测量学的基本知识第1次.pptx

12.1 地球的形状与大小地球的形状与大小n认识地球是人地球是人类探索的目探索的目标之一，也是之一，也是测量学的任量学的任务之一之一n绝大多数大多数测量工作是在地球上量工作是在地球上进行，或作行，或作为参考系参考系一、地球的自然表面一、地球的自然表面岩石圈的表面高山、丘陵、平原、湖泊、海洋高山、丘陵、平原、湖泊、海洋 最高点：最高点：珠峰珠峰 1975：8848.13m 2005：8844.43m 最低点：最低点：马里亚那海沟马里亚那海沟11022m，相差相差19.866km2一、地球的自然表面一、地球的自然表面岩石圈的表面 自然表面凹凸不平，形自然表面凹凸不平，形态复复杂，极不，极不过则，不能作，不能作为研究研究的依据，不能作的依据，不能作为测量和制量和制图的基准面。的基准面。？能否找一个规则的形状代替自然表面 陆地：陆地：海洋：海洋：29%71%3二、地球的物理表面二、地球的物理表面 设想一个无波浪、无潮汐的设想一个无波浪、无潮汐的静止海平面静止海平面，向陆地延伸包围，向陆地延伸包围整个整个球体的封闭曲面球体的封闭曲面，用这个，用这个封闭曲面封闭曲面代替地球的自然表面。代替地球的自然表面。4几个重要概念几个重要概念(1)(1)水准面水准面sea level sea level：处于静止状态的海水面。处于静止状态的海水面。重力等位面重力等位面个数？个数？无穷多个：无穷多个：在地球表面的作用空间，通过任何高度的点都在地球表面的作用空间，通过任何高度的点都有一个水准面。有一个水准面。特性：特性：5(2)(2)大地水准面大地水准面（mean sea levelmean sea level）：）：把一个假想的与静止的把一个假想的与静止的平均海水面平均海水面重合，并向重合，并向陆地延伸且包地延伸且包围整个地球的特定整个地球的特定重力等位面重力等位面称称为大地水准面大地水准面。野外测量工作的基准面。野外测量工作的基准面。(3)(3)大地体：大地体：大地水准面所包围的球体大地水准面所包围的球体静止的平均海水面。静止的平均海水面。6(4)(4)重力：重力：万有引力与离心力的合力万有引力与离心力的合力(5)(5)铅垂线：铅垂线：重力作用线重力作用线野外测量工作的基准面：2、水准面的特性(1)(2)野外测量工作的基准线：重力等位面重力等位面不规则曲面不规则曲面7测量得出量得出结论：（天文大地（天文大地测量、量、卫星大地星大地测量、地球重力量、地球重力测量）量）赤道半径：赤道半径：6738.14km 6738.14km 极半径：极半径：6356.76km 6356.76km 北极地区北极地区约高出：高出：18.9km 18.9km 南极地区南极地区则凹下：凹下：242430km 30km 三、地球的数学表面三、地球的数学表面 地球并不是一个圆球体，而是一个赤地球并不是一个圆球体，而是一个赤道半径道半径略长略长，极半径，极半径略短略短，北极突出北极突出，南极凹进南极凹进，横横切面接近一个切面接近一个圆圆，纵纵切切面接近一个面接近一个椭圆椭圆，很像一个，很像一个椭圆椭圆绕其绕其短短半径半径旋转而成的旋转椭球体旋转而成的旋转椭球体旋转椭旋转椭球球8椭球的元素（参数）椭球的元素（参数）表示表示椭球的形状和大小球的形状和大小长半半轴：a a短半短半轴：b b 扁率：扁率：椭球公式椭球公式：椭球的简化：椭球的简化：测区面积很小或精度要求不高时，在测区面积很小或精度要求不高时，在普通测量中可以把参考椭球看作圆球，普通测量中可以把参考椭球看作圆球，半径半径R R：圆球圆球910配合最佳的参考椭球面 大地水准面大地水准大地水准面差距面差距N2.2 参考椭球及其定位参考椭球：参考椭球：与某个区域的大地水准面最为密合椭球。与某个区域的大地水准面最为密合椭球。（用（用个别国家个别国家或或局部地区局部地区的大地测量资料推求椭球体元素）的大地测量资料推求椭球体元素）总地球椭球：总地球椭球：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（利用全球全球的各种卫星测量资的各种卫星测量资料，顾及地球的几何及物理参料，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）。