控制测量

控制测量

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2023年3月16日发(作者：锅炉水冷壁)

控制测量学的基本概念

第1章绪论

控制测量是科学研究、⼯程建设的基础性⼯作，其精度的⾼低直接决定着国家基准、⼯程项⽬的准确与否。控制测量⼯作在不

同的阶段有着不同的⼯作内容与要求，应该根据国家控制⽹的等级、⼯程建设的进度，选择合适的⽅法。

1.1控制测量学的基本概念

1.1.1控制测量学的定义与分类

“从整体到局部，先控制后碎部”是测量⼯作的基本原则，其中，“控制”指的就是控制测量。控制测量是测绘⼯作中最为重要的

环节之⼀，在测绘⼯作，乃⾄整个⼯程中都发挥着重要的作⽤。所谓控制测量，是指在⼀定区域内，按测量任务所要求的精

度，测定⼀系列地⾯标志点(控制点)的⽔平位置或⾼程，建⽴平⾯控制⽹或⾼程控制⽹的测量⼯作。

在进⾏控制测量⼯作时，需要以数学、测量学、测量平差、⼤地测量学等学科为基础，共同为建⽴控制⽹、测定地⾯点位⽽服

务，由此形成控制测量学。

控制测量学是研究精确测定和描绘地⾯控制点空间位置及其变化的学科。控制测量学是在⼤地测量学基本理论基础上，以⼯程

建设和社会发展与安全保证的测量⼯作为主要服务对象⽽发展和形成的，为⼈类社会活动提供有⽤的空间信息。因此，从本质

上说，它是地球⼯程信息学科，是地球科学和测绘学中的⼀个重要分⽀，是⼯程建设测量中的基础学科，也是应⽤学科。在测

量⼯程专业⼈才培养中占有重要的地位。

控制测量按照⼯作⽤途分类可以分为⼤地控制测量和⼯程控制测量两类：在⼀个或⼏个国家及⾄全球范围内布设⾜够的⼤地控

制点，将这些⼤地控制点以⼀定的关系连接构成⼤地控制⽹，按照统⼀的规程、规范所进⾏的控制测量，称为⼤地控制测量；

为了某项⼯程的设计、施⼯、运营管理等需要，在较⼩区域内布设⾜够的控制点，将控制点以⼀定的关系连接构成⼯程控制

⽹，按照国家或部门颁布的规程、规范所进⾏的控制测量，称为⼯程控制测量。

控制测量按照⼯作内容分类可以分为平⾯控制测量和⾼程控制测量两类：测定控制点平⾯位置(x,y)的⼯作称为平⾯控制测量；

测定控制点⾼程(H)的⼯作称为⾼程控制测量。

1.1.2控制测量学的任务与作⽤

从⼴义上来讲，控制测量学要为研究地球(或其他星体)的形状与⼤⼩提供基准与起算数据，⽽从狭义上来说，控制测量主要为

⼯程建设⽽服务，根据⼯程施⼯的不同阶段，发挥着不同的作⽤。

控制测量学

⼀般的，⼀项⼯程从设计到竣⼯，可以分为勘察设计、⼯程施⼯和运营管理三个阶段，在不同阶段具有不同的特点，因此，在

不同的阶段，⼯程控制测量有着不同的⼯作任务。

1.勘察设计阶段

在⼯程的勘察设计阶段，设计⼈员需要获得施⼯区域及周边的⼤⽐例尺地形图，并以地形图为基础，进⾏⼯程所需要的地质勘

察、区域规划和建筑物设计，并从地形图上获取设计所需要的各项数据。作为此阶段重要数据来源的⼤⽐例尺地形图，在测绘

之前为了满⾜测图精度的要求，需要根据测区⼤⼩、地理位置、地物地貌的特点及地形图的⽐例尺建⽴相对应的图根控制⽹，

以确保图中任意碎部点的点位精度都符合要求以及各图幅之间能够准确拼接。

2.⼯程施⼯阶段

这⼀阶段的主要任务是将图纸上设计的建筑物、道路、设施、管线等放样到实地中去。放样，即测设，是根据控制点数据和设

计数据反算得到的⽅向、距离、⾼差等放样元素，在实地标记出建筑物的平⾯位置和⾼程，放样包括平⾯位置放样和⾼程放

样。由于⼯程建筑物形式多样，区域建筑物的设计位置和放样要求也不尽相同，例如，桥梁施⼯要确保桥轴线⽅向的精度⾼于

其他⽅向、地下⼯程的纵向精度要⾼于横向精度、超⾼层建筑要使建筑物的主要轴线位置⼗分精确等，因此，为了保证施⼯放

