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《测量学》测量学-教材-高 等学校pdf
作者:admin 发布日期:2019-09-25

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  测 量 学 主 编 张 序 副主编 连达军 参 编 袁 铭 王 颖 主 审 潘国荣 东南大学出版社 内 容 提 要 “ ” 。 15 。 1 ~ 4 、 本书为高等院校非测绘类专业基础课 测量学 教材 全书共分 章 第 章为测量基本知识 ; ; ~ 5 6 7 测量仪器的使用和测量基本原理与方法 第 章为测量误差的基本知识 第 章为小地区控制测量和电 子全站仪测量; 8 ~ 9 ; 10 ~ 12 、 第 章为大比例尺地形图测绘方法和应用 第 章为建筑工程测量 道路与桥梁工 13 15 GPS RS 程测量和管道工程测量; ~ ( )、 ( ) 第 章介绍了全球定位系统 摄影测量与遥感 和地理信息系统 ( ) 。 GIS 等基本知识 、 、 、 , 本书可作为高等院校土木工程 城市规划 环境工程 工程管理和地理信息系统等相关专业的教材 也 可作为工程技术人员的参考用书。 CIP 图书在版编目( )数据 / . 2007. 2 — : , 测量学 张序主编 南京 东南大学出版社 ISBN 978 7 564 1 0660 7 — — — — — — . . . . . . . . . Ⅰ 测 Ⅱ 张 Ⅲ 测量学 高等学校 教材 Ⅳ. P2 CIP 2007 010267 中国版本图书馆 数据核字( )第 号 : 出版发行 东南大学出版社 2 2 10096 社 : ( ) 址 江苏省南京市四牌楼 号 : 出 版 人 江 汉 经 : 销 江苏省新华书店 印 刷: : 2007 2 1 2007 2 1 版 次 年 月第 版 年 月第 次印刷 : — — — — · 书 号 ISBN 978 7 564 1 0660 7 / P 1 787 mm × 1092 mm 1/ 16 开 本: 22 印 张: 549 字 数: 千 : ~ 印 数 1 4 000 册 35. 00 定 价: 元 025 ( , 。★△◁◁▽▼ : — ) 若有印装质量问题 请与读者服务部联系 电话 前 言 “ ” ,◆◁• 本书是按照高等院校非测绘类专业 测量学 课程教学大纲要求 结合各专 业制定的培养宽口径、 , 、 创新性人才方案 适应高素质 强能力的工程应用型人才 培养的需要而编写的。 “ ” 。 测量学 是各工科类专业的一门技术基础课 本书着重阐述了测量的基 本理论和基本知识, , 详细介绍了测量仪器的使用方法和测量技术的工程应用 , , 、 、 注重培养学生的实际工作能力 同时 通过全站仪 GPS 和数字化测图等新仪器 , 。 新理论和新技术的介绍 反映当今测绘技术的进展情况 、 、 、 、 、 、 本书适用于土木工程 交通工程 城市规划 园林 给排水工程 工程管理 、 、 , 地理信息系统 城乡规划建设与管理 地理科学和环境科学等专业的教学 也可 供相关专业的工程技术人员参考。 1 ~ 9 、 , ; 本书第 章为基本测量理论 方法和技术部分 各专业方向可通用 第 10 ~ 12 , ; 13 ~ 15 章为应用工程测量部分 各专业可根据培养目标选用 第 章为 、 , , GPS RS 和GIS 技术 集中反映了现代测绘技术发展的方向和应用 通过介绍为 学生创新能力的培养打下良好基础。 、 , 本书突出基本理论 基本概念和方法 对重点和难点进行详细的阐述和分 析, , 、 , 力求理论联系实际 反映当今测绘新仪器 新理论和新技术 各章内容由浅 入深, , , 。 循序渐进 同时都给出了内容小结 便于读者自学 : 、、、、 、 ; 1 2 3 7 11 15 8 8. 5 本书编写分工如下 张序编写第 章及第 章的 节 连达 、、 、 ; 、 ; 、、 。 军编写第4 6 10 12 章 袁铭编写第5 13 章 王颖编写第8 9 14 章 全书由张 序和连达军负责统稿工作。 , 本书由同济大学潘国荣博士担任主审工作 潘国荣教授提出了许多宝贵的 意见和建议, , , 。 为提高本书的编写质量起到了重要作用 为此 谨致谢意 , , 。 本书在编写过程中 参考了书末所列的文献 在此向相关作者致谢 , , 。 由于编者水平有限 书中难免会有错误 谨请广大的读者批评指正 编 者 2006 12 年 月于江枫园 目 录 1 绪论 ……………………………………………………………………………………… 1 1. 1 测量学及其应用 …………………………………………………………………… 1 1. 1. 1 测量学的内容与任务 ………………………………………………………… 1 1. 1. 2 测量学的分类 ………………………………………………………………… 1 1. 1. 3 测量学在国民经济建设中的应用 …………………………………………… 2 1. 2 测量学的发展 ……………………………………………………………………… 2 1. 3 地面点位的确定 …………………………………………………………………… 3 1. 3 . 1 地球的形状和大小 …………………………………………………………… 3 1. 3 . 2 确定地面点位的方法 ………………………………………………………… 4 1. 4 水平面代替水准面的限度 ………………………………………………………… 7 1 . 4 . 1 对距离的影响………………………………………………………………… 8 1. 4 . 2 对高程的影响 ………………………………………………………………… 8 1. 