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1、水利水电工程测量,参考书:（1）岳建平等，水利工程测量(第4版)，水利水电出版社，2008年（2）误差理论与测量平差基础，武汉大学出版社。学科基础课：高等数学、线性代数、概率论与数理统计,理论课成绩评定方法,1）期末综合作业 60；2）考勤 15（考勤方法为不定期点名及提问，如全部点名为5次，缺席一次扣3分，全部缺席者期末成绩不及格）；3）提问15；4）作业 10；,实验成绩考核：,1)实验出勤30；2）实验态度20；3）实验效果40；4）实验报告的填写等10；,1.1 测绘学的历史发展简述,1.绪 论,历史悠久,4000多年,19世纪:高斯投影及最小二乘18世纪:水准测量方法出现16世纪:墨
2、卡托投影(制图方法),魏晋重差术地形测量规范西晋制图六体制图规范,3S技术应用全自动数字摄影测量一战时期：航空摄影测量,1.2 测绘学的定义,测量学将地表物体分为地物和地貌。地物(feature)：地面上天然或人工形成的物体，它包括平原、湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁等；地貌(geomorphy)：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌总称为地形(landform)。,测量学是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的科学。其主要任务是测定和测设。测定(location)：使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定的符号
3、缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。测设(setting-out)：将在地形图上设计出的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。,1.3 测绘学的分类,地图制图学 地理信息系统 遥 感 工程测量学 摄影测量学 地形测量学 大地测量学,测量学,、大地测量学,测定和描绘地球表面的科学在广大的区域建立国家控制网、测定地球形状和大小、重力场及其变化的技术方法的学科。,、地形测量学,研究小区域内地表各类物体的形状和大小，将小区域内的地物和地面起伏按一定比例缩小后，绘制成平面图或地形图的学科。,根据不同的应用又可分为：地籍测量学:Cadastral Surveying 矿山测量
4、学:Mine Surveying 海洋测绘：Hydrographic Surveying and Charting 水利工程测量：工业测量 随着地理信息科学、空间认知、人工智能等理论的日新月异，遥感(RS)、卫星全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)等新技术的不断发展，新的测量分支学科正不断涌现。,三维激光扫描测量,被认为是继全站仪、GPS后测量的第三次革命。在医学、工业制造、古文物修复等方面有着广泛的应用，随着测距长度的扩大，在土木工程、领域的应用越来越广泛。,CMS 洞穴监测系统,Optech公司的CMS测量系统通过在地表凿一狭窄约25cm的洞以探测地表下岩洞及空洞情况.,机载激光
5、雷达系统测量,机载激光雷达系统（Light Detection And Ranging，简称LiDAR）是一种新型的综合应用激光测距仪、IMU、GPS的快速测量系统，可以直接联测地面物体各个点的三维坐标。系统还集成高分辨率数码相机，用于同时获取目标影像。,测量在水利水电工程中的应用：,1)设计阶段：测绘各种比例尺的地形图，供结构物的平面及竖向设计使用；2)施工阶段：将设计结构物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据；3)工程完工后：测绘竣工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理应用，对某些重要的建筑物或构筑物在建设中和建成以后都需要进行变形观测，以保证建筑物的安全,1.6 基本知识,（1