样的精度和整体性，需要建⽴满⾜施⼯要求，特别是关键部位施⼯要求的具有必要精度的施⼯控制⽹。

3.运营管理阶段

在⼯程施⼯过程中，⼯程建设破坏了地⾯和地下⼟体的原有状态，地⾯荷载急剧增⼤，改变了地基的⼟⼒学性质，地基及其周

围地层可能发⽣不均匀变化，进⽽引发建筑物的沉降、⽔平位移、倾斜等变形，如果变形值超过⼀定的限度或变形速率过快，

就可能导致地基和建筑物失稳，影响⼯程的施⼯安全。当⼯程竣⼯后，在运营管理阶段，由于建筑物内部荷载变化以及环境变

化等诸多因素的影响，地基及其周围地层也会发⽣⼀定的变化，加之建筑结构和材料的⽼化，⼯程建筑物也会发⽣⼀定的变

形，如果变形超过⼀定的量值，将影响⼯程的运营安全。因此，对于⼤型⼯程，应该定期地进⾏变形监测。由于⼯程变形监测

的项⽬较多，监测点分布于建筑物各个位置上，依靠⼀个或少数⼏个控制点难以完成全部监测⼯作，监测数据的准确性也难以

保证，⽽且建筑物的变形量都⼗分微⼩。因此，需要建⽴能够满⾜各项变形监测⼯作要求的⾼精度变形监测控制⽹，并需要对

控制⽹进⾏定期的复测，以确保变形监测结果的准确性。

控制测量学不仅仅是各类⼯程建设中不可替代的⼀个环节，在其他⽅⾯，控制测量学也发挥着重要的作⽤。⾸先，地形图是⼀

切经济建设和城市规划发展所必需的基础性资料，为了测制地形图需要布设全国范围内或局域性的⼤地测量控制⽹，因此，必

须建⽴合理的⼤地测量坐标系以及确定地球的形状、⼤⼩及重⼒场等参数。其次，控制测量学在防灾、减灾、救灾及环境监

测、评价与保护中发挥着特殊的作⽤。近年来，地震、洪⽔、泥⽯流、海啸等⾃然灾害频繁发⽣，给⼈们的⽣命财产造成了巨

⼤损失。各类⾃然灾害表⾯看来具有突发性和不确定性，但是，如果能够对⾃然灾害⾼发区或有隐患的区域进⾏长期不间断的

监测，便

第1章绪论

可以对⼤多数的⾃然灾害进⾏预报或预警，⼤⼤减少灾害发⽣时⼈员伤亡和财产损失。⽆论何种监测⼿段与技术，都需要以⾼

精度的控制⽹为基础，才能展开相应的监测⼯作。另⼀⽅⾯，在灾害发⽣后，灾情的评估、灾区的救援以及灾后的重建都需要

以控制⽹为基础获取相应的数据。最后，控制测量在发展空间技术和国防建设中，在丰富和发展当代地球科学的有关研究中，

以及在发展测绘⼯程事业中，都将发挥着越来越重要的作⽤。

1.2控制⽹的布设⽅法

1.2.1平⾯控制⽹的布设⽅法

平⾯控制⽹由于受到测区范围、精度要求、通视条件、植被状况等多种因素的影响，有多种布⽹⽅法可供选择，⽬前，平⾯控

制⽹常⽤的布⽹⽅法主要有三⾓测量、导线测量、GNSS测量等。

1.三⾓测量

1)⽹形

如图1-1所⽰，在地⾯上选埋⼀系列点A、B

……尽量保持相邻点之间通视，将它们按基本图形即三⾓形的形式连接起来，构成三⾓⽹。图中实线

表⽰对向观测，虚线表⽰单向观测，单线代表未知边，双

线代表已知边。如果观测元素仅为⽔平⾓(或⽅向)，该⽹

称为测⾓⽹；如果观测元素仅为边长，该⽹称为测边⽹；

如果观测元素既有⽔平⾓(或⽅向)⼜有边长，该⽹称为边

⾓⽹。边⾓⽹的观测元素可为全部⾓度(或⽅向)和全部边

长、全部⾓度(或⽅向)和部分边长、全部边长和部分⾓度(或

⽅向)、部分⾓度(或⽅向)和部分边长。

2)坐标计算原理

以图1-1为例，在ABI△中，已知A点的平⾯坐标(,)AAxy、点A⾄点B的边长ABS、坐标⽅位⾓αAB，先根

据⾓度观测值推算三⾓形各边的坐标⽅位⾓，然后根据正

弦定理计算AI的边长：

sinsinAIABBSSI

=(1-1)最后，根据A点坐标、AI边的边长和坐标⽅位⾓求解I点坐标：

cossinαα=+??=+?IAAIAIIAAIAIxxSyyS(1-2)

