭球称为总椭球体。

确定椭球体与大地体之间的相对位置关系，称为椭球体定位。

参考椭球体的定位对椭球体的中心位置无特殊要求，而总椭球体的定位则要求椭球体中心与地球质心一致。

椭球体面只具有几何意义而无物理意义，它是严格意义上的测量计算基准面。

几个世纪以来，许多学者分别测算出了多组椭球体参数值，表1-1列出了几个著名的椭球体。

我国的1954年北京坐标系采用的是克拉索夫斯基椭球，1980西安坐标系采用的是1975国际椭球，它们属于参考椭球体定位的参心坐标系；全球定位系统（GPS）采用的是WGS-84椭球，我国的2000国家大地坐标系采用的椭球与WGS-84椭球近似，它们属于总椭球体定位的地心坐标系。

表1-1地球椭球几何参数

椭球名称

长半轴a（m）

扁率

计算年代和国家

备注

贝塞尔

6377397

1:

299.152

1841德国

海福特

6378388

1:

297.0

1910美国

1942年国际

第一个推荐值

克拉索夫斯基

6378245

1:

298.3

1940前苏联

1954年北京

坐标系采用

1975国际椭球

6378140

1:

298.257

1975国际

第三个推荐值

1980西安

坐标系采用

WGS-84

6378137

1:

298.257223563

1984美国

美国GPS采用

CGCS2000

6378137

1:

298.257222101

2000中国

2000国家

大地坐标系采用

由于旋转椭球的扁率很小，在普通测量中可将地球当做圆球看待，其半径km。

1.3地面点位的确定及测量坐标系

测量工作的基本任务是确定地面点的三维空间位置，测量上通常将三维空间分解为确定点位置的二维坐标和一维高程。

坐标表示地面点投影到基准面上的位置，高程表示地面点沿投影方向到基准面的距离。

根据不同的需要可以采用不同的坐标系和高程系来表示地面点的位置。

一、地理坐标系

当研究和测定整个地球的形状或进行大区域的测绘工作时，宜用地理坐标来确定地面点的位置。

地理坐标是一种球面坐标，视球体不同而分为天文坐标系和大地坐标系。

1．天文坐标系

以大地水准面为基准面，地面点沿铅垂线投影在该基准面上的位置，称为该点的天文坐标，该坐标系用天文经度和天文纬度表示。

如图1-3所示，将大地体视作地球，NS即为地球的自转轴，N为北极，S为南极。

包含地面点P的铅垂线且平行于地球自转轴的平面称为P点的天文子午面。

天文子午面与大地水准面的交线称为天文子午线，也称经线。

而将通过英国格林尼治天文台埃里中星仪的子午面称为起始子午面，相应的子午线称为起始子午线或零子午线，并作为经度计算的起点。

过点P的天文子午面与起始子午面所夹的两面角就称为P点的天文经度，用表示，其值为0~180，在起始子午线以东的为东经，以西的为西经。

图1-3天文坐标图1-4大地坐标

通过地球体中心且垂直于地轴的平面称为赤道