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测量基础知识
物探工程测量基础知识简介
一、大地控制网建立的基本原理………………………………………1
1、大地水准面…………………………………………………………1
2、参考椭球面…………………………………………………………1
3、大地地理坐标和天文地理坐标………………………………………………………………3
4、大地原点………………………………………………………………………………………………………4
5、高斯平面直角坐标………………………………………………………………………………………4
6、高斯投影的分带…………………………………………………………………………………………5
7、平均海水面的测定………………………………………………………………………………………6
8、水准原点………………………………………………………………………………………………………7
二、大地控制网的布设原则……………………………………………………………………7
1、建立国家水平控制网的意义……………………………………………………………………7
2、水平控制网的布网原则……………………………………………………………………………8
3、水平控制网的布网方案………………………………………………………………………9
⑴、一等三角锁的布设方案……………………………………………………………………………9
⑵、二等网的布设方案…………………………………………………………………………………10
⑶、三、四等角网的布设方案………………………………………………………………………10
⑷、小三角网的布设方案……………………………………………………………………………11
4、高程控制网的布设方案……………………………………………………………………………11
三、我国一、二等大地网的历史和现状……………………………………………………12
四、全球卫星定位系统（GPS）……………………………………………………………………14
1、GPS简介………………………………………………………………………………………………………14
2、GPS应用领域非常广泛…………………………………………………………………………16
3、我国GPS控制网的布网方案………………………………………………………………18
4、测量型GPS的发展方向VRS技术………………………………………………………20
五、物探工程测量简介…………………………………………………………………………………25
1、GPS在物探工程测量上的应用………………………………………………………………25
2、常规仪器建立勘探区控制网方法…………………………………………………………28
3、常规仪器测线放样方法介绍…………………………………………………………………29
4、成果数据的检查…………………………………………………………………………………………28
六、地形图简介………………………………………………………………………………………………30
1地形图的分幅…………………………………………………………………………………………30
2、地形图的编号……………………………………………………………………………………………31
3、地形图坐标注记一般知识………………………………………………………………………33
4、其它………………………………………………………………………………………………………………34
物探工程测量基础知识简介
一、大地控制网建立的基本原理
要完成大地控制测量，首先就必须考予到与测量密切相关的三种地球表面。
一是地球的自然表面，二是地球的物理表面——大地水准面，三是地球的数学表面——参考椭球面。
大地控制测量工作是在地球的自然表面进行的，而野外测得的测量数据（长度、角度）是无法在地球的自然表面上进行数据处理的，这就需要选择非常接近于地球形状的、具有代表的、并且能确定其位置的表面，作为地球的基准面，以处理大地测量的成果。
1、大地水准面
地球上任何一个质点的重力，都是地心引力和地球自转产生的离心力的合力。
重力线方向就是铅垂线的方向。
在静止的液体表面上，处处与铅垂线方向正交。
具有这种特性的液面，通常叫做水准面。
通过不同高度的点，都可以有一个水准面，所以水准面有无数个，其中一个与平均海洋面重合的水准面，我们就称它为大地水准面。
将它延展到大陆内部，就成为一个闭合的曲面，由它包围的形体就是地球的真实形体，称为大地体。
2、参考椭球面
大地水准面的形状，决定于重力，而地壳的物质分布是不规则的，所以各地的重力分布也不规则，因此大地水准面是个不规则的表面，如图1-2所示。
