测绘学概论.docx

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测绘学概论

测绘学概论

一、总论

二、大地测量学

三、摄影测量学

四、地图制图学

五、工程测量学

六、海洋测绘学

七、全球卫星定位导航技术

八、遥感

九、地理信息系统

十、误差理论与测量平差

十一、地球空间信息学与数字地球

总论

1.测绘学的基本概念：

从广义上讲：

测绘学研究的对象是实体，是一门研究实体中与地理空间分布有关的各种几何、物理、人文、属性等信息的采集、处理、管理、更新与运用的科学。

针对地球而言：

测绘学是一门研究测定和推算地面及其外层空间点的几何位置、确定地球形状大小和地球重力场，获取地球表面自然形态和人工设施的几何分布、属性等信息，编制全球或局部地区的各种比例尺的普通地图和专题地图，同时建立各种地理信息系统，为国民经济发展和国防建设以及地学研究服务的科学。

2.测绘学研究的内容：

1）研究地球重力场理论，确定地球椭球的参数，建立统一的测绘基准和坐标系统以及测定点的坐标的技术和方法。

2）研究地图制作的理论、技术和工艺。

3）研究如何处理带有误差的观测值，设法消除或削弱误差，即误差理论和平差。

3.测绘学的分支：

1）大地测量学

2）遥感与摄影测量学

3）地图制图学

4）海洋测量学

5）工程测量学

4.测绘学中的3S新技术：

1）GPS:

全球定位系统

2）GIS：

地理信息系统

3）RS：

遥感

5.地球空间信息学和数字地球的概念：

1）当今信息的重要性：

从社会经济发展来看，人类走过了资源经济、资本经济和知识经济三个阶段，其社会运作方式如下：

资源经济：

物质流

↓

资本经济：

资本流→物质流

↓

知识经济：

信息流→资本流→物质流

我们可以看出，在知识经济时代，信息流拉动资本流，进而拉动物质流，使得社会生产力极大提高。

可见，信息技术在当代的重要性。

2）数字地球的概念：

所谓数字地球，就是对真实地球及其相关现象进行统一的数字化重现和认识。

通俗的讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及环境的时空变化装入计算机中，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度的三维描述，为人类生活服务，其本质是一个信息系统。

大地测量学

1.大地测量学的基本概念：

研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置及其变化的技术和学科。

2.大地测量学的基本任务：

1）建立和维护高精度全球和区域性大地测量系统与大地测量参考框架；

2）获取空间点位置的静态和动态信息；

3）测定和研究地球形状大小、地球外部重力场；

4）测定和研究全球和区域性地球动力学现象，包括地球自转与极移、地球潮汐、板块运动与地壳形变以及其他全球变化；

5）研究地球表面观测量向椭球面和平面的投影变换及相关的大地测量计算问题；

6）研究新型的大地测量仪器和大地测量方法；

7）研究空间大地测量理论和方法；

8）研究月球和行星大地测量理论和方法，研究月球或行星探测器定位、定轨和导航技术。

3.大地测量学的分类：

1）几何大地测量：

用几何观测量（距离、角度、高差、方向）来建立水平控制网或高程控制网，提供地面点的水平位置或高程。

2）物理大地测量：

用地球的重力等物理观测量通过地球重力场的理论和方法推求大地水准面相对于地球椭球的距离、地球的扁率等。

3）卫星大地测量：

用人造地球卫星观测量进行空间定位，提供地面点在地心坐标系中的三维坐标。

摄影测量学

1.摄影测量学的基本概念：

研究利用摄影或遥感的手段获取目标物的影像数据，通过对影像进行测量和解译，从中提取几何的或物理的信息（摄影测量侧重几何信息的提取，遥感侧重物理信息的提取），并用图形、图像和数字的形式表达测绘成果的学科。

