1、第一章第一章 測量與地圖學基礎知識測量與地圖學基礎知識一、一、 地球的形狀和大小地球的形狀和大小 認識地球是人類探索的目標之一，也是測認識地球是人類探索的目標之一，也是測量學的任務之一。量學的任務之一。 絕大多數測量工作是在地球上進行，或作絕大多數測量工作是在地球上進行，或作為參考系。為參考系。1、地球的認識、地球的認識 地球是兩北極稍扁， 赤道較長，平均半徑約為 6371KM的橢球。 其中海洋面積占71%， 陸地面積占29% 地球的自然表面有高山、 丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈現高低起伏的形態，并不平坦，很難用一個數學公式來表達。2 、大地水準面、大地水準面 水準面水準面（ le

2、vel surface ） 假設一個靜止的海水面向大陸延伸所形成的假設一個靜止的海水面向大陸延伸所形成的一個封閉的曲面，這個靜止的海平面稱之為一個封閉的曲面，這個靜止的海平面稱之為水準面。水準面。 大地水準面大地水準面（geoid ） 水準面具有處處都與鉛垂線方向正交的特性。水準面具有處處都與鉛垂線方向正交的特性。與平均海水面重合的一個水準面稱為大地水與平均海水面重合的一個水準面稱為大地水準面。（大地水準面向大陸內部延伸所包圍準面。（大地水準面向大陸內部延伸所包圍的形體叫大地體）。的形體叫大地體）。 3、旋轉橢球體、旋轉橢球體 重力是地球引力和離心力的合力，由于地球內部物質分布不均勻，重力方向

3、不規則，大地水準面是一個不規則的曲面，無法用數學公式表示，不便進行計算。為了測量和制圖的方便，采用一個與大地體很接近而又規則的數學形體來表示地球的形狀，稱為參考橢球體參考橢球體。是一個橢圓繞短軸旋轉而成的，又稱旋轉橢球旋轉橢球。旋轉橢球體的基本要素：旋轉橢球體的基本要素：決定橢球體大小的基本要素為橢圓的長半軸a和扁率f。 長半軸a 短半軸b 扁率f其中： abaf橢球名稱年代長半軸a/m扁率f附注德蘭布爾18006 375 6531:334.0法國白塞爾18416 377 397.1551:299.152 812 8德國克拉克18806 378 249 1:293.459英國海福特19096

4、378 3881:297.0美國克拉索夫斯基19406 378 2451:298.3前蘇聯1980年大地測量參考系統19796 378 1401:298.257IUGG第17屆大會推薦值WGS-84系統19846 378 1371:298.257 223 563美國國防部制圖局（DMA） 由于推算的年代、使用的方法以及測定地區的不同，地球橢球體的數據并不一致，近一個世紀來，世界上推出了幾十種地球橢球體數據。以下是常用的橢球數據。 我國所采用的參考橢球有：新中國成立前的海福特橢球；新中國成立初期的克拉索夫斯基橢球。1978年我國根據自己實測的天文大地資料推算出適合本地區的地球橢球參數，從而建立了

5、1980西安大地坐標系，并將大地原點設于陜西省涇陽縣永樂鎮。 1980大地測量參考系統大地測量參考系統 a=6378140m f=1:298.257 由于地球的扁率很小，接近于圓由于地球的扁率很小，接近于圓 球，球， 因此在要求精度不高的情況因此在要求精度不高的情況 下，可以近似地將其當作一個圓球下，可以近似地將其當作一個圓球 體，半徑體，半徑6371km6371km。二、地面點的表示方法二、地面點的表示方法測量工作的主要任務之一就是確定地面點的空間位置，表示的方法有坐標和高程。基本的面、線、圈的認識基本的面、線、圈的認識 1、地理坐標系 地理坐標系是指用經緯度表示地面點位的球面坐標系。按坐標

