第一章總論

主要內容

§1-1測繪學的基本概念與研究內容

§1-2測繪學的歷史發展

§1-3測繪學的學科分類

§1-4測繪學的現代發展

§1-5測繪學的科學地位和作用

§1-1測繪學的基本概念與研究內容

主要內容：

一、測繪學的基本概念

一、測繪學研究內容

一、測繪學的基本概念

1.初始概念

是一門以地球為研究對象，對它進行測定和描繪的科學。按照這樣的概念，測繪

就是利用測量儀器測定地球表面自然形態的地理要素和地表人工設施的形狀、大小、

空間位置及其屬性等，然后根據觀測到的這些數據通過地圖制圖的方法將地面的自然

形態和人工設施等繪制成地圖。

一般情況下，這種概念的測繪工作限于較小區域的測量和制圖，將地面當成平面，

不考慮地球曲率的影響。例如進行小地區的地形圖測繪。

地球表面并不是平面，測繪工作的范圍也不限于較小的區域，尤其當代測繪科學

技術的應用領域不斷擴大，其工作范圍不僅是大區域（如一個國家，一個地區，甚至

進行全球的測繪工作），在這種情況下，測繪工作和測繪學所要研究的問題就變得復

雜多了。即：測繪學不僅研究地球表面的自然形態和人工設施的幾何信息的獲取和表

述問題，還要把地球作為一個整體，研究獲取和表述其幾何信息之外的物理信息（如

地球重力場及其隨時間變化的信息）。另外，隨著科學技術的發展和社會的進步，測

繪學的研究對象不僅是地球，還需要將其研究范圍擴大到地球外層空間的各種自然和

人造實體。

2.完整的概念

是研究實體（包括地球整體、表面以及外層空間各種自然和人造的物體）與地理空

間分布有關的各種幾何、物理、人文及其隨時間變化的信息采集、處理、管理、更新

和利用的科學與技術。

針對地球而言，測繪學就是研究測定和推算地面及其外層空間點的幾何位置，確

定地球形狀和地球重力場，獲取地球表面自然形態和人工設施的幾何分布以及與其屬

性有關的信息，編制全球或局部地區的各種比例尺的普通地圖和專題地圖，建立各種

地理信息系統，為國民經濟發展和國防建設以及地學研究服務。

從測繪學的基本概念可以看出，測繪學主要研究地球的地理空間信息，同地球科

學的研究有著密切的關系，因此測繪學可以說是地球科學的一個分支學科。

二、測繪學研究內容

1.測量基準建立、確定地面點位的技術與方法

在已知地球的形狀、大小及其重力場的基礎上建立一個統一的地球坐標系統，用

以表示地球表面及其外部空間任一點在這個地球坐標系中準確的幾何位置。由于地球

的外形接近一個橢球（稱為地球橢球），所以地面上任一點的幾何位置可用這一點在地

球橢球面上的經緯度和其高程表示。這需要研究地球重力場理論、確定地球橢球參數、

建立測繪基準和坐標系統以及測定點的坐標的技術和方法。

2.地形原圖的測繪（或地理數據庫的建立）

有了大量的地面點的坐標和高程，在此基礎上可進行地表形態（自然形態，如水

系、地貌、土壤和植被的分布，人工形態，如居民地、交通線和各種建筑物）位置的

測繪工作。對于小區域的測繪工作可以利用普通的測量儀器，通過平面測量的方法直

接測繪地形圖；對于大區域的測繪工作，通常采用攝影方法，獲得地表形態和人工設

施空間分布的影像信息，根據攝影測量理論和方法，將地表形態和人工設施的影像信

息用模擬的、解析的或數字的方式轉變成各種比例尺的地形原圖或形成地理數據庫。

3.研究地圖制作的理論、技術和工藝

上述用測量儀器和測量方法所獲得的自然界和人類社會現象的空間分布、相互聯

系及其動態變化信息，最終要以地圖圖形的形式反映和展示出來。為此要經過地圖投

影、綜合、編制、整飾和制印，或者增加某些專門要素，才能形成各種比例尺的普通

地圖和專題地圖。因此，傳統地圖學就是要研究地圖制作的理論、技術和工藝。

4.高精度測量方法的研究

各種經濟建設和國防工程建設的規劃、設計、施工和建筑物建成后的運營管理中,

都需要進行相應的測繪工作，并利用測繪資料引導工程建設的實施，監視建筑物的形

變。這些測繪工程往往要根據具體工程的要求，采取專門的測量方法。對于一些特殊

的工程，還需要特定的高精度測量或使用特種測量儀器去完成相應的測量任務。

5.海洋環境下測繪方法的研究

在海洋環境（包括江河湖泊）中的測繪工作，同陸地測量有很大的區別，主要是測

量內容綜合性強，需多種儀器配合完成多種觀測項目，測區條件比較復雜，海面受潮

汐、氣象因素等影響起伏不定，大多數為動態作業，觀測者不能用肉眼透視水域底部，

精確測量難度較大，因此要研究海洋水域的特殊測量方法和儀器設備，如無線電導航

系統、電磁波測距儀器、水聲定位系統、衛星組合導航系統、慣性組合導航系統以及

天文方法等。

6.研究觀測數據處理和平差問題

測繪學中有大量各種類型的測量工作，需要人用儀器在自然環境中進行觀測。由

于測量儀器構造上的缺陷、觀測者的技術水平及自然環境因素的變化，對測量工作都

會產生影響，給觀測結果帶來誤差。因此必須研究和處理這些帶有誤差的觀測值，設

法消除或削弱其誤差，以便提高被觀測量的質量，這就是測繪學中的測量數據處理和

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平差問題。

7.測繪學在各個領域內的應用研究

測繪學的研究和工作成果最終要服務于國民經濟建設、國防建設以及科學研究，

因此要研究測繪學在社會經濟發展的各個相關領域中的應用。

§1-2測繪學的歷史發展

主要內容：

一、測繪學有悠久的歷史

二、人類對地球的認識

三、地圖的演變及其制作方法

四、測繪儀器的發展

一、測繪學有悠久的歷史

測繪技術起源于社會的生產需求，隨著社會的進步而發展。在埃及肥沃的河谷與

平原上發現的證據表明，早在公元前1400年，就已有地產邊界的測定，開始了測量

工作。在公元前3世紀前，中國人已知道天然磁石的磁性，并已有了某些形式的磁羅

盤。公元前2世紀，我國司馬遷在《史記?夏本紀》中敘述了禹受命治理洪水而進行

