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1,国家注册测绘师考试 培训教程 第一篇 大 地 测 量,武汉大学测绘学院,2,前 言,注册测绘师资格考试大纲：是注册测绘师资格考试的国家标准是考试命题的依据是应试人员的必备指南其内容和范围体现了注册测绘师运用所学专业知识，完成测绘工作的基本能力考试科目分为三个科目：测绘管理与法律法规 测绘综合能力 测绘案例分析,3,【第二科目：测绘综合能力考试目的】,考察测绘专业技术人员运用测绘专业技术理论，分析、判断和解决测绘项目实施过程中专业技术问题的能力，以及处理测绘专业之间综合性问题的能力。,前 言,4,【第三科目：测绘案例分析考试目的】,考察测绘专业技术人员运用测绘管理与法律法规、测绘综合能力科目在实务应用时体现的综合分析能力及实际执业能力。,前 言,5,1.根据国家、区域和工程测量的不同需求，优化设计满足要求的卫星定位连续运行参考站网、卫星定位控制网、边角控制网、高程控制网和重力控制网等空间框架基准，并应充分考虑到对似大地水准面精化工作的要求。【要点】：1）大地测量控制网的等级、分类、观测技术（GPS,全站仪，水准仪）,技术方案设计。重点是：卫星定位控制网、高程控制网、似大地水准面精化,【大地测量考试基本要求解读】,前 言,6,2）掌握大地测量系统与大地测量框架的概念；理清大地高、正高、正常高的关系。3）了解BJ54，Xian80，CGCS2000，WGS84的主要特点及其相互联系与区别；了解国际地球参考框架（ITRF）的概念。4）掌握网形设计方法，根据不同的需要，选择合适的框架基准建立相应的控制网，并进行费用预算；5）熟悉测绘技术设计规定(CH/T 1004-2005),编写技术设计书。,【大地测量考试基本要求解读】,前 言,7,2.根据不同作业区域的地质、环境、地物以及气象等情况，选择满足设计要求的点(站)址，并建造适合该区域的测量标志。【要点】：1）选点：根据不同测量方法与手段，掌握选点准备、选点基本要求以及选点作业过程。2）埋石：根据不同测量方法，不同测量目的，熟练掌握测量标石制作与埋设的具体要求。,【大地测量考试基本要求解读】,前 言,8,【大地测量考试基本要求解读】3.根据控制网的布设情况，编写实施方案，选择满足设计要求的仪器设备，进行相应的仪器设备检验，并依据设计的作业方法进行外业观测。对外业观测数据进行检核，获得合格的观测成果。【要点】：1）项目实施方案；2）外业观测计划（时间安排、仪器安排、人员安排）；3）掌握“点连接”、“边连接”、“同步环”、“异步环”等概念。,前 言,9,4.根据观测方法和工程项目的要求，选择经过验证、可靠的数据处理软件对外业观测数据进行处理，处理结果应符合设计的要求。【要点】：1）掌握不同观测方法的数据处理软件；2）掌握导线网、水准网、GPS网的平差原理和方法。,【大地测量考试基本要求解读】,前 言,10,【大地测量考试基本要求解读】5.根据卫星定位控制网的特点，依据工程需要进行似大地水准面(或高程异常模型)的精化工作，完成卫星定位三维控制网的建设。【要点】：1）熟悉似大地水准面精化的意义与目的；2）熟悉似大地水准面精化的实施步骤和实现方法；3）熟悉似大地水准面精化所用的资料。,前 言,11,【大地测量考试基本要求解读】,6.根据作业区域的坐标系统情况，进行坐标系之间的分析，确定不同等级、不同年代控制网间的相互关系。【要点】：1）熟练掌握测量坐标系的定义（空间直角坐标、大地坐标、站心坐标、高斯平面直角坐标、城市独立坐标以及施工坐标）；2）熟练掌握1954年北京坐标系、1980西安坐标系、CGCS2000坐标系的相关内容；3）熟练掌握不同坐标系之间转换的实现方法（空间三维坐标转换、二维平面坐标转换）。,前 言,12,【大地测量考试基本要求关键点】1 大地测量控制网技术设计 2 选点、埋石 3 实施方案，外业观测 4 数据处理 5 似大地水准面精化 6 坐标系及其转换,前 言,13,第一部分 绪 论,14,指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，研究定位技术和方法，为人类活动提供关于地球的空间信息的一门学科。,大地测量学的定义,大地测量（辅导教材中）：为研究地球的形状及其表面特性进行的实际测量工作。着重于研究地球形状大小的几何特征及其最基本的物理特征地球重力场。,绪 论,15,绪 论,主要任务：建立国家或者大范围的精密控制测量网(一等、二等、三等、四等大地控制网)主要内容：包括三角测量、导线测量、水准测量、天文测量、重力测量、惯性测量、卫星大地测量以及各种大地测量数据处理等。