5 测量工作概述 ……………………………………………………………………… 9 1. 5. 1 测量工作的基本原则 ………………………………………………………… 9 1. 5. 2 测量工作的基本内容 ………………………………………………………… 10 本章小结…………………………………………………………………………………… 11 思考题与习题……………………………………………………………………………… 12 2 水准测量 ………………………………………………………………………………… 13 2 . 1 水准测量基本原理 ………………………………………………………………… 13 2 . 2 水准仪和水准尺 …………………………………………………………………… 14 2 . 2 . 1 水准仪的基本结构 …………………………………………………………… 14 2 . 2 . 2 水准尺和尺垫 ………………………………………………………………… 16 2 . 3 水准测量方法 ……………………………………………………………………… 17 2 . 3 . 1 水准仪的使用 ………………………………………………………………… 17 2 . 3 . 2 水准测量的实测方法 ………………………………………………………… 18 2 . 3 . 3 水准测量的成果计算 ………………………………………………………… 2 1 2 . 4 水准仪的检验与校正 ……………………………………………………………… 24 2 . 4 . 1 水准仪的轴线及其应满足的条件 …………………………………………… 24 2 . 4 . 2 水准仪的检验和校正 ………………………………………………………… 24 2 . 5 水准测量误差及注意事项 ………………………………………………………… 27 2 . 5. 1 仪器误差 ……………………………………………………………………… 27 2 . 5. 2 观测误差 ……………………………………………………………………… 27 2 . 5. 3 外界条件的影响 ……………………………………………………………… 28 1 2 . 5. 4 水准测量的注意事项 ………………………………………………………… 29 2 . 6 自动安平水准仪 …………………………………………………………………… 29 2 . 6 . 1 自动安平原理 ………………………………………………………………… 30 2 . 6 . 2 自动安平补偿器 ……………………………………………………………… 30 2 . 6 . 3 自动安平水准仪的使用 ……………………………………………………… 31 2 . 7 精密水准仪介绍 …………………………………………………………………… 31 本章小结…………………………………………………………………………………… 33 思考题与习题……………………………………………………………………………… 34 3 角度测量 ………………………………………………………………………………… 35 3 . 1 角度测量原理 ……………………………………………………………………… 35 3 . 1. 1 水平角观测原理 ……………………………………………………………… 35 3 . 1. 2 竖直角观测原理 ……………………………………………………………… 35 3 . 2 光学经纬仪 ………………………………………………………………………… 36 3 . 2 . 1 DJ6 级经纬仪基本结构 ……………………………………………………… 36 3 . 2 . 2 DJ2 级光学经纬仪 …………………………………………………………… 38 3 . 2 . 3 经纬仪的使用 ………………………………………………………………… 39 3 . 3 水平角测量 ………………………………………………………………………… 4 1 3 . 3 . 1 测回法 ………………………………………………………………………… 4 1 3 . 3 . 2 方向观测法 …………………………………………………………………… 42 3 . 4 竖直角测量 ………………………………………………………………………… 44 3 . 4 . 1 竖直度盘的构造 ……………………………………………………………… 44 3 . 4 . 2 竖直角计算 …………………………………………………………………… 44 3 . 4 . 3 竖盘指标差 …………………………………………………………………… 45 3 . 4 . 4 竖直角观测 …………………………………………………………………… 46 3 . 5 经纬仪的检验与校正 ……………………………………………………………… 47 3 . 5. 1 经纬仪应满足的几何条件 …………………………………………………… 47 3 . 5. 2 经纬仪的检验与校正 ………………………………………………………… 47 3 . 6 角度测量误差及注意事项 ………………………………………………………… 50 3 . 6 . 1 水平角测量误差 ……………………………………………………………… 50 3 . 6 . 2 竖直角测量误差 ……………………………………………………………… 53 3 . 6 . 3 角度测量的注意事项 ………………………………………………………… 53 3 . 7 电子经纬仪介绍 …………………………………………………………………… 54 3 . 7 . 1 电子经纬仪的结构及其与光学经纬仪的主要区别 ………………………… 54 3 . 7 . 