6、的基本線和基本面的不同地理坐標系又分為天文坐標系天文坐標系和大地大地坐標系。坐標系。 天文坐標系：大地水準面與鉛垂線為基準。天文坐標系：大地水準面與鉛垂線為基準。 大地坐標系：參考橢球面與法線為基準。大地坐標系：參考橢球面與法線為基準。 地面點的高程確定地面點的高程確定絕對高程絕對高程:(高程、海拔)地面點到大地水準面的垂直距離。相對高程：相對高程：地面點到任意水準面的垂直距離。高差：高差：地面上任意兩點之間的高差。高差是有方向性的，表示A點至B點的高差 （其中 = ）ABhABhABHH 我國高程系：“1956年黃海高程系”“1985年國家高程基準 ”位于青島的我國水準原點2、空間直角坐標系

7、坐標原點O：橢球中心（與質心重合）z軸指向地球北極x軸指向格林尼治子午面與地球赤道面交線y軸垂直于xoz平面，構成右手坐標系。3、平面直角坐標系（地平坐標系）、平面直角坐標系（地平坐標系）4、高斯平面坐標系定義：又稱橫切橢圓柱正形投影，投影過程如下定義：又稱橫切橢圓柱正形投影，投影過程如下SN赤道中央子午線 等角投影； 中央子午線投影后為一條直線，且其長度保持不變； 在橢球上除中央子午線外，其余子午線投影后均向中央子午線彎曲，并且對稱于中央子午線和赤道，而收斂于兩極； 在橢球面上凡對稱于赤道的緯圈，其投影后仍為對稱的曲線，且垂直于子午線的投影曲線，并凹向兩極. 在高斯投影面上，中央子午線和赤道

8、的投影都是直線，并將中央子午線與赤道的交點O作為坐標原點，以中央子午線的投影為縱坐標軸X，并規定其北向為正；以赤道的投影作為橫坐標軸Y，并規定其東向為正的平面直角坐標系統叫做高斯平面直角坐標系。XYSNO分帶投影分帶投影 為了控制長度變形，將地球橢球面按一定的經度差分成若干投影帶。帶寬一般為經差6或3，分別稱為6帶或3帶。3 帶中央經線 L=3N， 6 帶中央經線 L=6N-3，其中N為分帶編號。 已知某6度帶的帶號為N=21，問此帶的經度范圍為多少？ 已知某點的經度為113o36,問此點所在的6度、3度帶的帶號？已知經度求帶號理論公式：六度帶：N=L/6(計算結果取大的一段整數) 三度帶：N

9、=(L-1.5)/3(計算結果取大的一段整數)經驗公式：六度帶:N=INTL/6+1 三度帶:N=INTL/3+0.5 四、測量原理和測量工作概述1、測量學的主要任務分為測設和測定 測設(setting-out)：將在地形圖上設計出來的建筑物和構筑物的位置在實地標出來作為施工的依據。測定(location):使用測量儀器和工具，通過測量和計算將地物和地貌的位置按一定的比例尺、規定的符號縮小繪制成地形圖，供科學研究和工程建設規劃設計應用。2、地形測量學將地表物體分為地物(feature)和地貌地物(feature):地面上天然形成或者是人工構筑的，它包括平原、湖泊、河流、海洋，房屋、橋梁等等地貌

10、(geomorphy):地表高低起伏的形態，包括山地、丘陵、平原等等3、測量的原理和步驟 進行控制測量(control survey)得到已知控制點 進行碎步測量(地物地貌的特征點叫做碎步點)，測量這些地貌地物特征點的坐標 然后按照一點的比例尺，規定的符號縮小展繪在圖紙上4、測量原則 測量布局上：由整體到局部 測量次序：先控制后碎部 測量精度：從高級到低級，步步有檢核 5、基本觀測量、基本觀測量基本觀測量用幾何元素表示為：基本觀測量用幾何元素表示為：距離角度高差兩點間沿鉛垂線方向距離兩點間沿鉛垂線方向距離。間的距離不同水平面內兩點之斜距距離同一水準面內之間的平距與水平線之間的交角同一豎直面內的