这个表面是无法用简单的数学公式来表示的，大地测量的成果也就不可能在这个面上进行数据处理。
在实际的大地测量工作中，是选择一个和大地体非常接近的旋转椭球来表示地球的形状和大小的，通常又叫做参考椭球。
图1-2
与大地体符合得最好的旋转椭球，称为总地球椭球，它必须满足下列三个条件：
一是总地球椭球的中心与地球的重心重合，两者的赤道面相合；二是地球椭球的体积与大地体的体积相等，三是地球椭球面与大地水准面之间的高差的平方和应为最小。
从理论上说，只有在整个地球表面上进行互相联成一个整体内的天文、大地测量，并在整个地球表面上进行了重力测量，才能确定总地球椭球，但是这项工作是难以实现的。
现在虽然有全球卫星定位系统，可以在较短的时间内实现全球范围内的位置的确定，但要实现全球范围内的重力精确测量仍然是不容易。
目前有些国家和地区，为了大地测量工作的实际需要，只有根据局部的天文、大地测量和重力测量的资料，研究局部的大地水准面的情况，确定一个与总地球椭球较为近似的椭球，以表示地球的形状和大小，作为处理大地测量成果的依据。
这个地球椭球就是参考椭球。
参考椭球的形状和大小，是由它的长、短半径和扁率来确定的。
参考椭球的长轴a和短轴b，是确定参考椭球形状和大小的基本元素。
通常也可以用长轴和扁率α作为参考椭球的基本元素。
扁率α=（a-b）/a。
我国在解放初期，因为解放前大地测量资料十分贫乏，还不可能推算出适合我国情况的参考椭球元素。
在当时的情况下，废弃了解放前采用过的美国海福特元素，而过渡性地暂时采用了苏联克拉索夫斯基元素，其具体数值为：
长轴a：
6378245米，扁率α=1：
298.3。
这就是北京54坐标系统参考椭球的参数。
3、大地地理坐标和天文地理坐标
表示点在球面上位置的坐标系统称为地理坐标。
地理坐标又按坐标所依据的基本的线和面的不同以及求得坐标的方法的不同，而分为大地地理坐标和天文地理坐标两种。
大地地理坐标是表示地面点P在参考椭球面上的位置的，由大地经度L和大地纬度B表示。
在图1-3中，P点是相应的地面点按法线（与参考椭球面垂直的线）方向投影到参考椭球面上的。
其大地经度L，就是包含P的子午面与起始子午面所夹的二面角，由起始子午面向东从0°到180°称东经，向西的称西经。
大地纬度B，是过P点的法线与赤道面的交角，由赤道向北从0°到90°称北纬，向南称南纬。
由P点向参考椭球面另一点Q所做的法面（垂直于椭球面的平面）与过P的子午面所夹的二面角，称为P到Q的大地方位角。
图1-3
天文地理坐标由天文经度λ和天文纬度φ表示，其地面点位是按铅垂线方向投影到大地水准面上的。
天文经度和天文纬度是用天文测量的方法测得的。
一个点上大地坐标和天文坐标的差异，与这个点上的垂线偏差有关。
根据实测和理论研究的结果，可知垂线偏差一般在3″一4″左右。
4、大地原点
各点的大地坐标，都是由一个大地原点开始；而后采用三角测量和导线测量的方法，逐步推算而得的。
所以大地原点就是一个国家大地控制网的起算点。
确定大地原点的工作通常称为参考椭球的定向（或定位）。
定位的一般方法是：
在大地控制网的主干三角网中，选择一个三角点作为控制网的起始点（大地原点）。
在起始点上精确测定天文经纬度，方位角，并假定它们就是椭球面上的大地坐标。
由此可知参考椭球定位工作，包括以下几个方面
⑴．采用可靠的适合自己国家情况的参考椭球元素；
⑵．在主干三角网中，选择一个三角点作为大地原点，精密测定它的天文经纬度和某方向的天文方位角；
⑶．直接采取大地原点的天文经纬度和方位角，作为这个点在参考椭球面上的大地坐标值；
⑷．确定平均海水面的位置，也就是确定大地水准面的位置；并且依据大地水准面，用水准测量的方法，确定大地原点的海拔高程。
5、高斯平面直角坐标
进行地形测量和工程测量，都是把地面当作平面，控制点的平面位置，都是用平面直角坐标来表示，而不能采用地理坐标，因此必须将地理坐标化算为平面直角坐标。
将参考椭球面上点的大地坐标（大地经纬度）化算为平面直角坐标的问题，也就是将球面展成为平面，通常称为地图投影。
地图投影的方法很多，目前采用的是高斯正形投影，从几何概念上说，又称为等角横切圆柱投影。
所以现在采用的平面直角坐标系，又称为高斯直角坐标系。
6、高斯投影的分带
高斯投影的分带，有六度带和三度带，在平面坐标系统中，长度比m=1+Y2/2R2随着至中央子午线距离的增加而迅速增大。
长度比的增大，导致线段长度变形的增大，这对于测量工作来说，是十分不利的。
为了限制长度变形，就需要把投影区域限定在中央子午线两旁的一定范围内。
为此，通常按经度每隔6°用子午线把椭球面分成若干长条形的投影带，每一个投影带独立投影到平面上，形成彼此独立的坐标系统。
位于投影带中央的子午线就叫中央子午线，中央子午线和赤道的投影线分别是纵坐标轴和横坐标轴。