測量工作的情況，所謂"左準繩，右規矩，載四時，以開九州、通九道、陂(bEi)九澤、

度九山”。這說明在上古時代，中國人為了治水就已經會用簡單的測量工具了。

二、人類對地球的認識

測繪學的主要研究對象是地球，隨人類對地球形狀認識的逐步深化，要求精確測

定地球的形狀和大小，從而促進了測繪學的發展。

1.天圓地方說

人類最早對地球的認識為天圓地方。

2.地圓說

公元前6世紀才提出地球為球形的概念，此稱地圓說。1個世紀后，通過采用在

兩地觀測日影的方法，首次推算出地球子午圈的周長和地球的半徑，證實了地圓說。

3.地扁說

到17世紀末，為了用地球的精確大小定量證實萬有引力定律.英國的牛頓和荷

蘭的惠更斯首次從力學原理提出地球是兩極略扁的橢球，稱為地扁說。18世紀中葉，

法國科學院在南美洲的秘魯和北歐的拉普蘭進行弧度測量，證實了地扁說。

4.地球的非橢球性認識

19世紀初，隨著測量精度的提高，通過對各處弧度測量結果的研究，法國的拉

普拉斯和德國的高斯相繼指出地球的非橢球性，現在的研究結果證明地球總體上是一

個梨形。

5.真實地球

1849年，英國的斯托克司(G..G..Stokes)提出由重力測量資料確定地球形狀的完整

理論和實際的計算方法。1873年，利斯廷(Listing)創造出"大地水準面"一詞，以此面

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表示地球形狀。直到1945年，前蘇聯的莫洛堅斯基（Molodenskey）創立了用地面重力

測量數據直接研究真實地球自然表面形狀的理論。

三、地圖的演變及其制作方法

測繪學的研究成果主要是地圖，地圖的演變及其制作方法的進步是測繪學發展的

重要標志。

1.公元前25世紀?3世紀刻在陶片、銅板等材料上的地圖（如右圖）。

這些原始地圖只是根據文字記述或見聞繪成的極為簡單的略圖，其可靠性自然很

差。

2.公元前3世紀，繪制經緯線的地圖（如圖）。

3.公元前168年，地圖有了方位、比例尺和一定的精度

中國長沙馬王堆漢墓中繪在帛（b6）上的地圖（如圖）。

4.公元2世紀提出將地球曲面表示為平面的地圖投影問題

希臘的托勒密在他的巨著《地理學指南》里匯集了當時已明確的有關地球的一般

知識，闡述了編制地圖的方法，并提出將地球曲面表示為平面的地圖投影問題。

5.從16世紀起可繪制國家規模的地形圖，表示方位、比例精確，且有縮編成不

同用途和比例尺的地圖

6.20世紀60年代后，出現了數字地圖和電子地圖，形成地圖制圖與地理信息

系統學科

四、測繪儀器的發展

測繪學獲取觀測數據的工具是測量儀器，測繪學的形成和發展在很大程度上依賴

測繪方法和測繪儀器的創造和變革。

測繪儀器發展的幾個重大階段：

1.簡單測量工具的時代

17世紀前使用簡單的工具，如中國的繩尺、步弓、矩尺等，以量距為主。

2.經緯儀和水準儀的出現

1617年，荷蘭的斯涅耳首創三角測量法，以代替在地面上直接測量弧長，從此

測繪工作不僅量距，還開始了角度測量。1730年，英國西森制成測角用的第一臺經

緯儀，促進了三角測量的發展。隨后陸續出現小平板儀、大平板儀以及水準儀，用于

野外直接測繪地形圖。

3.測量數據處理方法的形成

1806年和1809年，法國的勒讓德和德國的高斯分別提出了最小二乘準則，為測

量平差奠定了基礎。

4.航空攝影測量方法形成

19世紀50年代，法國的洛斯達首創攝影測量方法。到20世紀初形成地面立休

攝影測量技術。由于航空技術的發展，1915年測量制造出自動連續航空攝影機，可

將航攝像片在立體測圖儀上加工成地形圖，因而形成了航空攝影測量方法。

5.擺儀和重力儀的出現

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擺儀和重力儀的出現使陸地和海洋上的重力測量工作得到相當迅速的發展，為研

究地球形狀和地球重力場提供了豐富的實地重力觀測數據。

6.測距儀和計算機制圖的發展

20世紀50年代后測繪儀器向電子化和自動化方向發展，1948年出現電磁波測距

儀，可精確測定幾十千米的距離，在大地測量中發展了精密導線測量和三邊測量。計

算機的出現又有了自動繪圖儀，實現制圖的自動化。

7.衛星定位和遙感技術的應用

自1957年前蘇聯第一顆人造衛星發射成功開始，測繪工作出現了新的飛躍，發

展了人造衛星的測繪工作。衛星定位技術和遙感技術在測繪學中得到了廣泛的應用，

形成航天測繪。

§1-3測繪學的學科分類

主要內容：

一、大地測量學

一、攝影測量學

三、地圖制圖學（地圖學）

四、工程測量學

五、海洋測繪學

一、大地測量學

1.大地測量學含義

它是研究地球的形狀、大小和重力場，測定地面點幾何位置和地球整體與局部運

動的理論和技術的學科。

①測定地球的大小：是指測定地球橢球的大小；

②研究地球的形狀：是指研究大地水準面的形狀（或地球橢球的扁率）；

③研究地球重力場：是指利用地球的重力作用研究地球形狀等。

④測定地面點的幾何位置：是指測定以地球橢球面為參考面的地面點位置。

2.大地測量方法

1）幾何法

所謂幾何法是用幾何觀測量（距離、角度、方向、高差）來建立水平控制網或高程

控制網，提供地面點的水平位置或高程。如圖所示為三角測量作業。

2）物理法

是用地球的重力等物理觀測量通過地球重力場的理論和方法推求大地水準面相

對于地球橢球的距離（稱為大地水準面差距）、地球橢球的扁率（地球形狀）等。如圖為

重力測量作業。

3）衛星法

是利用人造地球衛星觀測量進行空間定位，提供地面點在地心坐標系中的三維坐

標。如圖為衛星定位作業。

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幾何法和物理法稱為傳統方法，衛星定法稱為現代方法。隨著大地測量點位測定