3)起算数据和推算元素

为了得到所有三⾓点的坐标，必须已知三⾓⽹中某⼀点的起算坐标(,)AAxy、某⼀起算边

图1-1三⾓⽹

控制测量学

长ABS和某⼀边的坐标⽅位⾓AB，它们统称为三⾓测量的起算数据或起算元素。在三⾓点上

观测的⽔平⾓(或⽅向)是三⾓测量的观测元素。由起算元素和观测元素的平差值推算出的三⾓形边长、坐标⽅位⾓和三⾓点的

坐标统称为三⾓测量的推算元素。

对于控制⽹的起算数据⼀般可通过以下⽅法获得。

(1)起算坐标。若测区附近有⾼等级控制点，则可联测已有的控制点传递坐标；若测区附近没有可利⽤的控制⽹点，则可在⼀

个三⾓点上⽤天⽂测量⽅法测定其经纬度，再换算成⾼斯平⾯直⾓坐标作为起算坐标。对于⼩测区或保密⼯程，可假定其中⼀

个控制点的坐标，即采⽤任意坐标系。

(2)起算边长。当测区内有⾼等级控制⽹点时，若其精度满⾜项⽬的要求，则可利⽤已有⽹的边长作为起算边长；若已有⽹的

边长精度不能满⾜测量要求或⽆已知边长可利⽤，则可采⽤⾼精度电磁波测距仪按照精密测距的⽅法直接测量控制⽹中的⼀条

边或⼏条边边长作为起算边长。

(3)起算⽅位⾓。当测区附近有⾼等级控制⽹点时，可由已有⽹点传递坐标⽅位⾓。若⽆已有成果可利⽤，可⽤天⽂测量⽅法

测定⽹中某⼀条边的天⽂⽅位⾓，再换算为坐标⽅位⾓，特殊情况下也可⽤陀螺经纬仪测定陀螺⽅位⾓，再换算为起算坐标⽅

位⾓。

如果三⾓⽹中只有必要的⼀套起算元素(如⼀个点的坐标、⼀条边长、⼀个坐标⽅位⾓)，则该⽹称为独⽴⽹；如果三⾓形⽹中

有多于必要的⼀套起算元素，则该⽹称为⾮独⽴⽹。当三⾓形⽹中有多套起算元素时，应对已知点的相容性作适当的检查。

4)三边⽹和边⾓⽹

三边⽹的⽹形结构与三⾓⽹相同，只是观测量不是⾓度⽽是边长，三⾓形各内⾓是通过三⾓形余弦定理计算⽽得到的。⽽边⾓

⽹是指在三⾓⽹只测⾓的基础上加测部分或全部边长。

三⾓⽹、三边⽹和边⾓⽹中，三⾓⽹早在17世纪即被采⽤。随后经过前⼈不断研究与改进，⽆论从理论上还是实践上都逐步

形成⼀套较完善的控制测量⽅法，称为“三⾓测量”。由于这种⽅法主要使⽤经纬仪完成⼤量的野外观测⼯作，所以在电磁波测

距仪问世之前，三⾓⽹以其图形简单、⽹的精度较⾼、有较多的检核条件、易于发现观测中的粗差、便于计算等优点成为布设

各级控制⽹的主要形式。然⽽，三⾓⽹也存在着⼀定的缺点，例如在平原地区或隐蔽地区易受障碍物的影响，布⽹困难⼤，有

时不得不建造较⾼的觇标，布⽹效率低，平差计算⼯作量较⼤等，这些缺点在⼀定程度上制约着三⾓⽹的发展和应⽤。

随着电磁波测距仪的不断完善和普及，边⾓⽹逐渐得到⼴泛的应⽤。由于完成⼀个测站上的边长观测通常要⽐⽅向观测容易，

因⽽在仪器设备和测区通视条件都允许的情况下，也可布设完全的测边⽹。在精度要求较⾼的情况下，例如精密的变形监视测

量，可布设部分测边、部分测⾓的控制⽹或者边、⾓全测的控制⽹。

2.导线测量

如图1-2所⽰，将测区内相邻控制点连成直线⽽构成的折线称为导线，导线测量就是依次测定各导线边的边长和转折⾓值，再

根据起算数据，推算各导线点的坐标。导线包括单⼀导线和具有⼀个或多个节点的导线⽹。导线⽹中的观测值是⾓度(或⽅向)

