測量學(xué)（研究地球及其表面形態(tài)的學(xué)科）

簡介

測量學(xué)

產(chǎn)生

生產(chǎn)生活、農(nóng)田水利建設(shè)的推動(dòng)

公元前27世紀(jì)建設(shè)的埃及大金字塔，其形狀與方向都很準(zhǔn)確，說明當(dāng)時(shí)已有放樣的工具和方法。

中國二千多年前的夏商時(shí)代，為了治水開始了水利工程測量工作。司馬遷在《史記》中對夏禹治水有這樣的描述：“陸行乘車，水行乘船，泥行乘撬，山行乘攆（jú），左準(zhǔn)繩，右規(guī)矩、載四時(shí)，以開九州，通九道，陂九澤，度九山。”所記錄的是當(dāng)時(shí)的工程勘測情景，準(zhǔn)繩和規(guī)矩就是當(dāng)時(shí)所用的測量工具，準(zhǔn)是可揆（kuí）平的水準(zhǔn)器，繩是丈量距離的工具，規(guī)是畫圓的器具，矩則是一種可定平、測長度、高度、深度和畫圓畫矩形的通用測量儀器。

早期的水利工程多為河道的疏導(dǎo)，以利防洪和灌溉，其主要的測量工作是確定水位和堤壩的高度。秦代李冰父子領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰水利樞紐工程，曾用一個(gè)石頭人來標(biāo)定水位，當(dāng)水位超過石頭人的肩時(shí)，下游將受到洪水的威脅；當(dāng)水位低于石頭人的腳背時(shí)，下游將出現(xiàn)干旱。這種標(biāo)定水位的辦法與現(xiàn)代水位測量的原理完全一樣。

北宋時(shí)沈括為了治理汴渠，測得“京師之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”，是水準(zhǔn)測量的結(jié)果。1973年從長沙馬王堆漢墓出土的地圖包括了地形圖、駐軍圖和城邑圖三種，不僅所表示的內(nèi)容相當(dāng)豐富，繪制技術(shù)也非常熟練，在顏色使用、符號設(shè)計(jì)、內(nèi)容分類和簡化等方面都達(dá)到了很高水平，是世界上發(fā)現(xiàn)的最早的地圖，這與當(dāng)時(shí)測繪術(shù)的發(fā)達(dá)分不開。

公元前十四世紀(jì)，在幼發(fā)拉底河與尼羅河流域曾進(jìn)行過土地邊界的劃分測量。中國的地籍管理和土地測量最早出現(xiàn)在殷周時(shí)期，秦、漢過渡到私田制。隋唐實(shí)行均田制，建立戶籍冊。宋朝按鄉(xiāng)登記和清丈土地，出現(xiàn)地塊圖。到了明朝洪武四年，全國進(jìn)行土地大清查和勘丈，編制的魚鱗圖冊，是世界最早的地籍圖冊。

中國四大發(fā)明之一的指南針，從司南、指南魚算起，有二千多年的歷史，對礦山測量和其它工程勘測有很大的貢獻(xiàn)。在國外，意大利都靈保存有公元前十五世紀(jì)的金礦巷道圖。公元前十三世紀(jì)埃及也有按比例縮小的巷道圖。公元前一世紀(jì)，希臘學(xué)者格羅·亞里山德里斯基對地下測量和定向進(jìn)行了敘述。德國在礦山測量方面有很大貢獻(xiàn)，1556年格·阿格里柯拉出版的《采礦與冶金》一書，專門論述了開采中用羅盤測量井下巷道的一些問題。

軍事、交通運(yùn)輸?shù)耐苿?dòng)

工程測量學(xué)的發(fā)展受到了戰(zhàn)爭的促進(jìn)。

中國戰(zhàn)國時(shí)期修筑的午道，公元前210年秦始皇修建的“塹山堙谷，千八百里”直道，古羅馬構(gòu)筑的兵道，以及公元前218年歐洲修建的通向意大利的“漢尼撥通道”等，都是著名的軍用道路。修建中應(yīng)用了測量工具進(jìn)行地形勘測、定線測量和隧道定向開挖測量。

唐代李筌指出“以水佐攻者強(qiáng)，……，先設(shè)水平測其高下，可以漂城，灌軍，浸營，敗將也”，說明了測量地勢高低對軍事成敗的作用。中華民族偉大象征的萬里長城修建于秦漢時(shí)期，這一規(guī)模巨大的防御工程，從整體布局到修筑，都進(jìn)行了詳細(xì)的勘察測量和施工放樣工作。