精度的日益提高，用現代大地測量方法可以研究和測定地球的運動狀態及其地球物理

機制。

二、攝影測量學

1.攝影測量學的含義

它是研究利用攝影或遙感的手段獲取目標物的影像數據，從中提取幾何的或物理

的信息，并用圖形、圖像和數字形式表達測繪成果的學科。

2.主要研究內容

獲取目標物的影像，對影像進行處理，將所測得的成果用圖形、圖像或數字表示。

由于現代航天技術和電子計算機技術的發展，當代遙感技術可以提供比光學攝影

所獲得的黑白像片更為豐富的影像信息，因此在攝影測量學中引進廠遙感技術，促進

了航天測繪的發展。

3.攝影測量學的分類

①航空攝影

航空攝影是在飛機或其他航空飛行器上利用航攝機攝取地面景物影像的技術（如

圖）。

②航天攝影

航天攝影是利用航天飛行器（衛星、航天飛機、宇宙飛船）中的攝影機、遙感探測

器獲取地球圖像資料和有關數據的技術（如圖）。

③航空航天攝影測量

航空航天攝影測量是根據在航空或航天飛行器上對地攝取的影像獲取地面信

息、測繪地形圖。

④地面攝影測量

地面攝影測量是利用安置在地面上基線兩端點處的專用攝影機拍攝的立體像

對，對所攝目標物進行測繪的技術（如圖）。

三、地圖制圖學（地圖學）

1.地圖制圖學含義

它是研究模擬地圖和數字地圖的基礎理論、地圖設計、地圖編制和復制的技術方

法及其應用的學科。

2.傳統地圖制圖學的內容

傳統地圖制圖學內容一般包括

①地圖投影

它是研究依據一定的數學原理將地球橢球面的經緯線網描繪在地圖平面上相應

的經緯線網的理論和方法，也就是研究把不可展曲面上的經緯線網描繪成平面上的圖

形所產生各種變形的特性和大小以及地圖投影的方法等（如圖）。

②地圖編制

它是研究制作地圖的理論和技術。主要包括制圖資料分析和處理，地圖原圖的編

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繪及圖例、表示方法、色彩、圖型和制印方案等編圖過程的設計。

③地圖設計

它是通過研究、實驗，制定新編地圖的內容、表現形式及其生產工藝程序的工作。

④地圖制印

它是研究復制和印刷地圖過程中各種工藝的理論和技術方法。

⑤地圖應用

它是研究地圖分析、地圖評價、地圖閱讀、地圖量算和圖上作業等。

3.現代地圖制圖學的內容

它是根據地圖制圖原理和地圖編輯過程的要求，利用計算機輸入、輸出等設備，

通過數據庫技術和圖形數字處理方法，實現地圖數據的獲取、處理、顯示、存儲和輸

出。此時地圖是以數字形式存儲在計算機中，稱之為數字地圖。

四、工程測量學

1.工程測量學的含義

它是研究在工程建設和自然資源開發各個階段進行測量工作的理論和技術的學

科。

2.主要研究內容

它是測繪學在國民經濟和國防建設中的直接應用，因此包括規劃設計階段的測

量、施工建設階段的測量和運營管理階段的測量。每個階段測量工作的重點和要求各

不相同。

①規劃設計階段的測量

主要是提供地形資料和配合地質勘探、水文測驗所進行測量工作。

②施工興建階段的測量

主要是按照設計要求，在實地準確地標定出工程結構各部分的平面位置和高程作

為施工和安裝的依據。

③運營管理階段的測量

是指工程竣工后為監視工程的狀況和保證安全所進行的周期性重復測量，即變形

觀測。

五、海洋測繪學

1.海洋測繪學含義

它是研究以海洋水體和海底為對象所進行的測量和海圖編制理論和方法的學科。

2.主要研究內容

①海道測量

是以保證航行安全為目的，對地球表面水域及毗鄰陸地所進行的水深和岸線測量

以及底質、障礙物的探測等工作（如圖為測深儀器）。

②海洋大地測量

是測定海面地形、海底地形以及海洋重力及其變化所進行的大地測量工作。

③海底地形測量

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是測定海底起伏、沉積物結構和地物的測量工作。

@海洋專題測量

是以海洋區域的地理專題要素為對象的測量工作。

⑤海圖制圖

是設計、編繪、整飾和印刷海圖的工作，同陸地地圖編制基本一致

§1-4測繪學的現代發展

主要內容：

一、測繪學中的3s新技術

二、3S技術對測繪學科發展的影響

白、測繪學的現代概念和內涵

一、測繪學中的3s新技術

1.全球定位系統(GPS-GlobalPositioningSystem)

GPS是美國軍方在1973年開始發展的新一代衛星導航和定位軍事系統，由分布

在6個軌道上的24個衛星組成。大約在1983年開始用于解決大地測量問題。它的基

本定位原理是依據用戶和4顆衛星之間的偽距測量，根據衛星在適當參考框架中的已

知坐標確定用戶接收機天線的坐標。信號由衛星發出，基本觀測值是由衛星天線到接

收機天線信號的傳播時間間隔，然后用信號傳播速度將信號傳播時間換算成距離

2.遙感(RS-RemoteSensing)

遙感(RS)是不接觸物體本身，用傳感器采集目標物的電磁波信息，經處理、分析

后，識別目標物，揭示其幾何、物理性質和相互聯系及其變化規律的現代科學技術。

物體的種類及所處環境不同，具有反射或輻射不同波長的電磁波的特性。遙感技術就

是利用物體的這種電磁波特性，通過測量電磁波，從而判讀和分析地表的目標及現象，

達到識別物體及物體所在的環境條件的技術。

3.地理信息系統(GIS-GeographicInformationSystem)

