第1章 绪论
1.1 测量学的任务及在工程建设中的作用
1.1.1 现代测绘科学技术发展概况
古埃及尼罗河每年洪水泛滥，淹没了土地界限，洪水退后又重新对土地进行划界，这开始了人类最先的测量工作。从我国出土的相关文物可看出，早在两三千年前的商周时代，甲骨文中已有与测绘有关的“弓、规、距”的记载，青铜器上铭文也记述了军事地图和封疆测绘工作。公元724年，中国张遂（一行）、南宫说等主持进行了天文测量，在今河南省滑县、开封、扶沟、上蔡测量了同一时刻的日影长度，推算出了纬度1°的子午线长，这是人类历史上第一次用弧度测量的方法测定了地球的形状及大小。
随着社会的进步、科学技术的发展，测绘科学也得到迅速的发展。从测量的仪器设备、测量方法，到记录、计算及成图方法、测量工作的效率、测绘成果的载体等方面均发生了根本性的变化。
20世纪60年代电磁波测距技术的兴起，根本性地提升了测量效率。在工程中使用的中短程测距仪已达到很高的精度，精密导线测量技术日趋成熟，使得测量工作更加简便和精确。综合电子经纬仪、测距仪及相应计算功能模块于一体的全站仪的出现及日渐完善使得测量方法及手段发生了根本的变化。采用全站仪野外采集数据，内业利用计算机基于成图软件对采集的数据进行分析、处理、自动成图，利用绘图仪出图，减少了制板、印刷等复杂的程序，提高了成图的速度和质量。
20世纪80年代全球定位系统（简称GPS）的出现，不仅使导航技术得到根本性的发展，而且对于大地测量工作也产生了深远的影响。利用GPS不仅可以在短时间内以较高的精度进行精密的大地定位测量，而且打破了传统大地测量测站间相互通视的要求。因此使得大地测量的作业范围、布网方案、作业手段和操作程序发生了根本性的改变。
随着电子计算机科学和信息科学的迅速发展，使得数据采集、数据分析的方法和手段产生了革命性的变化。全球定位系统、地理信息系统、遥感（GPS、GIS、RS，简称“3S”）的发展，使得传统的测绘科学产生了质的飞跃。目前，测量学、制图学、遥感、地图学、摄影测量学和地理信息系统已融合成为一门新的学科，即“地球空间信息学”（Geomatics），采取星载、机载、舰载和地面等方法，对空间数据和空间信息进行采集、量测、分析、存储、管理、显示和应用，是对地球空间信息的多学科、多方法的技术使用集成。
美国前副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为《数字地球：认识21世纪我们所居住的星球》演说时提出“数字地球”（DigitalEarth）的概
念，现已被越来越多的科学家、政府官员所接受，逐渐成为人们认识地球的新方式。数字地球就是把地球上任一点的所有信息组织起来，其中不仅包括自然方面，如地质、地貌、山川、河流、气候、动物、植物的分布，而且还包括人文方面，如风土人情、历史沿革、交通、文教、人口等方面的信息。将这些信息，按照地球上的地理坐标建立完整的信息模型，对整个地球进行数字化描述，以便人们迅速、准确地了解全球各地的各种宏观和微观情况。数字地球的实现不是一件简单的事，它需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。这其中主要包括：信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。
数字地球可用于人类应对自然灾害、国家基础设施建设规划、精细农业、智能交通等方面；值得注意的是“数字地球”概念的提出也是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展。在现代化战争和国防建设中，数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统，并运用虚拟现实技术建立数字化战场，这是数字地球在
国防建设中的应用。美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）、苏联的GLONASS卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem）、欧盟的“伽利略”系统
都是为未来战争抢占战略先机的系统工程。为了保障我国的国防安全、维护地区和平、满足海洋渔业导航的需要等，我国开发建设了“北斗导航”系统。
