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第一章绪论
第一节 测量学的任务
一、
测量学的定义
1.早期的定义：
研究地球的形状和大小，确定地面点的坐标的学科。
2.当前的定义：
研究三维空间中各种物体的形状、大小、位置、方向和其分布的学科。
测量学的内容包括测定和测设两个部分。
测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。
测设是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。
二、测量学科的组成
天文测量学：
研究测定恒星的坐标，以及利用恒星确定观测点的坐标（经度、纬度等）的学科。
大地测量学：
研究测定地球的形状和大小及地球的重力场的测量方法、分布情况及其应用的学科。
地图制图学：
研究地图制图的理论和方法。
摄影测量学：
研究利用航天、航空、地面的摄影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。
工程测量学：
研究测量和制图的理论和技术在工程建设中的应用。
测量仪器学：
研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。
地形测量学：
研究将地球表面局部地区的地貌、地物测绘成地形图和编制地籍图的基本理论和方法。
海洋测绘学：
研究以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作。
近年来，因人造地球卫星的发射和科学技术的发展，大地测量学又分为常规大地测量学和卫星大地测量学
第二节测量学的发展与作用
一、测量学的发展
这是人类长期探索的问题。
早在公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯（Pythagoras）就提出了地球形状的概念。
两世纪后，亚里士多德（Aristotle）作了进一步论证，支持这一学说。
又一世纪后，埃拉托斯特尼（Eratosthenes）用在南北两地同时观测日影的办法首次推算出地球子午圈的周长。
其想法很简单，先测量地面上一段（子午线）的弧长l，再测量该弧长所对的中心角θ。
则地球的半径R就可求得：
R=l/θ
地球子午线的周长可等于
L=2πR
这里关键在于如何求θ。
为此要同时在南北两点测量竖杆影子的长度。
凭影长和杆高就可以求得两个杆子与阳光的夹角φ1和φ2。
设在同一时刻两地的阳光相互平行则
θ=φ2-φ1
在人类认识地测球形状和大小的过程中，测量学获得了飞速的发展。
例如：
三角测量和天文测量的理论和技术、高精度经纬仪制作的技术、距离丈量的技术及有关理论、测量数据处理的理论以及误差理论等。
在测量学发展的过程中很多数学家、物理学家作出了巨大的贡献，如托勒密、墨卡托等。
二、我国测量技术发展概况
我国是世界文明古国，由于生活和生产的需要，测量工作开始得很早。
春秋战国时编制了四分历，一年为365.25日，与罗马人采用的儒略历相同，但比其早四、五百年。
南北朝时祖冲之所测的朔望月为29．530588日，与现今采用的数值只差0．3秒。
宋代杨忠辅编制的《统天历》，一年为365．2425日，与现代值相比，只有26秒误差。
之所以能取得这样准确数据，在于公元前四世纪就已创制了浑天仪，用它来测定天体的坐标入宿度和去极度（相当于现代赤道坐标系统的赤经差和90。
——赤纬）。
汉代张衡改进了浑天仪，并著有《浑天仪图注》。
元代郭守敬改进浑天仪为简仪。
用于天文观测的仪器还有圭、表和复矩。
用以计时的仪器有漏壶和日晷等。
在地图测绘方面，由于行军作战的需要，历代帝皇都很重视。
目前见于记载最早的古地图是西周初年的洛邑城址附近的地形图。
周代地图使用很普遍，管理地图的官员分工很细。
现在能见到的最早的古地图是长沙马王堆三号墓出土的公元前168年陪葬的占长沙国地图和驻军团，图上有山脉、河流、居民地、道路和军事要素。
西晋时裴秀编制了《禹贡地域图》和《方丈图》，并创立了地图编制理论——《制图六体》。
