地面点位的确定
工程测量基础知识
1基础知识测量学是研究地球的形状和大小以及确定地球表面（包括空中、地面和海底）点位关系的一门科学。
工程建设三阶段：勘测设计、施工建设、运营管理。
一、建筑工程测量的任务及作用：(1) 地形测图，亦称测定（测绘）它是利用各种测量仪器和工具，将地面上局部区域的地物和地面起伏得形状、大小，按一定的比例尺缩小测绘成地形图，为工程建设的规划、设计和施工提供服务。
(2) 施工放样，亦称测设（放样）它是将图纸上规划、设计好的建筑物位置、尺寸测设于地面，作为施工依据，并在施工过程中，配合工程进度进行一系列测量工作，以保证工程质量。
(3) 变形测量对于一些大型或重要的建筑物，在施工和运营期间，要定期进行变形观测，了解其变形规律，以确保建筑物的安全。
二、地面点位的确定：确定地面上一点的空间位置，需要用三个量来表示，在测量工作中，是用地面点在基准面（参考椭球面)上的投影位置坐标和该点沿投影方向到基准面（大地水准面）的距离来表示的。
三、用水平面代替水准面的限度（1）地球曲率对水平距离的影响：在半径为10km 的范围内，地球曲率对水平距离的影响可以忽略不计，即可以用水平面代替水准面。
（2）地球曲率对高程的影响：当距离为100m 时，在高程方面的误差就接近1mm ，这对高程测量的影响是很大的，所以地球曲率对高程的影响是必须予以考虑的，即尽管距离很短，也不能以水平面代替水准面。
四、测量基本工作：角度测量、距离测量、高程测量。
五、测量工作应遵循的基本原则：“从整体到局部”“先控制后碎部”。
其目的是：防止测量误差的积累，保证测量精度；同时由于建立了统一的控制网，把碎部测量划分成几部分来进行，可以加快测量进度。
测量工作的基准线是：铅垂线测量工作的基准面是：水准面测量计算的基准面是：参考椭球面水准面：设想由一个静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，曲面上处处和铅锤方向相垂直，这个静止的海水面称为水准面。
大地水准面：海水受潮汐影响，时涨时落，所以水准面有无数个，其中与平均海水面重合的水准面称为大地水准面，是测量工作中点位投影和计算点位高度得基准面。
地面点位的确定
1、赤道和北极 2、andy - 阿杜
（三）高斯平面直角坐标
适用于：研究范围较大。
高斯投影方法：目的是将椭球面投影到 平面上。使投影带的中央子午线与椭 圆柱体相切，展开后为X轴，向北为正； 展开后为Y轴，向东为正。
图形：高斯投影方法图一
图形：高斯投影方法图二
投影
剪开
展平
1．6°带的划分
为限制高斯投影离中央子午线愈远，长 度变形愈大的缺点，从经度0°开始，将 整个地球分成60个带，6°为一带。
计算公式： λ =6N-3 λ——中央子午线经度, N——投影带号。
2．3°带的划分
若仍不能满足精度要求,可进行3 °带、 1.5 °带的划分。
3 °带计算公式：
◆水准面——静止海水面所形成的封闭曲面。 ◆大地水准面——其中通过平均海水面的那个
水准面。
图形：水准面及大地水准面图
◆水准面的特性——处处与铅垂线正交、 封闭的重力等位曲面。 ◆铅垂线——测量工作的基准线
2．测量计算基准面——旋转椭球 由椭圆（长半轴a，短半轴b）绕b轴旋 转而成的椭球体。可用数学式表示的 光滑曲面。
3438' ' 206265" "
λ =3N λ——中央子午线经度, N——投影带号。
3.我国高斯平面直角坐标的表示方法 方法： （1）先将自然值的横坐 标Y加上500000米； （2）再在新的横坐标Y 之前标以2位数的带号。
例：国家高斯平面点P（2433586.693， 38514366.157）所表示的意义:
(1)表示点P在高斯平面上至赤道的距离; X=2433586.693m
讲题:地面点位的确定
地面点位的确定
地面点位的确定一、地球的形状和大小测量学的实质就是确定地面点的空间位置，要测量地球表面上点的相互位置，必须首先建立一个共同的坐标系统，而测量工作是在地球表面上进行，因此测量的坐标与地球的大小形状有密切关系。
我们知道，地球的自然表面是高山、丘陵、平原、盆地及海洋等起伏状态。
就整个地球而言，海洋的面积约占71%，陆地的面积约占29%。
虽然陆地上最高的山峰珠穆朗玛峰海拔8848.13米，海底最深的海沟太平洋西部的马里亚纳和菲律宾附近的海沟深达11022米，但和地球半径6371千米来比较，是可以忽略不计的。