6、）地球自然表面是最自然的面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面，难以用一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适合于科学计算、数学分析。需要建立地球的抽象数学模型。陆地：29.2%海洋：70.8%最高：8846.27m，最低：-11022m地球半径：平均6371km,地球模型,地球表面,大地水准面,1.6 基本知识,（2）地球形状：大致为椭球体，自转轴方向上半径（短轴）短，垂直转轴方向中间半径（长轴）大。（3）水准面：重力位相同时，受重力作用的海水分子呈静止状态而形成的重力等位面。处处与重力方向垂直。水准面有无穷个。（4）大地水准面：通过平均海水面的水准面面大地水准面，是测量工作的基准面。（
7、5）地球椭球体：测量学 选用一个和大地水准 面总的形状非常接近 的数学形体来代表地 球形体。,铅垂线：重力的作用线，是测量工作的基准线。大地体：静止海水面向陆地延伸形成的封闭曲面所包围的地球实体。代表了地球的形状和大小。,（6）子午线:通过地球自转轴的平面与地球表面的交线（7）首子午线：通过格林威治天文台的子午线（8）子午面：子午线与地球自转轴构成的面（9）首子午面：通过格林威治天文台的子午面,1.7 地面点位的确定,1.旋转椭球体（双轴椭球体）：地球是一个表面很复杂的球体，人们以假想的平均静止的海水面形成的“大地体”为参照，推求出近似的地球椭球体。理论和实践证明，该椭球体表面近似一个以地球短
8、轴c为轴的椭圆绕该短轴旋转而成的椭球面，这个椭球面可用数学公式表达，假定赤道面为圆形，即用a代替b，方程为：（注：为方便起见，在测量中，上述方程的长半轴a仍用字母a表达，短半轴c用字母b表达。）将自然表面上的点归化（映射）到这个椭球面上，就可以计算了。即，旋转椭球体表面是测量计算和制图基准面。,2.地球椭球椭球的大小 旋转椭球体与地球形体非常接近,旋转椭球面是一个形状规则的数学表面，在其上可以做严密的计算，而且所推算的元素(如长度与角度)同大地水准面上的相应元素非常接近，这种用来代表地球形状的椭球称为地球椭球。注：我国目前主要采用的是1975年“国际大地测量与地球物理联合会”推荐的椭球参数，称
9、为“1980年国家大地坐标系”（简称80系）,空间点位用点的球面位置(二维)及高程(一维)来表示 3.点的球面位置的地理坐标表示（1）经度:地面上某一点子午面与首子午面的夹角 东经:首子午面以东0180度 西经:首子午面以西0180度（2）纬度：地面上某点的铅垂线与赤道面的夹角 北纬：赤道以北090度 南纬：赤道以南090度,4.点的球面位置的直角坐标表示（1）X轴：向北为正，向南为负（2）Y轴：向东为正，向西为负（3）象限：四个象限,5.点的高程位置的表示方法（1）高程：地面上任一点到水准面的铅垂距离。（2）绝对高程：地面点到大地水准面的铅垂距离，又称为海拔。（3）相对高程：以某个水准面作为
10、高程起算面，地面上任一点到该水准面的铅垂距离称为该点的相对高程，两点的高程之差称为高程差。铅垂线：地面上某一点的 重力方向线。,6.我国高程系统（1）大地水平面确定（青岛验潮站）（2）1956年黄海高程系（19501956）青岛大港验潮站一号军用码头（3）1985国家高程基准（19531977）,青岛大港1号码头验潮站标牌,1.7 测量学常用的几种坐标系统,1.天文地理坐标系：用天文经度和天文纬度来表示点在大地水准面上投影的球面位置，它把整个地球置于一个坐标系中，所以又称为绝对位置。,天文点（,）高程H：空间P点沿铅垂线到大地水准面的距离。天文纬度：地面点在大地水准面上投影点所在的子午面与起始
11、子午面间的平角，从首子午线起算，向东为东经(0 180)，向西为西经(0 180)天文经度：过P点的铅垂线与赤道面的夹角，由赤道面起算，向北为北纬(0 90)，向南为南纬(0 90),2.大地地理坐标系（大地坐标）：用大地经度和大地纬度表示地面点投影到地球椭球面的位置。大地经、纬度是根据起始大地点（又称为大地原点，该点的大地经纬度与天文经纬度一致）的大地坐标，按大地测量所得的数据推算而得。我国的大地原点位于陕西泾阳县永乐镇境内，由此建立了“1980西安坐标系”（简称西安80坐标系）。,点的大地坐标(L,B,H）:大地经度L、大地纬度B、大地高H大地点（L,B）大地高H：空间P点沿法线到椭球面的
