工程测量--第2章工程控制网理论与方

2019/8/101工程测量学第二章工程控制网理论与方法主要内容2.1概述2.2工程测量坐标系统2.3工程控制网的基准2.4坐标变换与基准变换2.5工程控制网的建立2019/8/102本次课重点内容：（1）工程控制网的分类、作用和建网步骤（2）施工平面控制网特点（3）常用坐标系：空间直角坐标系、空间大地坐标系、平面直角坐标系、地心大地坐标系与地球参心坐标系2019/8/1032.1概述2.1.1测量控制网的分类2.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤2.1.3测图控制网2.1.4施工控制网2.1.5变形监测网2.1.6安装测量控制网2019/8/104测量控制网由位于地面的一系列控制点构成，控制点的空间位置是通过已知点的坐标及控制点之间的边长（或空间基线）、方向（角度）或（和）高差等观测量确定的。全球控制网：由国际组织在全球范围建立的大地测量参考框架，主要用于确定、研究地球的形状、大小及其运动变化。及确定和研究地球板块运动等。2019/8/1052.1.1测量控制网的分类2019/8/106国家控制网由各国测绘部门建立的区域性大地测量参考框架。提供全国范围内的统一地理坐标系统；保证国家基本图的测绘和更新；满足大比例尺测图的精度要求；为精密地确定地面点的位置提供已知点的及其特定坐标系下的坐标。工程控制网是工程项目的空间位置参考框架，是针对某项具体工程建设测图、施工或管理的需要，在一定区域内布设的平面和高程控制网。2.1.1测量控制网的分类2019/8/107一、分类按用途分：测图控制网施工（测量）控制网变形监测网安装（测量）控制网2.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤2019/8/108按网点性质分：一维网（或称水准网、高程网）二维网（或称平面网）三维网按施测方法划分：测角网测边网边角网GPS网2.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤按坐标系和基准分为附合网（约束网）独立网经典自由网自由网2019/8/1092.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤2019/8/1010按其他标准划分：首级网加密网特殊网专用网（如隧道控制网、建筑方格网、桥梁控制网等）2.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤2019/8/1011二、作用工程控制网也具有控制全局、提供基准和控制测量误差积累的作用。三、建网步骤遵循大地测量学的原理，要有坐标系和基准要构成网要逐级布设等。2.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤步骤主要是：①确定控制网的等级；②确定布网形式；③确定测量仪器和操作规程（国家或行业规范）④在图上选点构网，到实地踏勘；⑤埋设标石、标志；⑥外业观测；⑦内业数据处理；⑧提交成果。2019/8/10122.1.2工程控制网的分类、作用和建网步骤2019/8/1013作用：控制测量误差的累积；保证图上内容的精度均匀；相邻图幅正确拼接。测图控制网的精度是按测图比例尺的大小确定的，通常应使平面控制网能满足1:500比例尺测图精度要求。2.1.3测图控制网2019/8/1014测图控制网的等级：二\三\四等三角网；一\二级小三角网；一\二\三级导线网；一\二级导线。GPS首级网@加密网尽量减少布网的层次，且一次性加密，便于控制起始数据误差的影响，也使加密点精度趋于均匀；@GPS技术的优势，首级、加密GPS或者首级GPS，加密传统方法；2.1.3测图控制网2019/8/1015测图控制网中的大比例尺高程控制网：方法：通常是水准测量；等级：二\三\四级；精度：规范对不同等级有不同要求；三角高程代替水准时注意：@斜距=1km；@有利时间观测，需往返测且往返时间短，两台仪器对测；@各控制点的高程观测应组成闭合环以增加平差条件；@角度、仪器及标靶按规范观测。2.1.3测图控制网2.1.4施工控制网2019/8/1016平面控制网根据地形条件布设：三角、边角网：起伏较大或跨越江河的地区；导线网：平坦但通视困难的地区；建筑方格网:建筑物或工业场区多为规则矩形的地区；GPS网：主流布网形式；GPS网与地面网相结合的混合网:高精度的施工控制网。1)控制的范围较小，控制点的密度较大，精度要求较高；范围：点尽量控制整个区域，满足放样需要。大型水利枢纽工程20km2,中小型10km2,工业场地1km2。精度高：点分布不均会导致边长相差大；放样建筑物的轴线，偏差限制严格。2)使用频繁；稳定性、使用方便性及点位在施工期间的保存3)受施工干扰大；施工控制网的布设是工程的一部分，考虑布置情况及施工程序、方法；点位分布及密度恰当，施工总平面图做点位标记。2019/8/10172.1.4施工控制网--施工平面控制网特点2019/8/10184)控制网的坐标系与施工坐标系一致；施工坐标系，就是以建筑物的主要轴线作为坐标轴而建立起来的局部直角坐标系。布网时尽量使用轴线作为控制网的一边，施工控制网和测图控制网关联时需进行坐标换算。水利中的大坝；大桥桥轴线；隧道中心及切线；车间或设备的轴线等。5)投影面与工程的平均高程面一致；不是投影到平均海水平面或参考椭球所对应的高斯平面上，而是投影到厂区平均的高程面上。投影到定线放样精度最高的平面，保证设备、构件的安装精度；桥梁控制网要求化算到桥墩顶部的高程面上；隧道控制网应投影至隧道平均高程上。2019/8/10196)有时分两级布网，次级网可能比首级网的精度高。工程：各种建筑物、构筑物、铁路、公路、隧道等的综合体。首先建立第一级控制网，放样各建筑物的主轴线；其次根据各个工程项目放样的具体要求建立第二级控制网。2.1.4施工控制网--施工平面控制网特点2019/8/1020平坦地区：施工平面、高程控制点可以共享；起伏较大：施工平面、高程控制点单独布设。首先布满整个场地的基本高程控制网（三等）；其次根据各个施工阶段的需要布置加密网（四等）。加密点一般为临时水准点。