2 电子经纬仪测角原理 ………………………………………………………… 55 本章小结…………………………………………………………………………………… 56 思考题与习题……………………………………………………………………………… 57 4 距离测量与直线定向 …………………………………………………………………… 59 4 . 1 卷尺量距 …………………………………………………………………………… 59 4 . 1. 1 量距工具 ……………………………………………………………………… 59 2 4 . 1. 2 直线定线 ……………………………………………………………………… 60 4 . 1. 3 钢尺量距的一般方法 ………………………………………………………… 60 4 . 1. 4 钢尺的检定 …………………………………………………………………… 61 4 . 1. 5 钢尺精密量距 ………………………………………………………………… 62 4 . 1. 6 钢尺量距误差及注意事项 …………………………………………………… 63 4 . 2 视距测量 …………………………………………………………………………… 64 4 . 2 . 1 视距测量的基本原理 ………………………………………………………… 64 4 . 2 . 2 视距测量的观测和计算 ……………………………………………………… 66 4 . 3 电磁波测距 ………………………………………………………………………… 67 4 . 3 . 1 电磁波测距原理 ……………………………………………………………… 67 4 . 3 . 2 红外测距仪及其使用 ………………………………………………………… 68 4 . 3 . 3 测距成果整理 ………………………………………………………………… 69 4 . 4 直线定向 …………………………………………………………………………… 70 4 . 4 . 1 基准方向 ……………………………………………………………………… 70 4 . 4 . 2 方位角 ………………………………………………………………………… 70 4 . 4 . 3 、 71 正 反坐标方位角……………………………………………………………… 4 . 4 . 4 坐标方位角的推算 …………………………………………………………… 71 4 . 4 . 5 象限角 ………………………………………………………………………… 72 4 . 4 . 6 直角坐标与极坐标的换算 …………………………………………………… 72 本章小结…………………………………………………………………………………… 73 思考题与习题……………………………………………………………………………… 74 5 测量误差的基本知识 …………………………………………………………………… 75 5. 1 测量误差的概念 …………………………………………………………………… 75 5. 1. 1 测量误差产生的原因 ………………………………………………………… 75 5. 1. 2 测量误差的分类 ……………………………………………………………… 76 5. 1. 3 偶然误差的特性 ……………………………………………………………… 77 5. 2 评定精度的标准 …………………………………………………………………… 78 5. 2 . 1 中误差 ………………………………………………………………………… 78 5. 2 . 2 相对误差 ……………………………………………………………………… 79 5. 2 . 3 允许误差 ……………………………………………………………………… 80 5. 3 误差传播定律及其应用 …………………………………………………………… 80 5. 3 . 1 观测值的函数 ………………………………………………………………… 80 5. 3 . 2 误差传播定律 ………………………………………………………………… 80 5. 3 . 3 误差传播定律的应用 ………………………………………………………… 84 5. 4 等精度观测值的平差 ……………………………………………………………… 85 5. 4 . 1 求最或是值 …………………………………………………………………… 85 5. 4 . 2 观测值的中误差 ……………………………………………………………… 86 5. 5 不等精度观测值的平差 …………………………………………………………… 87 5. 5. 1 权的概念 ……………………………………………………………………… 87 5. 5. 2 加权平均值及其中误差 ……………………………………………………… 89 3 5. 5. 3 定权的常用方法 ……………………………………………………………… 90 本章小结…………………………………………………………………………………… 92 思考题与习题……………………………………………………………………………… 92 6 小地区控制测量 ………………………………………………………………………… 94 6 . 1 控制测量概述 ……………………………………………………………………… 94 6 . 1. 1 平面控制测量 ………………………………………………………………… 94 6 . 1. 2 高程控制测量 ………………………………………………………………… 97 6 . 2 导线测量和导线计算 ……………………………………………………………… 98 6 . 2 . 1 导线的布设 …………………………………………………………………… 98 6 . 2 . 2 导线测量的外业工作 ………………………………………………………… 99 6 . 2 . 3 导线测量的内业计算 ………………………………………………………… 100 6 . 