此后历代都编制过多种地图，其中比较著名的有：
南北朝时谢庄创制的《木方丈图》；唐代贾耽编制的《关中陇右及山南九州等固》及《海内华夷图》；北宋时的《淳化天下固》；南宋时石刻的《华夷图》和《禹迹图》（现保存在西安碑林）；元代朱思本绘制的《舆地图》；明代罗洪先绘制的《广舆图》（相当于现代分幅绘制的地图集）；明代郑和下西洋绘制的《郑和航海图》；清代康熙年间绘制的《皇舆全览图》；1934年，上海申报馆出版的《中华民国新地图》等。
我国历代能绘制出较高水平的地图，是与测量技术的发展有关连的。
我国古代测量长度的工具有丈杆、测绳（常见的有地笆、云笆、和均高）、步车和记里鼓车；测量高程的仪器工具有矩和水平（水准仪）；测量方向的仪器有望筒和指南针（战国时期利用天然磁石制成指南工具——司南，宋代出现人工磁铁制成的指南针）。
测量技术的发展与数理知识紧密关连。
公元前问世的《周髀算经》和《九章算术》都有利用相似三角形进行测量的记载。
三国时魏人刘微所著的《海岛算经》，介绍利用丈杆进行两次、三次甚至四次测量（称重差术），求解山高、河宽的实例，大大促进了测量技术的发展。
我国古代的测绘成就，除编制历法和测绘地图外，还有：
唐代在僧一行的主持下，实量了从河南白马，经过浚仪、扶沟到上蔡的距离和北极高度，得出于午线一度的弧长为132．31km，为人类正确认识地球作出了贡献。
北宋时沈括在《梦溪笔谈》中记载了磁偏角的发现。
元代郭守敬在测绘黄河流域地形图时，“以海面较京师至汀梁地形高下之差”，是历史上最早使用“海拔”观念的人。
清代为统一尺度，规定二百里合地球上经线1。
的弧长，即每尺合经线上百分之一秒，一尺等于0．317m。
中华人民共和国成立后，我国测绘事业有了很大的发展。
建立和统一了全国坐标系统和高程系统；建立了遍及全国的大地控制网、国家水准网、基本重力网和卫星多普勒网；完成了国家大地网和水准网的整体平差；完成了国家基本图的测绘工作；完成了珠穆朗玛峰和南极长城站的地理位置和高程的测量；配合国民经济建设进行了大量的测绘工作，例如进行了南京长江大桥、葛州坝水电站，宝山钢铁厂、北京正负电子对撞机等工程的精确放样和设备安装测量。
出版发行了地图1600多种，发行量超过11亿册。
在测绘仪器制造方面，从无到有，现在不仅能生产系列的光学测量仪器，还研制成功各种测程的光电测距仪、卫星激光测距仪和解析测图仪等先进仪器。
测绘人才培养方面，已培养出各类测绘技术人员数万名，大大提高了我国测绘科技水平。
特别是近年来，我国测绘科技发展更快，例如GPS全球定位系统已得到广泛应用，全国GPS大地网即将完成；地理信息系统方面，我国第一套实用电于地图系统（全称为国务院国情地理信息系统）已在国务院常务会议室建成并投入使用；这说明我国目前的测绘科技水平，虽与国际先进水平相比，还有一定的差距，但只要发愤图强，励精图治，是能迅速赶上和超过国际测绘科技水平的
三、测量学在军事的作用
“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。
要有地利就要了解和利用地利。
地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定位置、辨识方向的作用。
地图一直在军事活动中起着重要的作用，这对于行军、布防以及了解敌情等军事活动都是十分重要的。
因此，早就成为军事上不可缺少的工具，获得广泛的应用。
人造卫星定位技术早期用于军事部门，后逐步解密才在测绘及其它众多部门中获得应用、海洋测量技术首先是由航海的需要而产生，但其高速发展的动力主要来自军事部门的需要……等等。
至今军事测绘部门仍在测绘领域科技前沿对重大课题进行探索和研究，传统上各国测绘部门隶属于军事部门。
至今相当多国家的测绘部门仍然隶属于军事部门。
随着测绘技术在各方面的应用愈来愈广泛，测绘科技国际间的交流日益频繁，不少国家终于建立了民用的测绘机构。
四、测量学在国土管理中的作用
测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。