11、傾斜線垂直角之間的交角同一水平面內的兩垂線水平角五、地圖的特性與構成要素五、地圖的特性與構成要素1、地圖的基本性質、地圖的基本性質 地圖是按照一定的數學法則建立的圖形地圖是按照一定的數學法則建立的圖形 地圖是通過地圖語言地圖是通過地圖語言-符號系統建立符號系統建立的圖形的圖形 地圖是經過取舍和概括的圖形地圖是經過取舍和概括的圖形地圖是按照一定的數學法則建立的圖形地圖是按照一定的數學法則建立的圖形 地球或其他星球上的各種現象，不論范圍大小地球或其他星球上的各種現象，不論范圍大小都需要縮小才能表示在地圖上，還要將地球曲面都需要縮小才能表示在地圖上，還要將地球曲面上的事物和現象轉為平面圖形。上的事物

12、和現象轉為平面圖形。 把地球曲面地理坐標系轉換為地圖平面直角坐把地球曲面地理坐標系轉換為地圖平面直角坐標系統，標系統，建立起地球球面與地圖平面之間點與點建立起地球球面與地圖平面之間點與點的一定函數關系式的一定函數關系式，這種方法稱為，這種方法稱為地圖投影地圖投影。為了便于分析與量算，必須為了便于分析與量算，必須按一定比例縮小圖按一定比例縮小圖形形地圖比例尺地圖比例尺。地球自然表面上的點地球自然表面上的點 垂直投影垂直投影 地球橢球面地球橢球面地圖投影地圖投影 可展面（圓柱、圓錐、平面）可展面（圓柱、圓錐、平面）地圖是通過地圖語言地圖是通過地圖語言-符號系統建立的圖形符號系統建立的圖形 地圖表示

13、各種復雜的自然或社會現象是通地圖表示各種復雜的自然或社會現象是通過特有的符號系統過特有的符號系統包括包括點、線、面狀點、線、面狀符號、色彩以及文字符號、色彩以及文字所構成的所構成的地圖語言地圖語言來來實現的。實現的。 這種符號系統不僅能表示制圖對象的這種符號系統不僅能表示制圖對象的地理位置、范圍、質量特征、數量指標和地理位置、范圍、質量特征、數量指標和動態變化，而且能夠直觀地顯示各制圖對動態變化，而且能夠直觀地顯示各制圖對象的空間分布規律及其相互聯系。象的空間分布規律及其相互聯系。（3）表示物體的質量和數量特征：）表示物體的質量和數量特征： 河流深度、湖水性質等：河流深度、湖水性質等：符號形狀

14、、大小、符號形狀、大小、 顏色顏色（4）表示地面上受遮蓋的物體；）表示地面上受遮蓋的物體； （5）無形的自然和社會現象：）無形的自然和社會現象： 境界、太陽輻射境界、太陽輻射地圖是經過取舍和概括的圖形地圖是經過取舍和概括的圖形 縮小了的地圖不可能表示地球的所有現縮小了的地圖不可能表示地球的所有現象，只能根據地圖的用途表示某些主要內象，只能根據地圖的用途表示某些主要內容。隨著比例尺的縮小，所表示的對象在容。隨著比例尺的縮小，所表示的對象在圖上變得愈來愈小。圖上變得愈來愈小。 為了保持圖形的清晰易讀，必須為了保持圖形的清晰易讀，必須舍去和舍去和概括一些次要部分，保留和突出主要的、概括一些次要部分，

15、保留和突出主要的、本質的特征。本質的特征。這是通過地圖制圖的一個主這是通過地圖制圖的一個主要過程要過程地圖概括地圖概括（制圖綜合）來實現（制圖綜合）來實現的。的。2、地圖的構成要素 控制點、坐標網、比例尺和地圖定向控制點、坐標網、比例尺和地圖定向 普通地圖：自然和人文普通地圖：自然和人文 地圖的主題地圖的主題 要素要素 專題要素：地理基礎要專題要素：地理基礎要 素和主題要素素和主題要素 外圖廓外圖廓、圖名圖名、圖例圖例、坡度尺坡度尺、三北方向三北方向 圖解、文字比例尺、編圖單位、編圖時間圖解、文字比例尺、編圖單位、編圖時間 和依據等和依據等。數學基礎數學基礎地理要素地理要素輔助要素輔助要素普通

