测量基本知识

项目1

目录

CONTENT

1.1 建筑工程测量的任务

1.2

1.3

1.4

1.5 测量工作概述

地球的表面特征

地面点位置的确定

用水平面代替水准面的限度

1.1

建筑工程测量的任务

建筑工程测量是研究工程建设在勘测设计、施工过程和管理阶段

所进行的各种测量工作的学科。

主要内容：工程控制网的建立、地形测绘、施工放样、设备安装

测量、竣工测量、变形观测和维修养护测量等。

1.1.1 测量学的定义、研究内容与作用

测量学是研究地球形状、大小以及确定地面点的空

间位置的科学。

1.1 建筑工程测量的任务

1.1.2 测量学分类

• 大地测量学：大范围整体控制、空间控制

• 摄影测量学：摄影与遥感、航空、航天

• 普通测量学：小范围地表形状、不考虑地球曲率

• 海洋测量学：海洋、河道、水下地形测量

• 工程测量学：研究各种工程的测量精度、保障安全

• 地图制图学：研究地图制作的理论和工艺流程

1.1 建筑工程测量的任务

1.1.3 建筑工程测量的任务

建筑工程测量是运用测量学的基本原理和方法

为各类建筑工程服务。

工程建设三阶段 测量的任务

勘测设计 控制，测绘地形图

施工建设 施工放样，竣工测量

运营管理 安全监测，变形观测

1.1 建筑工程测量的任务

建筑工程测量的主要任务有：

1、测绘大比例尺地形图

2、在地形图上进行规划设计

3、建筑物施工放样和施工质量检验

4、对大型建筑物进行位移和变形监测

建筑工程测量在工程建设中占有非常重要的地位，

在建筑工程建设中，从工程建设的勘测、规划、

设计、施工、管理到竣工检测无不用到测绘技术。

1.1 建筑工程测量的任务

1.2

地球的表面特征

• 1.2.1地球的自然形状和大小

• 地球自然形体：是一个不规则的几何体， 海洋

面积约占地球表面的71%。

•

丘陵

陆地

海洋

高山

1.2 地球的表面特征

1.2 地球的表面特征

1.2.2 测量工作的基准线和基准面

测量工作的基准线—铅垂线 。

测量工作的基准面—大地水准面。

O

G

大地水

准面

铅垂线

1.2 地球的表面特征

1.大地水准面：

完整的水准面是被海水包

围的封闭曲面。这样的水

准面有无数个，其中最接

近地球形状和大小的是通

过平均海水面的那个水准

面，这个唯一而确定的水

准面叫大地水准面，也就

是测量的基准面，如右图

所示。

1.2 地球的表面特征

2.参考旋转椭球体面

由于地球内部质量分布不均匀，

导致地面上各点的重力方向即铅

垂线方向产生不规则的变化，因

而大地水准面实际上是一个有微

小起伏的不规则曲面。在测量上

选用椭圆绕其短轴旋转而成的参

考旋转椭球体面，作为测量计算

的基准面，如右图所示。

1.2 地球的表面特征

目前我国所采用的参考椭球体是“2000年国家大地坐

标系”