所以我们把地球的形状想象为一个处在静止状态的海洋面，延伸通过大陆后所包围的形体。
如1-1所示。
假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围了整个地球，形成一个闭合的曲面，这个曲面称为水准面。
水准面是受地球重力影响而形成的，它的特点是面上任意一点的铅垂线都垂直于该点的曲面。
水面可高可低，因此符合这个特点的水准面有无数个，其中与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面，如1-2所示。
由于地球内部质量分布不均匀，重力也受其影响，引起铅垂线方向的变动，致使大地水准面成为一个复杂的曲面。
如果将地球表面上的图形投影到这个复杂的曲面上，在计算上是非常困难的。
为了解决这个问题，选择一个非常接近大地水准面、并可用数学式表示的几何形体来代表地球总的形状。
这个数学形体是由椭圆P E P1Q绕其短轴P P1旋转而成的旋转椭球体，又称地球椭球体。
其旋转轴与地球自转轴重合，如1-3所示，其表面称为旋转椭球面（参考椭球面）。
决定地球椭球体的大小和形状的元素为椭圆的长半轴a、短半轴b、扁率f，其关系式为：随着测绘科学技术的进步，可以越来越精确的确定椭圆元素，目前我国采用的地球椭球体的参数为：a=6378.140k mf=1:298.257由于地球椭球体的扁率很小，当测区面积不大时，可以表达其当作圆球看待，其半径R按下式计算：其近似值为6371k m。
地面点位确定的方法
2 独立平面直角坐标系
独立平面直角坐标系是在测区内任意选定坐标原点和坐标轴 而建立的平面直角坐标系统（简称为独立坐标系,又称假定 轴的方向
2 地面点的高程：
绝对高程：地面点到大地水准面的铅 垂距离，用H表示。 我国采用的“1985年国家高程基准” ，是以1952年至1979年青岛验潮站观 测资料确定的黄海平均海水面，作为 绝对高程基准面。为72.260M
相对高程：
在局部地区，当无法知道绝对高程时，假定一个水准面 作为高程起算面，地面点到该假定水准面的垂直距离称 为相对高程，又称为假定高程。
高差：
地面两点间的高程之差。 有方向和正负
A、B为已知水准点，HA =56.345m ， HB =59.039m 求a.b两点的高差： 求b.a两点的高差：
1 该点的平面位置（在大地水准面的投影位置）
（1）地理坐标（球面坐标，不便计算） （2）平面直角坐标： 1、高斯平面坐标 2、独立平面直角坐标
1 高斯平面直角坐标 以中央子午线和赤道投影后的交点O作为坐标原点，以中央子午 线的投影为纵坐标轴x，规定x轴向北为正；以赤道的投影为横 坐标轴y，规定y轴向东为正，从而构成高斯平面直角坐标系。
确定地面点位的方法
复习：
1、水准面：静止广阔的水面（如海洋或湖泊水面）。 2、水平面：与水准面相切的平面 3、大地水准面：假想的平均的静止海水面 作用：测量野外工作的基准面 特性：唯一性、等位面、不规则的曲面
新课讲解
一、确定地面点位的量是由三个量 来决定的： 1、该点的平面位置（在大地水准面 的投影位置） 2、该点的高程
地面点位确定
地面点位确定1、地球球形状和大小不野外地质工作、矿权圈定、各种工程施工都是在地球表面进行，需要确定点位的空间位置。
点位确定就必需建立参考基准：坐标系，这与地球的形状和大小不一密切相关。
水平距离：空间两点投影到水平面两点之间的长度水平角落空间两相交直线在水平面投影之间的两面角因此水平面就作为野外工作的基准面，由于我们工作的地表面是高低起起伏形状差异有高山有低谷、平原、海洋等等水平面就不至。
海洋大约７１％占地球表面，把地球想象成处于静止状态海水面延伸穿过快陆地所包围的形体。
这个形体称作大地体，表面就水准面，通过平均海水面的水准面为大地水准面大地水准面特点大地体与铅垂线正交。
由于地球表面起伏不平和内部物质分布不均匀，大地水准面实际上是不规则的曲面，不便于建立坐标系和计算。
从而引进参考椭球代替大地体：大地体的确定○1要求参考椭球的球心和大地体质心;○2两者表面间相距差平方和最小。