3 小三角测量 ………………………………………………………………………… 107 6 . 3 . 1 小三角网的布设形式 ………………………………………………………… 107 6 . 3 . 2 小三角测量的外业工作 ……………………………………………………… 108 6 . 3 . 3 小三角测量的内业计算 ……………………………………………………… 109 6 . 4 交会定点测量 ……………………………………………………………………… 113 6 . 4 . 1 前方交会定点 ………………………………………………………………… 113 6 . 4 . 2 测边交会定点 ………………………………………………………………… 115 6 . 4 . 3 侧方交会定点 ………………………………………………………………… 117 6 . 4 . 4 后方交会定点 ………………………………………………………………… 117 6 . 5 高程控制测量 ……………………………………………………………………… 118 6 . 5. 1 、 118 三 四等水准测量……………………………………………………………… 6 . 5. 2 三角高程测量 ………………………………………………………………… 12 1 本章小结…………………………………………………………………………………… 124 思考题与习题……………………………………………………………………………… 124 7 电子全站仪测量 ………………………………………………………………………… 126 7 . 1 电子全站仪概述 …………………………………………………………………… 126 7 . 2 电子全站仪的结构及其功能 ……………………………………………………… 127 7 . 2 . 1 全站仪的结构 ………………………………………………………………… 127 7 . 2 . 2 全站仪的功能 ………………………………………………………………… 128 7 . 3 全站仪的操作使用 ………………………………………………………………… 128 7 . 3 . 1 使用前的注意事项 …………………………………………………………… 128 7 . 3 . 2 全站仪的操作使用 …………………………………………………………… 128 7 . 4 电子全站仪的检校 ………………………………………………………………… 138 7 . 4 . 1 概述 …………………………………………………………………………… 138 7 . 4 . 2 全站仪的检校 ………………………………………………………………… 138 本章小结…………………………………………………………………………………… 140 思考题与习题……………………………………………………………………………… 140 4 8 大比例尺地形测绘 ……………………………………………………………………… 14 1 8. 1 地形图的基本知识 ………………………………………………………………… 14 1 8. 1. 1 地形图比例尺 ………………………………………………………………… 14 1 8. 1. 2 地形图图式 …………………………………………………………………… 143 8. 1. 3 等高线 ………………………………………………………………………… 146 8. 1. 4 地形图的分幅与编号 ………………………………………………………… 151 8. 2 测图前的准备工作 ………………………………………………………………… 154 8. 2 . 1 图纸的准备 …………………………………………………………………… 154 8. 2 . 2 绘制坐标格网 ………………………………………………………………… 155 8. 2 . 3 展绘控制点 …………………………………………………………………… 156 8. 3 地形图测绘 ………………………………………………………………………… 156 8. 3 . 1 碎部点的选择 ………………………………………………………………… 156 8. 3 . 2 碎部测量的方法 ……………………………………………………………… 157 8. 3 . 3 等高线的勾绘 ………………………………………………………………… 159 8. 4 、 160 地形图的拼接 检查与整饰………………………………………………………… 8. 4 . 1 地形图的拼接 ………………………………………………………………… 160 8. 4 . 2 地形图的检查 ………………………………………………………………… 161 8. 4 . 3 地形图的整饰 ………………………………………………………………… 162 8. 5 数字化测图方法 …………………………………………………………………… 162 8. 5. 1 概述 …………………………………………………………………………… 162 8. 5. 2 数字测图系统的基本设备 …………………………………………………… 163 8. 5. 3 数字测图方法 ………………………………………………………………… 164 本章小结…………………………………………………………………………………… 170 思考题与习题……………………………………………………………………………… 171 9 地形图的应用 …………………………………………………………………………… 172 9 . 1 地形图的识读 ……………………………………………………………………… 172 9 . 1. 1 地形图的图外注记和说明 …………………………………………………… 172 9 . 1. 