是在計算機軟件和硬件支持下，把各種地理信息按照空間分布及屬性以一定的格

式輸入、存儲、檢索、更新、顯示、制圖和綜合分析應用的技術系統(如圖)。是將計

算機技術與空間地理分布數據相結合，通過系列空間操作和分析方法，為地球科學、

環境科學和工程設計、政府行政職能和企業經營提供規劃、管理和決策有用的信息，

并回答用戶提出的有關問題。

4.3S技術的集成

3S技術的集成，是GPS、RS、GIS技術的發展，并走向集成，是當前國內外的

發展趨勢。在3S技術的集成中，GPS主要用于實時、快速地提供目標的空間位置；

RS用于實時、快速地提供大面積地表物體及具環境的幾何與物理信息，以及它們的

各種變化；GIS則是對多種來源時空數據的綜合處理分析和應用的平臺。

二、3S技術對測繪學科發展的影響

1.對測繪范圍和內容的影響

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由過去的局部區域、間斷性的測繪工作到現在的全球性（或外層空間）、重復性

的連續測繪工作。

2.對數據采集技術的影響

傳統的數據采集技術由遙感衛星或數字攝影獲得的數字影象所代替。

3.對測繪工作和行業的影響

正在向著數字化、信息化、網絡化和自動化的方向發展。

4.對服務范圍和對象的影響

由原來單純控制到測圖提供基本地形圖，擴大到國民經濟和國防建設中與地理空

間數據有關的各個領域。

5.對測繪產品形式和服務社會方式的影響

由于信息技術的支持發生了很大的變化，進入了信息化的發展階段，正以高新技

術為支撐和動力，進入市場競爭求發展，測繪行業正在逐漸成為信息行業中的一個重

要組成部分。

三、測繪學的現代概念和內涵

1.測繪學的現代概念

測繪學現代概念就是研究地球和其他實體與地理空間分布有關的信息的采集、量

測、分析、顯示、管理和利用的科學和技術。

2.測繪學的內涵

①是確定地球和其他實體的形狀和重力場及空間定位

②獲取地球及其他實體與地理空間分布有關的信息

③編制各種地形圖、專題圖和建立地理、土地等空間信息系統

④為科學研究、解決重大問題、國民經濟和國防建設提供技術支撐和數據保障

§1-5測繪學的科學地位和作用

主要內容：

一、在科學研究中的作用

二、在國民經濟建設中的作用

二、在國防建設中的作用

四、在社會發展中的作用

一、在科學研究中的作用

由于現代測量技術已經或將要實現無人工干預自動連續觀測和數據處理，可以提

供幾乎任意時域分辨率的觀測系列，具有檢測瞬時地學事件（如地殼運動、重力場的

時空變化、地球的潮汐和自轉變化等）的能力，這些觀測成果可以用于地球內部物質

結構和演化的研究，尤其是像大地測量觀測結果在解決地球物理問題中可以起著某種

佐證作用。因此，測繪學在探索地球的奧秘和規律、深入認識和研究地球的各種問題

中發揮著重要作用。

二、在國民經濟建設中的作用

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測繪學在國民經濟建設中的作用是廣泛的。在經濟發展規劃、土地資源調查和利

用、海洋開發、農林牧漁業的發展、生態環境保護以及各種工程、礦山和城市建設等

各個方面都必須進行相應的測量工作，編制各種地圖和建立相應的地理信息系統，以

供規劃、設計、施工、管理和決策使用。

三、在國防建設中的作用

在現代化戰爭中，武器的定位、發射和精確制導需要高精度的定位數據.高分辨

率的地球重力場參數，數字地面模型和數字正射影像。以地理空間信息為基礎的戰場

指揮系統，可持續、實時地提供虛擬數字化戰場環境信息，為作戰方案的優化、戰場

指揮和戰場態勢評估實現自動化、系統化和信息化提供測繪數據和基礎地理信息保

障。

四、在社會發展中的作用

當今人類正面臨環境日趨惡化、自然災害頻繁、不可再生能源和礦產資源匱乏及

人口膨脹等社會問題。在防災減災、資源開發和利用、生態建設與環境保護等影響社

會可持續發展的種種因素方面，各種測繪和地理信息可用于規劃、方案的制訂，災害、

環境監測系統的建立，風險的分析，資源、環境調查與評估、可視化的顯示以及決策

指揮等方面。

第二章大地測量學

本章主要內容

§2-1大地測量學的任務、體系和主要測量技術

§2-2實用大地測量學

§2-3橢球面大地測量學

§2-4物理大地測量學

§2-5衛星大地測量學

§2-6我國大地測量的回顧和展望

§2-1大地測量學的任務、體系和主要測量技術

本節主要內容

一、大地測量學的任務

二、大地測量學的任務的體系

二、大地測量學的主要測量技術

四、大地測量學的作用與服務對象

一、大地測量學的任務

大地測量學是地球科學的一個分支。它的主要任務是：

獲取和研究地球幾何空間的和地球重力場的靜態和動態信息。如測定地球形狀和

大小；測定地球（海、陸、空）任一點的空間坐標及其運動狀態；測定地球任一點的重

力加速度值等。

二.大地測量學的任務的體系

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大地測量學的學科體系在我國習慣上分為以下幾個分支學科。它們是：