,大地测量的任务与作用,16,主要作用：（1）为大规模地形图测制及各种工程测量提供高精度的平面控制和高程控制；（2）为空间科学技术和军事用途提供精确的点位坐标、距离、方位及地球重力资料；（3）为研究地球形状和大小、地壳形变及地震预报等科学问题提供资料。辅导教材中对作用的另一种描述：为各种测绘提供统一、协调、法定的平面和高程系统，从而获得正确的点位和海拔高以及点位之间的空间关系和尺度。,绪 论,17,大地测量学的基本体系,经典：应用大地测量 椭球大地测量 天文大地测量 大地重力测量 测量平差等,新分支：海洋大地测量 行星大地测量 卫星大地测量 地球动力学 惯性大地测量,绪 论,18,几何大地测量学（即天文大地测量学）基本任务：是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。主要内容：国家大地测量控制网(包括平面控制网和高程控制网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量，卫星定位；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，椭球数学投影变换。,绪 论,19,物理大地测量学 基本任务：用物理方法(重力测量)确定地球形状及其外部重力场。主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。空间大地测量学 基本任务：主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。利用人造地球卫星进行地面点定位及测定地球形状、大小和地球重力场的理论、方法的学科.主要内容：卫星定位系统，定位模式，基线处理，三维向量网平差，坐标系,绪 论,20,现代大地测量的形成：时间：20世纪80年代以来 新技术的发展：空间技术、计算机技术和信息技术 大地测量新技术出现：电磁波测距、卫星测量、甚长基线干涉测量 传统大地测量发生革命性变革，形成现代大地测量。,绪 论,21,现代大地测量的特征：长距离，大范围：（量测范围不受天气和“视线”长度限制，可至全球：如地球两极、海洋）。高精度：相对传统提高12个数量级，相对精度10-8 10-9，绝对精度毫米。实时、快速：外、内业可在同一时间段完成，实时或准实时；测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。,绪 论,22,四维：能提供在合理复测周期内有时间序列的（时间或历元）、高于10-7相对精度的大地测量数据。地心：测得的位置、高程、影像等成果，以维系卫星运动的地球质心为坐标原点的三维测量数据。学科融合：与地球科学的多个分支交叉，推动其发展。,绪 论,23,第二部分 大地测量系统与参考框架,24,坐标系统与参考框架,大地测量系统与参考框架的描述 大地测量系统：规定了大地测量的起算基准、尺度标准及其实现方式（理论、模型与方法）。大地测量参考框架：通过大地测量手段，按大地测量系统规定的模式，构建的固定在地面上的点所构成的大地网(点），是大地测量系统的具体实现。大地测量系统是总体概念，大地测量参考框架是大地测量系统的具体应用形式。,25,大地测量系统：坐标系统 高程系统 深度基准 重力参考系统,大地测量参考框架：坐标（参考）框架 高程（参考）框架 重力测量（参考）框架,坐标系统与参考框架,26,定义：原点：位于参考椭球体中心 Z 轴：椭球的旋转轴，与地球的自转轴平行 X 轴：指向平行于天文起始子午面的大地子午面与赤道面的交点 Y 轴：与X和Z轴正交，构成右手坐标系。,1）参心坐标系统,2.1 坐标系统与坐标参考框架,1 坐标系统,坐标系统与参考框架,27,参心坐标系的建立：建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：选择或求定椭球的几何参数(半径a和扁率)确定椭球中心的位置(椭球定位)确定椭球短轴的指向(椭球定向)建立大地原点,坐标系统与参考框架,28,大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标志.,大地原点和大地起算数据,坐标系统与参考框架,29,1954年北京坐标系 1954年北京坐标系可认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球称为克拉索夫斯基椭球。1954年北京坐标系的缺限:椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。定向不明确。