測量工程學是研究和確定地球形狀、大小、重力場、整體與局部運動和地表麵點的幾何位置以及它們的變化的理論和技術的學科。
基本介紹
- 中文名：測量工程學
- 類別：工學
- 性質：套用學科
- 適用範圍：絕大多數測量工作在地球上進行
大地測量學,測量學的發展與作用,測量學在工程建設中的作用,
大地測量學
其基本任務是建立國家大地控制網，測定地球的形狀、大小和重力場，為地形測圖和各種工程測量提供基礎起算數據；為空間科學、軍事科學及研究地殼變形、地震預報等提供重要資料。按照測量手段的不同，大地測量學又分為常規大地測量學、衛星大地測量學及物理大地測量學等。
(Cartography)
是研究模擬和數字地圖的基礎理論、設計、編繪、複製的技術、方法以及套用的學科。它的基本任務是利用各種測量成果編制各類地圖，其內容一般包括地圖投影、地圖編制、地圖整飾和地圖制印等分支。
(Photogrammetry and remote sensing)
是研究利用電磁波感測器獲取目標物的影像數據，從中提取語義和非語義信息，並用圖形、圖像和數字形式表達的學科。其基本任務是通過對攝影像片或遙感圖像進行處理、量測、解譯，以測定物體的形狀、大小和位置進而製作成圖。根據獲得影像的方式及遙感距離的不同，本學科又分為地面攝影測量學，航空攝影測量學和航天遙感測量等。
工程測量學(Engineering surveying)
定義一：工程測量學是研究各項工程在規劃設計、施工建設和運營管理階段所進行的各種測量工作的學科。
各項工程包括：工業建設、鐵路、公路、橋樑、隧道、水利工程、地下工程、管線（輸電線、輸油管）工程、礦山和城市建設等。一般的工程建設分為規劃設計、施工建設和運營管理三個階段。工程測量學是研究這三階段所進行的各種測量工作。
定義二：工程測量學主要研究在工程、工業和城市建設以及資源開發各個階段所進行的地形和有關信息的採集和處理，施工放樣、設備安裝、變形監測分析和預報等的理論、方法和技術，以及研究對測量和工程有關的信息進行管理和使用的學科，它是測繪學在國民經濟和國防建設中的直接套用。
定義三：工程測量學是研究地球空間（包括地面、地下、水下、空中）中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現的理論、方法和技術的一門套用性學科。它主要以建築工程、機器和設備為研究服務對象。
測量儀器學
研究測量儀器的製造、改進和創新的學科。
地形測量學
是研究如何將地球表面局部區域內的地物、地貌及其它有關信息測繪成地形圖的理論、方法和技術的學科。按成圖方式的不同地形測圖可分為模擬化測圖和數位化測圖。
測量學的發展與作用
這 是人 類 長 期 探 索 的 問 題 。 早 在 公 元 前 6 世 紀 古 希 臘 的 畢 達 哥 拉 斯（Pythagoras） 就 提 出 了 地的球 形 狀的 概 念 。
兩 世 紀 後 ， 亞 里 士 多 德（Aristotle） 作 了 進 一 步 論 證 ， 支 持 這 一 學 說 。
又 一 世 紀 後 ， 埃 拉 托 斯 特 尼（Eratosthenes） 用 在 南 北 兩 地 同 時 觀 測 日 影 的 辦 法 首 次 推 算 出 地 球 子 午 圈 的 周 長 。
其 想 法 很 簡 單 ， 先 測 量地面上一段( 子 午 線) 的 弧 長 l，
再 測 量 該 弧 長所 對 的 中 心 角 θ 。
則 地 球 的 半 徑R 就 可求 得 ：
R=l/θ 地 球 子 午 線 的 周 長 可 等 於 L=2πR 這 里 關 鍵 在 於 如 何 求 θ 。
為 此 要 同 時 在 南 北 兩 點 測 量 豎 桿 影 子 的 長 度 。
憑 影 長和 桿 高 就 可 以 求 得 兩 個桿 子 與 陽 光 的 夾 角 φ1 和 φ2。
設 在 同 一 時 刻 兩 地 的 陽 光 相 互 平 行 則 θ= φ2 - φ1
在人類認識地測球形狀和大小的過程中，測量學獲得了飛速的發展。