和边长。若已知导线⽹的起算元素，即⾄少⼀个点的平⾯坐标(,)xy、与该点相连的⼀条边的边长和⽅位⾓，

第1章绪论

便可根据起算元素和观测元素进⾏平差计算，获得

各边的边长、坐标⽅位⾓和各点的平⾯坐标，并进

⾏导线⽹的测量精度评定。

导线⽹起算元素的获取⽅法与三⾓⽹相同。

同样的，如果导线⽹中只有必要的⼀套起算元素，

则该⽹为独⽴导线⽹；如果导线⽹中的起算元素多

于必要的⼀套，则该⽹为⾮独⽴导线⽹。当导线⽹中有多套起算元素时，应对已知点的相容性作适当的检查。

导线⽹与三⾓⽹相⽐，主要有以下优点：

(1)导线⽹中各点上的⽅向数较少，除节点外，均只有两个观测⽅向，因此受通视要求的限制较⼩，易于选点和布⽹。

(2)导线⽹较为灵活，选点时可根据具体情况随时改变，特别适合于障碍物较多的平坦地区或隐蔽地区。

(3)导线⽹中的边长都是直接测定的，因此边长的精度较为均匀。

但是导线⽹也存在着⼀定的缺点，例如，其结构简单、检核条件较少，有时不易发现观测中的粗差，因此其可靠性和精度均⽐

三⾓⽹低。由于导线⽹是采⽤单线⽅式推进的，因此其控制⾯积也不如三⾓⽹⼤。

测量

GNSS的全称是全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem)，它泛指所有的卫星导航系统。

采⽤GNSS技术建⽴的平⾯控制⽹，称为GNSS⽹。⽹形的设计主要取决于接收机的数量和作业⽅式。如果只有两台接收机

进⾏同步观测，则⼀次只能测定⼀条基线向量。如果能有三台接收机进⾏同步观测，则⼀般可以布设成如图1-3所⽰的点连式

控制⽹。如果能有四台或更多接收机进⾏同步观测，则⼀般可以布设成如图1-4所⽰的边连式控制⽹或者⽹连式控制⽹。

图1-3点连式GNSS⽹图1-4边连式GNSS⽹在进⾏GNSS测量时，也可以在⽹的周围设⽴两个以上的基准点，在观测过程

中，基准点上始终安放GNSS接收机进⾏观测，最后取逐⽇观测结果的平均值，这样可以显著提⾼基线观测的精度，并以此

作为固定边来处理全⽹的成果，将有利于提⾼全⽹的精度。

图1-2导线⽹

控制测量学

GNSS测量具有精度⾼、速度快、全天候、操作简单等优点，⽽且GNSS⽹布⽹较为简单，灵活性较⼤，控制点间⽆须通视，

对控制⽹的⽹形也没有过多的要求，⽬前已成为建⽴平⾯控制⽹最常⽤的⽅法。但是，GNSS测量也存在⼀定的弊端，如在树

⽊茂密、城市街区、⼚房内部等⾼空遮挡严重的地区，观测效果较差或者⽆法观测。⽽且GNSS观测精度受到⾼电压、强磁

场、⼤⾯积⽔域等诸多因素的影响，并不能时时处处都发挥着⾼精度的优势，需要在实际⼯作中加以注意，尽量避开不利地

区，同时可以加强相关理论的研究与改进。

1.2.2⾼程控制⽹的布设⽅法

⾼程控制⽹按照精度由⾼到低可以分为⼀、⼆、三、四等四个等级，每个等级有其对应的应⽤范围。⾼程控制⽹主要有⽔准

⽹、测距三⾓⾼程⽹、GNSS⾼程⽹三种形式。

1.⽔准⽹

⽔准⽹是⽬前⾼程控制⽹中最常⽤的⼀种布设形式，包括单⼀⽔准路线和具有⼀个或多个节点的⽔准⽹，⽔准⽹具有精度⾼、

图形设计灵活、易于选点等优点，可以⽤于各个等级的⾼程控制⽹。

⽔准⽹中的⾼程起算点通常采⽤已知的⾼等级⾼程控制点，如果是⼩测区且与已知⾼程控制点联测有困难时，视情况可采⽤假

定⾼程。如果⽔准⽹中只有⼀个已知⾼程点，则该⽹为独⽴⽔准⽹；如果⽔准⽹中的已知⾼程点多于⼀个，则该⽹为⾮独⽴⽔