,坐标系统与参考框架,30,1980西安坐标系,采用1975年国际大地测量与地球物理联合会IUGG第16届大会上推荐的4个椭球基本参数：长半径 a=6378140m 地心引力常数 GM=3.986 0051014 m3/s2 重力场二阶带球谐系数J2=1.082 6310-8 自转角速度=7.292 11510-5 rad/s 在1954年北京坐标系基础上建立起来的。椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。,定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点 的方向 大地原点地处我国中部，位于西安市以北60 km 处的泾阳县永 乐镇，简称西安原点。大地高程基准采用1956年黄海高程系。,坐标系统与参考框架,31,地心坐标系统满足以下四个条件：原点位于整个地球质心（包括海洋和大气）。尺度是相对论意义下某一局部地球框架内的尺度。定向为国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线，称为地球的定向参数EOP。定向随时间的演变满足地壳无整体的约束条件。通俗化的定义：原点位于地球质心Z轴与X轴的定向某一历元的EOP参数确定Y轴与X、Z轴正交，构成空间右手坐标系,2）地心坐标系统,坐标系统与参考框架,32,1）参心坐标参考框架 传统测量坐标框架是由天文大地网来实现的，一般定义在参心坐标系中，是一种区域、二维、静态的地球参考框架。20世纪5080年代，我国建立了：1954北京参心坐标参考框架；1980西安参心坐标参考框架。,2.坐标参考框架,坐标系统与参考框架,33,2）地心坐标参考框架,（1)国际地球参考系统(ITRS)与ITRF,国际地球自转服务IERS(International Earth Rotation Service)1988年:IUGG+IAUIERS（IBH+IPMS）IERS的任务主要有以下几个方面：维持国际天球参考系统(ICRS)和框架(ICRF)；维持国际地球参考系统(ITRS)和框架(ITRF)；提供及时准确的地球自转参数(EOP)。,坐标系统与参考框架,34,ITRF是ITRS 的具体实现,是由IERS中心局IERS CB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。自1988年起，IERS已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000、ITRF2005等全球参考框架。,坐标系统与参考框架,35,ITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。目前ITRF是全球公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。,坐标系统与参考框架,36,37,（2)WGS-84世界大地坐标系,WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。,1996年，WGS-84坐标框架再次进行更新,参考历元为1997.0。WGS-84最近更新的时间是2002年1月，更新后的WGS-84(G1150)的站坐标与ITRF2000框架的站坐标差异为几个厘米，参考历元为2001.0.,坐标系统与参考框架,38,国务院批准自2008年7月1日启用我国的地心坐标系2000国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。用810年的时间，完成现行国家大地坐标系向2000国家大地坐标系的过渡和转换。,（3）CGCS2000坐标系,坐标系统与参考框架,39,我国于2004年完成“2000国家GPS控制网”计算。该网包含:国家测绘局布设的高精度GPS A、B级网；总参测绘局布设的GPS 一、二级网；国家地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网络的基准网、基本网和区域网。该网整合了上述三个大型有重要影响力的GPS观测网成果。2000国家GPS网共有28个连续运行参考站，2500多个GPS网点组成，通过联合处理将其归于一个坐标参考框架（ITRF97)，2000国家GPS网的精度优于10-8，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的地心坐标系统基础框架.,坐标系统与参考框架,40,参考框架和历元的统一,2000网的参考框架ITRF97；参考历元为 2000.0。