任务1.1 测量学概述

1.1.1 测量学的概念

测量学是研究如何确定地面点的平面位置和高程，将地球表面的地物地貌及其他信息绘制成图，以及确定地球形状和大小的一门科学。测量学也称测绘学，它的表现形式包括测定和测设两种。

（1）测定是对既有对象的测量，测图属于测定的范畴。测图就是指使用测量仪器和工具，用一定的测绘程序和方法将地面上局部区域的各种固定性物体（地物）以及地面的起伏形态（地貌），按一定的比例尺和特定的图例符号缩绘成地形图。

（2）测设又称放样，就是把图上设计好的建筑物 （构筑物）的平面位置和高程，用一定的测量仪器和方法标定到实地上去的工作。因为测设是直接为施工服务的，故通常称为 “施工测设”。

图1.1 测定与测设的关系

放样是测图的逆过程，两者测量过程相反，如图1.1所示。

测量学的主要任务包括以下3个方面：

（1）定位：包括地面点的平面位置和高程的确定工作，也就是测定；还包括图上设计好的点的平面位置和高程标定到实地上的工作，也就是测设。

（2）绘图：将地球表面的固定物体和地表的起伏状态测绘成图，包括地图、地形图以及断面图。

（3）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：现代测绘学是指空间数据的测量、分析、管理、储存和显示的综合研究，这些空间数据来源于地球卫星、空载和船载的传感器以及地面的各种测量仪器，再通过信息技术，利用计算机的硬件和软件对这些空间数据进行处理和使用。因此，测绘学的现代概念可以概括为：现代测绘学是研究与地球有关的基础空间信息的采集、处理、分析、显示、管理和利用的科学和技术，它的研究内容和科学地位则是确定地球和其他实体的形状和重力场及空间定位，利用各种测量仪器、传感器及其组合系统获取地球及其他实体与地理空间分布有关的信息，制成各种地形图、专题图和建立地理、土地等空间信息系统，为研究地球的自然和社会现象，解决人口、资源、环境和灾害防治等社会可持续发展中的重大问题以及为国民经济和国防建设提供技术支撑和数据保障。

1.1.2 测量学的分类

根据研究的具体对象及任务的不同，测量学分为以下几个主要分支学科：

（1）大地测量学：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。根据测量手段的不同，大地测量学分为常规大地测量学、卫星大地测量学和物理大地测量学等。

（2）地形测量学：是研究如何将地球表面局部区域内的地物、地貌及其他有关信息测绘成地形图的理论、方法和技术的学科。根据成图方式的不同，地形测图可分为模拟化测图和数字化测图。

（3）摄影测量与遥感学：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。

（4）工程测量学：是研究在工程建设的规划设计、施工和运营管理各阶段中进行测量工作的理论、方法和技术的学科。根据工程测量所服务的工程种类，工程测量学可分为建筑工程测量、线路测量、桥梁与隧道测量、矿山测量、城市测量和水利工程测量等。

工程建设按进行程序可以分为规划设计、施工和运营管理三个阶段，每个阶段都离不开测量工作。规划设计阶段的测量主要是提供地形资料，取得地形资料的方法是在所建立的控制测量的基础上进行地面测图或航空摄影测量；施工阶段测量的主要任务是按照设计要求在实地准确地标定建筑物各部分的平面位置和高程，作为施工的依据；运营管理阶段的测量包括竣工测量以及为监视工程安全状况的变形观测与维修养护等测量工作。

（5）地图制图学：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，一般包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图制印等分支。

测绘学科的现代发展促使测绘学中出现若干新学科，例如卫星大地测量（或空间大地测量）、遥感测绘（或航天测绘）、地图制图与地理信息工程等。正因为如此，测绘学科已从单一学科走向多学科的交叉，其应用已扩展到与空间分布信息有关的众多领域，显示出现代测绘学正由传统意义上的测量与绘图向近年来刚刚兴起的一门新兴学科——地球空间信息科学跨越和融合。