准⽹。在实际⼯作中，为了确保成果的准确性，⼀般均要求采⽤⾮独⽴⽔准⽹，⽔准⽹中的已知⾼程点个数⼀般不少于2～3

个。当⽔准⽹中有多个已知⾼程点时，应对已知⾼程点的准确性和稳定性作适当的检查。

2.测距三⾓⾼程⽹

测距三⾓⾼程是指通过观测测站点⾄照准点的竖直⾓，再⽤电磁波测距仪测取此两点间的距离，根据平⾯三⾓公式计算此两点

间的⾼差，进⽽推求待定点⾼程的⽅法。按照此⽅法布设的⾼程控制⽹称为测距三⾓⾼程⽹。

根据控制⽹的⽤途和精度要求，测距三⾓⾼程⽹主要⽤于⾼差较⼤、⽔域较多等⽔准测量实施难度⼤的测区。测距三⾓⾼程⽹

可以单独布设，但通常在平⾯控制⽹的基础上布设，或在导线⽹的基础上布设成测距三维导线⽹。为了提⾼观测精度，测距三

⾓⾼程⽹中的点间⾼差应采⽤对向观测，当垂直⾓和⽔平距离的直觇测量完成后，应即刻迁站进⾏反觇测量。当仅布设⾼程导

线时，也可采⽤全站仪中点法测量⾼差。

随着精密电磁波测距仪的出现与发展，测距精度越来越⾼，测距三⾓⾼程测量的精度也逐步提⾼，使得测距三⾓⾼程⽹替代

三、四等⽔准测量成为可能。当其替代四等⽔准时，测距三⾓⾼程导线应起算于不低于三等⽔准的⾼程点；当其替代三等⽔准

时，测距三⾓⾼程导线应起算于不低于⼆等⽔准的⾼程点。⽽在上述两种情况下，测距边长都不应⼤于1km，⾼程导线的路线

长度不应超过相应等级⽔准路线的长度限值。⽬前，随着技术的发展和仪器的进步，⼈们正在研究如何利⽤精密测距三⾓⾼程

测量替代⼆等⽔准测量。

第1章绪论

⾼程⽹

GNSS⾼程⽹⼀般⽤于四等或等外的⾼程控制测量。GNSS⾼程⽹宜在平⾯控制⽹的基础上布设，与平⾯控制点共⽤⼀个测量

标志。GNSS⾼程⽹应与三等及以上的⽔准点联测，对联测的⽔准点应进⾏可靠性检验，联测的GNSS⾼程点应覆盖整个测

区。联测点数应⼤于⾼程拟合计算模型中未知参数个数的1.5倍，⾼差较⼤的测区应适当增加联测点数。GNSS⾼程测量应遵

循GNSS测量的技术要求。

GNSS⾼程拟合应充分利⽤当地的重⼒⼤地⽔准⾯模型及资料，GNSS⾼程拟合模型应进⾏优化，拟合点不应超过拟合模型所

覆盖的范围。对GNSS⾼程拟合点应进⾏检测，检测点数⼀般不少于全部⾼程点的10%且不少于3个点，⾼差检测可采⽤相应

等级的⽔准测量或测距三⾓⾼程测量，⾼差较差不应⼤于D，其中，D为检测路线的长度，单位为km。

1.3控制测量学的发展概况

控制测量学作为测绘领域中的基础学科之⼀，与各门学科、各项技术的发展均密切相关，相关领域的任何⼀项进步与⾰新均会

给控制测量学带来变⾰。控制测量学的发展主要体现在测绘新仪器、新技术的发展及数据计算与管理⽅法的发展等⽅⾯。

1.3.1测量技术的发展

控制测量学离不开测量仪器，⽆论是图根控制⽹，还是施⼯控制⽹，或者是变形监测控制⽹，在控制⽹的布设过程中均需要有

先进⽽精密的测量仪器作为观测⼯具，因此，从古⾄今，测量仪器的发展带动了控制测量技术的变⾰。

1.精密测⾓仪器的发展

控制测量学中⾓度的测量离不开经纬仪，⽽且在过去距离测量主要依靠钢尺的情况下，难以获得⾼精度的测距结果，控制⽹主

要是依靠经纬仪测量⾓度来完成布设。

经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系。在15—16世纪，英国、法国等⼀些发达国家，因为航海和战争的原因，需要绘制

