第1章 緒論

1.1 測(cè)量學(xué)的任務(wù)及在工程建設(shè)中的作用

1.1.1 現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)技術(shù)發(fā)展概況

古埃及尼羅河每年洪水泛濫，淹沒(méi)了土地界限，洪水退后又重新對(duì)土地進(jìn)行劃界，這開(kāi)始了人類最先的測(cè)量工作。從我國(guó)出土的相關(guān)文物可看出，早在兩三千年前的商周時(shí)代，甲骨文中已有與測(cè)繪有關(guān)的“弓、規(guī)、距”的記載，青銅器上銘文也記述了軍事地圖和封疆測(cè)繪工作。公元724年，中國(guó)張遂（一行）、南宮說(shuō)等主持進(jìn)行了天文測(cè)量，在今河南省滑縣、開(kāi)封、扶溝、上蔡測(cè)量了同一時(shí)刻的日影長(zhǎng)度，推算出了緯度1°的子午線長(zhǎng)，這是人類歷史上第一次用弧度測(cè)量的方法測(cè)定了地球的形狀及大小。

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)繪科學(xué)也得到迅速的發(fā)展。從測(cè)量的儀器設(shè)備、測(cè)量方法，到記錄、計(jì)算及成圖方法、測(cè)量工作的效率、測(cè)繪成果的載體等方面均發(fā)生了根本性的變化。

20世紀(jì)60年代電磁波測(cè)距技術(shù)的興起，根本性地提升了測(cè)量效率。在工程中使用的中短程測(cè)距儀已達(dá)到很高的精度，精密導(dǎo)線測(cè)量技術(shù)日趨成熟，使得測(cè)量工作更加簡(jiǎn)便和精確。綜合電子經(jīng)緯儀、測(cè)距儀及相應(yīng)計(jì)算功能模塊于一體的全站儀的出現(xiàn)及日漸完善使得測(cè)量方法及手段發(fā)生了根本的變化。采用全站儀野外采集數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)利用計(jì)算機(jī)基于成圖軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、自動(dòng)成圖，利用繪圖儀出圖，減少了制板、印刷等復(fù)雜的程序，提高了成圖的速度和質(zhì)量。

20世紀(jì)80年代全球定位系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱GPS）的出現(xiàn)，不僅使導(dǎo)航技術(shù)得到根本性的發(fā)展，而且對(duì)于大地測(cè)量工作也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。利用GPS不僅可以在短時(shí)間內(nèi)以較高的精度進(jìn)行精密的大地定位測(cè)量，而且打破了傳統(tǒng)大地測(cè)量測(cè)站間相互通視的要求。因此使得大地測(cè)量的作業(yè)范圍、布網(wǎng)方案、作業(yè)手段和操作程序發(fā)生了根本性的改變。

隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的迅速發(fā)展，使得數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的方法和手段產(chǎn)生了革命性的變化。全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感（GPS、GIS、RS，簡(jiǎn)稱“3S”）的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測(cè)繪科學(xué)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。目前，測(cè)量學(xué)、制圖學(xué)、遙感、地圖學(xué)、攝影測(cè)量學(xué)和地理信息系統(tǒng)已融合成為一門(mén)新的學(xué)科，即“地球空間信息學(xué)”（Geomatics），采取星載、機(jī)載、艦載和地面等方法，對(duì)空間數(shù)據(jù)和空間信息進(jìn)行采集、量測(cè)、分析、存儲(chǔ)、管理、顯示和應(yīng)用，是對(duì)地球空間信息的多學(xué)科、多方法的技術(shù)使用集成。

美國(guó)前副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年1月在加利福尼亞科學(xué)中心開(kāi)幕典禮上發(fā)表的題為《數(shù)字地球：認(rèn)識(shí)21世紀(jì)我們所居住的星球》演說(shuō)時(shí)提出“數(shù)字地球”（DigitalEarth）的概