椭球由ＮＷＳＥ绕着短轴ＮＳ旋转而成椭圆长半轴a短半轴b扁率α＝(a-b)/a实际只有两个参数就可以确定椭圆形状了由于长半轴和扁率、参考基点不一致产生不同的坐标系我们比较熟悉常见的有：1954北京坐标系1980国家大地坐标系1984世界坐标系1954坐标系采用的是前苏联克拉索夫斯基参数原点设在北京(实际是从前苏联推算过来)a= 6378245b=6356863α＝1:298.31980年国家大地坐标系参数采用1975年16 届国际大地测量与地球物理协会联合推荐的数据通原点设陕西省泾阳县内a= 6378140mb=6356755α＝1:298.2571984世界坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系,原点在地球质心a= 637817±2mα＝1:298.257223583２、地面点表示方法地面点表示方法由地面点投影到地球椭球面的位置和点到大地水准面的铅垂距离（高程）来确定即平面位置和高程位置○1地面点高程有时称谓绝对高程、高程、海拔我国高程起算面是与黄海平均海水吻合的大地水准面，该面上各点高程为零，根据53年——56、56——77两个时期青岛验潮站观测数据国家水准原点高程分别为：72.289 72.260 对应也有了1956黄海高程系和1985国家高程基准○2地面点平面位置a\ 地理坐标地面点投影到地球椭球的位置一般用地理坐标:大地经度λ或L 大地纬度表示,φ或B表示.通过地面任一点M和地轴(NS)所构成的子午的平面为子午面,经过原英国格林尼治天文台的子午面为起始子午面,M点的子午面与起始子午面的夹角为M点的经度,以起始子午面为0度向东东经0~180 向西西经0~180.过M点的法线与赤道面的夹角为纬度向北为北纬0~90 向南为南纬0~90 地面点任何一点对应着地理坐标.地理坐标实际是球面坐标要精确的点位经纬度要很精确才行比如1秒的经差大概就在地表相当于31米,而且是不便于直接计算,为此需要建立球面坐标联系到平面直角坐标或者说转换成.B高斯克吕格平面直角坐标把球面点影我国采用高斯正形投影其建立:设想用一个平面卷成一个空心椭圆柱把它横套在地球表面,某个6度或是度带的中央子午线与圆柱面相切,椭球面上的图形与椭圆柱面上的图形保持等角下,把图形投影到椭圆柱面上,然后切开.这种投影中央经线长度比等于1 中央子午线和赤道相互垂直,其它经线均为凹向中央子午线的曲线,其它纬线均以赤道为对称的向两极弯曲的曲线,角度没有变形经线长度比均大于 1 长度变形为正, 距中央子午线愈远变形愈大,最大变形在边缘经线与赤道的交点上,面积也是如此,为了保证地图的精度采用分带投影的方法,即投影东西范围使其变形不超过一定的限度, 由此有了6度带，3度带 1.5带（我们很少接触）甚至更小。
确定地面点相对位置的三个基本要素
确定地面点相对位置的三个基本要素经度是指从地球表面的零经线（格林尼治经线）起，沿着东西方向度量的角度。
经度的单位是度，有东经和西经之分。
东经为正值，西经为负值。
经度的范围是从-180度到180度。
纬度是指从地球的赤道起，沿着南北方向度量的角度。
纬度的单位也是度，有北纬和南纬之分。
北纬为正值，南纬为负值。
纬度的范围是从-90度到90度。
经度和纬度共同确定了地球上的任意一个位置。
它们的交汇点即为地理坐标，可以唯一地标识特定的位置。
海拔高度是指地球表面上其中一点相对于平均海水面的高度。
它用于表示地形的垂直维度。
海拔高度的单位通常是米。
海拔高度是地理要素中的垂直要素，它与经度和纬度一起确定了地面点的三维位置。
经度、纬度和海拔高度是地理坐标系统的基本要素，它们的确定可以帮助我们准确地描述和定位地球上的各个位置。
在现代的地理信息系统和导航系统中，经度和纬度被广泛应用，可以用于地图绘制、导航规划、定位服务等多种应用场景。
此外，还可以通过这三个要素来计算一些其他相关的地理信息，如两点之间的距离、方向、面积等。
因此，经度、纬度和海拔高度是地理学和地理信息科学中非常重要的基本要素，对于研究和应用地理信息具有重要意义。
建筑工程测量1.3地面点位的确定
yB (500③000两 2轴724的40 )交m 20点227为560坐m 标原
点O。
3° 9° 6°带
N 1带
2带
0
6°
°
1°30′ 4°30′
n 123
3°带
81° 87° 93° 99° 105° 111° 117°
14
15
16
17
18
19
20
x
A
α y0‘
O′
yP′
yP
P
xP′
xP
x0 B
O
y
已知P点的施工坐标，则可按下式将其换 算为测量坐标：
xP yP
xo yo