例如：三角測量和天文測量的理論和技術、高精度經緯儀製作的技術、距離丈量的技術及有關理論、測量數據處理的理論以及誤差理論等。
在測量學發展的過程中很多數學家、物理學家作出了巨大的貢獻，如托勒密、墨卡托等。
測量學在軍事的作用
“天時，地利，人和”是打勝仗的三大要素。
要有地利就要了解和利用地利。
地圖上詳細表示著山脈、河流、道路、居民點等地形和地物，具有確定位置、辨識方向的作用。
地圖一直在軍事活動中起著重要的作用，這對於行軍、布防以及了解敵情等軍事活動都是十分重要的。因此，早就成為軍事上不可缺少的工具，獲得廣泛的套用。
人造衛星定位技術早期用於軍事部門，後逐步解密才在測繪及其它眾多部門中獲得套用、海洋測量技術首先是由航海的需要而產生，但其高速發展的動力主要來自軍事部門的需要……等等。至今軍事測繪部門仍在測繪領域科技前沿對重大課題進行探索和研究
傳統上各國測繪部門隸屬於軍事部門。至今相當多國家的測繪部門仍然隸屬於軍事部門。隨著測繪技術在各方面的套用愈來愈廣泛，測繪科技國際間的交流日益頻繁，不少國家終於建立了民用的測繪機構
測量學在國土管理中的作用
測量學的起源和土地界線的劃定緊密聯繫著。非洲尼羅河每年泛濫會把土地的界線沖刷掉，為了每年恢復土地的界線很早就採用了測量技術
早期亦稱“土地測量”、“土地清丈”等。用以測定地塊的邊界和坐落，求算地塊的面積，在農業為主的社會裡，國家為了徵稅而開展地籍測量，同時記錄業主姓名和土地用途等。
在我國,地籍測量是國家管理土地的基礎。地籍測量的成果不僅用於徵稅，還用於管理土地的權屬以保障用地的秩序，為了提高土地利用的效益、合理和節約利用十分珍貴和有限的土地。
測量學還服務於國家領土的管理。《戰國策·燕策》中關於荊軻刺秦王，“圖窮而匕首見”的記述，表明在戰國時期地圖在政治上象徵著國家的領土和主權。當代，在一些國家間的領土爭執中，也常以對方出版的地圖上對國境線的表示作為有利於己方的證據或者用測量技術為手段標定國界
測量學在工程建設中的作用
1．勘測設計階段 為選線測制帶狀地形圖。
2．施工階段 把線路和各種建築物正確地測設到地面上。
3．竣工測量 對建築物進行竣工測量。
4．運營階段 為改建、擴大建而進行的各種測量。
5．變形觀測 為安全運營，防止災害進行變形測量。
測量學在工程建設中的作用
在修建宮殿、陵墓時須要平整地基，開鑿渠道修建運河須要了解地形的起伏，建造城市時中心線常要定向，開挖地道更需仔細的定向定位定高度……等等。我國的考古工作者研究證實，早在2000多年前已經在修建宮殿時有平整地基的措施。
測量學在工程建設中的作用
現代的測量學作為一門能採集和表示各種地物和地貌的形狀、大小、位置等幾何信息，以及能把設計的建築物、設備等按設計的形狀、大小和位置準確地在實地標定出來的技術，在各種工程建設中的套用愈來愈廣泛。
例如，粒子加速器的磁塊必須以0.1mm的精度安放在設計的位置上。某些飛行器的助飛軌道要求其準直度的偏差小於長度的10-6。建築物建成後（甚至在施工期間）會因地基承載力弱或因自重和外力的作用而產生變形。如大壩可能位移、高層建築物可能傾斜……等。
為了保障建築物的安全運行，往往需要測量工作者以技術上可行的最高精度監測建築物的變形量和變形速度的發展情況。有時還要求在一段時間內進行連續監測，為此要使用自動化的監測和記錄的儀器。
認識地球是人類探索的目標之一，也是測量學 的任務之一。
絕大多數測量工作是在地球上進行，或作為參考系。
一、地球自然表面
不規則曲面
平均半徑6371km
珠峰8848.13m，馬里亞那海溝11022m，海洋71%
二、大地水準面（mean sea level）
液體受重力而形成的靜止表面稱為水準面。
同一水準面上的重力位處處相等；
同一水準面上任一點的鉛垂線都與水準面相正交。
與平靜的平均海水面相重合、並延伸通過陸地而形成的封閉曲面稱為大地水準面
大地水準面包圍的形體稱為大地體(Geoid)
大地水準面（續）
由於地表起伏以及地球內質量分布不均勻，所以大地水準面是個複雜的曲面