1.1.2 测量学的任务及学科分类
测绘学是研究地理信息的获取、处理、描述和应用的一门科学。其内容包括：研究测定、描述地球的形状、大小、重力场、地表形态以及它们的各种变化，确定自然和人工物体、人工设施的空间位置及属性，制成各种地图（含地形图）和建立有关信息系统。根据研究的对象、内容、区域大小和使用的仪器设备、测量方法的不同形成如下一些分支：
（1）大地测量学。研究和测定地球的形状、大小及其重力场的理论和测量方法，并在此基础上建立一个统一的坐标系统，用以表示地表任一点在地球上的准确几何位置。地球的外形非常近似于椭球，在测绘学中即用一个同地球外形极为接近的旋转椭球来代表地球，称为地球椭球。地面上任一点的几何位置即用这点在地球椭球面上的经纬度和点的高程表示。大地测量学是以地球表面大区域或整个地球为研究对象，考虑到地球曲率，在全国范围内布设大地控制网和重力网，精密测定控制点的三维坐标和重力值，为各行业提供控制依据。
（2）摄影测量学。研究采用摄影方法或电磁波成像的方法，获取研究对象的各种图像，根据摄影测量的理论和方法，对图像进行处理、量测、判释和调绘，解决地形图测绘和了解自然、地理环境信息的理论和技术。根据获取相片的方法不同，又可划分为地面摄影测量学和航空摄影测量学。其研究区域较大，研究对象不局限于地表静态的对象，还可以对大气、降水等液态、气态进行动态监测。目前已被广泛应用于矿产资源勘察、环境污染监测、农业估产、灾害预报、降雨、洪水预报等各个领域。
（3）普通测量学。研究在面积不大的测区内，不考虑地球曲率，也不顾及地球重力场的微小变化，对地表形态、人类社会活动所产生的各种地物进行测绘的理论和技术。
（4）工程测量学。研究在经济建设和国防工程建设的规划设计、施工和部分建筑物建成后的运营管理工作中，所需要的测绘资料或利用测绘手段来指导工程的施工，监测建筑
物的变形等工作的理论和技术。
（5）地图制图学。研究利用测量资料，如何投影编汇成地图，以及地图制作的理论、工艺技术和应用等方面的测绘科学的学科。地图制图学为国民经济各部门提供各种比例尺的普通地图、专用地图、三维地图模型等。
（6）海洋测绘。海洋测绘是研究测绘海岸、水面及海底自然与人工形态及其变化状况，制作各类海图和编制航行资料的理论、方法和技术。海洋测绘综合性很强，广泛涉及现代测绘技术、空间定位技术、海底探测、水下定位与测距等技术。
（7）测绘仪器学。测绘仪器学是以光学、精密机械、电子和计算机等技术和工具为手段，研究解决各种测绘仪器的设计、制造、使用和维护等理论与技术的学科。
上述测量学的各个分支，既相互联系，又独成系统。本教材主要讲授工程测量学的部分内容，着重讲述工程建设中测量工作的主要任务，即测量和放样两个方面。测量（也称为测定）就是使用测量仪器和工具，按照一定的测量方法和比例尺，将测区内地物和地貌绘成地形图，供规划设计、工程建设使用；放样（也称为测设）就是把图纸上设计好的建筑物或构筑物的位置在实地上标定出来，指导施工。
1.1.3 测量学在工程建设中的作用
测绘科学技术应用范围很广，在国民经济建设的各行各业、各个建设阶段中，测绘技术、测绘产品、资料及控制点位等发挥着重要的作用。
在工程建设的规划、设计阶段，测绘工作为建设规划和工程设计提供空间信息基础资料。其他工程任务、工种都要以地形图作为基础资料才能展开工作，所以要求测绘工作走在其他任务的前列。由于测绘工作的超前服务性，测绘工作通常被人们称为建设的排头兵。例如：在水利工程中的水库设计阶段，需要坝址以上整个流域的地形资料，以便进行地质勘探，经济调查、汇水面积量算、水文计算等项工作；坝址确定以后则需要坝址区域大比例尺地形图，以便进行大坝、取水口、泄洪建筑物的布置、土石方开挖量计算等。
在工程施工阶段，需要将图纸上设计的水工建筑物位置在地面上标定下来以便进行施工。如水利枢纽的施工过程中，需要事先基于地形图计算截流工程量、施工月报量中的工程量计算、施工场地布置、建筑材料上坝方案的确定等都需要测量工作。
工程竣工后，要进行检查、验收和质量评定，并进行竣工测量，绘制竣工图，供日后扩建、维修和日常管理使用。大型重要建筑物在竣工后因自重和外力作用而产生下沉变形，如大坝可能位移、高层建筑物可能沉降、倾斜，为保证建设和使用安全，需要按照行业技术要求的规定开展建筑物的变形量和变形速度的监测工作。