1.實用（應用）大地測量學

2.橢球面（幾何）大地測量學

3.重力（物理）大地測量學

4.衛星（空間）大地測量學

三、大地測量學的主要測量技術

大地測量學的主要測量技術可以分為兩大類：

1.主要采用地面技術，常稱為經典大地測量技術

包括：經緯儀角度測量、水準儀高程測量、激光測距儀距離測量和地面（海洋）重

力儀的重力測量等

2.主要結合衛星和空間技術，常稱為空間大地測量技術

包括：甚長基線干涉測量、衛星激光測距、衛星定位系統、衛星海洋測高等

四、大地測量學的作用與服務對象

大地測量學為國家的經濟建設、社會發展和國防建設提供地理信息的基礎框架。

如坐標基準，高程基準，重力基準、海深基準等。

1.在經濟建設中的作用

大地測量廣泛應用于大范圍、跨地區工程的精密測量控制，是確保工程規劃放樣

到實地，確保按設計圖紙實施的一種重要技術手段。因此，大地測量在國家基礎設施

建設、水利水電工程建設、能源樞紐工程建設、交通網絡體系建設、國家工程規劃和

區域工程規劃等國民經濟建設諸多領域中發揮著重要作用。

2.在資源開發和環境監測中的作用

測定全球和局域重力場及其時變是大地測量的一個重要內容，是勘探地下資源的

重要手段，對礦藏和地下水資源的調查具有重要意義。大地測量形變監測是地殼運動

監測不可缺少的技術手段，綜合地殼形變和重力場測定的成果是地震、地質等災害監

測、分析和預報的一種基本技術手段。

3.在空間技術與航天工程中的作用

空間技術與航天工程是關系到國家經濟建設與國家安全利益的一項高新技術。大

地測量基準、各種導航定位衛星星座、恒星星座以及基于這些基礎設施的信息和技術

體系是天地一體化航天平臺的基礎，是各種飛行器的跟蹤定軌、導航定位、姿態測量、

對接、編隊飛行、遙控、返回以及國防信息化平臺等共用的基礎設施。

4.在研究地球自轉與地球動力學方面的作用

大地測量是地球自轉和極移的定量及其時變測定的主要手段。其觀測數據對研究

全球性地球動力學問題具有重要作用。

5.在國防安全與軍事信息化中的作用

信息化、多兵種與多種武器協作是現代化軍事技術的發展方向。大地測量基準是

現代信息作戰平臺和國家偵察防衛體系構建的基本條件，是實現國家軍事體系從機械

化向信息化轉變的重要基礎。現代軍事高技術，都需要統一的大地測量基準及其信息

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和技術支持。

§2-2實用大地測量學

本節主要內容

一、平面控制測量

一、高程控制測量

，三、大地天文測量

一、平面控制測量

1.平面控制測量的目的

平面控制測量主要目的是完成點位(坐標)的傳遞和控制。

(1)點位傳遞

已知：4(乙，九)和5(3,%),要求傳遞至待定點

P(xp,yp),常用的測量方法是在4、B兩點上/P45和

ZABP,并在AB兩點間測距離SAB。然后計算出P點的坐

點位傳遞

標P(xp,yp)o

(2)點位控制

「已知：A(x,y)>B(x,y)>C(x,yc)要求推算待定點P的坐

標AAB,Bc

、

P(xp,yp),可以從4、B點測量和推算P點的坐標，也可從BC點測量和推算P

息的坐標，取兩次推算結果的平均值作為P點的坐標

P(xp,yp)o

2.平面控制測量的技術

平面控制測量按施測所采用的測量技術可分為測角三

角網(水平角測量)，邊角導線網(水平角和距離測量)、測點位控制

邊網(距離測量)和衛星定位測量。

3.平面控制網的布設等級

測角三角網邊角導線網測邊網

-12-

國家平面控制網按測量的精度等級高低分為一等至四等4個級別，一等三角鎖是

國家平面控制網的骨干，沿經緯線方向布設，平均邊長25km；二等三角網既是地形

測圖的基本控制，又是加密三、四等三角網的基礎，平均邊長為13km；三、四等W

角網主要作為大比例尺測圖和工程建設的依據，三等網平均邊長為8km,四三等網平

均邊長為4km。建立平面控制測量必須采用從高到低，從整體到局部，逐級控制的原

則。

二、高程控制測量

1.高程控制測量的目的

國家高程控制網布設的目的有兩個：

(1)在全國范圍內建立統一的高程控制網，為地形測圖和工程建設提供必要的高

程控制；

(2)為地殼垂直運動、海面地形及其變化和大地水準面形狀等地球科學研究提供

精確的高程數據。

2.高程控制測量的技術

國家高程控制網一般通過高精度幾何水準測

量方法建立，因此也稱為國家水準網。

3.高程控制網的布設等級

國家水準網采用從高到低，從整體到局部，

逐級控制，逐級加密的方式布設，分為一、一、

三、四等水準網。一等水準網是國家高程控制的

骨干；一等水準網是國家高程控制的全面基礎；水準測量

三、四等水準網直接為地形測圖和工程建設提供高程控制點。?