非洲尼罗湖每年泛滥会把土地的界线冲刷掉，为了每年恢复土地的界线很早就采用了测量技术。
早期亦称“土地测量”、“土地清丈”等。
用以测定地块的边界和坐落，求算地块的面积，在农业为主的社会里，国家为了征税而开展地籍测量，同时记录业主姓名和土地用途等。
在我国,地籍测量是国家管理土地的基础。
地籍测量的成果不仅用于征税，还用于管理土地的权属以保障用地的秩序，为了提高土地利用的效益、合理和节约利用十分珍贵和有限的土地。
测量学还服务于国家领土的管理。
《战国策·燕策》中关于荆轲刺秦王，“图穷而匕首见”的记述，表明在战国时期地图在政治上象征着国家的领土和主权。
当代，在一些国家间的领土争执中，也常以对方出版的地图上对国境线的表示作为有利于己方的证据或者用测量技术为手段标定国界
五、测量学在工程建设中的作用
在修建宫殿、陵墓时须要平整地基，开凿渠道修建运河须要了解地形的起伏，建造城市时中心线常要定向，开挖地道更需仔细的定向定位定高度……等等。
我国的考古工作者研究证实，早在2000多年前已经在修建宫殿时有平整地基的措施。
现代的测量学作为一门能采集和表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等几何信息，以及能把设计的建筑物、设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来的技术，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。
例如，粒子加速器的磁块必须以0.1mm的精度安放在设计的位置上。
某些飞行器的助飞轨道要求其准直度的偏差小于长度的10-6。
建筑物建成后（甚至在施工期间）会因地基承载力弱或因自重和外力的作用而产生变形。
如大坝可能位移、高层建筑物可能倾斜……等。
为了保障建筑物的安全运行，往往需要测量工作者以技术上可行的最高精度监测建筑物的变形量和变形速度的发展情况。
有时还要求在一段时间内进行连续监测，为此要使用自动化的监测和记录的仪器。
认识地球是人类探索的目标之一，也是测量学的任务之一。
五、3S技术发展概况
1．
GPS全球定位系统（GlobalPositionSystem）
全球定位系统是美国国防部为满足其军事部门海、陆、空高精度导航、定位和定时的要求而建立的一种卫星定位和导航系统。
它由24颗工作卫星组成和，其中包括3颗可随时启动的备用卫星。
工作卫星均匀分布在六个相对于赤道面倾角为55度的近似圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星，轨道之间的夹角为60度，轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。
同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。
保证在地球任一点任一时刻均可收到4颗以上卫星的信息，实现实时定位。
我国GPS技术研究和应用可分为两个阶段，第一阶段是八十年代，以测绘领域的应用为主，引进GPS技术和接收机，开发GPS测量数据处理软件，以静态定位为主，现在全国施测几千个各种精度的GPS点，其中包括：
国家A、B级网点。
第二阶段是进入九十年代，随着差分GPS技术的发展，GPS定位从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时或准实时定位和导航。
2．
RS遥感技术（RemoteSensing）
遥感是指从远距离高空以信外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器，通过摄影和扫描、信息感应、传输和处理，从而研究地面物体的形状、大小、位置及其环境相互关系与变化的现代科学技术。
现代遥感技术具有以下特点：
1）传感器的不断更新。
目前除了框幅式可见光黑白摄影、多谱摄影、彩色摄影、新红外摄影、紫外摄影仪器外，还有全景摄影机、红外扫瞄仪、红外辐射计、多谱段扫描仪、成像光谱仪、合成孔径雷达和激光测高仪等。