11几个世几个世纪以来，以来，许多学者曾算出参考多学者曾算出参考椭球的参数球的参数值，如表：，如表：WGS84系统系统(1984)63781371:298.257 223 563美国国防部制图局美国国防部制图局测量的基准面、基准线测量的基准面、基准线制图的基准面、基准线制图的基准面、基准线大地水准面、大地水准面、铅垂线、铅垂线、参考椭球面、参考椭球面、法线法线12椭球的定位：椭球的定位：确定椭球面与大地水准面的位置关系配合最佳的参考椭球面 大地水准面大地水准大地水准面差距面差距N1、单点定位、单点定位2、多点定位、多点定位131、单点定位 在需要定位的国家范围内在需要定位的国家范围内(自然表面自然表面)选择一个点选择一个点P P，将，将P P点沿点沿铅垂线铅垂线方向投影到方向投影到大地水准面大地水准面上，得上，得P P；(1)(1)在在P P上，两面相切，两线重合上，两面相切，两线重合使大地水准面与参考使大地水准面与参考椭球面球面相切相切，法，法线与与铅垂垂线重合重合(2)(2)两轴平行，两面平行两轴平行，两面平行令椭球的令椭球的旋转轴旋转轴(短轴短轴)与地球的与地球的自转轴自转轴平行，平行，椭球赤道面椭球赤道面与与地球赤地球赤道面道面平行平行P P点点大地原点大地原点减化计算减化计算 精度低精度低142、多点定位u天文大地控制网中的测量数据天文大地控制网中的测量数据u重力测量数据重力测量数据u椭球参数椭球参数 通通过多个天文点的天文多个天文点的天文经纬度推算大地原点度推算大地原点P P的大地的大地经纬度（度（L L，B B）。）。多点定位后，在大地原点多点定位后，在大地原点处，两面不相切，两线不重合两面不相切，两线不重合在所利用的天文大地网的范在所利用的天文大地网的范围内，大地水准面与参考内，大地水准面与参考椭球面有最佳的符合。球面有最佳的符合。15我国采用的我国采用的大地大地坐标系：坐标系：大地坐标系大地坐标系椭球椭球大地原点大地原点定位定位北京北京5454坐标系坐标系(参心坐标系参心坐标系)克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球前苏联的普尔科沃前苏联的普尔科沃单点单点定位定位西安西安8080坐标系坐标系(参心坐标系参心坐标系)1975年国际大地测量与地年国际大地测量与地球物理联合会推荐的椭球球物理联合会推荐的椭球陕西西安北陕西西安北60km的泾阳县永乐镇的泾阳县永乐镇多点多点定位定位WGS84坐标系坐标系(地心坐标系地心坐标系)WGS84椭球椭球Word Geodetic System 协议地球坐标系协议地球坐标系 地心地心(L，B)54(L，B)8016u在投影面上的坐标(Coordinate)n球面坐标n(L,B,H)n(X,Y,Z)n平面坐标u 到投影面的距离(Elevation)参考椭球面参考椭球面(L,B,H)(x,y,H)2.3 测量常用坐标系地面点的空间位置由三维坐标确定，包括：n 高程172.3测量常用坐标系球面坐标系球面坐标系一、天文坐标系一、天文坐标系 二、二、大地坐标系大地坐标系(Geodetic coordinate system)三、三、空间直角坐标系空间直角坐标系 四、坐标转换四、坐标转换平面坐标系平面坐标系五、五、平面直角坐标系平面直角坐标系(Plane-Rectangular coordinate system)六、六、高程高程18一、天文坐标系基准面：大地水准面基准面：大地水准面基准基准线：铅垂垂线地面点位用天文地面点位用天文经度度+天文天文纬度度来表示来表示地轴地轴铅垂线铅垂线19二、大地坐标系参考椭球面参考椭球面+法线法线(1)(1)子午面：子午面：(2)(2)子午线：子午线：(3)(3)首子午面首子午面(起始子午面起始子午面)：(4)(4)首子午线首子午线：通过椭球旋转轴的平面通过椭球旋转轴的平面子午面与椭球面的交线子午面与椭球面的交线 通过英国通过英国原原格林尼治天文台的子午面格林尼治天文台的子午面 首子午面与椭球的交线首子午面与椭球的交线PPLB旋转轴旋转轴法线法线NS(5)(5)赤道面：赤道面：(6)(6)赤道：赤道：(7)(7)纬线纬线(平行圈平行圈)：20(8)(8)大地经度大地经度L L：面与面的夹角面与面的夹角 过过P点的点的子午面子午面与与首子午面首子午面间的夹角。间的夹角。过过P点的参考椭球面的点的参考椭球面的法线法线与与赤赤道面间道面间的夹角。的夹角。(9)(9)大地纬度大地纬度B B：线与面的夹角线与面的夹角首子午面首子午面 赤道面赤道面赤道的大地纬度：赤道的大地纬度：0 0向北：北纬向北：北纬0-900-90，北半球，北半球向南：南纬向南：南纬0-900-90，南半球，南半球首子午面大地经度：首子午面大地经度：0 0向东：东经向东：东经0-1800-180，东半球，东半球向西：西经向西：西经0-1800-180，西半球，西半球21（10）大地坐标的计算）大地坐标的计算 地面上某点的大地坐地面上某点的大地坐标是根据大地原地的（是根据大地原地的（L0,B0）再按大地再按大地测量的数据推算得到。