各种地图、海图，以此为动机便发明了经纬仪。第⼀台经纬仪是由英国机械师西森(Sisson)约于1730年⾸先研制的。后经改进

成型，正式⽤于英国⼤地测量中。直⾄1922年，玻璃度盘的经纬仪出现后，现代经纬仪才开始投⼊⼴泛应⽤。1921年，瑞⼠

Wild公司研制了全球第⼀台光学经纬仪T2，为测绘仪器指明了新的发展⽅向。20世纪50年代，经纬仪出现了竖直度盘指标⾃

动归零补偿器，⽤以替代竖直度盘指标⽔准管，⼤⼤提⾼了竖直⾓观测的精度，并减弱了⼈为原因对竖直⾓观测精度的影响。

同⼀时期，光学对中器的出现⼤⼤提⾼了对中的精度，使对中精度由3mm提⾼⾄0.5～1mm。20世纪50年代末，随着电⼦技术

的发展，出现了电⼦光栅度盘和电⼦编码度盘，电⼦经纬仪也应运⽽⽣，极⼤地提⾼了测⾓精度。由于经纬仪的不断发展，测

⾓精度的不断提⾼，在整个20世纪，控制⽹的布设⼀直以三⾓⽹为主。

控制测量学

2.精密测距仪器的发展

距离测量是⼈类最古⽼的测量内容之⼀，建⽴⾼精度的⽔平控制⽹，需要精密测定控制⽹的边长。长期以来，距离测量都是以

钢尺类仪器作为测量⼯具，⼯作效率低，精度不⾼。若需要进⾏精密测距，⼀般采⽤因⽡尺进⾏测量，虽然因⽡尺量距可以达

到很⾼的精度，但是测距⼯作受到地形条件的限制较⼤，速度慢，效率低，⼯作量⼤。

1947年，瑞典AGA公司初步研制成功世界上第⼀台电磁波测距仪，命名为“⼤地测距仪”，它以⽩炽灯作为载波源，以10MHz

⾼频调制波作为测距信号。基于该测距仪，该公司于1953年研制成功第⼀台远程光速测距仪NASM-1，并于1955年改进为

NASM-2A型光速测距仪，它由测距装置和光学装置两⼤部件构成，测距时，两⼤部件组成⼀个重达94kg的整机，还需要⽤⼏

⼗公⽄重的发电机供电，操作⼗分不便。NASM-2A型测距仪采⽤⾼频测相⽅案，由可变光路和电延迟期共同提供距离观测

值。测量时，在测线⼀端架设仪器，在测线的另⼀端安置反射棱镜阵列即可直接测出该测线的距离。它的测程可达到30余公

⾥。

1960年美国⼈梅曼研制成功了世界上第⼀台红宝⽯激光器，第⼆年就产⽣了世界上第⼀台激光测距仪；1969年，瑞⼠Wild公

司采⽤砷化镓发光管发射的红外光代替普通光源，推出了世界上第⼀台红外测距仪DI10；1968年，德国OPTON公司和瑞典的

AGA公司，在光电测距和电⼦测⾓的基础上，研制⽣产出世界上第⼀台全站仪，该全站仪由电⼦经纬仪、电磁波测距仪、数

据记录仪、反射镜和电源等部分组成，是现代全站仪的雏形。随后，电⼦全站仪进⼊了飞速发展阶段，特别是20世纪90年代

中后期和进⼊21世纪以来，全站仪的测⾓、测距精度逐步提⾼。⽬前，全站仪的测距精度可以达到±0.6mm+1ppm，测⾓精度

可达0.5''