16、地圖普通地圖: (general map) 以相對平衡的詳細程度表示地表最基本以相對平衡的詳細程度表示地表最基本的自然和人文現象的地圖。的自然和人文現象的地圖。 六大地理要素：水系、居民地、交通網、六大地理要素：水系、居民地、交通網、 地貌、土質植被、境界和地貌、土質植被、境界和 各種獨立目標各種獨立目標 。 大比例尺地圖：大比例尺地圖：1：10萬及更大萬及更大 中比例尺地圖：介于中比例尺地圖：介于10萬和萬和100萬之間萬之間 小比例尺地圖：小比例尺地圖：1：100萬及更小萬及更小 地理圖：反映地理事物的基本輪廓極其分布地理圖：反映地理事物的基本輪廓極其分布 規律；規律；地形圖：按照國家制定

17、的統一規格、用指定地形圖：按照國家制定的統一規格、用指定 的方法測制或根據可靠的資料編制的的方法測制或根據可靠的資料編制的詳細表達普通地理要素的地圖。詳細表達普通地理要素的地圖。地形地理圖：介于地理圖和地形圖之間。地形地理圖：介于地理圖和地形圖之間。專題地圖專題地圖 根據專業的需要，突出反映一種或幾種主題根據專業的需要，突出反映一種或幾種主題要素的地圖，其中作為主題的要素表示得很要素的地圖，其中作為主題的要素表示得很詳細，其他的要素則圍繞表達主題的需要，詳細，其他的要素則圍繞表達主題的需要，作為地理基礎概略表示。作為地理基礎概略表示。 自然專題地圖自然專題地圖 ：地質圖、地貌圖等：地質圖、地貌

18、圖等 人文專題地圖：政區圖、人口圖、經濟圖人文專題地圖：政區圖、人口圖、經濟圖等等 其他專題地圖：其他專題地圖：按包含的區域范圍分類按自然區劃分；按自然區劃分； 世界地圖世界地圖 大陸地圖大陸地圖 自然區域地圖自然區域地圖按行政區劃分：按行政區劃分： 國家地圖國家地圖 省（市、區）地圖省（市、區）地圖 市圖市圖 縣圖縣圖按經濟區劃分按經濟區劃分 上海經濟開發區地圖等上海經濟開發區地圖等按用途分類按用途分類 通用地圖：通用地圖： 為讀者提供科學和一般參考的地圖。 如：掛圖如：掛圖 專用地圖：專用地圖： 為各種專門用途制作的地圖。 如：航海圖、教學圖如：航海圖、教學圖 按使用方式分按使用方式分 桌

19、面用圖桌面用圖 掛圖掛圖 野外用圖野外用圖按比例尺分按比例尺分地圖地圖比例尺的大小比例尺的大小決定地圖內容表示的決定地圖內容表示的詳細詳細程度程度，一幅地圖包括的制圖范圍，以及地，一幅地圖包括的制圖范圍，以及地圖量測的精度。圖量測的精度。大比例尺大比例尺地圖：大于地圖：大于1:100000的地圖；的地圖； 中比例尺中比例尺地圖：地圖：1:100000至至1:1000000的地的地圖；圖；小比例尺小比例尺地圖：小于地圖：小于1:1000000的地圖。的地圖。 也有個別部門對大、中、小比例尺的劃分也有個別部門對大、中、小比例尺的劃分與上述有所不同。例如城市規劃及其他工與上述有所不同。例如城市規劃及

20、其他工程設計部門常把大于程設計部門常把大于1:10000的地圖稱為大的地圖稱為大比例尺地圖，比例尺地圖，1:10000至至1:50000的地圖稱的地圖稱為中比例尺地圖，小于為中比例尺地圖，小于1:50000的地圖稱為的地圖稱為小比例尺地圖。小比例尺地圖。按照其他標志按照其他標志綜合程綜合程度度單幅單幅分析地圖分析地圖綜合地圖綜合地圖綜合系列地圖綜合系列地圖綜合地圖集綜合地圖集組合型組合型合成型合成型按地圖綜合程度分類按地圖綜合程度分類基本圖型基本圖型分布圖分布圖類型圖類型圖區劃圖區劃圖等值線等值線圖圖點值點值圖圖動線圖動線圖統計圖統計圖網格圖網格圖按地圖基本圖型分類按地圖基本圖型分類特特 種種

