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航道测量基本知识

第一讲航道地形图基本要求
航道地形图分为长河段航道图、浅滩河段航道图、工程测量图三种，根据其用途不同则要求也不同。
    一、各种测图比例尺的规定  
（一）长河段航道图
 长河段航道图是某一河段全航线连续的航道图，它反映全部河床范围的地形、地物、水深和岸上一定范围的地物标志，特别要反映水下障碍物和岸上与航行或水道变化有关的地物，以及港区水域、陆域的设施，助航设施等。为船舶驾驶人员提供航道的礁石等障碍物的位置及高度，作为航行、航道规划、航运管理的参考图籍资料。
长河段航道图的比例尺一般为上游1:5000，中游1:10000，下游九江大桥以上1:10000，下游较宽的河道可采用1:20000~1:40000。
长河段航道图经过制图综合后，可以编绘成相应长河段航行参考图。
（二）浅滩河段航道图
浅滩河段航道图是一个水道或与邻水道的测图，为浅滩（滩险）段的测图，供分析河段或浅滩（滩险）航道演变发展的趋势，以及为航道工程设计、施工提供资料、图藉，需详细测绘河段的水下地形、礁石及障碍物的高程及两岸地形、地物。这类测图比例尺基本为：上游1:2000，中游1:10000，下游芜湖以上1:10000，下游芜湖～江阴1:20000，江阴以下1:40000。
（三）工程测量图
工程测量图又称为施工测量，用于工程设计，计算工程量和施工定位放线，施工前后的碎部测量。测图比例尺为1:500~1:2000。
二、航道地形测量的精度要求
（一）陆上地形测量
根据航道工程和维护管理对地形图的要求，对图上的地物点和地形点的平面和高程的精度规定如下：
1、重要地物点对于邻近图根点的点位中误差为图上±0.6mm，高程中误差±0.1m。
2、重点地区的点位中误差为图上±0.8mm，高程中误差为±0.2m。
3、一般地区的点位中误差为图上±1.0mm，高程中误差为±0.2m～±0.4m。
（二）水深测量
 水深测量因受水流、风力、船艇摆动等因素的影响，所以水深点的点位中误差图上±1.5mm，其深度的误差系根据水的深度而异，小于5米水深的水深中误差为±0.1m～0.2m，大于５米水深的深度中误差为±0.2m～±1/50水深。由此可见水道地形图的陆上与水下的测量精度是不一致的，此种情况是由于陆上与水下的测量手段和自然条件不同所致，但是航道测量发展较快，测图精度也有提高。
知识点
1、制图综合：
 地图制图者由大比例尺地形图在缩编成小比例尺地图的过程中，根据地图成图后的用途和制图区域的特点，加以概括、抽象的形式反映制图对象的带有规律性的类型特征和典型特点，而将那些对于该图来说是次要的、非本质的地物舍去，这个过程叫作制图综合。
2、中误差
是衡量测量精度的指标之一。亦称“标准误差”或“均方根差”。在相同观测条件下的一组真误差平方中数的平方根，真误差是观测值与真值之差。因真误差不易求得,所以通常用最小二乘法求得的观测值改正数（观测值与同观测条件下一组观测值平均数也称数学期望之差）来代替真误差。

第一节 地球形状和大小

　1．大地水准面
　　1.1地球概述
　　测量工作的主要研究对象是地球的自然表面，但地球表面形状极其复杂。有高山、丘陵、平原、河流、湖泊和海洋。
　　世界第一高峰珠穆郎玛峰高达8844.43m，太平洋西部的马里亚纳海沟深达11022m。海洋面积约占百分之71，陆地面积约占百分之29。
　　测量中把地球形状看作是由静止的海水面向陆地延伸并围绕整个地球所形成的某种形状。
　　1.2 铅垂线
　　地球表面任一质点，都同时受到两个作用力：
　　其一是地球自转产生的惯性离心力；
　　其二是整个地球质量产生的引力。
　　这两种力的合力称为重力，见图1.1。
　　1.3 水准面
　　定义：处于自由静止状态的水面称为水准面。
　　特点：
　　（1）水准面是一个重力等位面，水准面上各点处处与该点的重力方向（铅垂线方向）垂直；
　　（2）在地球表面上、下重力作用的范围内，通过任何高度的点都有一个水准面，因而水准面有无数个。
　　1.4大地水准面
　　定义 ：在测量工作中，把一个假想的、与静止的海水面重合并向陆地延伸且包围整个地球的特定重力等位面称为大地水准面，见图1.2。
　　特征：
　　（1）是一个封闭的曲面；
　　（2）是一个略有起伏的不规则曲面，无法用数学公式精确表达；
　　（3）大地水准面是测量外业所依据的基淮面。
　　2．参考椭球体
　　定义：
　　与大地水准面最接近的地球椭球称为总地球椭球；
　　与某个区域如一个国家大地水准面最为密合的椭球称为参考椭球，其椭球面称为参考椭球面；
　　代表地球形状和大小的旋转椭球，称为“地球椭球”。
　　由此可见，参考椭球有许多个，而总地球椭球只有一个。
　　旋转椭球面可以用数学公式准确地表达。因此，在测量工作中用这样一个规则的曲面代替大地水准面作为测量计算的基准面。
　　在几何大地测量中，椭球的形状和大小通常用长半轴a 、短半轴b和扁率 f来表示，如图1.3，见公式1.1。
　　我国1980年国家大地坐标系采用了1975年国际椭球，该椭球的基本元素是： a = 6 378 140m ，
　　b = 6 356 755.3m ,
　　f =1/298.257。
　　由于参考椭球体的扁率很小，当测区面积不大时，在普通测量中可把地球近似地看作圆球体，其半径为：见公式1.2。