1.1.3 测量学的发展

测量学和所有的自然科学一样，是人类为解决实际生产的需要，经过多次反复的实践而逐步发展起来的。

1.我国测量学的发展

公元前2000多年前，夏禹治水时就已发明和使用了“准、绳、规、矩”四种测量仪器和方法；春秋战国时期，已有利用磁石制成的最早的指南工具“司南”；1973年从长沙马王堆出土的西汉初期的《地形图》及《驻军图》，为目前发现的我国最早的地图，图上有山脉、河流、居民地、道路和军事要素等；魏晋时期的刘徽著有《海岛算经》，论述了有关测量和计算海岛距离及高度的方法；西晋的裴秀提出了绘制地图的6条原则，即“制图六体”，是世界上最早的制图理论；宋代，沈括编绘《天下州县图》，还在《梦溪笔谈》中记述了有关磁偏角的现象，比哥伦布发现磁偏角早了大约400年；元代，朱思本绘制《舆地图》；明代，郑和主持绘制《郑和航海图》；清康熙年间编制全国地图《皇舆全览图》等。

中华人民共和国成立后，我国测绘事业有了很大的发展。建立和统一了全国坐标系统和高程系统；建立了遍及全国的大地控制网、国家水准网、基本重力网和卫星多普勒网；完成了国家大地网和水准网的整体平差；完成了国家基本图的测绘工作；完成了珠穆朗玛峰和南极长城站的地理位置和高程的测量；配合国民经济建设进行了大量的测绘工作。

2.现代测绘科学的发展

20世纪40年代自动安平水准仪问世，标志着水准测量自动化的开端；1973年试制成功能保证视线水平并使观测者在同一位置进行前后视读数的水准仪；1990年研制出数字水准仪，可以做到读数记录全自动化。

1961年，第一台激光测距仪诞生，它以发射激光进行测距，实现了远距离测量，并且大大提高了测距精度；1968年问世的电子经纬仪，采用光栅来代替刻度分划线，以电信号的方式获得数据，并自动记录在存储载体上；随着电子测角技术的出现，20世纪70年代又出现了轻小型、自动化、多功能的电子速测仪，根据测角方法的不同分为半站型电子速测仪和全站型电子速测仪。全站型电子速测仪就是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器，通常简称为全站仪。

1957年我国第一颗人造地球卫星上天，1966年开始进行人卫大地测量观测，20世纪80年代开始发射GPS卫星，在90年代完成全部发射任务。

近年来由于“3S”技术（GPS全球定位系统、GIS地理信息系统、RS遥感）、激光技术和电子计算机在测绘上的广泛应用，测绘科学发展迅速，对于人造卫星观测成果的综合利用和研究，利用卫星遥测资料来绘制各类专业图件，快速、高精度地进行资源调查和勘测，成为当今测绘工作者的一个新的重要任务。

总之，测量学是一门既古老又年轻的科学，它有辉煌的历史，也有广阔的发展空间和美好的未来。

1.1.4 测量学的作用

测量工作是各项工程建设、资源开发、国防建设的基础性、超前性工作。测量学的应用范围很广。在城乡建设规划、国土资源的合理利用、农林牧渔业的发展、环境保护以及地籍管理等工作中，必须进行土地测量和各种类型、各种比例尺的地形图测绘，以供规划和管理使用。在地质勘探、矿产开发、水利、交通等国民经济建设中，则必须进行控制测量、矿山测量和线路测量，并测绘大比例尺地形图，以供地质普查和各种建筑物设计施工用。在国防建设中，除了为军事行动提供军用地图外，还要为保证火炮射击的迅速定位和导弹等武器的准确发射，提供精确的地心坐标和精确的地球重力场数据。在研究地球运动状态方面，测量学提供大地构造运动和地球动力学的几何信息，结合地球物理的研究成果，解决地球内部运动机制等问题。

归纳起来，测量学在国民经济和国防建设中的主要作用包括以下几个方面：

（1）提供一系列的点的大地坐标、高程和重力值，为科学研究、地形图测绘和工程建设服务。

（2）提供各种比例尺地形图和地图，作为规划设计、工程施工和编制各种专用地图的基础。

（3）准确测绘国家陆海边界和行政区划界线，以保证国家领土完整和邻邦友好相处。

（4）为地震预测预报、海底资源勘测、灾情监测调查、人造卫星发射、宇宙航行技术等提供测量保障。

（5）为现代国防建设和确保现代化战争的胜利提供测绘保障。