这些传感器用不同的方式，对电磁波不同的谱段所获得的对地观测数据，以硬拷贝的返回方式和软拷贝的传输方式提供原始的遥感数据。
2）影像分辨率形成多级序列，可提供从粗到精的对地观测数据，全面体现在空间分辨率。
美国空间成像地球观测卫星公司其卫星影像分辨率可达到1米。
多级分辨率的实现，人们可以在粗分辨率的影像上快速发现可能发生变化的地区，进而在精分辩率的影像上详细分析研究这些变化情况。
3）多时相特征，可以反复获得同一地区的影像数据。
这种多时相性为人们提供了长期、系统、全面和动态研究地球表面变化规律的可能性、客观性和科学性。
我国遥感技术发展已从单纯的应用国外卫星资料到发射自主设计的遥感卫星，如气象研究的风云系列卫星。
遥感图象处理技术也取得很大发展，如机载224波段成像光谱仪、全数字摄影测量系统等。
3．
GIS地理信息系统（GeographicInformationSystem）
地理信息系统是以采集、存储、描述、检索、分析和应用与空间位置有关的相应属性信息的计算机系统，它是集计算机、地理、测绘、环境科学、空间技术、信息科学、管理科学、网络技术、现代通讯技术、多媒体技术为一体的多学科综合而成的新兴学科。
GIS有两个显著特征：
一是它不仅可以象传统的数据库管理系统那样管理数字和属性信息，而且可以管理空间图形信息；二是它可以利用各种空间分析的方法，对多种不同的信息进行综合分析、寻求空间实体间的相互关系，分析处理在一定区域内分布的现象和过程。
目前，GIS正向多功能、高精度、现势性强的方向发展。
如：
TGIS（TemporalGIS），研究区域随时间的演变，来推测和预报“未来”，并作出科学的分析。
3DGIS（山维GIS），研究图像可视性，利用空间位置来探索空间影响。
多媒体技术导入GIS中，使GIS的功能更强大，具有声音、动画等效果，可以模拟人类、动物的特征，更具有智能化。
网络GIS（WebGIS）也是当前研究领域中另一个热门话题，使GIS的媒介对象更丰富，从而与社会、人类生活密不可分。
我国的GIS的发展和应用较为迅速和广泛。
在软件，已经成功开发出MapGIS、Geostar、Citystar等。
综合和专题GIS开发数不胜数。
第三节 地面点位的确定
一、地球的形状和大小
测量工作是在地球表面进行的，而地球自然表面很不规则，有高山、丘陵、平原和海洋。
其中最高的珠穆朗玛峰高出海水面达8848．13m，最低的马里亚纳海沟低于海水面达11022m。
但是这样的高低起伏，相对于地球半径6371km来说还是很小的。
再顾及到海洋约占整个地球表面的71％，因此，人们把海水面所包围的地球形体看作地球的形状。
由于地球的自转运动，地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称为重力，重力的方向线称
铅垂线。
铅垂线是测量工作的基准线。
静止的水面称为
水准面，水准面是受地球重力影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。
与水准面相切的平面称为
水平面。
水面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面，称为
大地水准面。
大地水准面是测量工作的基准面。
由大地水准面所包围的地球形体，称为
大地体。
用大地体表示地球体形是恰当的，但由于地球内部质量分布不均匀，引起铅垂线的方向产生不规则的变化，致使大地水准面成为一个复杂的曲面，无法在这曲面上进行测量数据处理。
为了使用方便，通常用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体（即地球椭球）面称
参考椭球面。
由球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称
旋转椭球。
旋转椭球体由长半径a（或短半径b）和扁率α所决定。
我国目前采用的元素值为长半径a＝6378140m,并选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。