用于分带的子午线就叫分带子午线或边界子午线，如图1—14所示。
第1带的西部边界子午线是格林尼治0°子午线，由0°子午线起每隔经差6°自西向东分依次编号1、2、3、……，其带号N和中央子午线经度上Ln的关系用下式表示为：
Ln=6°N—3°
对于6°投影带边缘地区，长度变形仍然很大。
为了进一步限制长度变形，可以采用3°投影分带。
此时，6°带的中央子午线和分带子午线，均是3°带的中央子午线。
第1个3°带和第1个6°带的中央子午线重合，所以3°带的带号N和中央子午线经度Ln的关系用式子表示即Ln=3°n。
6°带与3°带的相互位置，如图1-6所示。
图1-6
横坐标Y的绝对值自中央子午线向两边增加，中央子午线以东为正，以西为负。
在实际工作中，为了避免Y坐标出现负值，规定将Y值加上500000m（500km）。
同时，为了区别各带坐标的不同，又规定在Y值前面冠以带号。
至于纵坐标X值，无论在那一带都是由赤道起算的自然值。
如东庞矿的中央子午线为114度，为三度带坐标，带号为38，该矿职工医院中的某点坐标为x=4121766.6；y=542033.9。
带号38仅作表记，不参加计算和应用。
7、平均海水面的测定
作为高程起算基准面的大地水准面，是以某处的平均海水面为依据的，平均海水面是通过验潮工作来测定的。
所谓验潮工作，就是在一深水港内，选一不易受风浪影响的地方设验潮站，利用垂直树立的标尺，长期观测水位的升降·根据多年观测的资料，以求出海水面的平均位置，这个海水面就称为平均海水面。
我国海岸线长，验潮站不只一处，各验潮站所测的海水面位置不会一致，因此只能采用一个验潮站所测的海水面的位置作为全国高程的起算基准面，其它验潮站测得的可作参考。
我国国家大地点的高程，是以1956年由青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准进行推算的。
8、水准原点
为了确定平均海水面的具体位置，须在沿海港湾，利用验潮的方法，连续测定该地区海水面的位置；年积月累，最后取其平均值，即得该地区的平均海水面。
我国是以青岛1950—1056年，期间进行的验潮结果求得平均海水面，即1956年黄海平均海水面，作为高程起算基准面，根据这个高程基准面计算的各点高程，统称为1956年黄海高程系高程。
为了明显而稳固地表示高程起算面的位置，必须建立一个与平均海水面相联系的水准点，以作为推算国家高程控制网高程的起算点，这个水准点叫做水准原点。
如图下图。
我国的水准原点设在青岛附近。
由一个原点和五个附点构成一个水准原点网。
用精密水准测量把它们与验潮站的水位标尺进行联测后求得原点高出黄海平均海水面的高程为72.289m。
二、大地控制网的布设原则
1、建立国家水平控制网的意义
建立全国性的统一的精度高密度均匀的控制网，对于测绘各种比例尺的地形图、进行某些工程建设和科学研究都有重大的意义。
建立全国性的大地控制网，有一个统一的坐标系统，地形测量就可以在这个基础上分区分批地进行，测制的地形图可以互相拼接成一个整体，不致重复遗漏和分裂。
全国性大地网的精度是均匀一致的，在此基础上进行的地形测量精度也必然一致，并可把测量误差限制在一定范围内，而不致积累。
2、水平控制网的布网原则
⑴、由高级到低级逐级加密我国领土辽阔，自然条件复杂，此外根据地区条件、建设规模和特点，以及国防的需要等因素，要测制各种比例尺地形图，因此对水平控制点的密度和精度，就有不同的要求，如果用同一的精度在全国一次布设能满足各种比例尺测图需要的控制网，在像我国这样领土辽阔的国家，是有很大困难的，也不能满足经济和国防建设对地形图的急需，所以就采取了由大到小逐级加密的原则。
⑵、要有足够的精度国家水平控制网的精度，应根据测图的要求而定，当然也要考虑某些工程测量的需要。
如要满足施测1:
2000地形图的要求，就要求控制点的点位相对中误差小于测图比例尺的精度。
所谓比例尺精度就是相应图上为土0.1毫米的实地长。
测制1:
2000地形图时，控制点的点位中误差应不大于±0.2米，从表1—4中，可以看出我国的水平控制网的精度是相当高的。
⑶、要有足够的密度测绘不同比例尺的地形图，对三角点的密度有不同的要求，1:
25000测图每50平方公里一个点；1:
10000测图每50平方公里一个点；1:
5000测图每20平方公里一个点；1:
2000测图每6平方公里一个点。
根据三角点的密度，可得出不同比例尺测图的三角点间的距离如下：
1:
25000测图S=8公里1:
10000测图S=8公里
1:
5000测图S=5公里1:
2000测图S=2.5公里
以上对控制点的精度和密度的要求，就是制订水平控制网布设方案的依据。
在施测1:
10000和1:
25000比例尺地形图时，控制网要布设三等的，施测1:
5000或更大比例尺地形图时，控制网要布设四等网。