21、 地地 圖圖數數 字字 地地 圖圖屏屏 幕幕 地地 圖圖多媒體電子地圖多媒體電子地圖互聯網絡地圖互聯網絡地圖立立 體體 地地 圖圖觸觸 覺覺 地地 圖圖發發 光光 地地 圖圖絲絲 綢綢 地地 圖圖縮縮 微微 地地 圖圖工藝品地圖工藝品地圖地地 球球 儀儀按地圖顯示方式與介質分類按地圖顯示方式與介質分類2、地圖的功能、地圖的功能目前，地圖的基本功能有：目前，地圖的基本功能有：地圖信息傳輸功地圖信息傳輸功能、地圖信息負載功能、地圖模擬功能、地圖認能、地圖信息負載功能、地圖模擬功能、地圖認知功能。知功能。 地圖信息傳輸功能地圖信息傳輸功能 信息論是現代通訊技術和電子計算技術運用的概信息論是現代通訊技

22、術和電子計算技術運用的概念和理論。上世紀念和理論。上世紀6060年代被引進地圖學中，形成年代被引進地圖學中，形成地圖信息論。地圖信息論。地圖信息論地圖信息論就是研究以地圖圖形獲取、傳遞、就是研究以地圖圖形獲取、傳遞、轉換、貯存和分析利用空間信息的理論。轉換、貯存和分析利用空間信息的理論。地圖就是空間信息的圖形傳遞形式，是信息地圖就是空間信息的圖形傳遞形式，是信息傳輸工具。傳輸工具。 從過去從過去電報通訊的一般傳輸過程電報通訊的一般傳輸過程來看，信來看，信息發送者把信息經過編碼，通過通道發送息發送者把信息經過編碼，通過通道發送信號，接受者收到信號經過譯碼，把信息信號，接受者收到信號經過譯碼，把信

23、息送到目的地送到目的地信息源信息源發送發送接收接收編編 碼碼通通 道道譯譯 碼碼目的地目的地信信 號號普通電報傳遞過程普通電報傳遞過程 地圖信息傳輸過程就是地圖信息傳輸過程就是編圖者編圖者（信息發送（信息發送者）把對者）把對客觀世界客觀世界（制圖對象）的認識加（制圖對象）的認識加以選擇、分類、簡化等信息加工并經過符以選擇、分類、簡化等信息加工并經過符號化（編碼），通過號化（編碼），通過地圖地圖（通道）傳遞給（通道）傳遞給用圖者用圖者（信息接收者），用圖者經過符號（信息接收者），用圖者經過符號識別（譯碼），同時通過對地圖的分析和識別（譯碼），同時通過對地圖的分析和解譯形成對客觀世界（制圖對象）的

24、認識。解譯形成對客觀世界（制圖對象）的認識。 用圖者讀圖分析獲得的信息可以用圖者讀圖分析獲得的信息可以超過超過地地圖制圖人員在編制地圖時所利用的信息。圖制圖人員在編制地圖時所利用的信息。而且由于用圖者而且由于用圖者所受的訓練、讀圖經驗和所受的訓練、讀圖經驗和水平水平的不同，從地圖上獲得的信息的多少的不同，從地圖上獲得的信息的多少是不同的。是不同的。地圖信息載負功能地圖信息載負功能 地圖作為空間信息的圖形語言，不僅是空地圖作為空間信息的圖形語言，不僅是空間信息的傳輸工具，而且還是空間信息的間信息的傳輸工具，而且還是空間信息的載體。地圖能夠容納和貯存的信息量是非載體。地圖能夠容納和貯存的信息量是非