2 图廓和坐标格网 ……………………………………………………………… 174 9 . 1. 3 地物和地貌的识读 …………………………………………………………… 175 9 . 2 地形图的基本应用 ………………………………………………………………… 175 9 . 2 . 1 在图上确定点的坐标 ………………………………………………………… 175 9 . 2 . 2 在图上求两点间的水平距离 ………………………………………………… 176 9 . 2 . 3 在图上确定直线的方位角 …………………………………………………… 177 9 . 2 . 4 在图上确定点的高程 ………………………………………………………… 177 9 . 2 . 5 在图上求两点间的坡度 ……………………………………………………… 178 9 . 3 地形图在工程建设中的应用 ……………………………………………………… 178 9 . 3 . 1 绘制地形断面图 ……………………………………………………………… 178 9 . 3 . 2 在图上设计等坡线 …………………………………………………………… 179 9 . 3 . 3 确定汇水范围 ………………………………………………………………… 180 9 . 3 . 4 图上面积的量算 ……………………………………………………………… 180 5 9 . 3 . 5 场地平整时填挖边界的确定和土石方量计算 ……………………………… 183 9 . 4 数字地面模型简介 ………………………………………………………………… 186 9 . 4 . 1 数字地面模型概述 …………………………………………………………… 186 9 . 4 . 2 空间数据的基本特点 ………………………………………………………… 187 9 . 4 . 3 数字地面模型数据的获取 …………………………………………………… 187 9 . 4 . 4 数字地面模型的数据结构与编码 …………………………………………… 189 9 . 4 . 5 数字地面模型的数据处理与存储管理 ……………………………………… 193 本章小结…………………………………………………………………………………… 197 思考题与习题……………………………………………………………………………… 198 10 建筑工程测量…………………………………………………………………………… 200 10 . 1 建筑工程测量概述………………………………………………………………… 200 10 . 2 施工测量的基本工作……………………………………………………………… 200 10 . 2 . 1 设计长度的测设……………………………………………………………… 201 10 . 2 . 2 设计水平角度的测设………………………………………………………… 202 10 . 2 . 3 设计平面点位的测设………………………………………………………… 202 10 . 2 . 4 设计高程的测设……………………………………………………………… 204 10 . 2 . 5 设计坡度的测设……………………………………………………………… 206 10 . 2 . 6 铅垂线的测设………………………………………………………………… 206 10 . 3 建筑施工测量……………………………………………………………………… 207 10 . 3 . 1 概述…………………………………………………………………………… 207 10 . 3 . 2 建筑施工控制测量…………………………………………………………… 208 10 . 3 . 3 建筑施工测量………………………………………………………………… 2 13 10 . 3 . 4 高层建筑物施工测量………………………………………………………… 220 10 . 4 建筑工程竣工测量………………………………………………………………… 225 10 . 4 . 1 概述…………………………………………………………………………… 225 10 . 4 . 2 竣工测量……………………………………………………………………… 226 10 . 4 . 3 竣工总平面图的编绘………………………………………………………… 226 10 . 5 建筑工程变形测量………………………………………………………………… 228 10 . 5. 1 概述…………………………………………………………………………… 228 10 . 5. 2 建筑物的沉降观测…………………………………………………………… 229 10 . 5. 3 ( ) 232 建 构 筑物的倾斜观测 …………………………………………………… 10 . 5. 4 ( ) 234 建 构 筑物的水平位移观测 ……………………………………………… 本章小结…………………………………………………………………………………… 234 思考题与习题……………………………………………………………………………… 235 11 道路与桥梁工程测量…………………………………………………………………… 237 11. 1 概述………………………………………………………………………………… 237 11. 2 道路中线测量……………………………………………………………………… 237 11. 2 . 1 交点和转点的测设…………………………………………………………… 237 11. 2 . 2 路线转折角的测定…………………………………………………………… 240 6 11. 2 . 3 里程桩的设置………………………………………………………………… 240 11. 3 道路曲线测设……………………………………………………………………… 24 1 11. 