2.1.4施工控制网--施工高程控制网特点2019/8/1021一．变形监测网由参考点和目标点组成必要条件：可以由任意点构成网，但至少有一个参考点、一个目标点或两个目标点；参考点在变形体外，是网的基准，目标点在变形体上，变形由目标点的运动来描述。布设网形：根据监测的目的、变形体的形状、环境及地形:一维网、二维网、三维网。监测方法：三角网或边角网、导线或导线网；GPS监测网；GPS与地面测量网混合；三维激光扫描监测等。2.1.5变形监测网2019/8/1022二．变形监测网的坐标系和基准的选取原则•变形体的范围大且形状不规则时，选择已有的大地坐标系统。优点：得到已知的归化和投影改正；监测网便于检查。•与已有的大地网联测或将已有的控制点作为参考点，便于坐标系及基准的确定。优点：一维一个已知点，二、三维两个已知点；精度要求高，联测时采用无强制连接方法，即固定一个点，二三维再固定一个定向方向。）2.1.5变形监测网2019/8/1023三.对变形监测网应作同时顾及精度、可靠性、灵敏度以及费用进行监测网的优化设计；根据网点的布置、坐标系、基准及目标点的精度要求，则网的精度得以确定。人机交互模拟优化设计方法或解析法确定优化方案：增减观测值修改测量方案改变观测值精度等2.1.5变形监测网2.1.5变形监测网四.对变形监测网都要进行重复观测每个周期观测方案不变，消除周期观测中的系统误差；如中途改变方案（仪器、网形、精度等），则需在观测周期同时采用两种方案进行观测，以确定两种方案间的差别，进行周期观测数据的处理。2019/8/10242.1.6安装测量控制网2019/8/10252019/8/1026作用：大型设备构件安装定位的依据；工程竣工后建筑物和设备变形观测及设备调整的依据。条件：控制点的密度要能满足设备构件的安装定位要求；点位的选择要考虑设备的位置、数量、建筑物的形状、特定方向的精度要求等2.1.6安装测量控制网2.1.6安装测量控制网2019/8/1027特点：通常是一种微型边角网，边长从几米至一百多米；整个网由形状相同、大小相等的基本图形组成；精度要求很高，其测量精度有时要达到计量级。2.1.6安装测量控制网特例：直线型建筑物：直伸形网；环形地下建筑物：各类环形网；大型无线电天线：辐射状控制网。2019/8/1028典型工程控制网举例2019/8/10292019/8/1030典型工程控制网举例洞内导线网布设示意图2019/8/1031某大桥GPS首级平面控制网典型工程控制网举例某大型水利枢纽工程施工控制网2019/8/1032某拱坝变形监测网2019/8/1033高能离子加速器安装测量控制网2019/8/10342019/8/1035大型正负电子对撞机地面控制网典型工程控制网举例2.2工程测量坐标系统2.2.1坐标系的基本概念2.2.2几种常用坐标系2019/8/10362.2.1坐标系的基本概念所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。人们为了描述空间位置，采用了多种方法，从而也产生了不同的坐标系，如直角坐标系、极坐标系等。在测量中常用的坐标系有以下几种：（1）空间直角坐标系（2）空间大地坐标系（3）平面直角坐标系（4）地心大地坐标系与地球参心坐标系2019/8/1037(1)空间直角坐标系原点位于参考椭球的中心Z轴指向参考椭球的北极X轴指向起始子午面与赤道的交点Y轴位于赤道面上且按右手系与X轴呈90°夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标标系的各个坐标轴上的投影来表示。2019/8/10382019/8/1039(2)空间大地坐标系纬度是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。2019/8/1040(3)平面直角坐标系投影变换的方法有很多，如横轴墨卡托投影、UTM投影、兰勃特投影等。在我国采用的是高斯-克吕格投影也称为高斯投影。UTM投影和高斯投影都是横轴墨卡托投影的特例，只是投影的个别参数不同而已。2019/8/1041(3)平面直角坐标系高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。从几何意义上讲，是一种横轴椭圆柱正切投影。高斯投影满足以下两个条件：①它是正形投影；②中央子午线投影后应为x轴，且长度保持不变。2019/8/1042（4）地心大地坐标系与地球参心坐标系经典的大地定位采用的是地球参心坐标系。参考椭球面为基准参考面，参考点为大地测量的起算点（或称为大地原点），并且利用大地原点的天文观测量，来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。不过由此所选定的参考椭球的位置，其中心一般不会与地球质心相重合。GPS定位使用的是地心大地坐标系2019/8/10432.2.2几种常用坐标系（1）世界大地坐标系WGS-84（2）1954年北京坐标系（3）1980年西安大地坐标系（4）CGCS2000国家大地坐标系2019/8/1044（1）世界大地坐标系WGS-84WGS-84(WorldGeodicalSystem-84)坐标系统由美国国防部制图局建立，WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数和历书参数等都是基于此坐标系统的。原点位于地球的质心Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点Y轴与X轴和Z轴构成右手系。2019/8/1045（1）世界大地坐标系WGS-842019/8/1046a=6378137±2（m）；GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；J2=108263×10-8ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1f=0.003352810664（2）1954年北京坐标系原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。参考椭球是克拉索夫斯基椭球。高程异常是以前苏联1