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第一章 测量学基础
一、测量学的概念
定义:
研究地球的形状和大小，确定地面点的空间位置，
将地球表面的形状和其它信息测绘成地图的科学。
对象: 地球的自然表面
分支:
大地测量学
摄影测量学
地图学
地形测量学
工程测量学
海洋测量学
绪论
内容:
研究地球形状和大小
确定空间位置的技术
测制地图的理论与技术
主要研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点的几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。
基本目标是测定和研究地球空间点的位置、重力及其随时间变化的信息，提供大地基础设施、信息和技术支持。
大地测量学
实用大地测量学
椭球面大地测量学
物理大地测量学
卫星大地测量学
研究利用摄影或遥感的手段获取目标物的影象数据，从中提取几何的或物理的信息，并用图形、图象和数字形式表达测绘成果的学科。
摄影测量学
航空摄影
航天摄影
航空航天摄影测量学
地面摄影测量学
研究模拟地图和数字地图的基础理论、地图设计、地图编制和复制的技术方法及其应用的学科。
地图学（地图制图学）
地图投影
地图编制
地图设计
地图制印
地图应用
发展阶段 测量仪器 测量理论 测量产品
古代 17世纪前 绳尺、步弓、矩尺 简单机械式 弧度测量、面积计算 理论原始简单 粗糙的
地图
近代 17-20世纪初 望远镜、经纬仪、水准仪、平板仪 光学机械式 三角测量、最小二乘法、地图投影 测量走向精确 实测的
地图
现代 20世纪至今 电子仪器、航空摄影、GPS 电子智能仪器 GIS、RS、GPS 数字测图 测量走向自动化 数字
地图
将来 数字化、自动化、小型化、智能化 数字地球 大众化的
数字地图
测量学发展历史与趋势
地图测绘技术发展历程
地图测绘技术发展历程
地图产品形式的发展演变
1973年出土的马王堆出土的西汉地形图（西汉文帝十二年，前168年）
地图产品形式的发展演变
1.以南为上；2.符号化；3. 有注记
地图产品形式的发展演变
达芬奇画的地图
地图产品形式的发展演变
地图产品形式的发展演变
依 据SPOT 卫 星 影 像 更 新 后 的 地 形 图
最 新 时 相SPOT 卫 星 正 射 影 像 图
地图产品形式的发展演变
学科名称的发展演变
地形测量学
测量学
现代测量学
二、现代测量学的概念
定义
研究在野外条件下，将地球表面的地物和地貌直接
测绘成地形图的理论、技术和方法的学科。
地 物:地面上位置固定、界线分明的物体（河流、桥梁）
地 貌:地面上高低起伏的自然形态（高山、丘陵）
1.地形测量学的概念
地形图:表示地物和地貌的正射投影图
对 象:地球的局部区域
内 容:
控制测量 地形测图
2.现代测量学的概念
研究基本测量理论，利用现代测量仪器和测量方法测定地面点的空间位置，将地球表面的自然形态和人工设施测绘成数字地图的理论和技术的学科。
三、地形图的成图过程
大地测量
地形
控制测量
地形测图
制图印刷
建立全国范围内骨干控制网
控制点
加密
原图测绘
原图清绘
制版印刷
地物地貌
数学法则
地物地貌
测量的基本理论问题
地物地貌
地物地貌
第一步：
地物地貌
地物地貌
第二步：
地物地貌
第三步：
基准面
投影
分幅
§1-2,3
§1-4
§1-8
解决思路
一、地球的自然形体
局部特点：高低起伏，极其复杂
整体特点：1.近似一个两极略扁的椭球；
2.可视为水球（海71 %，陆29%）；
3.无法用数学公式描述。
地球形状、大小及其基准面
地球形状、大小及其基准面
1.　水准面
静止的液体表面，称为水准面。
特性
处处与铅垂线正交
二、大地水准面及其特性
略有起伏的不规则曲面，有无穷多
水准面与铅垂线可作为野外测量的基准面和基准线
特性：
大地水准面是水准面之一；
常作为高程基准面。
2、大地水准面
设想的处于静止状态的平均海水面，并向陆地内部延伸而形成的一个封闭形体的表面。其所包含的形体称为大地体。
地球形状、大小及其基准面
陆地
大地水准面
三、参考椭球面及其特性
参考椭球：
形状与大小以及与大地体的相关位置均已
确定的地球椭球，其表面叫参考椭球面。