3 . 1 圆曲线的测设………………………………………………………………… 24 1 11. 3 . 2 缓和曲线的测设……………………………………………………………… 248 11. 3 . 4 竖曲线的测设………………………………………………………………… 252 11. 4 、 254 路线纵 横断面测量 ……………………………………………………………… 11. 4 . 1 路线纵断面测量……………………………………………………………… 254 11. 4 . 2 路线横断面测量……………………………………………………………… 258 11. 5 道路施工测量……………………………………………………………………… 260 11. 5. 1 道路中线的恢复……………………………………………………………… 260 11. 5. 2 施工控制桩的测设…………………………………………………………… 260 11. 5. 3 路基边桩的测设……………………………………………………………… 261 11. 6 桥梁工程测量……………………………………………………………………… 263 11. 6 . 1 桥梁工程测量概述…………………………………………………………… 263 11. 6 . 2 、 263 小 中及大型桥梁施工测量 ………………………………………………… 11. 6 . 3 桥梁变形观测………………………………………………………………… 268 本章小结…………………………………………………………………………………… 269 思考题与习题……………………………………………………………………………… 270 12 管道工程测量…………………………………………………………………………… 271 12 . 1 踏勘选线及中线测量……………………………………………………………… 271 12 . 1. 1 踏勘选线……………………………………………………………………… 272 12 . 1. 2 中线测量……………………………………………………………………… 273 12 . 2 、 275 管线纵 横断面测量 ……………………………………………………………… 12 . 2 . 1 纵断面测量…………………………………………………………………… 275 12 . 2 . 2 横断面测量…………………………………………………………………… 279 12 . 3 管道施工测量……………………………………………………………………… 282 12 . 3 . 1 准备工作……………………………………………………………………… 282 12 . 3 . 2 管道施工测量………………………………………………………………… 283 12 . 3 . 3 顶管施工测量………………………………………………………………… 285 12 . 3 . 4 管道竣工测量………………………………………………………………… 287 本章小结…………………………………………………………………………………… 288 思考题与习题……………………………………………………………………………… 289 13 GP S 全球定位系统 …………………………………………………………………… 290 13 . 1 概述………………………………………………………………………………… 290 13 . 1. 1 GPS 的组成…………………………………………………………………… 290 13 . 1. 2 GPS 卫星信号………………………………………………………………… 292 13 . 1. 3 GPS 坐标系统………………………………………………………………… 292 13 . 2 GPS 定位的基本原理……………………………………………………………… 293 13 . 2 . 1 伪距测量……………………………………………………………………… 293 7 13 . 2 . 2 载波相位测量………………………………………………………………… 295 13 . 2 . 3 相对定位……………………………………………………………………… 295 13 . 3 GPS 测量的设计与实施…………………………………………………………… 297 13 . 3 . 1 GPS 网的技术设计…………………………………………………………… 297 13 . 3 . 2 选点与建立标志……………………………………………………………… 298 13 . 3 . 3 外业观测……………………………………………………………………… 298 13 . 3 . 4 GPS 作业模式………………………………………………………………… 299 13 . 3 . 5 成果检核与数据处理………………………………………………………… 301 本章小结…………………………………………………………………………………… 301 思考题与习题……………………………………………………………………………… 302 14 摄影测量与遥感………………………………………………………………………… 303 14 . 1 概述………………………………………………………………………………… 303 14 . 2 摄影测量基本知识及应用………………………………………………………… 304 14 . 2 . 1 航空摄影测量………………………………………………………………… 304 14 . 2 . 2 地面摄影测量………………………………………………………………… 309 14 . 2 . 3 近景摄影测量………………………………………………………………… 310 14 . 2 . 