xP xP
cos sin
yP sin yP cos
已知P的测量坐标，则可按下式将其换算 为施工坐标：
xP yP
地水准面。在这个平面上建立的测区平面直角坐标系，称 为独立平面直角坐标系。
规定：
①南北方向为纵坐标轴，记作x轴，向北为正；
②以东西方向为横坐标轴，记作y轴，向东为正；
③坐标原点O一般选在测区的西南角，使测区内各点的x、
y坐标均为正值；
④坐标象限按顺时针方向编号。x
y
A
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
x
yA A′
O
xA y
O
符号相反，即：
B
hAB hBA
黄海平均海水面
hAB
A
HB′
HB HA′
HA
铅垂线 铅垂线
假定高程起算面 大地水准面
算例
HA=123.10m HB=135.50m hAB=HB-HA=135.50-123.10=12.40m hBA=HA-HB=123.10-135.50=-12.40m hAB=－hBA 结论：高差有正负和方向性，要注意下标的
测量地面点位的确定
测量地面点位的确定测量工程中定位空间一个点需要三个量。
首先选择一个投影面（或者基准面），把这个空间的点投影到基准面上得到点在基准面上面的坐标，这是第一步。
那么，这个可以叫点到投影面或到基准面的投影为x y，或者用入、∮表示经度、纬度，这是第一个两个量。
还有第三个量，通过这个点到投影面的距离用h来表示，这样就可以把空间的点用三个量清晰的表示出来。
既然要选择一个基准面，第一项工作就要选择投影的基准面。
最能代表地球表面的面是海洋面，选择的基准面就选择海水面。
水准面不是水平面，水准面实际是一个曲面。
水准面上任意一点与重力方向垂直，处处与重力相垂直的曲面叫水准面。
海水面一直在变化的运动的，只能取一个平均的海水面，把它作为基准面。
水准面有无数多个，其中那个和平均海水面重合的水准面就是大地水准面。
测量在地球表面展开，任一点受离心力及引力作用，合力称为重力，重力方向线就是测量基准线，是用来选择水准面或者基准面。
测量工作的基准线是选择测量工作的基准面是大地水准面。
在基准面上面的点的坐标。
点的坐标表示方法通常用两种。
第一种称为天文地理坐标，它用经度和纬度来表示。
确定地面点的空间位置需3个参数：X(纵坐标)，Y(横坐标)，H(高程)或入(经度)，∮(纬度)，H(高程)。
从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。
用经纬度表示点的位置，称为地理坐标。
假定PP1为地球旋转轴，O为地心。
通过地球旋转轴的平面称子午面，子午面与地球表面的交线称子午线(经线)。
通过格林威治天文台G的子午线称首子午线。
地球表面任一M点的子午面PMM'P 与首子午面所组成的二面角，用入表示，称为M点的经度。
经度由首子午面向东向西各0°~180°，向东的称东经，向西的称为西P经。
我国在东半球，各地的经度都是东经。
通过地心o与地球旋转轴PP1垂直的平面EE1，称为赤道平面。
赤道平面与地球表面的交线称为赤道。
过M点的铅垂线与赤道面EG'M'E1的夹角称M点的纬度。
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教学目标
• 了解地球的形状和大小，了解高斯投影 • 掌握直角坐标系以及各种名词术语
一、地球的形状和大小
一、地球的形状和大小
• （一）形状：
• 1、地球的自然表面是一个凹凸不平，极不 规则的曲面，最高峰是珠穆朗玛峰高出平 均海水面8848.13米，最低点是马里亚纳 海沟，低于平均海水面11022米，两点相 差近2万米。
二、地面点位的确定
确定地面点的空间位置需用三个量，在 测量工作中一般用:
某点在基准面上投影位置（x,y） 该点离基准面高度（H）
（一）测量基准面
1．测量工作基准面——水准面、大地水准面。
◆水准面——静止海水面所形成的封闭曲面。 ◆大地水准面——其中通过平均海水面的那个水准面。
（在无数个水准面中，
(1)表示点P在高斯平面上至赤道的距离; X=2433586.693m
(2)其投影带的带号为38 、P点离38带的 纵轴X轴的实际坐标Y=514366.157500000= 14366.157m
1.绝对高程H——地面点到大地水准面的铅垂距离。