量的数据推算得到。（,）（LP,BP）垂线偏差垂线偏差 建立大地坐标系建立大地坐标系：就是指定椭球的形状和大小，进行椭球的定就是指定椭球的形状和大小，进行椭球的定位位（椭球中心的位置）（椭球中心的位置）和定向和定向（椭球旋转轴的方向），（椭球旋转轴的方向），确定大地原点的确定大地原点的L、B。（,）（L0,B0）22三、空间直角坐标系原点原点O：参考参考椭球体球体中心中心X轴：Z轴：Y轴：在该坐标系中，在该坐标系中，P点的点位点的点位用用OP 在这三个坐标轴上的投影在这三个坐标轴上的投影X，Y，Z表示。表示。右手直角坐标系右手直角坐标系(x,y,z)54(x,y,z)80WGS-84坐标系79年年 大地测量与地球物理联合会大地测量与地球物理联合会17届大会届大会原点原点：位于地球质心；：位于地球质心；X轴：轴：指向指向BIH（国际时间局）（国际时间局）l984.0的零子午面和的零子午面和CIP赤道的交点；赤道的交点；Z轴：轴：指向指向BIHl984.0定义的协议地球定义的协议地球极极(CIP)方向；方向；Y轴：轴：垂直于垂直于X、Z轴，轴，23四、坐标转换1 1、内部转换：内部转换：大地坐大地坐标与空与空间直角坐直角坐标间的的转换关系关系(L,B,H)(x,y,z)e为第一偏心率为第一偏心率(x,y,z)(L,B,H)xn北京北京5454坐标系下坐标系下：n西安西安8080坐标系下：坐标系下：(L，B)54(x,y,z)54(L，B)80(x,y,z)80242 2、外部变换、外部变换空间直角坐标系间的转换空间直角坐标系间的转换 (x，y，z)54 (x，y，z)80 7参数转换公式：参数转换公式：3个平移，个平移，3个旋转，个旋转，1个尺度变化个尺度变化25大地坐标同空间直角坐标间的转换大地坐标同空间直角坐标间的转换(L,B)54(L,B)80(L，B)54(x，y，z)54(x，y，z)80(L，B)80(L，B)54(x，y，z)80(L，B)80(x，y，z)54 大地坐标系间的转换大地坐标系间的转换(L，B)54(x，y，z)80(x，y，z)5426五、平面直角坐标系、xyX-YX-Y轴互换：轴互换：象限划分不同：象限划分不同：角度起算不同：角度起算不同：不同点：不同点：原因：原因：、其目的是其目的是为了便于了便于定向定向可以不改可以不改变数学公式数学公式而直接将而直接将其其应用于用于测量量计算中。算中。271、高斯平面直角坐标系、高斯平面直角坐标系 测量中一般量中一般采高斯平面直角坐采高斯平面直角坐标系系(高斯高斯-克克吕格平面格平面直角坐直角坐标系系)球面坐球面坐标 平面坐平面坐标2、独立平面坐标系、独立平面坐标系 当当测区的范区的范围较小小时，可以球面看成平面，在，可以球面看成平面，在测区范区范围内内没有已知坐没有已知坐标的点的点时，可以建立，可以建立独立平面直角坐独立平面直角坐标系系，假，假设坐坐标原点的坐原点的坐标，使，使测区内的点位坐区内的点位坐标为正正值。3、施工坐标系、施工坐标系xyAB建筑物建筑物建筑物OO28六、高程1 1、高程：地面点沿基准线方向到基准面的距离地面点沿基准线方向到基准面的距离假定水准面假定水准面大地水准面大地水准面高高差差ABn绝对高程H（高程海拔）：高程海拔）：n相对高程H：n高差h：n大地高：2 2、水准原点、水准原点292、水准原点1956年黄海高程系：年黄海高程系：1950-1956 1959 H0=72.289m1985国家高程基准：国家高程基准：1952-1979 1988 H0=72.260m高程系水准原点水准原点青岛观象山青岛观象山303、验潮站n为了解当地了解当地海水潮汐海水潮汐变换的的规律律而而设置置.n需要在需要在验潮站上潮站上长期期观测潮位升降，根据潮位升降，根据验潮潮记录求出求出验潮站的潮站的黄海平均海水面黄海平均海水面作作为高程基准面高程基准面。海水海水31总 结2.1 地球的形状与大小地球的形状与大小 水准面、大地水准面水准面、大地水准面2.2 参考椭球及其定位参考椭球及其定位 参考椭球、总地球椭球参考椭球、总地球椭球 单点定位单点定位 多点定位多点定位 北京北京54坐标系坐标系 西安西安80坐标系坐标系2.3 测量常用坐标系测量常用坐标系 天文坐标系天文坐标系 大地坐标系大地坐标系 L B 空间直角坐标系空间直角坐标系 平面直角坐标系平面直角坐标系 高程高程