R

二、大地天文測量j.flV

大地天文測量是用天文測量方法測定天文方位角和天文的經緯度。它通過測量天|弓

體的天頂角、天體經過某一特定位置的時間或者天體在任意位置的方向等幾何和物理§

量而得到天文方位角和天文經緯度。I/^丁

大地天文測量的儀器應具有測角、守時、計時的功能，還應有接收精密授時信

(一般來自天文臺)的功能。

§2-3橢球面大地測量學

本節主要內容

一、橢球面大地測量學的研究內容

二、地球形狀和大小

二、橢球面的大地線及其解算

四、大地坐標系

五、大地測量投影

一、橢球面大地測量學的研究內容

-13-

橢球面大地測量學的主要內容：

1.研究地球形狀和大小；

2.研究橢球面上幾何元素(點、線、面)之間的數學關系；

3.計算橢球面上考慮點的大地坐標，邊長和方位角；

4.研究橢球面上幾何元素變換到平面上的投影方法和理論；建立各類大地坐標

系的理論和方法。

二、地球形狀和大小

人類早期對地球形狀的認識從地平說一地圓說->地扁說一非橢球性認識。

為準確描述地球橢球的形狀，國際上綜合天文、大地、重力、人衛等資料，給出

了不同的地球參考橢球，以適應各個國家的測量需求。如我國建國初采用克拉索夫斯

基橢球作為我國的參考橢球，其參數為長半軸a=6378257米，扁率為/=298.3o相應

的大地坐標系為北京1954年坐標系。至二十世紀八十年代我國又采用新的參考橢球，

其參數為長半軸a=6378140米，扁率為了=298.257。相應的大地坐標系為西安1980

年坐標系。

二、橢球面的大地線及其解算

1.法截線與大地線

包含橢球面上一點法線的平面稱為法截面，法截面與該橢球面的交線稱為法截

線。橢球面上兩點間的最短程曲線稱為大地線。大地線又稱測地線，它是一條空間曲

面曲線。

2.大地測量主題

在橢球面大地測量計算中，經常出現兩類問題：

(1)正主題

口知點尸.(BLJ,點尸］至點P,間的邊長S12和方位角a12。求點P2

的坐標1111212

P(2B2,L2)和點P2至點P］間方位角0121

(2)反主題

已知點P01,LJ和點P2(B2,L2)；求點P1和點

大地測量主題

P2間的邊長S12和方位角a12和a21。

這兩個問題也稱為大地測量主題的正算與反算問題，

或稱為第一和第二大地測量主題。

四、大地坐標系

上圖中P是地面點，PN是P點的橢球面法線，P，是

該法線和橢球面的交點。常用的大地坐標系有兩類：一類

是P點以大地緯度B,大地經度L,大地高H來表示；另、

大地坐標系

-14-

一類常用的大地坐標系是P點以空間直角坐標x,y,z來表示。

五、大地測量投影

我國國家基本地形圖采用高斯一克呂格投

影。這一投影目的是將橢球面展開成平面。

橢球經度可以每相隔6。，或3。為一投影

帶，該橢圓柱面展開后，中央子午線和赤道成互

為垂直相交的直線，構成平面坐標系的坐標軸，

而交點為該坐標系的原點。

高斯投影

一、物理大地測量學主要任務

物理大地測量學的主要任務包括三個方面。

1.建立國家重力基準網，基本網

2.確定全球重力場模型及其變化

3.確定區域的和地球的大地水準面及其變化。

二、建立國家重力基準網和基本網

這包括對這些重力網的設計和施測。

1.地面重力測量

1）相對重力測量2）絕對重力測量

2.航空重力測量

3.海洋重力測量

確定全球重力場模型及其變化

利用上述重力測量資料，結合衛星重力測量資料，地形資料，地質和地球物理資

料，可以推算全球重力場模型及其變化。

-15-

四、確定區域的和地球的大地水準面及其變化

大地水準面的定義，概略的說就是靜止(平均)的海水面向大陸伸延所形成的一個

封閉曲面；精確的說，大地水準面是一個重力等位面，它與不隨時間變化的平均海面

相密合。利用全球重力場模型，地形資料，重力資料，天文重力水準和GPS水準等

數據，可以確定區域的和地球的大地水準面及其變化。

§2-5衛星大地測量學

本節主要內容

一、衛星大地測量的技術手段和主要成果

二、衛星激光測距技術

三、衛星測高技術

四、甚長基線干涉測量技術

一、衛星大地測量的技術手段和主要成果

衛星大地測量主要利用空間技術進行大地測量。

1.主要技術手段

1)全球定位系統(GPS--GlobalPositioningSystem)

2)衛星激光測距(SLR-SatelliteLaserRanging)

3)衛星測高(SA--SatelliteAltimetry)

4)甚長基線干涉測量(VLBI--VeryLongBaselineInterferometry)