中國的采礦業(yè)是世界上發(fā)展最早的國家，在公元前二千多年的黃帝時(shí)代就已開始應(yīng)用金屬如銅器、鐵器等，到了周代金屬工具已普遍應(yīng)用。據(jù)《周禮》記載，在周朝已建立了專門的采礦部門，開采時(shí)很重視礦體形狀，并使用礦產(chǎn)地質(zhì)圖來辨別礦產(chǎn)的分布。

分類

測量學(xué)是研究如何測定地面點(diǎn)的平面位置和高程，將地球表面上的地形及其他信息測繪成圖，以及確定地球的形狀和大小等的科學(xué)。內(nèi)容包括：普通測量學(xué)、大地測量學(xué)、大地天文學(xué)、重力測量學(xué)、地形測量學(xué)、攝影測量學(xué)、工程測量學(xué)和海洋測量等學(xué)科。

普通測量學(xué)

普通測量學(xué)是研究地球表面小范圍測繪的基本理論、技術(shù)和方法，不顧及地球曲率的影響，把地球局部表面當(dāng)做平面看待，是測量學(xué)的基礎(chǔ)。

大地測量學(xué)(Geodesy)

是研究和確定地球形狀、大小、重力場、整體與局部運(yùn)動(dòng)和地表面點(diǎn)的幾何位置以及它們的變化的理論和技術(shù)的學(xué)科。其基本任務(wù)是建立國家大地控制網(wǎng)，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(chǔ)起算數(shù)據(jù)；為空間科學(xué)、軍事科學(xué)及研究地殼變形、地震預(yù)報(bào)等提供重要資料。按照測量手段的不同，大地測量學(xué)又分為常規(guī)大地測量學(xué)、衛(wèi)星大地測量學(xué)及物理大地測量學(xué)等。

地圖制圖學(xué)(Cartography)

是研究模擬和數(shù)字地圖的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、編繪、復(fù)制的技術(shù)、方法以及應(yīng)用的學(xué)科。它的基本任務(wù)是利用各種測量成果編制各類地圖，其內(nèi)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。

攝影測量與遙感

是研究利用電磁波傳感器獲取目標(biāo)物的影像數(shù)據(jù)，從中提取語義和非語義信息，并用圖形、圖像和數(shù)字形式表達(dá)的學(xué)科。其基本任務(wù)是通過對攝影像片或遙感圖像進(jìn)行處理、量測、解譯，以測定物體的形狀、大小和位置進(jìn)而制作成圖。根據(jù)獲得影像的方式及遙感距離的不同，本學(xué)科又分為地面攝影測量學(xué)，航空攝影測量學(xué)和航天遙感測量等。

工程測量學(xué)(Engineering surveying)

各項(xiàng)工程包括：工業(yè)建設(shè)、鐵路、公路、橋梁、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(shè)等。一般的工程建設(shè)分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營管理三個(gè)階段。工程測量學(xué)是研究這三階段所進(jìn)行的各種測量工作。

定義二：工程測量學(xué)主要研究在工程、工業(yè)和城市建設(shè)以及資源開發(fā)各個(gè)階段所進(jìn)行的地形和有關(guān)信息的采集和處理，施工放樣、設(shè)備安裝、變形監(jiān)測分析和預(yù)報(bào)等的理論、方法和技術(shù)，以及研究對測量和工程有關(guān)的信息進(jìn)行管理和使用的學(xué)科，它是測繪學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的直接應(yīng)用。

定義三：工程測量學(xué)是研究地球空間（包括地面、地下、水下、空中）中具體幾何實(shí)體的測量描繪和抽象幾何實(shí)體的測設(shè)實(shí)現(xiàn)的理論、方法和技術(shù)的一門應(yīng)用性學(xué)科。它主要以建筑工程、機(jī)器和設(shè)備為研究服務(wù)對象。

測量儀器學(xué)

研究測量儀器的制造、改進(jìn)和創(chuàng)新的學(xué)科。

地形測量學(xué)

是研究如何將地球表面局部區(qū)域內(nèi)的地物、地貌及其它有關(guān)信息測繪成地形圖的理論、方法和技術(shù)的學(xué)科。按成圖方式的不同地形測圖可分為模擬化測圖和數(shù)字化測圖。

作用

在國土管理中的作用

測量學(xué)的起源和土地界線的劃定緊密聯(lián)系著。非洲尼羅河每年泛濫會(huì)把土地的界線沖刷掉，為了每年恢復(fù)土地的界線很早就采用了測量技術(shù)。

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(nóng)業(yè)為主的社會(huì)里，國家為了征稅而開展地籍測量，同時(shí)記錄業(yè)主姓名和土地用途等。