2.相对高程H’—地面点到假定水准面的铅垂距离。
3.高 差—两点之间高程差hAB=HB-HA=H’BH’A
• 水准原点：为了明显而稳固地表示高程起算面 的位置，国家于1956年在青岛建立一个与平均 海水面相联系的水准点，称为水准原点。其高 程为72.289m ,作为布设国家高程控制网的高 程起算点。
• 国家水准原点设在青岛市观象山公园。
• 1985年国家高程基准：由黄海平均海水 面（高程零点）和青岛高程水准原点所 确定的高程体系。
图形：高斯投影方法图一
图形：高斯投影方法图二
投影
剪开
展平
1．6°带的划分
为限制高斯投影离中央子午线愈远，长 度变形愈大的缺点，从经度0°开始，将 整个地球分成60个带，6°为一带。
计算公式： λ =6N-3 λ——中央子午线经度, N——投影带号。
2．3°带的划分
若仍不能满足精度要求,可进行3 °带、 1.5 °带的划分。
图形：水准面及大地水准面图
◆水准面的特性——处处与铅垂线正交、 封闭的重力等位曲面。 ◆铅垂线——测量工作的基准线
（二）地面点的坐标
(1)地理坐标（属于球面坐标系统）
适用于：在地球椭球面上确定点位。分为：
1.天文地理坐标(天文经度 ，天文纬度 ) 2.大地地理坐标(大地经度B，大地纬度L )
天文地理坐标：用天文经度和天文纬度表示。
• 纬度—通过某点的铅垂线与赤道面的夹角。0— 90°
(2)平面直角坐标 适用于：研究范围较小。
测量平面直角坐标系
数学平面直角坐标系
坐标系的异同：
不同点： 1．测量上北方向为X轴正向，东方向为Y轴正向。
2．测量上角度方向顺时针度量；象限顺时针编号。 相同点:
数学中的三角公式在测量中可直接应用。
• 一般把坐标原点选在测区的西南角，可使 测区全部落在第一象限，各点坐标均为正值。
3 °带计算公式：
λ =3N λ——中央子午线经度, N——投影带号。
3.我国高斯平面直角坐标的表示方法
方法： （1）先将自然值的横坐 标Y加上500000米； （2）再在新的横坐标Y 之前标以2位数的带号。
例：国家高斯平面点P（2433586.693， 38514366.157）所表示的意义:
• 测量工作中用水平面代替水准面的限度 • 对水平角、距离的影响——在面积约
320km2内，可忽略不计。 • 对高程的影响——即使距离很短也要顾及地
球曲率的影响。
（3）高斯平面直角坐标
适用于：研究范围较大。
高斯投影方法：目的是将椭球面投影到 平面上。使投影带的中央子午线与椭 圆柱体相切，展开后为X轴，向北为正； 展开后为Y轴，向东为正。
• 水准原点高程：72.2604m 。
青岛大港1号码头验潮站
验潮站内的潮汐自动记录仪
青岛观象山水准原点
水准原点旱井
水准原点玛瑙石标志
精密水准测量观测水准原点的稳定性
水准原点至1956年黄海高程系0海平面的高程
水准原点至1985国家高程基准0海平面的高程
青岛水准零点
四、确定地面点位的三个基本要素：
• 2、海洋占地球表面积的71%，陆地占29%。 • 3、地球是一个椭球体，有长短半径。
• 因此，地球是一个被海水包围的 椭球体。
一、地球的形状和大小
• （二）大小
• 1、地球的长半径是6378140米，约6378 千米；短半径是6356720米，约6357千 米，扁率是f=1/298.257
• 2、有时把地球看成球体半径为6371千米.
4. 我国的高程系统
主要有： （1）1985国家高程系统 （2）1956黄海高程系统 （3）地方高程系统。如：珠江高程系统。 注：水准原点：青岛市观象山 H0= 72.260m（85黄海系）
= 72.289m（56黄海系）
• 1956年黄海高程系：以黄海平均海水面作为全 国高程的起算基准面，以此基准面的高程为零 而建立的高程系统，称为“1956年黄海高程 系”。水准原点高程：72.289m
• 名词：地轴 地极 地心 子午面 子午线 赤道面 赤道
• 纬线—过地球表面某点并垂直地轴的平面与球面的 交线称为某点的纬线。
• 经线—地球表面某点的子午面与球面的交线称为该 点的经线。
• # 天文坐标是以通过原英国格林威治天文台子午面 和赤道面为基准面。
• 经度—通过该点的子午面与起始子午面的夹角。 0—180°
1、水平距离、水平角和高程是确定地面点位的 三个要素。
• 2、测角、测边、测高差是测量的三项基本工 作。
• 3、测、绘、算是测量的基本技能。