4 数字摄影测量………………………………………………………………… 310 14 . 3 遥感基本知识及应用……………………………………………………………… 313 14 . 3 . 1 遥感的基本概念……………………………………………………………… 313 14 . 3 . 2 遥感的分类及应用…………………………………………………………… 317 本章小结…………………………………………………………………………………… 322 思考题与习题……………………………………………………………………………… 322 15 地理信息系统及应用…………………………………………………………………… 324 15. 1 概述………………………………………………………………………………… 324 15. 1. 1 地理信息……………………………………………………………………… 324 15. 1. 2 地理信息系统………………………………………………………………… 325 15. 2 地理信息系统的组成……………………………………………………………… 326 15. 2 . 1 计算机硬件系统……………………………………………………………… 326 15. 2 . 2 计算机软件系统……………………………………………………………… 327 15. 2 . 3 地理空间数据………………………………………………………………… 328 15. 2 . 4 系统管理和操作人员………………………………………………………… 329 15. 3 地理信息系统的应用……………………………………………………………… 329 15. 3 . 1 地理信息系统的发展概况…………………………………………………… 329 15. 3 . 2 地理信息系统的数据获取与处理…………………………………………… 330 15. 3 . 3 地理信息系统的应用………………………………………………………… 336 本章小结…………………………………………………………………………………… 338 思考题与习题……………………………………………………………………………… 338 参考文献……………………………………………………………………………………… 339 8 1 绪 论 1. 1 测量学及其应用 1. 1. 1 测量学的内容与任务 ( 、 ) 测量学是一门研究地球的形状和大小以及确定地面 包含空中 地下和海底 点位的学 科。 。 , , 它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 供经济建设 规划设计 科学研究 和国防建设使用; 、 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 1. 1. 2 测量学的分类 , : 广义的测量学根据研究的重点内容和应用范围来分类 包括以下几门主要学科 1)大地测量学 、 , 大地测量学是研究地球形状 大小和变化 测定地球表面广大地区点的位置及地球重力 场的理论和方法的学科。 , , 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。 2)普通测量学 , , 普通测量学是指测量小范围地球表面形状时 不考虑地球曲率的影响 把地球局部表面 当作平面看待所进行的测量工作。 3)摄影测量学 、 。 摄影测量学是利用摄影像片来测定物体的形状 大小和空间位置的一门测绘学科 根 , 、● 、 据获得像片方式的不同 摄影测量学又可分为地面摄影测量学 航空摄影测量学 水下摄影 测量学和航天摄影测量学等。 4)海洋测绘学 海洋测绘学是以海洋水体和海底为研究对象所进行的测量和海图编制工作的一门 学科。 5)工程测量学 、 工程测量学是研究工程勘测设计 施工和管理阶段中所进行的各种测量工作的一门 学科。 1 6)地图制图学 地图制图学是研究地图及其编制和应用的一门学科。 1. 1. 3 测量学在国民经济建设中的应用 , , 测量学在国民经济和社会发展规划中应用很广 测绘信息是最重要的基础信息之一 各 。 , , 种规划及地籍管理首先要有地形图和地籍图 另外 在各项工农业基本建设中 从勘测设计 、 , 。◇•■★▼ , 阶段到施工 竣工阶段 都需要进行大量的测绘工作 在国防建设中 军事测量和 。 、 、 是现代大规模的诸兵种协同作战不可缺少的重要保障 至于远程导弹 空间武器 人造卫星 , , ,▼▼▽●▽● 或航天器的发射 要保证它精确入轨 随时校正轨道和命中目标 除了应测算出发射点和目 、 , 、 标点的精确坐标 方位和距离外 还必须掌握地球形状 大小的精确数据和有关地域的重力 。 , , 、 场资料 在科学实验方面 诸如空间科学技术的研究 地壳的变形 地震预报以及地极周期 , 。 , 性运动的研究等 都要应用测绘资料 在国家的各级管理工作中 测量和地图资料也是不可 缺少的重要工具。口▲=○▼ 。 : , 测量学在建筑类各专业的工作中有着广泛的应用 例如 在勘测设计的各个阶段 要求 , 、 、 有各种比例尺的地形图 供城镇规划 选择厂址 管道及交通线路选线以及总平面图设计和 。 , 、 , 竖向设计之用 在施工阶段 要将设计的建筑物 构筑物的平面位置和高程测设于实地 以 。 , , , 。 便进行施工 施工结束后 还要进行竣工测量 绘制竣工图 供日后扩建和维修之用 即使 , , 是竣工以后 对某些大型及重要的建筑物和构筑物还要进行变形观测 以保证建筑物的安全 使用。 1. 2 测量学的发展 , , , 、 测量学是一门历史悠久的科学 早在几千年前 由于当时社会生产发展的需要 中国 埃 、 。 , 及 希腊等国家的人民就开始创造与运用测量工具进行测量 北宋时期 我国就发明了指南 , , 。 