,长半轴 a=6378137.0 m 地球含大气层引力常数 GM=3986004.418108m3s-2 地球的动力形状因子 J2=1.082629832258 地球自转角速度=7292115.010-11rad s-1,参考椭球4个基本常数,坐标系统与参考框架,41,地壳运动观测网络基准网,42,GPS大地控制网概况,我国先后建成四个较大规模的GPS大地网,一、二级网,A、B级网,形变监测网,地壳运动观测网络,框架：ITRF96历元：1997.0精度约为：3*10-8,框架：ITRF93 历元：1996.365精度约为：10-7,框架：ITRF96历元：1996.582精度约为：10-8,框架：ITRF96历元：1998.680精度优于2mm,43,2000中国GPS大地网,44,几种常用的参考椭球参数,坐标系统与参考框架,45,2.2 高程系统与高程框架高程基准 区域性高程基准可以由验潮站的长期平均海水面来确定，通常定义该平均海水面的高程为零。平均海水面通常称为高程基准面在地面上预先设置一固定点（组），利用精密水准测量联测固定点与该平均海水面的高差，从而确定该固定点（组)的海拔高程。该固定点称为水准原点。水准原点的高程就是区域性水准测量的起算点。,国家高程基准：黄海平均海水面 1987年以前,“1956年国家高程基准”.水准原点高程为72.289m 1988年1月1日起,“1985国家高程基准”,水准原点的高程为72.260.“1985国家高程基准”的平均海水面比“1956年国家高程基准”的平均海水面高0.029m。,高程系统与高程框架,46,在测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。,大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号H表示。同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。,正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。,正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。示。,高程系统,国家高程系统:正常高高程系统,高程系统与高程框架,47,2.3 重力参考系统与重力测量框架,重力基准和参考系统 重力基准是标定一个国家或地区重力值的标准。20世纪70年代以前我国采用波茨坦重力基准，重力参考系统采用克拉索夫斯基椭球常数。80年我国重力基准采用经国际比对的高精度相对重力仪自行测定，参考系统是IAG-75椭球常数。21世纪初，我国采用高精度绝对和相对重力仪测定我国新的重力基准，目前重力基准的参考系统采用GRS80椭球常数。,重力系统与重力框架,48,重力测量参考框架 由分布在我国各地的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力网，以及用做相对重力尺度标准的若干重力长短基线构成。重力测量参考框架的现状 名称：2000国家重力基本网（简称2000网）建成年代：1999年至2002年 网的组成：包括21个重力基准点和126个重力基本点和基本点引点112个，长基线网1个，重力仪格值标定场8处。作用：确定我国重力加速度数值的参考框架，新的重力测量基准,重力系统与重力框架,49,第三部分 测量坐标系及其坐标转换,测量坐标系,50,（1）按坐标原点的不同分类：地心坐标系统（空间直角坐标系、大地坐标系）参心坐标系统（空间直角坐标系、大地坐标系）站心坐标系统（站心直角坐标系、站心极坐标系）平面坐标系统（高斯平面坐标系、施工平面坐标系）,3.1 测量常用坐标系,测量坐标系,1）测量常用坐标系分类,51,（2）按坐标的维数不同分类：二维坐标：54北京坐标 80西安大地坐标 城市独立坐标 系 施工平面坐标系 三维坐标：地心坐标（ITRF、CGCS2000)站心坐标,测量坐标系,52,空间直角坐标系坐标系原点位于参考椭球的中心,Z轴指向参考椭球的北极,X轴指向起始子午面与赤道的交点,Y轴位于赤道面上,且按右手系与X轴呈90夹角.某点在空间中坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示.,测量坐标系,2）测量常用坐标系,53,空间大地坐标系采用大地经度（L）、大地纬度（B）和大地高（H）来描述空间位置的。纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。,测量坐标系,54,站心坐标系 以测站为原点，测站上的法线(垂线)为Z轴方向的坐标系就称为法线(或垂线)站心坐标系。,测量坐标系,55,高斯平面直角坐标系 平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上，这种变换又称为投影变换。