第1章 緒論

1.1 測量學的任務(wù)及在工程建設(shè)中的作用

1.1.1 現(xiàn)代測繪科學技術(shù)發(fā)展概況

古埃及尼羅河每年洪水泛濫，淹沒了土地界限，洪水退后又重新對土地進行劃界，這開始了人類最先的測量工作。從我國出土的相關(guān)文物可看出，早在兩三千年前的商周時代，甲骨文中已有與測繪有關(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繪工作。公元724年，中國張遂（一行）、南宮說等主持進行了天文測量，在今河南省滑縣、開封、扶溝、上蔡測量了同一時刻的日影長度，推算出了緯度1°的子午線長，這是人類歷史上第一次用弧度測量的方法測定了地球的形狀及大小。

隨著社會的進步、科學技術(shù)的發(fā)展，測繪科學也得到迅速的發(fā)展。從測量的儀器設(shè)備、測量方法，到記錄、計算及成圖方法、測量工作的效率、測繪成果的載體等方面均發(fā)生了根本性的變化。

20世紀60年代電磁波測距技術(shù)的興起，根本性地提升了測量效率。在工程中使用的中短程測距儀已達到很高的精度，精密導(dǎo)線測量技術(shù)日趨成熟，使得測量工作更加簡便和精確。綜合電子經(jīng)緯儀、測距儀及相應(yīng)計算功能模塊于一體的全站儀的出現(xiàn)及日漸完善使得測量方法及手段發(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)利用計算機基于成圖軟件對采集的數(shù)據(jù)進行分析、處理、自動成圖，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80年代全球定位系統(tǒng)（簡稱GPS）的出現(xiàn)，不僅使導(dǎo)航技術(shù)得到根本性的發(fā)展，而且對于大地測量工作也產(chǎn)生了深遠的影響。利用GPS不僅可以在短時間內(nèi)以較高的精度進行精密的大地定位測量，而且打破了傳統(tǒng)大地測量測站間相互通視的要求。因此使得大地測量的作業(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。

隨著電子計算機科學和信息科學的迅速發(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，簡稱“3S”）的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的測繪科學產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。目前，測量學、制圖學、遙感、地圖學、攝影測量學和地理信息系統(tǒng)已融合成為一門新的學科，即“地球空間信息學”（Geomatics），采取星載、機載、艦載和地面等方法，對空間數(shù)據(jù)和空間信息進行采集、量測、分析、存儲、管理、顯示和應(yīng)用，是對地球空間信息的多學科、多方法的技術(shù)使用集成。

美國前副總統(tǒng)戈爾于1998年1月在加利福尼亞科學中心開幕典禮上發(fā)表的題為《數(shù)字地球：認識21世紀我們所居住的星球》演說時提出“數(shù)字地球”（DigitalEarth）的概

念，現(xiàn)已被越來越多的科學家、政府官員所接受，逐漸成為人們認識地球的新方式。數(shù)字地球就是把地球上任一點的所有信息組織起來，其中不僅包括自然方面，如地質(zhì)、地貌、山川、河流、氣候、動物、植物的分布，而且還包括人文方面，如風土人情、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建立完整的信息模型，對整個地球進行數(shù)字化描述，以便人們迅速、準確地了解全球各地的各種宏觀和微觀情況。數(shù)字地球的實現(xiàn)不是一件簡單的事，它需要諸多學科，特別是信息科學技術(shù)的支撐。這其中主要包括：信息高速公路和計算機寬帶高速網(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)處理與存儲技術(shù)、科學計算以及可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

數(shù)字地球可用于人類應(yīng)對自然災(zāi)害、國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、精細農(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)時期“星球大戰(zhàn)”計劃的繼續(xù)和發(fā)展。在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和國防建設(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)，并運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立數(shù)字化戰(zhàn)場，這是數(shù)字地球在

國防建設(shè)中的應(yīng)用。美國的全球定位系統(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)

都是為未來戰(zhàn)爭搶占戰(zhàn)略先機的系統(tǒng)工程。為了保障我國的國防安全、維護地區(qū)和平、滿足海洋漁業(yè)導(dǎo)航的需要等，我國開發(fā)建設(shè)了“北斗導(dǎo)航”系統(tǒng)。

1.1.2 測量學的任務(wù)及學科分類

測繪學是研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用的一門科學。其內(nèi)容包括：研究測定、描述地球的形狀、大小、重力場、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)研究的對象、內(nèi)容、區(qū)域大小和使用的儀器設(shè)備、測量方法的不同形成如下一些分支：

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

（2）攝影測量學。研究采用攝影方法或電磁波成像的方法，獲取研究對象的各種圖像，根據(jù)攝影測量的理論和方法，對圖像進行處理、量測、判釋和調(diào)繪，解決地形圖測繪和了解自然、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量學和航空攝影測量學。其研究區(qū)域較大，研究對象不局限于地表靜態(tài)的對象，還可以對大氣、降水等液態(tài)、氣態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測。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、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)報、降雨、洪水預(yù)報等各個領(lǐng)域。

（3）普通測量學。研究在面積不大的測區(qū)內(nèi)，不考慮地球曲率，也不顧及地球重力場的微小變化，對地表形態(tài)、人類社會活動所產(chǎn)生的各種地物進行測繪的理論和技術(shù)。

（4）工程測量學。研究在經(jīng)濟建設(shè)和國防工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計、施工和部分建筑物建成后的運營管理工作中，所需要的測繪資料或利用測繪手段來指導(dǎo)工程的施工，監(jiān)測建筑

物的變形等工作的理論和技術(shù)。

（5）地圖制圖學。研究利用測量資料，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)用等方面的測繪科學的學科。地圖制圖學為國民經(jīng)濟各部門提供各種比例尺的普通地圖、專用地圖、三維地圖模型等。

（6）海洋測繪。海洋測繪是研究測繪海岸、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)。海洋測繪綜合性很強，廣泛涉及現(xiàn)代測繪技術(shù)、空間定位技術(shù)、海底探測、水下定位與測距等技術(shù)。

（7）測繪儀器學。測繪儀器學是以光學、精密機械、電子和計算機等技術(shù)和工具為手段，研究解決各種測繪儀器的設(shè)計、制造、使用和維護等理論與技術(shù)的學科。

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

1.1.3 測量學在工程建設(shè)中的作用

測繪科學技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，在國民經(jīng)濟建設(shè)的各行各業(yè)、各個建設(shè)階段中，測繪技術(shù)、測繪產(chǎn)品、資料及控制點位等發(fā)揮著重要的作用。

在工程建設(shè)的規(guī)劃、設(shè)計階段，測繪工作為建設(shè)規(guī)劃和工程設(shè)計提供空間信息基礎(chǔ)資料。其他工程任務(wù)、工種都要以地形圖作為基礎(chǔ)資料才能展開工作，所以要求測繪工作走在其他任務(wù)的前列。由于測繪工作的超前服務(wù)性，測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設(shè)計階段，需要壩址以上整個流域的地形資料，以便進行地質(zhì)勘探，經(jīng)濟調(diào)查、匯水面積量算、水文計算等項工作；壩址確定以后則需要壩址區(qū)域大比例尺地形圖，以便進行大壩、取水口、泄洪建筑物的布置、土石方開挖量計算等。

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

工程竣工后，要進行檢查、驗收和質(zhì)量評定，并進行竣工測量，繪制竣工圖，供日后擴建、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)定開展建筑物的變形量和變形速度的監(jiān)測工作。