12、距离。大地经度L：地面点在椭球面上投影点所在的子午面与起始子午面间的平角，从首子午线起算，向东为东经(0 180)，向西为西经(0 180),大地原点（Geodetic Origin）：大地原点，亦称大地基准点，或大地起算点，即国家水平控制网中推算大地坐标的起标点。原点并不是指国家的几何中心。大地原点是人为界定的一个点，大地原点上的大地经度和纬度分别等于该点上的天文经、纬度；由大地原点至某一点的大地方位角等于该点上同一边的天文方位角；大地原点至椭球面的高度恰好等于其至大地水准面的高度。（注：建国初期，我国使用的大地测量坐标系统是从前苏联测过来的，其坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台，这种状况与我国
13、的建设和发展极不相称。为此，国家有关方面决定建立我国独立的大地坐标系统。从年开始组织人力，搜集分析了大量资料，并根据“原点”的要求，对郑州、武汉、西安、兰州等地的地形、地质、大地构造、天文、重力和大地测量等因素实地考察、综合分析，最后将我国的大地原点，确定在泾阳县永乐镇石际寺村境内。）具体座标在：343227.00N1085525.00E；海拔高度417.20米。,3.高斯直角坐标系 采用高斯圆柱投影的方法建立的平面直角坐标系称为高斯直角坐标系，是一种球面坐标与平面坐标相关联的坐标系统。地图投影将球面上的坐标转换到平面三种投影变形长度变形、角度变形和面积变形。对于一般测绘来说，要求投影后的角度
14、保持不变形，同时长度变化也要尽可能小，只有采用正形投影，才能满足上述要求。,高斯投影原理横轴切平面圆柱投影,高斯投影的规律是：1）分带投影；2)各分带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；3)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；4)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；5)中央子午线和赤道的投影相互垂直。,（1）分带方法：以经度线为基准将地球分为若干带，从首子午线开始，每隔经差6度（或3度）为一带。,（2）坐标表示方法：1）各带独立坐
15、标 2）以各带的中央子午线为X轴（纵坐标），赤道以北为正；以赤道方向为Y轴（横坐标），交点（原点）以东为正 3）横坐标：带号+500000m+本带内的坐标值（以区别不同带内的不同点的相同坐标）,例如：自然值：YA=+36210.140m,YB=-41613.070m通用值：YA=38 536210.140m,YB=38 458386.930m自然值和通用值之间：X不加500，只加带号,（3）带号与中央子午线之间的关系 1）6度分带：L0=6N3 已知任意点经度，球其所属的带号 N=Int(L+3)6+0.5)2）3度分带：L0=3N 已知任意点经度，球其所属的带号 N=Int(L 6+0.5)
16、我国大陆部分在6度分 带下的带号范围为 1323，在3度分带下 为2545,4.独立直角坐标系 当测区面积不大时，可不考虑地球曲率的影响、不必进行复杂的投影计算，可以直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，由平面直角坐标表示其投影位置。坐标象限的顺序按顺时针方向旋转。上下为X轴，左右为Y轴，上为正，东为正。这是土木工 程测量经常采用的坐 标系统之一。,5.我国常用的坐标系（1）北京54坐标系（北京独立坐标系）（2）西安80坐标系（3）WGS-84坐标系（GPS测量使用）,1.8 测量工作的基本原则,（1）在测量布局上“由整体到局部”（2）在精度上“由高级到低级”（3）在程序上要“先控制后碎部”这就是测量工作应该遵守的重要原则。目的是为了防止测量误差的逐渐传递及累积增大，保证测量结果满足精度要求。,1.9 传统测量工作的三要素,确定两个点之间的关系可用距离、角度和高差来表示。传统的测量方法并不能直接测出它们的坐标和高程，而是通过观测水平角、距离和高差，然后再推算出各点的点位。角度、距离和高差是传统测量的基本观测量，也是确定地面点位的基本要素，称为测量三要素。,1.10 用水平面代替水准面的范围,