2.主要成果

1)可以實時、快速、全天侯、全球范圍、精密測定點位和導航；

2)可在沙漠，海洋，原始森林等人類難于到達的地區進行重力測量

3)測定海面地形，海平面變化；

4)觀測數據是建立全球大地測量坐標系的主要依據

二、衛星激光測距技術

星激光測距(SLR)的基本工作原理是記錄激

光發射時刻ts,及經衛星反射后再接收到激光

信號的時刻tT,利用下式計算測站至衛星的距

離：

1,

dJ=.蠢激光測距

tA

衛星激光測距儀分為固定式和流動式兩類。前者安裝在地面的固定測站上，后者

可安裝在車輛上，具有高機動性。目前衛星激光測距的精度達到厘米級。

-16-

■■■

衛星激光測距可用于測定測站的地心坐標；可精確測定地球引力場、大地測量常

數及其隨時間變化。

三、衛星測高技術

衛星測高技術是安裝在衛星上的雷達測高儀以

一定的采樣時間間隔通過對海洋表面發射預制波長

的電磁脈沖來測量測高儀到海面（或冰面）的往返時

間，獲得瞬時海面高。目前測高數據經各種改正后，

精度可達厘米量級。

衛星測高技術可用于精確測定平均海面高，實

現海洋深度基準的垂向定位；測定高分辨率的海洋

重力場；反演高分辨率的海洋潮汐模型；監測海平

面變化與厄爾尼諾現象；還可以研究和監測其他海

洋動力環境。

四、甚長基線干涉測量技術

甚長基線干涉測量（VLBI）技術是在相距甚遠（數

百至數千公里）的兩個測站上，各安置一架射電望遠

鏡，同時觀測銀河外同一射電源信號，分別記錄射電

微波噪聲信號，通過對兩個測站所記錄的射電信號進

行相關處理（干涉），求得同一射電信號波到兩個測站

的時間差，解算出測站間的距離，稱為基線長度。

VLBI可以精密測定河外致密射電源的位置，建立天球

參考系；精密測定地面VLBI站的位置，控制全球性

地球坐標參考框架的尺度和方位，建立地球參考系；測定地球定向參數，確定地球參

考系與天球參考系之間的轉換參數。

§2-6我國大地測量的回顧和展望

本節主要內容

一、20世紀50-70年代

一、20世紀80年代

三、20世紀90年代

四、2000年以來

一、20世紀50-70年代

1.1954北京坐標系統和天文大地網的建立

1954年，由于缺乏天文大地網觀測資料，我國暫時采用了克拉索夫斯基橢球，

并與前蘇聯1942年坐標系統進行聯測，通過計算建立了我國大地坐標系統，稱為1954

北京坐標系統。

從1951年到1975年共25年間建立起來的中國天文大地網，一等二角鎖系共5206

-17-

個三角點，鎖段全長75000km。第一種二等三角鎖網共14149個點，第二種二等三

角全面網共19329個點。

2.全國第一期水準網和1956年黃海高程基準

我國第一期水準網開始于1951年，到1976年基本完成。共完成一等水準測量線

路約60000km,二等水準130000km,構成了基本覆蓋我國大陸和海南島的一、.一等

水準網。1957年，建成1956年黃海高程基準。一期水準網的起算高程采用1956年

黃海高程基準。

3.1957年重力基本網

1957年，在全國范圍內建立了第一個國家重力控制網，它由21個基本點和82

個一等點組成，稱為1957年重力基本網。該網與前蘇聯的三個重力基本點聯測，屬

波茨坦重力系統。

4.第一代全國似大地水準面

20世紀50-70年代，采用天文重力水準和天文水準技術，建立了我國1954北

京坐標系統下的我國第一代似大地水準面。

5.珠穆朗瑪峰海拔高程測定

1975年我國對世界最高峰一珠穆朗瑪峰的高程進行了精確測定。這年的5月27

日，我國首次將測量覘標立于珠峰之巔。在以珠峰北坡為中心的扇形區域內，進行了

三角測量、導線測量、水準測量、三角高程測量、重力測量、天文觀測等，從而算得

從我國黃海平均海面起算的珠峰高程為8848.13m。

二、20世紀80年代

1.天文大地網平差與1980西安坐標系統

我國大地測量在大地坐標系統方面，完成了我國獨立的大地坐標系統（1980西安

坐標系，大地原點位于西安市北60km處的涇陽縣永樂鎮北洪流村）。

在此坐標系統下，從1972年開始，到1982年進行了當時具有世界先進水平的全

國天文大地網整體平差（5萬點）。

2.1985國家高程基準與二期水準控制網建立

1985年建成1985國家高程基準。并于1981年開始著手國家第二期二等水準網

的布設和觀測工作，到1991年8月完成了全部外業觀測和內業數據處理工作（24萬

km）,從而建立起我國新一代高程控制網的骨干和全面基礎。

3.1985國家重力基準網的建立

1985國家重力基準網的建立從1981年開始建立，大規模的建網工作從1983年

開始，自1987年起我國正式以該網作為國家重力測量的基準。

三、20世紀90年代

1.國家GPSA級和B級網的建立

國家A級和B級GPS大地控制網分別于1996年和1997年建成并先后交付使用,

這標志著我國空間大地網的建設已進入一個新階段。

2.國家第二期一等水準網的復測

-18-

從1991年開始，采用更高的精度對國家一等水準網進行了復測，完成273條線

路，總長94000km?

3.我國的地球重力場模型建立：

國家在“六五"和”七五”計劃期間，利用我國實測重力數據和全球平均重力異常數

據，研制了適于我國的全球重力場模型。

四、2000年以來

1.2000國家似大地水準面的建立

利用已經建立的國家高精度GPSA級和B級網提供的GPS水準數據和75萬個

地面實測重力值，同時利用了不同衛星的多期測高數據，于2000年完成了2000國家

似大地水準面的計算。

2.2000國家重力基本網的建立

2002年完成了2000國家重力基本網的施測和計算。它是我國新的重力基準和重

力測量參考框架。

3.2000國家GPS網的建立

2003年完成了2000國家GPS網的計算。2000國家GPS網共有28個GPS連續

運行站，2518個GPS網點。

4.2005年重測珠穆朗瑪峰的高度

2005年3月珠峰復測大型科考活動啟動開始，歷時2個多月艱苦卓絕的探測，5

月22日開始對珠峰峰頂進行測量。10月9日，在國務院新聞辦公室舉辦的新聞發布

會上，中國向世界宣布珠穆朗瑪峰的高度為8844.43米。

第三章攝影測量與遙感

本章主要內容

§3-1攝影測量與遙感的定義、任務和發展過程

§3-2攝影測量學

§3-3遙感科學與技術

§3-1攝影測量與遙感的定義、任務和發展過程

本節主要內容

一、攝影測量與遙感的定義與任務

二、攝影測量與遙感的任務與特點

三、攝影測量與遙感的發展歷史

一、攝影測量與遙感的定義與任務

1.攝影測量學的含義

傳統的攝影測量學是利用光學攝影機攝影的像片，研究和確定被攝物體的形狀、

大小、位置、性質和相互關系的一門科學和技術。

它包括的內容有：獲取被攝物體的影像，研究單張和多張像片影像的處理方法，

-19-

包括理論、設備和技術，以及將所測得成果以圖解形式或數字形式輸出的方法和設備。

2.攝影測量與遙感含義

70年代以來，美國陸地資源衛星（Landsat）上天后，遙感技術獲得了極為廣泛

的應用。由于它對資源勘察和環境監護等方面效益很高，很快地得到了全世界的重視。

在遙感技術中，除了使用可進行黑白攝影、彩色攝影、彩紅外攝影的框幅式攝影機外，

還使用了全景攝影機、光機掃描儀（紅外、多光譜）、CCD（電荷耦合器件）固體掃

描儀及合成孔徑側視雷達（SAR）等。各種空間飛行器均可作為傳感平臺，可提供比

黑白像片豐富得多影像信息，特別像人造衛星可圍繞地球長期運轉，可提供大量的多

時相、多光譜、多分辨率的豐富影像信息。于是攝影測量發展為攝影測量與遙感。為

此，國際攝影測量與遙感學會（ISPRS）于1988年在日本京都召開的第十六屆大會上

做出定義：”攝影測量與遙感乃是對非接觸傳感器系統獲得的影像及其數字表達進行

記錄、量測和解譯，從而獲得自然物體和環境的可靠信息的一門工藝、科學和技術。”

