测量学

测量学

测量学的产生

生产、生活的需要以及建筑、农田、水利建设等
       公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔，其形状与方向都很准确，说明当时已有放样的工具和方法。
      我国二千多年前的夏商时代，为了治水开始了水利工程测量工作。司马迁在《史记》中对夏禹治水有这样的描述：“陆行乘车，水行乘船，泥行乘撬，山行乘撵（jú），左准绳，右规矩、载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山。”所记录的是当时的工程勘测情景，准绳和规矩就是当时所用的测量工具，准是可揆（kiu）平的水准器，绳是丈量距离的工具，规是画圆的器具，矩则是一种可定平、测长度、高度、深度和画圆画矩形的通用测量仪器。早期的水利工程多为河道的疏导，以利防洪和灌溉，其主要的测量工作是确定水位和堤坝的高度。秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程，曾用一个石头人来标定水位，当水位超过石头人的肩时，下游将受到洪水的威胁；当水位低于石头人的脚背时，下游将出现干旱。这种标定水位的办法与现代水位测量的原理完全一样。北宋时沈括为了治理汴渠，测得“京师之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”，是水准测量的结果。1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图包括了地形图、驻军图和城邑图三种，不仅所表示的内容相当丰富，绘制技术也非常熟练，在颜色使用、符号设计、内容分类和简化等方面都达到了很高水平，是目前世界上发现的最早的地图，这与当时测绘术的发达分不开。
公元前十四世纪，在幼发拉底河与尼罗河流域曾进行过土地边界的划分测量。我国的地籍管理和土地测量最早出现在殷周时期，秦、汉过渡到私田制。隋唐实行均田制，建立户籍册。宋朝按乡登记和清丈土地，出现地块图。到了明朝洪武四年，全国进行土地大清查和勘丈，编制的鱼鳞图册，是世界最早的地籍图册。

军事、交通运输的需要----旅行、航海等

 工程测量学的发展也受到了战争的促进。中国战国时期修筑的午道，公元前210年秦始皇修建的“堑山堙谷，千八百里”直道，古罗马构筑的兵道，以及公元前218年欧洲修建的通向意大利的“汉尼拨通道”等，都是著名的军用道路。修建中应用了测量工具进行地形勘测、定线测量和隧道定向开挖测量。
唐代李筌指出“以水佐攻者强，……，先设水平测其高下，可以漂城，灌军，浸营，败将也”，说明了测量地势高低对军事成败的作用。中华民族伟大象征的万里长城修建于秦汉时期，这一规模巨大的防御工程，从整体布局到修筑，都进行了详细的勘察测量和施工放样工作。
 我国的采矿业是世界上发展最早的国家，在公元前二千多年的黄帝时代就已开始应用金属如铜器、铁器等，到了周代金属工具已普遍应用。据《周礼》记载，在周朝已建立了专门的采矿部门，开采时很重视矿体形状，并使用矿产地质图来辨别矿产的分布。
我国四大发明之一的指南针，从司南、指南鱼算起，有二千多年的历史，对矿山测量和其它工程勘测有很大的贡献。在国外，意大利都灵保存有公元前十五世纪的金矿巷道图。公元前十三世纪埃及也有按比例缩小的巷道图。公元前一世纪，希腊学者格罗·亚里山德里斯基对地下测量和定向进行了叙述。德国在矿山测量方面有很大贡献，1556年格·阿格里柯拉出版的《采矿与冶金》一书，专门论述了开采中用罗盘测量井下巷道的一些问题。

测量学（Surveying)的定义
定义:
    测量学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的信息进行采集处理、管理、更新和利用的科学和技术。
它的主要任务有三个方面：
  一是研究确定地球的形状和大小，为地球科学提供必要的数据和资料；
  二是将地球表面的地物地貌测绘成图；
  三是将图纸上的设计成果测设至现场。

大地测量学(Geodesy )
   是研究和确定地球形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。其基本任务是建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和重力场，为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据；为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料。按照测量手段的不同，大地测量学又分为常规大地测量学、卫星大地测量学及物理大地测量学等。