±。在精度不断提⾼的同时，全站仪也向⼀体化、⾃动化、综合化等⽅向发展，⾃动化测量、与GNSS相结合的超站仪也已投

⼊实际应⽤。

测距仪和全站仪的产⽣与发展，进⼀步促进了测量向⾃动化、数字化⽅向发展，同时，由于测距⼯作变得越来越容易⽽且精度

越来越⾼，使得测边⽹、边⾓⽹、导线⽹成为20世纪末期和21世纪初期控制⽹布设的主要⽅法。

3.精密⾼程测量仪器的发展

⾼程测量是测量⼯作中的重要环节，⾼程测量中最主要的⽅法是⽔准测量，所以，⽔准仪的发展对⾼程测量的精度起着决定性

的作⽤。

⽔准仪的雏形出现得较早，早在17世纪，望远镜和⽔准器发明之后便出现了最早的⽔准仪。19世纪末20世纪初，在制作出内

调焦望远镜和符合⽔准器的基础上⽣产出了微倾式⽔准仪。从1908年开始，瑞⼠Wild公司和德国Zeiss公司⽣产了⼀系列带有

平⾏玻璃板测微器的精密⽔准仪和配套的铟⽡⽔准标尺，⼤⼤提⾼了⽔准测量的精度。20世纪50年代初期，德国的OPTON公

司和Zeiss公司相继推出了⾃动安平⽔准仪，降低了⽔准测量的劳动强度，极⼤地提⾼了测量的效率。

随着电⼦技术的发展，1990年，瑞⼠Wild公司推出了全球第⼀台数字⽔准仪NA2000，它集电⼦光学、图像处理、计算机技术

于⼀⾝，具有测量速度快、精度⾼、使⽤⽅便、劳动强度低、实现内外业⼀体化等特点，可以实现⽔准测量的读数、记录与数

据处理的⾃动化，有效提⾼了⽔准测量的速度和精度。从此之后，数字⽔准仪进⼊了飞速发展阶段，Trimble、

第1章绪论

Zeiss等公司也相继研发了数字⽔准仪。数字⽔准仪的诞⽣给⽔准测量带来了巨⼤的变⾰，使⾼精度、⾼速度、⾼效率完成⽔

准测量⼯作成为可能。

另外，随着全站仪精度的不断提⾼，电磁波测距三⾓⾼程测量在⾼程测量中也⽇益发挥着重⼤的作⽤，经过严密的计算与改

正，电磁波测距三⾓⾼程测量已经达到了三、四等⽔准测量的精度，在条件较好的区域甚⾄于能达到⼆等⽔准测量的精度要

求。

4.空间技术的发展对控制测量学的影响

20世纪70年代，美国国防部开始研制全球性的授时测距定位导航系统(GPS)，⼏乎同⼀时期，苏联也开始研制相似的全球卫星

导航系统(GLONASS)。1995年，美国的GPS建成并投⼊使⽤，1996年，GLONASS满星座运⾏，但随着卫星寿命达到设计年

限⽽后续卫星没有及时补充，GLONASS并没有⼤⾯积的实际应⽤。进⼊21世纪之后，欧盟决定开始建设伽利略全球卫星导航

系统(Galileo)，以摆脱美国GPS的控制。随后，中国也加⼊到卫星定位系统的⾏列，开始建设北⽃卫星导航定位系统

(COMPASS)，⽬前在亚太地区，“北⽃”已经具备导航、定位等功能，并预计于2020年覆盖全球。

GPS、GLONASS、Galileo、COMPASS四套卫星定位系统统称为全球导航卫星系统(GNSS)，GNSS的出现给控制测量学带

来了巨⼤的变⾰，它以全天候、⾼精度、⾼效率、多功能、操作简便等特点迅速得到了⼴泛的应⽤，使传统的三⾓⽹、边⾓⽹

受到了极⼤的冲击。⽬前，⼤部分的平⾯控制⽹均采⽤GNSS⽅法布设，⼯作效率⼤⼤提⾼，极⼤地降低了控制测量⼯作的劳

动强度。

1.3.2数据计算与管理⽅法的发展

控制⽹的优化设计是传统控制测量⼯作中的重要环节，优化设计的结果直接关系到最终控制⽹的精度与质量，控制⽹的优化设

计计算量⼤、⽅法复杂，⼀直以来都是学者重点研究与改进的领域。

1968年，t发表了《合理测量之研究》，end等⼈在这⽅⾯进⾏了较为深⼊的研究，尽管观测权的最佳分配

和交会图形的最佳选择等问题得到研究，但由于科学技术和计算⼯具等条件的限制，优化设计并没有得到进⼀步的发展。20

世纪70年代之后，由于电⼦计算机在测量中的⼴泛应⽤和最优化理论进⼊测量领域的研究，测量控制⽹优化设计才得到迅速

的发展。其理论和⽅法也从⼀般⼯程控制⽹扩展到精密⼯程控制⽹、变形监测⽹等专⽤测量控制⽹，主要的研究范围包括控制

⽹的基准设计、图形设计、权设计、原⽹改进设计等⽅⾯。控制⽹优化设计往往同观测数据的数学处理结合在⼀起进⾏。其⽅

法是在统⼀的多功能的软件包上，既可进⾏控制⽹的优化设计，也可实现观测数据的相应处理。

除了控制⽹的优化设计之外，控制⽹的平差和数据可靠性的检验⼀直是测量界理论研究的另⼀⼤⽅⾯。1794年，⾼斯