在中國，地籍測量是國家管理土地的基礎(chǔ)。地籍測量的成果不僅用于征稅，還用于管理土地的權(quán)屬以保障用地的秩序，為了提高土地利用的效益、合理和節(jié)約利用十分珍貴和有限的土地。測量學(xué)還服務(wù)于國家領(lǐng)土的管理。《戰(zhàn)國策·燕策》中關(guān)于荊軻刺秦王，“圖窮而匕首見”的記述，表明在戰(zhàn)國時(shí)期地圖在政治上象征著國家的領(lǐng)土和主權(quán)。當(dāng)代，在一些國家間的領(lǐng)土爭執(zhí)中，也常以對方出版的地圖上對國境線的表示作為有利于己方的證據(jù)或者用測量技術(shù)為手段標(biāo)定國界。

在工程建設(shè)中的作用

2．施工階段：把線路和各種建筑物正確地測設(shè)到地面上。

3．竣工測量：對建筑物進(jìn)行竣工測量。

4．運(yùn)營階段：為改建、擴(kuò)大建而進(jìn)行的各種測量。

5．變形觀測：為安全運(yùn)營，防止災(zāi)害進(jìn)行變形測量。

古代：

這是人類長期探索的問題。早在公元前6世紀(jì)古希臘的畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras）就提出了地球的形狀的概念。

兩世紀(jì)后，亞里士多德（Aristotle）作了進(jìn)一步論證，支持這一學(xué)說。

又一世紀(jì)后，埃拉托斯特尼（Eratosthenes）用在南北兩地同時(shí)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L=2πR，這里關(guān)鍵在于如何求θ。為此要同時(shí)在南北兩點(diǎn)測量豎桿影子的長度。憑影長和桿高就可以求得兩個(gè)桿子與陽光的夾角φ1和φ2。設(shè)在同一時(shí)刻兩地的陽光相互平行，則θ=φ2-φ1。

在人類認(rèn)識地測球形狀和大小的過程中，測量學(xué)獲得了飛速的發(fā)展。

例如：三角測量和天文測量的理論和技術(shù)、高精度經(jīng)緯儀制作的技術(shù)、距離丈量的技術(shù)及有關(guān)理論、測量數(shù)據(jù)處理的理論以及誤差理論等。

在測量學(xué)發(fā)展的過程中很多數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家作出了巨大的貢獻(xiàn)，如托勒密、墨卡托等。

軍事

“天時(shí)，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(xì)表示著山脈、河流、道路、居民點(diǎn)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(dòng)中起著重要的作用，這對于行軍、布防以及了解敵情等軍事活動(dòng)都是十分重要的。因此，早就成為軍事上不可缺少的工具，獲得廣泛的應(yīng)用。

人造衛(wèi)星定位技術(shù)早期用于軍事部門，后逐步解密才在測繪及其它眾多部門中獲得應(yīng)用、海洋測量技術(shù)首先是由航海的需要而產(chǎn)生，但其高速發(fā)展的動(dòng)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(lǐng)域科技前沿對重大課題進(jìn)行探索和研究，傳統(tǒng)上各國測繪部門隸屬于軍事部門。至今相當(dāng)多國家的測繪部門仍然隸屬于軍事部門。隨著測繪技術(shù)在各方面的應(yīng)用愈來愈廣泛，測繪科技國際間的交流日益頻繁，不少國家終于建立了民用的測繪機(jī)構(gòu)

工程建設(shè)中的作用

現(xiàn)代的測量學(xué)作為一門能采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(shè)計(jì)的建筑物、設(shè)備等按設(shè)計(jì)的形狀、大小和位置準(zhǔn)確地在實(shí)地標(biāo)定出來的技術(shù)，在各種工程建設(shè)中的應(yīng)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(shè)計(jì)的位置上。某些飛行器的助飛軌道要求其準(zhǔn)直度的偏差小于長度的10-6。建筑物建成后（甚至在施工期間）會(huì)因地基承載力弱或因自重和外力的作用而產(chǎn)生變形。如大壩可能位移、高層建筑物可能傾斜等。

為了保障建筑物的安全運(yùn)行，往往需要測量工作者以技術(shù)上可行的最高精度監(jiān)測建筑物的變形量和變形速度的發(fā)展情況。有時(shí)還要求在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為此要使用自動(dòng)化的監(jiān)測和記錄的儀器。

認(rèn)識地球是人類探索的目標(biāo)之一，也是測量學(xué)的任務(wù)之一。

絕大多數(shù)測量工作是在地球上進(jìn)行，或作為參考系。