25、常大的。常大的。 地圖信息量由地圖信息量由直接信息直接信息和和間接信息間接信息兩部分組成。兩部分組成。 直接信息直接信息是地圖上圖形符號所直接表示的信息。是地圖上圖形符號所直接表示的信息。 間接信息間接信息是經過分析解譯而獲得的信息。是經過分析解譯而獲得的信息。 一幅一幅5060厘米左右的地形圖可以縮小至一個平厘米左右的地形圖可以縮小至一個平方厘米。也就是說在一個平方厘米的縮微地圖上方厘米。也就是說在一個平方厘米的縮微地圖上可容納和負載一至二億個信息單元的信息量。可容納和負載一至二億個信息單元的信息量。 地圖集有地圖集有“地圖信息庫地圖信息庫”和和“大百科全書大百科全書”之之稱。稱。 地圖的模

26、擬功能地圖的模擬功能 地圖是經過簡化和概括了的再現客觀世界地圖是經過簡化和概括了的再現客觀世界的的空間模型空間模型，是反映自然和社會現象的空，是反映自然和社會現象的空間分布、組合和聯系及其在時間中的變化，間分布、組合和聯系及其在時間中的變化，再現客觀世界的再現客觀世界的形象符號模型形象符號模型。而一部。而一部綜合性綜合性地圖集被稱為地圖集被稱為“地理系統模型地理系統模型”。文 字描 述表 格圖 表航空與衛星像片數 學模 型物 理模 型地 圖直觀性一覽性抽象性合成性比例尺與可量性幾何相似性地理對應性各種模型特點比較表各種模型特點比較表地圖的認知功能地圖的認知功能地圖是地學、地理學研究不可缺少的手

27、段地圖是地學、地理學研究不可缺少的手段“地理地理學第二語言學第二語言”。 地圖認知作為地圖的基本功能，主要是它的空地圖認知作為地圖的基本功能，主要是它的空間認知與圖形認知兩方面的功能。間認知與圖形認知兩方面的功能。 空間認知空間認知是幫助建立對事物和現象空間概念，即是幫助建立對事物和現象空間概念，即空間的定位、范圍、空間格局、相互關系、時空空間的定位、范圍、空間格局、相互關系、時空變化（隨時間的空間變化）等。變化（隨時間的空間變化）等。 圖形認知圖形認知是幫助運用圖形思維和地圖語言，形成是幫助運用圖形思維和地圖語言，形成對事物和現象質量與數量特征直觀形象的分布規對事物和現象質量與數量特征直觀形

28、象的分布規律與區域差異的認識。律與區域差異的認識。 這兩個方面是結合在一起的，這也是由地這兩個方面是結合在一起的，這也是由地圖的基本性質和特點所決定的。此外還有圖的基本性質和特點所決定的。此外還有用圖者的經驗，并根據經驗進行分析，對用圖者的經驗，并根據經驗進行分析，對認知的現象進行聯想與引伸。認知的現象進行聯想與引伸。 認知的具體方法認知的具體方法包括目視分析、圖解分析、包括目視分析、圖解分析、地圖量算分析、數理統計分析、地圖數學地圖量算分析、數理統計分析、地圖數學模型分析、地圖演繹法分析、地圖歸納法模型分析、地圖演繹法分析、地圖歸納法分析等。分析等。2. 編繪成圖：根據已有的地圖或其他編圖資料，在室內編制新圖的方法。常規編圖常規編圖遙感成圖遙感成圖計算機制圖計算機制圖八、誤差與精度基本知識八、誤差與精度基本知識1、 測量誤差的來源測量誤差的來源 測量工作是在一定條件下進行的，外界環境、觀測者的技術水平和儀器本身構造的不完善等原因，都可能導致測量誤差的產生。通常把測量儀器、觀測者的技術水平和外界環境三個方面綜合起來，稱為觀測條件。觀測條件不理想和不斷變化，是產生測量誤差的根本原因。通常把觀測條件相同的各次觀測，稱為等精度觀測；觀測條件不同的各次觀測，稱為不等精度觀測。具體來說，測量誤差主要來自以下三個方面： (1) 外界條件 主要指觀測環境中氣溫、氣壓、空氣濕度和清