⑷、要有统一的规格建立国家统一的大地控制网，可以由各专门测量机构或其它部门的测量机构分头进行，因此必须要有统一的作业规范，才能使所测成果资料规格统一以便互相利用；避免重复浪费，并能加速建立控制网的进程。
建国以后，我国有关韵测绘机构颁发了国家三角测量和精密导线测量规范（以后简称《三角规范》）。
该规范中关于国家控制网布设规格和推算元素精度列入表1-3，表1-4中。
3、水平控制网的布网方案
⑴、一等三角锁的布设方案
一等三角锁是国家水平控制网的骨干，具有很高的精度。
它大体上沿着经纬线的方向，布成纵横交叉的锁系如图2-3-1。
锁系交叉点间的一段叫作锁段，锁段长约200公里。
三角锁可以由单三角形组成，也可以由中点多边形，大地四边形几种混合的图形组成。
在锁的交叉处，要精密地测定起始边，在起始边的两端点上，精密地测定天文经纬度和天文方位角并在锁段中央的一个三角点上测定天文经纬度，以这些精确的边长和方位角来控制锁段中边长、角度误差的积累。
⑵、二等网的布设方案
二等三角网是测制各种比例尺地形图的基本控制，是三，四等三角点加密的基础，因此必须具有较高的精度和密度。
二等三角网是在一等锁段围成的空隙内布成全面三角网，如图2-3-2，二等网和一等锁连接时应有良好的图形，在二等网中间适宜的地方，要测定起始边，并测定天文经纬度和方位角，以控制边长、方位角的误差积累。
图2-3-1
图2-3-2
⑶、三、四等角网的布设方案
三、四等三角网，是在二等全面网的基础上进一步加密的控制网。
在二等网的基础上加密三等网，和在三等网的基础上加密四等网，基本上采用插网法。
如图2-3-3。
三等网的密度可以满足1:
10000比例尺测图的需要，四等点的密度可以满足1:
5000比例尺测图需要。
三、四等网的精度还可以满足测制1:
2000比例尺地形图的需要，不过点的密度耍适当加大。
图2-3-3
⑷、小三角网的布设方案
测量大比例尺地形图时，若三，四等网的密度仍不能满足接加密图根点的需要时，可以在三、四等网的基础上加密一种三角网，边长约为一公里左右，测角中误差为±5″的小三角网或5″导线网。
有些面积在50平方公里以内的小测区，国家水平控制点密度不足或受到破坏，也可以布设5’小三角网或导线网作为测区的首级控制。
4、高程控制网的布设方案
国家高程控制网就是用水准测量的方法建立的国家水准网。
建立国家水准网，不仅要有统一的起算基准面，并且要有统一的规格和布网方案。
对于水准点的精度和密度也根据实际情况提出相应的要求。
我国国家水准网也是采用分级布设逐级加密的原则，分为一、二、三，四等，各级精度规定如下表：
一等水准网是构成国家高程控制网的骨干，同时也是研究地壳和地面垂直运动等的主要依据资料。
因此一等水准路线应沿地质构造稳定，交通不太繁忙，路面坡度平缓的交通线布设，并构成网状。
一等环线的周长，在平原丘陵地区应在1000—1500公里之间，在山区和高山区，由于施测困难，周长可适当放宽。
二等水准网是国家高程控制的全面基础。
在一等水准环内布设二等网，应尽量沿着公路、铁路及河流布设，以保证较好的观测条件。
二等网环线的周长，在平原和丘陵地区，应在500—750公里之间，高山区和困难地区可适当放宽。
二等附合水准路线最长允许到450公里。
三，四等水准网是地形测量和各种工程建设所需高程的基础。
三等水准路线，可根据需要在高级水准网内加密，布设附合路线，并尽可能交叉地构成闭合环，单独的附合路线的长度不应超过200公里，环线周长应不超过300公里。
四等水准，一般以附合路线的形式布设于高等水准点之间，附合路线的长度不应超过80公里。
三、我国一、二等大地网的历史和现状
在旧中国，我国的大地测量只作了一些零星工作，坐标系统紊乱，精度很低。
所以我国天文大地网的布设实际上是从新中国成立后才开始的。
解放以来，我国测绘工作者按统一的大地测量法式的要求；在全国范围内沿经纬线方向布设了一等三角锁。
全国一等三角锁总长度近八万公里，构成一百二十多个锁环，近四百个锁段，包括近5000个一等三角点。
此外，还有十多个闭合的一等导线环，导线全长一万多公里。
一等三角锁的测角中误差，按菲列罗公式计算为0.55″（平均值）。
基线扩大边起始方位角闭合差平均值为±1.00″左右；纬度中误差为±0.20″左右，经度中误差为、±0.01一±0.02s之间，起算边长的相对中误差一般小于1／35万。
目前，全国的二等三角网可分为两种情况。
1958年以前是每一个一等锁环内布设两个十字交叉的二等基本锁，把一等锁环分成四个部分，然后再在这四个部分内布设二等补充网，其测角中误差为±1.8″左右。
1958年以后，为了提高天文大地网的精度，改成在一等锁环内布设二等连续三角网，在网中加测必要的起始边长和方位角，测角中误差小于±1.0″。
全国一、二、三等三角点共约五万多个。