由此而建立起来全国统一坐示系，这就是现在使用的“1980年国家大地坐标系”。
由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km。
二、确定地面点位的方法
1、球面坐标系统
（1）、天文地理坐标系：
测量（天文经纬度）的外业以铅垂线为准大地水准面和铅垂线是天文地理坐标系的主要面和线地面点的坐标是它沿铅垂线在大地水准面上投影点的经度和纬度
（2）、
大地地理坐标系：
大地地理坐标系是建立在地球椭球面上的坐标系，地球椭球面和法线是大地地理坐标系的主要面和线，地面点的大地坐标是它沿法线在地球椭球面上投影点的经度L和纬度B
2、地图投影平面坐标系
为了简化计算，要将（椭）球面上的元素归算（投影）到平面上。
所谓投影就是建立起（椭）球面上的点与平面上的点一一对应的数学关系。
地图投影学就是研究这个问题的学科，是数学也是地理学的一个分支学科。
基本类型有：
圆锥投影，圆柱投影，平面投影，任意投影等。
（1）
高斯平面直角坐标系：
高斯投影是等角横切椭圆柱投影。
等角投影就是正形投影。
所谓，正形投影，就是在极小的区域内椭球面上的图形投影后保持形状相似。
即投影后角度不变形。
按投影带不同通常分为
6度带和3度带。
点在高斯平面直角坐标系中的
坐标值，理论上中央子午线的投影是X轴，赤道的投影是Y轴，其交点是坐标原点。
点的X坐标是点至赤道的距离；点的Y坐标是点至中央子午线的距离，设为y’；y’有正有负。
为了避免Y坐标出现负值，把原点向西平移500公里。
为了区分不同投影带中的点，在点的Y坐标值上加带号N，所以点的横坐标通用值为
y=N*1000000+500000+y’
（2）地平坐标系：
地平坐标系是平面直角坐标系，地平坐标系以当地的水平面为主要面（不需要投影），通常以当地的北方向为坐标轴的正方向，地平坐标系只用于小的局部地区
3、空间三维坐标系
（1）、地心坐标系：
地心平坐标系是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。
（2）、参心坐标系：
参心平坐标系是以参考椭球体的中心为坐标原点，以椭球修整轴（短轴）为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。
4、地面点的高程
高程（
绝对高程、海拔）-----地面点到大地水准面的铅垂距离。
假定（相对）高程-----地面点到假定水准面的铅垂距离。
高差-----两点间的高程之差。
第四节 用
水平面代替水准面和限度
一、对距离的影响
二、对高程的影响
第五节 测量工作概述
一、
测量工作基本原则
1．从整体到局部，先控制后碎部。
2．前一步测量工作未作检核不进行下一步测量工作。
二、
测量工作基本内容
1．水平角测量
2．水平距离测量
3．高程测量
地球表面复杂多样的形态，可分为地物和地貌两大类。
地面上固定性物体称为地物，如河流、湖泊、道路和房屋等。
地面上高低起伏形态称为地貌，如山岭、谷地和陡崖等。
不论地物或地貌，它们的形状和大小都是由一些特征点的位置所决定。
这些特征点也称碎部点。
测量时，主要就是测定这些碎部点的平面位置和高程。
测定碎部点的位置，其程序通常分为两步：
第一步为
控制测量，以较精确的仪器和方法测定各控制点之间的距离、各控制边之间的水平夹角，某一条边的方位角，设某点的坐标已知，则可计算出其它控制点的坐标，以确定其平面位置。
同时还要测出各控制点之间的高差，没某点的高程为已知，求出其它控制点的高程。
第二步为
碎部测量，即根据控制点测定碎部点的位置。
这种“从整体到局部”、“先控制后碎部”的方法是组织测量工作应遵循的原则，它可以减少误差累积，保证测图精度，而且可以分幅测绘，加快测固进度。
另外，从上述可知，当测定控制点的相对位置有错误时，以其为基础所测定的碎部点位也就有错误，碎部测量中有错误时，以此资料绘制的地形图也就有错误。
因此，测量工作必须严格进行检核工作，故“前一步测量工作末作检核不进行下一步测量工作”是组织测量工作应遵循的又一个原则，它可以防止错漏发生，保证测量成果的正确性。