水準面和鉛垂線是野外觀測的基準面和基準線。
三、旋轉橢球體（ellipse）
由於大地水準面是不規則曲面，無法準確描述和計算。也難以在其面上處理測量成果。
三、旋轉橢球體
因此，用一非常接近大地水準面的數學面------旋轉橢球面代替大地水準面，用旋轉橢球體描述地球。稱參考橢球體。
經度與緯度Latitude and Latitude
子午面------地球上任一點的鉛垂線與地軸所組成的平面。
經度-------所在的子午面與首子午面（過英國格林尼治天文台）的夾角
緯度-------所在點的鉛垂線與赤道平面之間的夾角。
地面地位的確定
一、球面坐標系統
（一）、天文地理坐標系
測量（天文經緯度）的外業以鉛垂線為準
大地水準面和鉛垂線是天文地理坐標系的主要面和線
地麵點的坐標是它沿鉛垂線在大地水準面上投影點的經度 和緯度
（二）、大地地理坐標系
大地地理坐標系是建立在地球橢球面上的坐標系
地球橢球面和法線是大地地理坐標系的主要面和線
地麵點的大地坐標是它沿法線在地球橢球面上投影點的經度L和緯度B
二、地圖投影 平面坐標系
為了簡化計算，要將（橢）球面上的元素歸算（投影）到平面上。
所謂投影就是建立起（橢）球面上的點與平面上的點一一對應的數學關係。
地圖投影學就是研究這個問題的學科，是數學也是地理學的一個分支學科。
基本類型有：圓錐投影，圓柱投影，平面投影，任意投影等。
（一）高斯平面直角坐標系
高斯投影是等角橫切橢圓柱投影。
等角投影就是正形投影。所謂，正形投影，就是在極小的區域內橢球面上的圖形投影后保持形狀相似。即投影后角度不變形。
標準地形圖的分幅和編號
點在高斯平面直角坐標系中的坐標值
理論上中央子午線的投影是X軸，赤道的投影是Y軸，其交點是坐標原點。
點的X坐標是點至赤道的距離；
點的Y坐標是點至中央子午線的距離，設為y’；y’有正有負。
為了避免Y坐標出現負值，把原點向西平移500公里。
為了區分不同投影帶中的點，在點的Y坐標值上加帶號N
所以點的橫坐標通用值為
y=N*1000000+500000+y’
高斯平面直角坐標系 小結
橢圓柱與橢球面橫切於某一條子午線（稱為中央子午線）
中央子午線和赤道的投影為相互正交的兩條直線。
中央子午線的投影為縱軸X，赤道的投影為橫軸Y，它們的交點為原點O。
高斯平面直角坐標系常簡稱高斯坐標系
中央子午線和赤道被投影為相互正交的直線
其它經線投影成為凹向中央子午線，且以中央子午線為對稱軸的曲線。全部經線的投影收斂於兩極
把曲面上的圖形投影到平面上必然會伴有變形。變形有三類：角度變形，長度變形，面積變形
高斯投影是正形投影，無角度變形
例：所有經緯線投影后仍保持兩兩相互正交
中央經線投影后長度不變
其它經緯線投影后均變長，離中央經線越遠其長度變形越大
有長度變形也就有面積變形
高斯平面直角坐標系 高斯坐標系的作用
使較複雜的橢球面上的計算變為比較簡單的平面上的計算
便於地圖按經緯線分幅。如將圖廓點（其地理坐標為經緯度）按其相應的高斯坐標展繪在圖紙上，就可得地圖的分幅線。
將大地控制點按其高斯坐標展在平面上，作為工程測量和地形測量的起始點
（二）地平坐標系
地平坐標系是平面直角坐標系
地平坐標系以當地的水平面為主要面(不需要投影)
通常以當地的北方向為坐標軸的正方向
地平坐標系只用於小的局部地區
三、空間三維坐標系 （一）、地心坐標系
地心平坐標系是以地球質心為坐標原點，以地軸為Z軸，正向指向北極；XY平面與赤道面重合，X軸指向起始子午面 。
（二）、參心坐標系
參心平坐標系是以參考橢球體的中心為坐標原點，以橢球修整軸（短軸）為Z軸，正向指向北極；XY平面與赤道面重合，X軸指向起始子午面 。
四、地麵點的高程(Elevation)
高程（絕對高程、海拔）-----地麵點到大地水準面的鉛垂距離。
假定（相對）高程-----地麵點到假定水準面的鉛垂距離。
高差-----兩點間的各處之差。
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