地图制图学(Cartography)
    是研究模拟和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术、方法以及应用的学科。它的基本任务是利用各种测量成果编制各类地图，其内容一般包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图制印等分支。
摄影测量与遥感
(Photogrammetry and remote sensing)
是研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。其基本任务是通过对摄影像片或遥感图像进行处理、量测、解译，以测定物体的形状、大小和位置进而制作成图。根据获得影像的方式及遥感距离的不同，本学科又分为地面摄影测量学，航空摄影测量学和航天遥感测量等。

工程测量学(Engineering surveying)
   定义一：工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。
各项工程包括：工业建设、铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线（输电线、输油管）工程、矿山和城市建设等。一般的工程建设分为规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。工程测量学是研究这三阶段所进行的各种测量工作。
定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各个阶段所进行的地形和有关信息的采集和处理，施工放样、设备安装、变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科，它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。
定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。

测量仪器学
     研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。
地形测量学
是研究如何将地球表面局部区域内的地物、地貌及其它有关信息测绘成地形图的理论、方法和技术的学科。按成图方式的不同地形测图可分为模拟化测图和数字化测图。

测量学的发展与作用
这 是人 类 长 期 探 索 的 问 题 。  早 在 公 元 前 6 世 纪   古 希 腊 的 毕 达 哥 拉 斯（Pythagoras） 就 提 出 了 地的球 形 状的 概 念 。
 
两 世 纪 后 ， 亚 里 士 多 德（Aristotle） 作 了 进 一 步 论 证 ， 支 持 这 一 学 说 。
又 一 世 纪 后 ， 埃 拉 托 斯 特 尼（Eratosthenes）  用 在 南 北 两 地 同 时 观 测 日 影 的 办 法 首 次 推 算 出 地 球 子 午 圈 的 周 长  。
 
其 想 法 很 简 单 ， 先 测 量地面上一段( 子  午 线) 的 弧 长 l，
 再 测 量 该 弧 长所 对 的 中 心 角 θ 。
 则 地 球 的 半 径R 就 可求 得 ：
              R=l/θ 地 球 子 午 线 的 周 长 可 等 于        L=2πR 这 里 关 键 在 于 如 何 求 θ 。

为  此 要 同 时 在 南 北 两 点  测 量 竖 杆  影 子 的 长 度 。
 凭 影 长和 杆 高 就 可 以 求 得  两 个杆 子 与 阳 光 的 夹 角 φ1   和 φ2。
 设 在 同 一 时 刻 两 地 的 阳 光 相 互 平 行 则         θ=  φ2  - φ1

中央子午线和赤道被投影为相互正交的直线
其它经线投影成为凹向中央子午线，且以中央子午线为对称轴的曲线。全部经线的投影收敛于两极
把曲面上的图形投影到平面上必然会伴有变形。变形有三类：角度变形，长度变形，面积变形
高斯投影是正形投影，无角度变形
例：所有经纬线投影后仍保持两两相互正交
中央经线投影后长度不变
其它经纬线投影后均变长，离中央经线越远其长度变形越大
有长度变形也就有面积变形
高斯平面直角坐标系 高斯坐标系的作用
使较复杂的椭球面上的计算变为比较简单的平面上的计算
便于地图按经纬线分幅。如将图廓点（其地理坐标为经纬度）按其相应的高斯坐标展绘在图纸上，就可得地图的分幅线。
将大地控制点按其高斯坐标展在平面上，作为工程测量和地形测量的起始点
（二）地平坐标系
地平坐标系是平面直角坐标系
地平坐标系以当地的水平面为主要面(不需要投影)
通常以当地的北方向为坐标轴的正方向
地平坐标系只用于小的局部地区
三、空间三维坐标系 （一）、地心坐标系
地心平坐标系是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面 。
（二）、参心坐标系
参心平坐标系是以参考椭球体的中心为坐标原点，以椭球修整轴（短轴）为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面 。
四、地面点的高程(ElevaTIon)
高程（绝对高程、海拔）-----地面点到大地水准面的铅垂距离。
假定（相对）高程-----地面点到假定水准面的铅垂距离。
高差-----两点间的各处之差。