1、长度单位
英制单位：
海里、码、英尺、英寸
市制单位：
里、丈、尺、寸、
公制单位：
公里、米、分米、厘米、毫米
2、长度单位“米”的定义：
十八世纪法国科学院派测量队进行“弧度测量”。
随后以测得的子午线弧长的四千万分子一作为长度的基本单位，称为“米”。
为了使用方便，用铂金属制造了几根长一米的尺子，称为米的原尺。
当时，世界各国的长度标准都是由这几根米尺派生复制出来。
我国在六十年代之前也一直使用这样的复制尺
3、时间单位“秒”的定义：
经典的时间标准是用天文测量方法测定的。
设将测量仪器的望远镜指向天顶，则某一天体连续两次通过望远镜纵丝的时间间隔就等于24时。
1时的3600分之一就等于1秒。
当然精确的“秒”要用一年甚至几年的时间间隔细分后求得。
自二十世纪七十年代起才改用原子钟取得时间的标准。
4、60进制单位：
度（d）、分（m）、秒（s）
5、10进制单位：
新度（g）、新分（gm）、新秒（gs）
6、弧度单位：
一园周=2、=57.3=3434=206265
7、单位换算
1km=1000m1m=10dm=100cm=1000mm
1英里=1.6093公里1码=3英尺
1英尺=12英寸=30.48厘米
1英寸=2.54厘米
1海里=1.852公里=1852米
1里=500米1丈=10尺
1尺=1/3米1尺=10寸
8、角度单位换算
1度（d）=60分（m）=3600秒（s）
1g（新度）=100C（新分）=10000CC（新秒）
1g=0.9d1c=0.54m1cc=0.324s
=180/=57.3
´=3438´=206265
本章小结
1．建筑和水利工程测量的主要任务包括测图、放样、变形观测。
我们着重掌握测量工作的基本概念、基本仪器和基本操作方法，结合规划设计阶段、施工阶段的测量工作进行学习。
至于变形观测时的测量工作，主要由专业人员进行测量。
2．弄清一些基本概念，如水准面、大地水准面、旋转椭球体、地理坐标、平面直角坐标、高斯—克里格坐标、绝对高程和相对高程、地形图、比例尺及比例尺精度、测量工的基本原则等。
3．地球是个旋转椭球体，在地形测量范围内，为计算方便，可把地球视为圆球，其半径只为6371km。
当测区范围在10km以内时，如测量水平距离，可不考虑地球的曲率，用水平面代替球面，但在高程测量时，即使测距很短，也必须考虑地球曲率的影响，这将在以后章节进一步介绍。
4．确定地面点的位置是由其平面位置和点的高程决定，平面位置一般用平面直角坐标系表示，即用X、Y代表纵、横坐标。
正如一张电影票，若上面印着“12排7号”，12排则表示其在X方向上的位置，7号则表示其在Y方向上的位置。
若电影院有楼，前面要加“楼上”或“楼下”二字，以表示它们的空间位置，测量上用高程“H”表示。
测定地面点相对位置的基本工作是距离丈量、角度测量和高程测量。
5．“从整体到局部”或“先控制后碎部”是测量工作所遵循的原则。
无论是地形测量还是施工测量，都必须遵循此项原则。
第六章测量误差的基本知识
第一节 测量误差概述
一、测量误差分类
测量工作中，尽管观测者按照规定的操作要求认真进行观测，但在同一量的各观测值之间，或在各观测值与其理论值之间仍存在差异。
例如，对某一三角形的三个内角进行观测，其和不等于180°；又如所测闭合水准路线的高差闭合差不等于零等，这说明观测值中包含有观测误差。
研究观测误差的来源及其规律，采取各种措施消除或减小其误差影响，是测量工作者的一项主要任务。
二、
观测误差产生的原因主要有以下三个方面:
1．观测者
由于观测者感觉器官鉴别能力有一定的局限性，在仪器安置、照准、读数等方面都产生误差。
同时观测者的技术水平、工作态度及状态都对测量成果的质量有直接影响。
2．测量仪器
每种仪器有一定限度的精密程度，因而观测值的精确度也必然受到一定的限度。
同时仪器本身在设计、制造、安装、校正等方面也存在一定的误差，如钢尺的刻划误差、度盘的偏心等。
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