五十年代末基本上完成了三角测量部分。
六十年代初期在青藏高原施测了一等电磁波测距导线，其转折角的测角中误差为±1.0″左右。
边长精度分别为1／50万（光电测距边）和1／20万（微波测距边）。
从六十年代至七十年代中期，我国对天文大地网讲行了修测和改造。
对于锁段边长条件闭合差和方位角条件闭合差超限者，均进行了重测。
对于锁段过长者，又在锁段中央加测了起始边和拉普拉斯方位角。
这样，经过二十余年的努力，在我国幅员辽阔的土地上，已经形成了一个以三角网和导线网混合组成的高精度的平面坐标控制体系。
四、全球卫星定位系统（GPS）
1、GPS简介
全球卫星定位系统就是利用卫星电文对地球上任意目标进行定位和导航的定位系统，目前除了美国的全球卫星定位系统之外，还有俄罗斯的GLONASS卫星定位系统和中国的北斗星导航定位系统。
欧盟正在计划建设伽利略系统，它的空间部分将由30颗卫星组成。
1973年12月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航全球定位系统（GPS）。
1994年进入完全运行状态；整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。
三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。
GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为用于导航的卫星，3颗为活动备用卫星。
这24颗卫星分布在6个倾角为55°,高度约为20200公里的高空轨道上绕地球运行。
卫星的运行周期约为12恒星时。
完整的工作卫星星座保证在全球各地可以随时观测到4-8颗高度角为15°以上的卫星,若高度角在5°则可达到12颗卫星。
每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。
GPS用户正是利用这些信号来进行工作。
GPS卫星
GPS控制站
卫星运行图
定位示意图
GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。
主控站拥有大型电子计算机，用作为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等工作，它完成采集数据功能；编辑导航电文（卫星星历、时钟改正数、状态数据及大气改正数）并送入注入站功能；诊断地面支撑系统的协调工作、诊断卫星健康状况并向用户指示功能和调整卫星误差。
监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。
每个监控站配有GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。
监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。
主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户。
用户部分主要是各种接收机。
中国的北斗系统空间部分是由两颗工作星和1颗备用星组成，其定位原理与全球卫星定位系统有所不同。
北斗系统能覆盖整个中国及周边地区，不仅投资少，而且拥有通信功能，全球卫星定位系统则没有，更重要的是北斗系统是我国自主的卫星导航系统。
把国防应用建立在别国的卫星导航
系统上是不可靠的。
2、GPS应用领域非常广泛
卫星导航的应用领域非常广泛，有人形容它的应用只受到人的想象力的限制，事实上凡是涉及到位置、速度、时间信息的都与卫星导航技术息息相关。
卫星导航系统最初是用于军事领域，美国和俄罗斯都是如此，如用于核潜艇远洋定位、导弹导航等。
第一次海湾战争，美国用全球卫星定位系统解决了在沙漠中定位的问题，而在这次伊拉克战争中，美国98％的武器都用了全球卫星定位系统。
自从1995年全球卫星定位系统向民用开放后，迅速应用到各个领域，其应用大大超出了当初人们的想象。
我国是1986年在石油物探领域最早引进全球卫星定位系统接收机的，那时在新疆塔克拉玛干大沙漠石油勘探中需要定位，而常规的测量方法不行，因为流沙能把测量标志埋掉。
全球卫星定位系统给大地测绘带来了一场革命。
我国测绘部门把全球卫星定位系统用于数字中国建设，仅在交通方面2001年把33．6万公里的国道和省道定位问题全部解决。
2002年开始，又做省道修测和市道、县道的测定工作。
另一个是我国有92万座测量标志，如三角架、地下标尺等等，经过风吹雨打很多都破坏了，怎么保护?
最后确定有4万座作为国
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