，其参考椭球体元素为：

长半轴 a=6378137m

短半轴 b=6356752.31414m

扁率f= ( a–b )/ a =1/298.257222101

通常把地球椭球体当作圆球看待，取其半径为

6371km。

1.2.3大地体的形状及表达式

1.2 地球的表面特征

表1.1旋转椭球体参数值

坐标系名称 椭球体名称 长半轴a（m） 参考椭球体扁率α

推算年代和

国家

1954北京坐标系 克拉索夫斯基 6378245 1：298.3 1940年前苏

联

1980西安坐标系 IUGG-75 6378140 1：298.257

1975年国际

大地测量与

地球物理联

合会

2000国家大地坐

标系（GPS）

CGCS2000 6378137 1：298.257223563 2008年中国

WGS-84坐标系

（GPS）

WGS-84 6378137 1：298.257223563 1984年美国

1.2 地球的表面特征

1.3

地面点位置的确定

• 1.3.1测量工作的实质与基本问题

• 1.测量工作的实质

• 确定地面点在规定坐标系中的坐标值（X，Y，Z）。

• 2.测量工作的基本问题

• 研究任意一点位置的确定问题是测量学的基本问题。

1.3 地面点位置的确定

• 确定地面点位的基本方法：

• 是数学（几何）方法，是用空间三维坐标表示。

“参心”坐标：以参考椭球体的球心表示的为“参心”坐标。

“地心”坐标：以地球质心为坐标系中心的为“地心”坐标。

大地高：地面点沿法线到参考椭球体面的距离称为大地高。

高程：地面点沿铅垂线到大地水准面的距离成为高程，或绝

对高程、海拔。

1.3.2 确定地面点位的基本方法

1.3 地面点位置的确定

1、地理坐标系：天文地理坐标（λφ）和大地地理坐标（L、B）

2、空间直角坐标系（ X、Y、Z ）：WGS-84坐标系、

CGCS 2000国家大地坐标系

3、高斯投影平面直角坐标系（ X、Y） ：

4、独立平面直角坐标系（ X、Y） ：

地面点的三维坐标在空间直角坐标系中用X、Y、Z表示，在地

理坐标系和高斯投影平面直角坐标系中，两个量为平面坐标，

它表示地面点沿着基准线投影到基准面上后在基准面上的位置。

基准线可以是铅垂线，也可以是法线。基准面是大地水准面、

平面或者是椭球体面。第三个量是高程，表示地面点沿基准线

到基准面的距离。因此，又称为球面坐标。

测量上常用的坐标系有：

1.3 地面点位置的确定

C

A B

a b

c

X

地面点的空间位置可以用点在水准面或水平面上

的位置（X，Y）及点到大地水准面的铅垂距离

（H）来确定。

如地面点：A （XA，YA，HA）

O

XA

YA

HA

1.3 地面点位置的确定

1.3.3地面点的确定

1、 高程系统：

高程：地面点沿铅垂方向

到大地水准面的距离。

地面点在大地水面以上，H为正；

地面点在大地水准面以下，H为负。

如图：HP= 266.888m

HQ= - 189.168m

P

大地水准面

HP

Q

HQ

1.3 地面点位置的确定

参考资料 ： 国家高程系统

– 我国有两个国家高程系统。

– 1) 1956年黄海高程系

– 以青岛大港验潮站历年观测的黄海平均海水面为基准面。

– 于1954年在青岛市观象山建立了水准原点，

– 通过水准测量的方法将验潮站确定的高程零点引测到水准原点，

– 求出水准原点的高程。

– 1956年我国采用青岛大港验潮站1950年~1956年7年的潮汐记录资料推算

出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.289m；

– 以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为“1956年黄海高程系” ；

– 简称“56黄海系”。

1.3 地面点位置的确定

• 2) “1985国家高程基准”

• 80年代，我国又采用青岛验潮站1953年~1977年25年的潮汐记录资料推

算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.260m；

• 以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为“1985国家高程基准” ；

• 简称“85高程基准”。

• 在水准原点，85高程基准使用的大地水准面比56黄海系使用的大地水

准面高出0.029m。

• 如目前发布的珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844.46m，是85高程

基准。

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

绝对高程（海拔） ：地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。

如：HA、HB。

相对高程： 地面点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。

如：HA

′、HB

′

。

高差： 地面上两点高程之差。

如：hAB = HB – HA

hAB = HB

′– HA

′

当hAB为正时， B点高于A点；

当hAB为负时， B点低于A点；

图1-3 高程和高差

1.3 地面点位置的确定

水 准 原 点

我国解放初期，采用1950～1956

年验潮资料,求得平均海水面位置,

进而测得水准原点的高程为

72.289m，此高程系统称为1956年

黄海高程系。由于验潮资料时间周

期短，不甚精确。

为提高大地水准面的精度，国家又根据青岛验潮站1952-1979年的

验潮资料组合成了10个周期为19年的验潮资料，经精确计算，于1985年

重新确定了黄海平均海水面的位置和高程原点的高程（72.260m），并

决定从1988年起，一律按此原点高程推算全国控制点的高程，称为

“1985年国家高程基准”。可见，我国的验潮资料也为近年来海平面上

涨提供了依据。

1.3 地面点位置的确定

• 地面点在球面上的位置用经度和纬度表示的，称

为地理坐标。

• 按照基准面和基准线及求算坐标方法的不同，地

理坐标又可分为天文地理坐标和大地地理坐标两

种。

S

首

子

午

线 O φ

λ 赤道

N W E

A

(a) 天文地理坐标

格

林

尼

治

子

午

线 O

LP BP

P'