投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambert投影等，在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。,高斯平面直角坐标系：原点：中央子午线和赤道的交点；X轴：中央子午线的投影；Y轴：赤道的投影。,测量坐标系,56,高斯投影必须满足以下以下条件：(1)中央子午线投影后为直线,且为投影点的对称轴；(2)中央子午线投影后长度不变；(3)投影具有正形性质(长度比与方位角无关)。,测量坐标系,57,想象有一个椭圆柱面横套在地球椭球体外面，并与某一条子午线(此子午线称为中央子午线或轴子午线)相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，然后用一定投影方法，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将此柱面展开即成为投影面。,高斯投影的描述,测量坐标系,58,6带:自0子午线起每隔经差6自西向东分带，依次编号1，2，3，60。我国6带中央子午线的经度，由73起每隔6而至135，共计11带，带号用n表示，中央子午线的经度用表示。带号及中央子午线经度的关系：,3带:自东经1.5子午线起，每隔3设立一个投影带，依次编号为1，2，3，120带；中央子午线经度依次为3,6,9,360。,我国规定按经差6和3进行投影分带,测量坐标系,59,.5带或任意带:工程测量控制网也可采用.5带或任意带，但为了测量成果的通用，需同国家6或3带相联系。,n=L/3(四舍五入)3,带号及中央子午线经度的关系：,国家统一坐标,在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值(在赤道上)约为330km。为了避免出现负的横坐标，规定在横坐标上加上500 000m。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为国家统一坐标。,例如：Y=19 123 456.789m该点位在19带内，横坐标的真值：首先去掉带号，再减去 500 000m，最后得 y=-376 543.211(m)。,测量坐标系,60,建立原则要求边长投影变形满足：高程归化改正将地面上观测的长度元素归算到参考椭球面上而产生的改正。高斯投影改正将参考椭球面上的长度经高斯投影归算到高斯平面上而产生的改正，,城市独立坐标系,测量坐标系,61,确定坐标系的原则 a)按面积大小来确定是否采用高斯平面坐标系；b)按长度变形值来决定是否采用国家3度带高斯平面直角坐标系；如果不考虑边长的归化改正，仅考虑边长的投影改正，城市控制网要求长度变形小于1/40000，相当于离中央子午线小于45km。否则，就不能采用3带坐标。,总变形：,测量坐标系,62,总变形,3）同时改变,和,1）改变,：任意带坐标系，确定中央子午线位置,2）改变,：抵偿坐标系，确定高程抵偿面的高程。,：确定高程抵偿面的高程与中央子午线。,减小投影变形的方法,确定平面坐标系的三大要素,投影面的高程；中央子午线的经度；起始点坐标和起始方位角。,测量坐标系,63,坐标系换算,平面坐标系统间的相互转换实际上是一种二维转换。一般而言，两平面坐标系统间包含四个原始转换因子，即两个平移因子、一个旋转因子和一个尺度因子。,先旋转、再平移、最后统一尺度,3.2 坐标系换算,（1）二维平面直角坐标变换,1）二维坐标变换,64,先旋转、再统一尺度、最后平移,先平移、再旋转、最后变换尺度,坐标系换算,65,（2）大地坐标（B，L）计算高斯平面直角坐标（x，y）,坐标系换算,（高斯投影正算）,66,（3）高斯平面直角坐标（x，y）计算大地坐标（B，L）,坐标系换算,（高斯投影反算）,67,不同坐标系统的转换本质上是不同基准间的转换，不同基准间的转换方法有很多，其中，最为常用的有布尔沙模型，又称为七参数转换法(3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数)。,（1）三维空间直角坐标的相互转换,2）三维坐标的相互转换,坐标系换算,68,(2）空间大地坐标与空间直角坐标的相互转换,BLHXYZ,坐标系换算,69,XYZ BLH,坐标系换算,70,(3）ITRF参考框架及其相互转换,自1988年起，IERS已经发布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005等全球坐标参考框架。一个地球参考框架的定义，是通过对框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。,坐标系换算,