念，現(xiàn)已被越來(lái)越多的科學(xué)家、政府官員所接受，逐漸成為人們認(rèn)識(shí)地球的新方式。數(shù)字地球就是把地球上任一點(diǎn)的所有信息組織起來(lái)，其中不僅包括自然方面，如地質(zhì)、地貌、山川、河流、氣候、動(dòng)物、植物的分布，而且還包括人文方面，如風(fēng)土人情、歷史沿革、交通、文教、人口等方面的信息。將這些信息，按照地球上的地理坐標(biāo)建立完整的信息模型，對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行數(shù)字化描述，以便人們迅速、準(zhǔn)確地了解全球各地的各種宏觀和微觀情況。數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)不是一件簡(jiǎn)單的事，它需要諸多學(xué)科，特別是信息科學(xué)技術(shù)的支撐。這其中主要包括：信息高速公路和計(jì)算機(jī)寬帶高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高分辨率衛(wèi)星影像、空間信息技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)、科學(xué)計(jì)算以及可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

數(shù)字地球可用于人類應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害、國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能交通等方面；值得注意的是“數(shù)字地球”概念的提出也是后冷戰(zhàn)時(shí)期“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃的繼續(xù)和發(fā)展。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)防建設(shè)中，數(shù)字地球具有十分重大意義。建立服務(wù)于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役的各種軍事地理信息系統(tǒng)，并運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)，這是數(shù)字地球在

國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用。美國(guó)的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）、蘇聯(lián)的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem）、歐盟的“伽利略”系統(tǒng)

都是為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)搶占戰(zhàn)略先機(jī)的系統(tǒng)工程。為了保障我國(guó)的國(guó)防安全、維護(hù)地區(qū)和平、滿足海洋漁業(yè)導(dǎo)航的需要等，我國(guó)開(kāi)發(fā)建設(shè)了“北斗導(dǎo)航”系統(tǒng)。

1.1.2 測(cè)量學(xué)的任務(wù)及學(xué)科分類

測(cè)繪學(xué)是研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。其內(nèi)容包括：研究測(cè)定、描述地球的形狀、大小、重力場(chǎng)、地表形態(tài)以及它們的各種變化，確定自然和人工物體、人工設(shè)施的空間位置及屬性，制成各種地圖（含地形圖）和建立有關(guān)信息系統(tǒng)。根據(jù)研究的對(duì)象、內(nèi)容、區(qū)域大小和使用的儀器設(shè)備、測(cè)量方法的不同形成如下一些分支：

（1）大地測(cè)量學(xué)。研究和測(cè)定地球的形狀、大小及其重力場(chǎng)的理論和測(cè)量方法，并在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，用以表示地表任一點(diǎn)在地球上的準(zhǔn)確幾何位置。地球的外形非常近似于橢球，在測(cè)繪學(xué)中即用一個(gè)同地球外形極為接近的旋轉(zhuǎn)橢球來(lái)代表地球，稱為地球橢球。地面上任一點(diǎn)的幾何位置即用這點(diǎn)在地球橢球面上的經(jīng)緯度和點(diǎn)的高程表示。大地測(cè)量學(xué)是以地球表面大區(qū)域或整個(gè)地球?yàn)檠芯繉?duì)象，考慮到地球曲率，在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè)大地控制網(wǎng)和重力網(wǎng)，精密測(cè)定控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)和重力值，為各行業(yè)提供控制依據(jù)。

（2）攝影測(cè)量學(xué)。研究采用攝影方法或電磁波成像的方法，獲取研究對(duì)象的各種圖像，根據(jù)攝影測(cè)量的理論和方法，對(duì)圖像進(jìn)行處理、量測(cè)、判釋和調(diào)繪，解決地形圖測(cè)繪和了解自然、地理環(huán)境信息的理論和技術(shù)。根據(jù)獲取相片的方法不同，又可劃分為地面攝影測(cè)量學(xué)和航空攝影測(cè)量學(xué)。其研究區(qū)域較大，研究對(duì)象不局限于地表靜態(tài)的對(duì)象，還可以對(duì)大氣、降水等液態(tài)、氣態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。目前已被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘察、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、降雨、洪水預(yù)報(bào)等各個(gè)領(lǐng)域。

（3）普通測(cè)量學(xué)。研究在面積不大的測(cè)區(qū)內(nèi)，不考慮地球曲率，也不顧及地球重力場(chǎng)的微小變化，對(duì)地表形態(tài)、人類社會(huì)活動(dòng)所產(chǎn)生的各種地物進(jìn)行測(cè)繪的理論和技術(shù)。