簡言之，它乃是影像信息獲取、處理、分析和成果表達的一門信息科學。

二、攝影測量與遙感的任務與特點

1.攝影測量與遙感的任務

攝影測量與遙感的主要任務是用于測制各種比例尺地形圖、建立地形數據庫，并

為各種地理信息系統和土地信息系統提供基礎數據。

因此，攝影測量與遙感在理論、方法和儀器設備方面的發展都受到地形測量、地

圖制圖、數字測圖、測量數據庫和地理信息系統的影響。

2.攝影測量與遙感的特點

攝影測量與遙感的主要特點是：

（1）在像片上進行量測和解譯，無需接觸物體本身；

（2）很少受自然和地理條件的限制；

（3）可攝得瞬間的動態物體影像

（4）獲取客觀物體的信息信息豐富、逼真（即可從中獲得所研究物體的大量幾何

信息和物理信息）

二、攝影測量與遙感的發展歷史

自從前蘇聯宇航員加加林上天之后，在本世紀60年代，航天技術迅速發展起來。

70年代，美國陸地資源衛星上天后，遙感技術獲得了極為廣泛的應用。由于遙感技

術在資源勘察和環境監測方面效率很高，很快在全世界得到重視，為多種學科所采用。

遙感技術對攝影測量學的沖擊和作用首先在于它打破了攝影測量學長期以來過

分局限于測繪物體形狀與大小等數據的幾何處理，尤其是航空攝影測量長期以來只偏

重于測繪地形圖的局面。

進入80年代以后，遙感技術的新的躍進再次顯示了它對攝影測量的巨大作用，

首先是航天飛機作為遙感平臺或發射手段，可重復使用和返回地面，大大提高了遙感

應用的性能與價格比，更重要的是許多新的傳感器的地面分辨率（空間分辨率）、溫

度分辨率、光譜分辨率（光譜帶數）和時間分辨率（重復周期）都有了很大提高。

-20-

攝影測量學（解析攝影測量和數字攝影測量）推動了遙感技術的發展，如：遙感

圖像的高精度幾何定位和幾何糾正就是解析攝影測量現代理論的重要應用；數字攝影

測量中的影像匹配理論可用來實現多時相、多傳感器、多種分辨率遙感圖像的復合和

幾何配準；自動定位理論可用來快速、及時地提供具有“地學編碼”的遙感影像；等

等。

攝影測量學的歷史就是遙感發展的歷史，而遙感技術則是傳統攝影測量學發展的

必然趨勢，兩者有機地結合起來，已成為地理信息系統技術中的數據采集和更新的重

要手段。

§3-2攝影測量學

本節主要內容

一、概述

一、攝影測量學的基本原理

三、平面攝影測量與立體攝影測量

四、數字攝影測量

一、概述

1.什么是攝影測量學

攝影測量是一門通過攝影，對所

獲得的影像進行測量（特別是測繪國

家基本比例尺地形圖）的學科。它的基

本原理來自測量的交會方法。測量的

前方交會原理如圖所示。

a攝b左像c右像

攝影測圈:的前方交會原理如下圖所示襯S1、S2為左、右攝站，P/、召2,為攝取的

S2a2交會于一個空間點A,獲得其空間坐標A(X,Y,Z)。

2.攝影測量的分類

根據對地面獲取影像位置的不同，攝影測量可以分為航空攝影測量、航天攝影

測量與地面(或近景)攝影測量。攝影測量最主要的攝影對象是地球表面，用來測繪國

家各種基本比例尺的地形圖，為各種地理信息系統與土地信息系統提供基礎數據。

(1)航空攝影測量

航空攝影測量是將攝影機安裝在飛機上，對地面攝影，這是攝影測量最常用的方

法。攝影時，飛機沿預先設定的航線進行攝影，相鄰影像之間必須保持一定的重疊度

----稱為航向重疊，一般應大于60%,,互相重疊部分構成一個立體像對。完成一條

航線的攝影后，飛機進入另一條航線進行攝影，相鄰航線影像之間也必須有一定的重

疊度---稱為旁向重疊，一般應大于20%。

(2)航天攝影測量

航天攝影測量是隨著航天、衛星、遙感技術的發展起來的攝影測量技術，它將攝

影機(一般稱為傳感器)安放在衛星上對地面進行攝影。特別是今年來高分辨率衛星

影像的成功應用，使它已經成為國家基本測圖的重要組成部分。

(3)地面近景攝影測量

地面近景攝影測量是將攝影機安放在地面上進行測量。地面攝影測量既可以利用

測量專用的攝影機(稱為量測攝影機)進行，也可以利用一般的攝影機(稱為非量測

攝影機)進行。地面攝影測量可以用來測繪地形圖，也可以用于工程測量。

3.攝影測量發展階段

若從1839年尼普斯和達意爾發明攝影術算起，攝影測量學(Photogrammetry)

已有160多年的歷史，1851?1859年法國陸軍上校勞賽達特提出的交會攝影測量,

被稱為攝影測量學的真正起點。

(1)模擬法攝影測量

模擬法攝影測量是用光學或機械方法模擬攝影過程，使兩個投影器恢復攝影時的

位置、姿態和相互關系，形成一個比實地縮小了的幾何模型，即所謂攝影過程的幾何

反轉，在此模型上的量測即相當于對原物體的量測。

(2)解析攝影測量

隨著電子計算機的問世，人們自然會想到如何用它來完成攝影測量中復雜的幾何

解算和大量的數值計算工作。這便出現了始于50年代末的解析空中三角測量(精確

測定點位的空間三維坐標的攝影測量方法)和解析測圖儀與數控正射投影儀(利用數

字投影方法進行量測、制圖和制作正射像片)。

(3)數字攝影測量

解析攝影測量的進一步發展是數字攝影測量。從廣義上講，數字攝影測量指的是

從攝影測量和遙感所獲取的數據中，采集數字化圖形或數字化影像，在計算機中進行

各種數值、圖形和影像處理，研究目標的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數字

-22-

產品和可視化產品。

綜上所述，攝影測量經歷了模擬法、解析法和數字化三個發展階段，而數字攝影

測量的內涵已遠遠超過傳統攝影測量的范圍。數字攝影測量與模擬、解析攝影測量的

最大區別在于：它處理的原始信息不僅可以是航空像片（數字化影像），更主要的是

航空、航天遙感數字影像；它最終是計算機視覺代替人眼的立體觀測，因而它所使用

的儀器最終只是通用的計算機及其相應設備。特別是當代工作站的發展，為數字攝影

測量的發展提供了廣闊的前景；其產品是數字形式的，傳統產品只是數字產品的模擬

輸出。下表列出了攝影測量二個發展階段的特點。

攝影測量三個發展階段的特點

發展階段原始資料投影方式儀器操作方式產品

模擬攝影公，

,n,像片物理投影模擬測圖儀作業員手工模擬產

測

品

室一?像片八機助作業員操模擬產品

+數字投影解析測圖儀...

測像片字產百

量［字攝影測數字化影__自動匕操作數字

數字投影方算機品

量像數字影

像+作業一1的干預模擬產品

二、攝影測量學的基本原理

1.攝影機的內方位元素

從幾何士理解攝彩機7E-I四校把體，具頂」［、現定攝

影機物鏡的中心S,其地面就是1殳影機的成像平面如圖

所示。攝影中心到成像面的距商稱為攝影家的焦Kif,攝影

中心到成像面的垂足。稱為像主,SO稱為攝影小的主光

軸。主點離影像中心的位置（X,yo）確定了像:1點在影像

上的位置。/、x。、y。一起