椭球元素：
长短半轴 a、b或a、扁率α=（a-b）/a
地球椭球：
形状与大小都与大地体十分接近的旋转椭球
椭球定位：
确定地球椭球与大地体的相关位置的过程。其目的是使地球椭球面的局部与某一地区的大地水准面实现最佳拟合。
地球形状、大小及其基准面
参考椭球面
特 性 ：
是一个规则表面，可用公式表示
可作为测量计算的基准面
参考椭球面的确立，标志着测量坐标系
的建立
我国：
1954年北京坐标系
选用克拉索夫斯基椭球元素
a=6378245 m, α=1:298.3
与苏联1942年坐标系联测
1980年国家坐标系
选用IUGG 推荐的椭球元素
a=6378140 m, α=1:298.257
原点在陕西泾阳县永乐镇
地球形状、大小及其基准面
选用椭球元素
a =6378137 m, α=1:298.257
我国2008年7月1日启用的第一套3维地心坐标系
Chinese Geodetic Coordinate System 2000
2000国家大地测量坐标系（CGCS 2000 ）
WGS-84坐标系（美国 GPS系统使用）
四、圆球
在地形测量中，将地球近似看成圆球
R=（a+a+b)/3 = 6371 km
地球形状、大小及其基准面
一、大地坐标系
大地经度L:
过椭球面上M点的子午面与起始子午面所构成
的二面角L,叫M点的大地经度。
东经：自起始子午面向东量称为东经
西经：自起始子午面向西量称为西经
各0-180°
1、坐标系的建立
2、大地坐标的定义
大地纬度B:
过椭球面上M点的法线与赤道面
的夹角B,叫M点的大地纬度。
北纬：自赤道面向北量称为北纬
南纬：自赤道面向南量称为南纬
各0-90°
测量坐标系和高程
二、天文坐标系
1、坐标系的建立
2、天文坐标定义
天文经度λ：过地面点M的天文子午面与起始天文子午面
之间的夹角。
天文纬度Φ：地面点M的铅垂线方向与天文赤道面的夹角。
测量坐标系和高程
三、高程
基准面: 大地水准面
大地水准面的确定:
根据青岛验潮站1950-1956年间
的验潮结果，作为黄海平均海水面
1956年黄海高程系:
水准原点高程：
72.289 m
根据青岛验潮站1952-1979年间
的验潮结果，作为黄海平均海水面
1985国家高程基准:
水准原点高程：
72.260 m
定 义:地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，
通常称为高程、正高、海拔。用H表示。
测量坐标系和高程
水准原点
四、地球坐标系和协议地球坐标系
1、地心空间直角坐标系
原点与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向首子午面与赤道面的交点，Y轴垂直于XOZ平面，构成右手坐标系。
2、协议地球坐标系
地球椭球中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴的平均位置（协议地极）重合。
(WGS-84 CGCS2000)
测量坐标系和高程
五、平面直角坐标系
1、坐标系的定义
测量上，以X轴为纵轴，Y轴为横轴。
2、特点
坐标轴向、象限顺序、角度量测方向均与数学坐 标系相逆；
基于数学坐标系推证的所有三角函数公式均可直接使用。
o
X
Y
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
测量坐标系和高程
六、高差
定义: 同一高程系中，两点的高程之差。用h表示
B点对A点的高程:
hAB = HB - HA
A点对B点的高程:
hBA = HA - HB
测量坐标系和高程
HA
HB
B
A
h
大地水准面
地球及基准面
绪 论
测量学的概念
现代测量学的概念
地形图成图过程
测量坐标系
地球的自然表面
大地水准面及其特性
参考椭球面及其特性
大地坐标
高程
本次课的主要内容
地物和地貌
O
G
P
F
铅垂线
N
S
a
a
b
地球椭球
椭球定位
大地水准面
参考椭球面
N
S
M
L
P
大地经度、纬度
格林尼日天文台
B
天文坐标系
大地水准面
天文赤道面
N
S
M
γ
φ
始
天
文
子
午
面
起
水准原点

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