针 以后又创制了浑天仪等测量仪器 并绘制了相当精确的全国地图 指南针于中世纪由阿 拉伯人传到欧洲, , 以后在全世界得到广泛应用 到今天仍然是利用地磁测定方位的简便测量 。 。 工具 我国古代劳动人民为测量学的发展做出了重要的贡献 。 , 测量学一开始是用于土地整理 随着社会生产力的发展 逐渐应用到社会的许多生产 。17 , , 。■□ 部门 世纪发明望远镜后 人们利用光学仪器进行测量 使测量科学迈进了一大步 自 19 , , 世纪末发展了航空摄影测量后 又使测量学增添了新的内容 现代光学及电子学理论在 , 、 、 、 、 。 测量中的应用 创制了一系列激光 红外光 微波测距 测高 准直和定位的仪器 惯性理论 20 60 , 、 。 , 在测量学中的应用 又创制了陀螺定向 定位仪器 世纪 年代以来 由于电子计算技 , 、 、 术的飞速发展 出现了自动化程度很高的电子水准仪 电子经纬仪 电子全站仪和自动绘图 。 , ,▪️•★ 仪 人造地球卫星的成功发射 使其很快就被应用于大地测量 建立利用卫星无线电导航原 。 , 理的全球定位系统 用卫星遥感技术可以获得丰富的地面信息 为自动化制图提供了大面 、 。 , 积的 全球性的资料 随着现代科学技术的发展 测量学也必然会向更高层次的电子化和自 动化方向发展。 2 1. 3 地面点位的确定 1. 3. 1 地球的形状和大小 , 。 测量工作是在地球表面的较大范围内进行的 地球的形状和大小直接与测量工作有关 、 、 、•☆■▲ 、 , 。 地球的自然表面有高山 丘陵 盆地 平原 海洋等起伏形态 是一个不规则的曲面 就 , 71% , 29% 。 整个地球表面积而言 海洋面积约占 陆地面积约占 , , , 假设某一个静止不动的水面延伸而穿过陆地 包围整个地球 形成一个闭合曲面 称为 。 , 水准面 水准面是作为流体的水受地球重力影响而形成的重力等势面 它的特点是面上任 意一点的铅垂线都垂直于该点曲面的切面。 , , 水面可高可低 符合这个特点的水准面有无数个 其中与平均海水面相吻合的水准面称 。 , , 。 为大地水准面 大地水准面所包围的形体 可以近似地代表地球的形体 称之为大地体 , , , 由于地球自转产生的离心力 使地球形体在赤道处较为突出 在两极处较为扁平 如图 1 1 PP , , 。 所示 其中 1 为地球自转轴 1 1 、 图 地球自然表面 大地水准面和地球椭球面 , , 、 地球内部质量分布不均匀 重力受其影响 致使大地水准面成为一个不规则的 复杂的曲 。 , 面 如果将地球表面的点位图形投影到这样一个不完全均匀变化的曲面上 将无法进行计算 和绘图。 , , 为解决这个问题 可选用一个非常接近大地水准面 并可用数学公式表示的几何形体 来建立一个投影面, 、 。 作为测量上计算 绘图的基准面 这个数学形体是以地球自转轴PP 1 为短轴的椭圆 PFP Q PP , 1 2 。 1 绕 1 旋转而成的椭球体 如图 所示 其 表面称为旋转椭球面,它与大地水准面虽不能完全重 ,☆△◆▲■ 。 合 但是最为接近 决定地球椭球体形状大小的参数为椭圆的长半径 a b , ——— : 和短半径 由此可以计算出另一个参数 扁率α a - b = 1 - 1 α ( ) a 我国目前采用的参考椭球体是 1979 年国际大地 图1 2 地球椭球体 测量与地球物理联合会推荐的 IUGG - 75 参数: 3 a = 6 378 140 m = 1/298. 257 b = 6 356 755. 288 m , , 。 α , , , 由于地球的扁率很小 因此当测区范围不大时 可以近似地把地球视为圆球 其平均半 R 6 371 km 。 径 为 1. 3. 2 确定地面点位的方法 。□▼◁▼ , 测量工作的根本任务是确定地面点位 要确定某地面点的空间位置 就是将地面点沿 , 。 铅垂线投影到某基准面上 求出相对于基准面和基准线的三维坐标或二维坐标 下面介绍 几种用以确定地面点位的坐标系。▲●…△ 1)地理坐标系 , , 地理坐标系属球面坐标系 根据不同的投影面 又分 为天文地理坐标系和大地地理坐标系。★-●△▪️▲□△▽ 1 ()天文地理坐标系 , 天文地理坐标又称天文坐标 用天文经度λ 和天文纬度 P , φ 来表示地面 点投影在大地水准面上的位置 如图 1 3 。 0° ~ 180° , 0° ~ 所示 自首子午线向东 称为东经 向西 180° , 0° ~ 90° , 0° ~ 称为西经 自赤道起向南 称为南纬 向北 图1 3 地理坐标系 90°称为北纬。 2) ( 大地地理坐标系 L B 大地地理坐标系用大地经度 和大地纬度 表示 。 (, 地面点投影在地球椭球面上的位置 确定球面坐标 L B) , 所依据的基本线为椭球球面的法线 基本面为包含法 线及南北极的大地子午面。 2)地心坐标系 , 地心坐标系属空间三维直角坐标系 用于卫星大地 。★◇▽▼• , 测量 由于人造地球卫星围绕地球运动 地心坐标系取 ( ) ,、 地球质心 地球的质量中心 为坐标系原点 X Y 轴在 X Z 地球赤道平面内, , 首子午面与赤道平面的交线 。 P 轴与地球自转轴相重合 如图 所示 地面点 的 图1 4 地心坐标系 (, ,) 。 空间位置用三维直角坐标 x y z 表示 p p p 3)平面直角坐标系 , 地理坐标系或地心坐标系是球面坐标 而工程建设的规 、 , , 划 设计和施工均在平面上进行绘图和计算 因此 球面坐标的 。 、 、 使用非常不方便 测量的计算 绘图和工程建设的规划 设计 , 。 和施工一样 最好是在平面上进行 但是地球表面是一个不可 , , 。 展平的曲面 把球面上的点位换算到平面上 称为地图投影 Gauss 我国普遍采用高斯( )投影的方法。 1) ( 高斯平面直角坐标系 , 高斯投影的方法首先是将地球按经线划分成带 称为投影 。 , 6