2.摄影测量学研究的内容：

1）获取目标物的影响

2）对影像进行处理

3）将所测得的成果用图形、图像或数字表示

3.摄影测量的主要应用：

摄影测量最主要的摄影对象是地球表面，用来测绘国家各种基本比例尺的地形图，为各种地理信息系统与土地信息系统提供数据基础。

4.摄影测量学的分类：

1）航天摄影测量：

将摄影机安装在卫星上，对地面进行摄影。

2）航空摄影测量：

将摄影机安装在飞机上，对地面进行摄影。

（摄影测量最常用的方法）

3）近景摄影测量：

将摄影机安装在地面上进行测量。

地图制图学

1.地图制图学的基本概念：

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科学。

2.地图学制图学研究的内容：

1）地图投影

2）地图编制

3）地图设计

4）地图应用

3.地图的特性

1）可量测性

2）直观性

3）一览性

4.地图的内容

1）数学要素：

包括地图的坐标网、控制点、比例尺和定向等内容

2）地理要素：

包括自然要素、社会经济要素和环境要素

3）辅助要素：

主要有图名、图号、接图表、图廓、分度带、图例及成图说明等。

5.地图分类

1）按内容分类：

普通地图和专题地图

普通地图：

以相对平衡的详细程度表示水系、地貌、土质植被、居民地、交通网、境界等基本地理要素

专题地图:

根据需要突出反映一种或几种主题要素或现象的地图。

2）按比例尺分类：

大比例尺地图（≥1:

10万）

中比例尺地图（1:

10万~1:

100万）

小比例尺地图（≤1:

100万）

3）按制图区域范围分类：

世界地图、大陆地图、洲地图等

4）按政治行政区划分类：

国家地图、省地图、市地图、县地图等

5）按使用方式分类：

桌面用图、挂图、随身携带地图。

工程测量学

1.工程测量学的基本概念：

研究在工程建设和自然资源开发各个阶段进行测量工作的理论和技术的科学。

2.工程建设的内容：

主要指工业与民用建筑、铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线工程、城市和矿山建设等。

3.工程建设的三个阶段：

规划设计

↓

施工建设

↓

运营管理

4.工程建设各阶段的测量工作：

规划设计阶段：

主要是测绘各种比例尺的地形图

施工建设阶段：

首先根据工地的地形、地质、性质等，建立施工控制网；然后将图纸上设计的实体通过施工放样，准确的定位在地面上；另外还包括土石方量测量、竣工测量等。

运行管理阶段：

为了监视工程的安全和稳定情况，检验设计是否合理，往往需要定期地对工程的动态变形如水平位移、沉陷、倾斜、裂缝等进行检测，即进行变形监测。

海洋测绘学

1.海洋测绘学的基本概念：

研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制理论和方法的科学。

2.海洋测绘学科的内容：

1）海洋大地测量：

主要工作是建立海洋控制网，为水下、水中、水下定位提供已知位置的控制点。

海洋控制网包括海岸控制网、岛—陆控制网、海底控制网。

2）海道测量：

主要内容为测绘海图，包括：

航海线路图、海底地貌扫描图。

随着计算机的发展，海道测量主要绘制主要港口和航路的系列电子海图、航海及引航图集等各类专题电子海图。

3）海洋重力测量：

为研究地球形状、精化大地水准面提供重力异常数据，为地球物理和地质方面的研究提供重力资料。

4）海洋磁力测量：

为航行安全提供海域磁场信息，为海洋资源勘探提供参考数据。

5）海洋水文测量：

主要对海水温度、盐度、海流、潮汐、潮流、波浪等进行测量。

通过水文测量，可以计算声波在水中传播速度，为声学测深系统，声学定位系统提供保障。

6）海底地形测量：

主要测量海底地物、地貌的详细信息。

7）海洋工程测量：

港口码头放样等工作。

8）海图学：

研究各种海图的编制的科学。

全球卫星定位导航技术（GPS）

1.定位与导航的概念：

定位：

定位就是测量和表达信息、事件或目标发生在什么时间，什么空间位置的理论方法和技术。

导航：

指对运动的目标（如汽车、飞机、船舶等）进行实时动态定位。

即确定目标的三维坐标、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态确定。

2.绝对定位与相对对位：

绝对定位：

把直接确定信息、事件、目标相对于参考坐标系统的坐标位置测量称为绝对定位。

相对定位：

把确定信息、事件、目标相对于参考坐标系统内另一已知位置目标的位置关系称为相对定位。

3.全球卫星定位导航系统的工作原理：

卫星定位导航系统都由三部分组成：

空间卫星部分、地面控制部分、用户部分。

都是利用在空间飞行的卫星不断地向地面发送时间信号、测距信号、和卫星瞬时的坐标位置信号，然后地面控制部分通过接收上述信号来精确测定卫星的轨道坐标、时钟差，检查卫星运转是否正常，并向卫星注入新的卫星轨道坐标，进行必要的轨道纠正。