P HP

KP

(b) 大地地理坐标图1-4 地理坐标 S

N

2、坐标系统

1）地理坐标：

1.3 地面点位置的确定

• 天文地理坐标的基准线是：铅垂线，基准面是：大地水准面，

它表示地面点A在大地水准面上的位置，用天文经度λ和天文

纬度φ表示。

• 天文经、纬度是用天文测量的方法直接测定的。如图1-4（a）

所示。

（1）天文地理坐标

大地地理坐标的基准是法线和参考椭球面，是表示地面点

在地球椭球面上的位置，用大地经度L和大地纬度B表示。

大地经、纬度是根据大地测量所得数据推算得到的。

（2）大地地理坐标

1.3 地面点位置的确定

图1-4（b）表示以O为球心的参考椭球体，N为北极、S为南极，NS为

短袖。

过中心O并与短轴垂直且与椭球相交的平面为赤道面，P为地面点，含

有短轴的平面为子午面。

过P点沿法线PKP投影到椭球体面上，得到P′点。NP′S是过P点子午

面在椭球体面上投影的子午线。

过格林尼治天文台的子午线称为本初子午线或首子午线。NP′S子午

面与本初子午面所夹的两面角LP称为P点的大地经度。

法线PKP与赤道平面的交角BP称为P点的大地纬度。P点沿法线到椭球

体面的距离PP′称为P点的大地高HP。

1.3 地面点位置的确定

• 国际规定：

• 过格林尼治天文台的子午面为零子午面，经度为0°，以东为

东经、以西为西经，其值域均为0°

～180°

；

• 纬度以赤道面为基准面，以北为北纬，以南为南纬，其值均为

0°

～90°

。

• 椭球体面上的大地高为零。

• 沿法线在椭球体面外为正，在椭球体面内为负。

• 我国处于东经74°

～135°，北纬3°

～54°

。

• 如北京位于北纬40°、东经116°

，

• 用B＝40°N，L＝116°E表示。

1.3 地面点位置的确定

大地原点

起始大地点又称大地原点，该点的大地

经纬度与天文经纬度一致。

我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-北流村大

地原点建立的大地坐标系，称为“1980

西安坐标系”

，

地理坐标为东经108°55′，北纬

34°32′，海拔417.2m。

通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联

测，经我国东北传算过来的坐标系称

“1954北京坐标系” ，其大地原点位

于前苏联列宁格勒天文台中央。

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

• 地面点位也用空间直角坐标（X，Y，Z）

表示，如GPS中使用的WGS-84系统，见图1-5。

• WGS即World Geodetic System缩写，它

是美国国防局为进行GPS导航定位于

1984年建立的地心坐标系。

• 该坐标系统以地心O为坐标原点，ON即

旋转轴为Z轴方向；格林尼治子午线与赤

道面交点与O的连线为X轴方向；过O点与XOZ面垂直，并与X、Z构成右手坐标

系者为Y轴方向。

• 点P的空间直角坐标为（XP、YP、ZP）。 • 它与大地坐标B、L、H之间可用公式转

换。 Z P图1-5 空间直角坐标 O XP YP赤道面 Y X N

格

林

尼治子

午

线 2）空间直角坐标系

ZP

1.3 地面点位置的确定

高斯投影又称横轴椭圆柱等角投影，规定以经差

6º

、 3°

、 1.5°或更小的经差为准来限定高斯投影的

范围，每一投影范围叫一个投影带。6º带是从0º子午

线算起，以经度每隔6º为一带，将整个地球划分成60

个投影带，并用阿拉伯数字1，2…60顺次编号，叫做

高斯6º投影带(简称6º带)。 3°带是从1.5º子午线算起，

以经度每隔3º为一带，将整个地球划分成120个投影

带，其中央子午线经度L与带号n的关系为L= 3° n。

3） 高斯平面直角坐标系

1.3 地面点位置的确定

N

S

c

赤道

高斯投影平面

赤道

中

央

子

午

线

（1）、高斯投影的原理

高斯投影采用分带投影。将椭球面按

一定经差分带，分别进行投影。

1.3 地面点位置的确定

高斯投影必须满足：

1．高斯投影为正形投影，

即等角投影；

2．中央子午线投影后为直

线，且为投影的对称轴；

3．中央子午线投影后长度

不变。

高斯投影平面

赤道

中

央

子

午

线

1.3 地面点位置的确定

（2）、高斯投影的特性

a.中央子午线投影后为直线，且长度不变。

b. 除中央子午线外，其余子午线的投影均

为凹向中央子午线的曲线，并以中央子

午线为对称轴。投影后有长度变形。

c. 赤道线投影后为直线，但有长度变形。

赤道

中央子午线

平行圈

子午线

O

x

y

1.3 地面点位置的确定

d. 除赤道外的其余纬线，投影后为凸

向赤道的曲线，并以赤道为对称轴。

e.经线与纬线投影后仍然保持正交。

f. 所有长度变形的线段，其长度变形

比均大于1。

g.离中央子午线愈远，长度变形愈大。

赤道

中央子午线

平行圈

子午线

O

x

y

1.3 地面点位置的确定

（3）投影带的划分

我国规定按经差6º和3º进行投影分带。

6º带自首子午线开始，按6º的经差自西向东分成60

个带。

3º带自1.5 º开始，按3º的经差自西向东分成120个带。

1.3 地面点位置的确定

6º带与3º带中央子午线之间的关系如图:

3º带的中央子午线与6º带中央子午线及分带

子午线重合，减少了换带计算。

工程测量采用3 º带，特殊工程可采用1.5 º带

或任意带。

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定

1.3 地面点位置的确定