（4）工程測(cè)量學(xué)。研究在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工和部分建筑物建成后的運(yùn)營(yíng)管理工作中，所需要的測(cè)繪資料或利用測(cè)繪手段來(lái)指導(dǎo)工程的施工，監(jiān)測(cè)建筑

物的變形等工作的理論和技術(shù)。

（5）地圖制圖學(xué)。研究利用測(cè)量資料，如何投影編匯成地圖，以及地圖制作的理論、工藝技術(shù)和應(yīng)用等方面的測(cè)繪科學(xué)的學(xué)科。地圖制圖學(xué)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)提供各種比例尺的普通地圖、專用地圖、三維地圖模型等。

（6）海洋測(cè)繪。海洋測(cè)繪是研究測(cè)繪海岸、水面及海底自然與人工形態(tài)及其變化狀況，制作各類海圖和編制航行資料的理論、方法和技術(shù)。海洋測(cè)繪綜合性很強(qiáng)，廣泛涉及現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)、空間定位技術(shù)、海底探測(cè)、水下定位與測(cè)距等技術(shù)。

（7）測(cè)繪儀器學(xué)。測(cè)繪儀器學(xué)是以光學(xué)、精密機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)等技術(shù)和工具為手段，研究解決各種測(cè)繪儀器的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)等理論與技術(shù)的學(xué)科。

上述測(cè)量學(xué)的各個(gè)分支，既相互聯(lián)系，又獨(dú)成系統(tǒng)。本教材主要講授工程測(cè)量學(xué)的部分內(nèi)容，著重講述工程建設(shè)中測(cè)量工作的主要任務(wù)，即測(cè)量和放樣兩個(gè)方面。測(cè)量（也稱為測(cè)定）就是使用測(cè)量?jī)x器和工具，按照一定的測(cè)量方法和比例尺，將測(cè)區(qū)內(nèi)地物和地貌繪成地形圖，供規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)使用；放樣（也稱為測(cè)設(shè)）就是把圖紙上設(shè)計(jì)好的建筑物或構(gòu)筑物的位置在實(shí)地上標(biāo)定出來(lái)，指導(dǎo)施工。

1.1.3 測(cè)量學(xué)在工程建設(shè)中的作用

測(cè)繪科學(xué)技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各行各業(yè)、各個(gè)建設(shè)階段中，測(cè)繪技術(shù)、測(cè)繪產(chǎn)品、資料及控制點(diǎn)位等發(fā)揮著重要的作用。

在工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，測(cè)繪工作為建設(shè)規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)提供空間信息基礎(chǔ)資料。其他工程任務(wù)、工種都要以地形圖作為基礎(chǔ)資料才能展開(kāi)工作，所以要求測(cè)繪工作走在其他任務(wù)的前列。由于測(cè)繪工作的超前服務(wù)性，測(cè)繪工作通常被人們稱為建設(shè)的排頭兵。例如：在水利工程中的水庫(kù)設(shè)計(jì)階段，需要壩址以上整個(gè)流域的地形資料，以便進(jìn)行地質(zhì)勘探，經(jīng)濟(jì)調(diào)查、匯水面積量算、水文計(jì)算等項(xiàng)工作；壩址確定以后則需要壩址區(qū)域大比例尺地形圖，以便進(jìn)行大壩、取水口、泄洪建筑物的布置、土石方開(kāi)挖量計(jì)算等。

在工程施工階段，需要將圖紙上設(shè)計(jì)的水工建筑物位置在地面上標(biāo)定下來(lái)以便進(jìn)行施工。如水利樞紐的施工過(guò)程中，需要事先基于地形圖計(jì)算截流工程量、施工月報(bào)量中的工程量計(jì)算、施工場(chǎng)地布置、建筑材料上壩方案的確定等都需要測(cè)量工作。

工程竣工后，要進(jìn)行檢查、驗(yàn)收和質(zhì)量評(píng)定，并進(jìn)行竣工測(cè)量，繪制竣工圖，供日后擴(kuò)建、維修和日常管理使用。大型重要建筑物在竣工后因自重和外力作用而產(chǎn)生下沉變形，如大壩可能位移、高層建筑物可能沉降、傾斜，為保證建設(shè)和使用安全，需要按照行業(yè)技術(shù)要求的規(guī)定開(kāi)展建筑物的變形量和變形速度的監(jiān)測(cè)工作。