1.测量常用坐标系
　　1.1　大地坐标系
　　大地坐标系是以参考椭球面作为基准面，以起始子午面和赤道面作为在椭球面上确定某一点投影位置的两个参考面，如图2.1。
　　大地经度：过地面某点的子午面与起始子午面之间的夹角，称为该点的大地经度，用 L表示。
　　规定:从起始子午面起算，向东为正，由 0度至180度，称为东经；向西为负，由0度至180度，称为西经。
　　大地纬度：过地面某点的椭球面法线与赤道面的夹角，称为该点的大地纬度，用B表示。
　　规定：从赤道面起算，由赤道面向北为正，从0度到90度，称为北纬；由赤道面向南为负，从 0度到90度，称为南纬。
　　大地高：P点沿椭球面法线到椭球面的距离H，称为大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。
　　1.2　空间直角坐标系
　　以椭球体中心O为原点；起始子午面与赤道面交线为X轴；赤道面上与X轴正交的方向为Y轴；椭球体的旋转轴为Z轴；构成右手直角坐标系O-XYZ。在该坐标系中，P点的位置用x，y，z表示，如图2.2。
　　1.3  WGS-84坐标系
　　WGS-84坐标系是全球定位系统（GPS）采用的坐标系，属地心空间直角坐标系。WGS-84坐标系采用1979年国际大地测量与地球物理联合会第17届大会推荐的椭球参数。WGS-84坐标系的原点位于地球质心；Z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极(CIP)方向；X轴指向BIHl984.0的零子午面和CIP赤道的交点；Y轴垂直于X、Z轴，X、Y、Z轴构成右手直角坐标，如图2.3。
　　1.4　平面直角坐标系
　　测绘工作中所用的平面直角坐标系与解析几何中所用的平面直角坐标系有所不同，测量平面直角坐标系以纵轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；象限顺序依顺时针方向排列，如图2.4.1和图2.4.2。
　　当测区范围较小时（如小于100平方公里），常把球面看作平面，建立独立平面直角坐标系，这样地面点在投影面上的位置就可以用平面直角坐标来确定。建立独立坐标系时，坐标原点有时是假设的，假设的原点位置应使测区内各点的x、y值为正。
　　2 参考椭球定位
　　确定参考椭球面与大地水准面的相关位置，使参考椭球面在一个国家或地区范围内与大地水准面最佳拟合，称为参考椭球定位。
　　如图2.5所示，在一个国家适当地点选定一地面点P作为大地原点,并在该点进行精密天文测量和高程测量。令大地原点上的大地经度和纬度分别等于该点上的天文经、纬度；由大地原点至某一点的大地方位角等于该点上同一边的天文方位角；大地原点至椭球面的高度恰好等于其至大地水准面的高度。这样的定位方法称为单点定位法。
　　在掌握了一定数量的天文大地和重力测量数据后，利用天文大地网中许多天文点的天文观测成果和已有的椭球参数进行椭球定位，这种方法称为多点
　　定位法。多点定位的结果使在大地原点处椭球的法线方向不再与铅垂线方向重合，椭球面与大地水准面不再相切，但在定位中所利用的天文大地网的范围内，椭球面与大地水准面有最佳的密合。
　　1949年以后，我国采用了两种不同的大地坐标系，即1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。
　　1954年我国完成了北京天文原点的测定，采用了克拉索夫斯基椭球体参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，建立了1954年北京坐标系。
　　为了适应我国经济建设和国防建设发展的需要，我国在1972-1982年期间进行天文大地网平差时，建立了新的大地基准，相应的大地坐标系称为1980年国家大地坐标系。大地原点地处我国中部，位于陕西省西安市以北60km处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值（见表2-1），应用多点定位法定位。该坐标系建立后，实施了全国天文大地网平差，平差后提供的大地点成果属于1980年国家大地坐标系，它与原1954年北京坐标系的成果是不同的，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。