()创⽴了经典最⼩⼆乘理论，马尔科夫()于1912年提出了⾼斯-马尔科夫模型，确⽴了最⼩⼆乘经典平差

的基本⽅法。建⽴在⾼斯-马尔科夫模型基础上的经典平差与数据处理理论，将测量误差视为服从正态分布规律的偶然误差。

控制测量学

根据这⼀规律，不仅可以对观测数据进⾏平差处理，还可以利⽤假设检验的基本思想对观测值中所存在的粗差进⾏探测。这⼀

思路可以追溯⾄1968年，荷兰的巴尔达()发表论⽂《⽤于⼤地⽹的检验过程》，提出了⽤于粗差检验的数据探测

法，奠定了粗差检验理论研究的基础。随后各国学者针对粗差探测都进⾏了深⼊的研究，先后提出了“丹麦法”、“拟准检定

法”、“⼩波变换法”等⽅法，我国的李德仁院⼠于1982年提出了“选权迭代法”，其能够更加准确地对粗差进⾏探测，被国际测量

界称为“李德仁法”。

随着计算机的出现与发展，测量数据处理的⽅法也在不断地改进。传统的测量数据处理⽅法要考虑⼈⼯计算的可⾏性，往往⽆

法采⽤过于复杂的算法，⽽引⼊电⼦计算机辅助计算后，算法的复杂性可以忽略，更多要考虑的是算法的准确性。计算机辅助

计算将测量⼯作者从繁重的数据计算中解放出来，既降低了劳动强度，⼜提⾼了计算的精度，同时⼏乎完全避免了⼈⼯计算出

错的可能。计算完成后，所有的数据均可⽅便地存⼊数据库中，便于数据的管理与应⽤。

1.3.3我国控制测量技术的发展

新中国成⽴后，我国的测量⼯作迅速起步，并快速发展。1956年，国家测绘总局成⽴，随即颁布了⼤地测量法式和相应的规

范细则，以此为依据在全国范围内进⾏国家控制⽹的布设与复测。我国的控制⽹主要分为平⾯控制⽹、⾼程控制⽹、重⼒基本

⽹和GPS控制⽹。各个控制⽹均经过了不断地布设与完善，控制点数量逐渐增多，精度逐渐提⾼。

国家平⾯控制⽹是确定地貌地物平⾯位置的坐标体系，按控制等级和施测精度分为⼀、⼆、三、四等⽹。⽬前提供使⽤的国家

平⾯控制⽹含三⾓点、导线点共154348个，构成1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、2000年国家⼤地坐标系三套系

统。

国家⾼程控制⽹是确定地貌地物海拔⾼程的坐标系统，按控制等级和施测精度分为⼀、⼆、三、四等⽹。⽬前提供使⽤的

1985年国家⾼程系统共有⽔准点成果114041个，⽔准路线长度为416619.1公⾥。

国家重⼒基本⽹是确定我国重⼒加速度数值的坐标体系。重⼒成果在研究地球形状、精确处理⼤地测量观测数据、发展空间技

术、地球物理、地质勘探、地震、天⽂、计量和⾼能物理等⽅⾯有着⼴泛的应⽤。⽬前提供使⽤的2000年国家重⼒基本⽹包

括21个重⼒基准点和126个重⼒基本点。

“2000年国家GPS控制⽹”由国家测绘局布设的⾼精度GPSA、B级⽹，总参测绘局布设的GPS⼀、⼆级⽹，中国地震局、总参

测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测⽹组成。该控制⽹整合了上述三个⼤型的、有重要影响⼒的GPS

观测⽹的成果，共2609个点。通过联合处理将其归于⼀个坐标参考框架，形成了紧密的联系体系，可满⾜现代测量技术对地

⼼坐标的需求，同时为建⽴我国新⼀代的地⼼坐标系统打下了坚实的基础。

随着电磁波技术、电⼦测⾓技术、计算机技术等技术的飞速发展，传统的常规测量⼯作正在向⾃动化、智能化、⼀体化、数字

化、⽹络化、可视化等⽅向发展，同时，空间技术、卫星定位技术的发展给控制测量⼯作带来了新的发展空间，远程测量、⾮

接触式测量、全天候测量等新的测量⽅式正在改变着控制测量的⼯作⽅式。科技的进步、技术的改进、⼯作的

第1章绪论

需求将会推动着控制测量⼯作的进⼀步发展，测量的精度也将越来越⾼，功能将越来越强，速度将越来越快，成果的适⽤性将

越来越⼴。

习题

1.名词解释：控制测量、控制测量学。

2.控制测量有哪些分类⽅式？按照不同的分类⽅式各分为哪⼏类？

3.控制测量在⼯程建设三个阶段的具体任务是什么？

4.布设平⾯控制⽹的基本⽅法有哪些？请简述各种⽅法的优缺点。

5.⽬前主流的平⾯控制测量的⽅法是什么？

6.布设⾼程控制⽹的基本⽅法有哪些？请简述各种⽅法的优缺点。

7.请简述控制测量技术的发展概况。