而用户部分通过卫星信号接收机接收卫星发送的多种信号并进行处理，确定用户的最终位置。

4.目前世界四大全球卫星定位导航系统

1.美国全球定位系统（GPS）：

有24颗卫星组成（21+3），分布在6条交点互隔60度的轨道面上。

2．俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）系统：

有24颗卫星组成。

3．欧洲“伽利略”（GALILEO）系统：

有30颗卫星组成，

4．中国“北斗”系统：

目前由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。

[1]

5.GPS全球定位导航系统的组成：

1）空间部分：

GPS卫星星座设计为21颗卫星加3颗轨道备用卫星，实际已经有27~28颗卫星。

GPS卫星可见性地面上任何位置任何时间至少可见4颗卫星，一般可见6~8颗卫星。

GPS卫星信号包括载波、卫星识别码、测距码、导航数据。

2）地面控制部分：

监控站接收卫星下行信号数据并送至主控站，监控卫星导航运行和服务状态。

主控站卫星轨道设计，卫星控制，定位系统的运行管理。

注入站卫星轨道的纠正信息，卫星钟差纠正信息，控制命令的上行注入卫星。

3）用户部分：

GPS接收机由天线和信号处理运算显示两大部件组成。

遥感（RS）

1.遥感的基本概念：

从非接触成像系统和其他传感器系统，在远离目标和非接触目标条件下探测目标，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并进行提取、判定、加工处理、最后进行分析与应用的一门科学和技术。

2.遥感的物理基础：

电磁波的概念：

震动的传播称为波。

电磁震动的传播就是电磁波。

电磁波的波段按波长由短至长可依次分为:

γ-射线、X-射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。

电磁波的波长越短其穿透性越强。

遥感中使用的电磁波：

遥感探测所使用的电磁波波段是从紫外线、可见光、红外线到微波的光谱段。

太阳作为电磁辐射源，它所发出的光也是一种电磁波。

通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。

大气窗口的光谱段主要有:

紫外、可见光和近红外波段。

地面上的任何物体（即目标物），如大气、土地、水体、植被和人工构筑物等，在温度高于绝对零度（即0°k=-273.15℃）的条件下，它们都具有吸收、反射、透射及辐射电磁波的特性。

当太阳光从宇宙空间经大气层照射到地球表面时，地面上的物体就会吸收太阳发出的电磁波，并产生反射或辐射，由于每一种物体的物理和化学特性以及入射光的波长不同，因此它们对入射光的反射率也不同。

各种物体对入射光反射的规律叫做物体的反射光谱。

3.遥感的分类：

根据工作平台层面区分：

地面遥感、航空遥感（气球、飞机）、航天遥感（人造卫星、飞船、空间站、火箭）

根据工作波段层面区分：

紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感

根据传感器类型层面区分：

主动遥感（微波雷达）：

即由传感器主动地向被探测的目标物发射一定波长的电磁波，然后接受并记录从目标物反射回来的电磁波;

被动遥感（航空航天、卫星）：

即传感器不向被探测的目标物发射电磁波，而是直接接受并记录目标物反射太阳辐射或目标物自身发射的电磁波。

根据记录方式层面区分：

成像遥感、非成像遥感

根据应用领域区分：

环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等。

4.遥感系统的组成：

1）信息源：

信息源是遥感需要对其进行探测的目标物。

任何目标物都具有反射、吸收、透射及辐射电磁波的特性，当目标物与电磁波发生相互作用时会形成目标物的电磁波特性，这就为遥感探测提供了获取信息的依据。

2）信息获取：

信息获取是指运用遥感技术装备接受、记录目标物电磁波特性的探测过程。

3）信息处理：

信息处理是指运用光学仪器和计算机设备对所获取的遥感信息进行校正、分析和解译处理的技术过程。

4）信息利用：

 信息应用是指专业人员按不同的目的将遥感信息应用于各业务领域的使用过程。

信息应用的基本方法是将遥感信息作为地理信息系统的数据源，供人们对其进行查询、统计和分析利用。

遥感的应用领域十分广泛，最主要的应用有:

军事、地质矿产勘探、自然资源调查、地图测绘、环境监测以及城市建设和管理等

地理信息系统（GIS）

1.地理信息系统的基本概念：

地理信息系统是一个用于采集、存储、查询、分析、显示地理参考数据的计算机系统。

2.地理参考数据：

用来描述分布在地球表面的空间要素（如道路、宗地、植被）所在的位置和属性的数据。

3.地理信息系统的应用：

1）自然资源管理。

如土地利用管理、自然灾害评估、河边居民区监测。

2）犯罪分析、交通运输管理、市场分析。

3）与GPS和无线电技术的综合运用。

4.地理信息系统的组成：

人员：

操作系统的人

方法与运用：

系统的组织方法与运用

数据：

系统处理的对象

软件：

包括操作系统和应用系统

硬件：

计算机硬件，存储设备等。

5.GIS总体认知：

1）地理参考数据

2）坐标系统

3）数据模型（前三点为地理信息系统基础）

4）空间数据的输入

5）属性数据的管理

6）数据的显示

7）数据探查

8）数据分析

9）GIS建模（后六点为地理信息系统的基本操作）

观测误差与测量平差

1.观测的概念：

观测和测量是同义词，是指用一定的仪器，工具，传感器或其他手段获取与地球地理空间分布有关的信息的过程和实际结果。

实际结果常用数据表示，称为观测值。

2.观测误差的概念：

对某一量进行观测，无论用什么方法，什么仪器，几乎都无法的到其真值。

或多或少存在误差，叫做观测误差。

这是因为：

1）观测仪器有误差：

受科学发展的局限，任何仪器都有一定的精度。

2）观测人为误差：

人的感觉器官鉴别能力有限，并且经验积累有差异。

3）外界条件产生的误差：

外界的温度、湿度、风力、大气折射率等外界因素变化的影响。

把上面三点综合起来叫做观测条件，观测条件相同的观测叫做等精度观测，观测值相应的就叫做等精度观测值。

3.误差的分类：

1）系统无擦

2）偶然误差

3）粗差

4.测量平差的实质：

依据某种最优化准则，由一些列带有观测误差的观测值，求未知量的最优估计值及其精度的理论和方法。

5.传统平差与近代平差的区别：

传统平差一般只考虑观测值中只含有偶然误差，并且服从正态分布。

而如果考虑观测误差既包含偶然误差，又有粗差或系统误差，则属于近代平差的范畴。

6.误差理论与平差研究的内容：

1）偶然误差理论：

包含偶然误差的特性和偶然误差的传播规律、衡量精度的指标、权的概念、协因素阵与权阵的概念等。

2）测量平差的函数模型和随机模型的概念、最小二乘原理等。

3）测量平差的基础方法：

条件平差

间接平差

附有参数的条件平差

附有限制条件的间接平差

它们都是按照最小二乘原理导出平差计算和精度评定的公式。

4）测量平差中必要的统计假设

5）近代平差理论和方法

地球空间信息学与数字地球

绪论中对信息和数字地球的概念做了初步了解，下面对它们的一些基本概念进一步总结。

1.地球空间信息学的概念：

地球空间信息学（Geomatics）是以3S空间技术为主要内容，并以计算机技术和通信技术为主要技术支撑，用于采集、测量、分析、存储、管理、显示、传播和运用与地球和空间分布有关数据的一门综合性信息科学技术。

它是数字地球的基础。

2.数字地球的技术支撑：

1）信息高速公路和计算机宽带高速网：

服务器需要由高速网络连接。

2）高分辨率卫星影像：

用来提供反映地表动态变化的详实数据。

3）空间信息技术与空间数据基础设施

4）大容量数据存储及元数据：

数字地球需要存贮海量的地球数据信息。

另外，在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据库的建设是非常必要的。

5）科学计算：

只有利用高速的科学计算，才能才能模拟一些不能观测到现象和大量的运算。

6）可视化和虚拟现实技术：

可视化是数字地球与人交互的窗口。

而只有通过虚拟现实技术，才能让人们体验身临其境的感觉。

3.数字地球的应用：

1）在全球变化与社会可持续发展的作用

2）对社会经济和生活的影响

3）数字地球与精准农业

4）数字地球与智能化交通

5）数字地球与数码城市

6）数字地球为专家服务：

是研究地壳运动、地质现象、地震预报、气象预报、土地动态监测、灾害预测和防治、环境保护的重要工具。

7）数字地球与现代化战争

8）数字地球在普通群众中的运用：

是人们查询与地理空间分布信息的重要途径。