工程测量学绪论

《工程测量》1.1测量学与土建工程测量1.2地面点位的确定1.3用水平面代替水准面的限度1.4测量工作概述1.5测量常用计量单住换算第1章绪论定义：测量学是研究地面点空间位置的测定、采集、数据处理、存储与管理的一门应用科学。其核心问题是研究如何测定点的空间位置。任务：1.测绘：地面的地物地貌→测量绘制成图2.测设（放样）：将图上设计建（构）筑物的图形和位置在实地标定，作为施工或定界的依据图上的设计→实地1.1测量学与土建工程测量1.1.1测量学定义、任务与分科1.大地测量学:研究大范围地区的控制测量和地形测量。由于人造卫星科学技术的发展，大地测量学又分为常规大地测量学与卫星大地测量学，后者是研究观测卫星确定地面点位，即GPS全球定位。2.普通测量学:研究地球表面局部区域的测绘工作，主要包括小区域控制测量、地形图测绘和一般工程测设。通常称测量学就是指普通测量学。3.工程测量学:研究各种工程在规划设计、施工放样和运营中测量的理论和方法。4.摄影测量学:研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定物体的形状、大小和空间位置等信息的理论和方法。5.地图制图学:研究各种地图的制作理论、原理、工艺技术和应用的一门学科。分科：1.在工程规划设计阶段首先需要规划区的地形图，有精确的地形图和测绘成果，才能保证工程的选址、选线、设计得出经济合理的方案。2.在工程施工阶段工程的施工，主要目的是把工程的设计精确地在地面上标定出来，这就需要使用测量的仪器，按一定的方法进行施工测量。3.在工程运营与管理阶段为了能够正常运营或日后改进与扩建的需要，应进行竣工测量。对于大型或特殊的建筑物，还需进行周期性的重复观测，观测建筑物的沉降、倾斜、位移等，即变形观测，从而判断建筑物的稳定性，防止灾害事故的发生。1.1.2土建工程测量它包括普通测量学，以及土建工程相关的土地整理测量、工民建施工测量，公路工程、管道工程测量等。1.1.3测量在工程各阶段建设中的作用用经纬仪进行长江水文观测用水准仪进行地面平整测量用全站仪进行公路施工测量青藏高原测量☆施工测量☆用光电测距仪进行武汉长江大桥变形观测航摄照片地形图GPS卫星定位测量使用GPS接收机☆GPS全球定位系统☆☆测量珠穆朗玛峰高程☆1975年在海拔6120m处，测量珠穆朗玛峰高程。珠峰高程为8848.13m2005年5月重测珠峰高程，用GPS全球卫星定位技术和传统的测量方法相结合重测珠峰高程为8844.43m1.2地面点位的测定1.2.1测量的基准线与基准面1.基准线：地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称重力，重力的方向线称为铅垂线。测量仪器悬挂垂球，指向重力方向，铅垂线就是测量的基准线。测量的计算要求投影到地球的椭球面上进行处理，椭球面上各点的曲率半径方向就是该点的法线，法线在数据处理时用到，因此，法线又是测量的另一种基准线。2.基准面：空间任何一点都有水准面，处处和重力方向相垂直的曲面均称水准面，水准面就是测量的基准面。由于水准面的高度不同，水准面有无穷多个，其中一个和平均的海水面重合，我们称之为大地水准面，它是高程测量的基准面。水准面与大地水准面概念水准面：处处与铅垂线相垂直的曲面。大地水准面：与平均均海水面重合的水准面。大地水准面地球表面水准面(平均海水面)铅垂线大地水准面是有微小起伏的复杂曲面，其原因是地球内部质量分布不均匀，看下图：ZYXO地球椭球面大地水准面大地水准面面地球椭球地面低密度矿体高密度矿体地球表面上的图形投影到不规则的大地水准面曲面上计算很困难。为此，选用一个非常接近于大地水准面、并可用数学式表示的几何形体来代替大地水准面，这个规则曲面就是旋转椭球面（由椭圆NWSE绕短轴NS旋转而得）。如下图红色表示旋转椭球面，它所包围的球体称为地球椭球体。大地水准面它所包围的形体称为大地体。ZYXO大地水准面地球椭球面地球椭球的参数可用a(长半径)、b（短半径）及α（扁率）表示。扁率α为aba1979年国际大地测量与地球物理联合会推荐的地球椭球参数a=6378140m，b=6356755.3m,α=1:298.257。旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式表示：1222bzayax按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作称椭球定位。定位时采用椭球中心与地球质心重合，椭球短轴与地球短轴重合，椭球与全球大地水准面差距的平方和最小，这样的椭球称总地球椭球。地面上选一点P，由P点投影到大地水准面P0点,使P0上的椭球面与大地水准面相切，此时过P0点的铅垂线与P0点的椭球面法线重合，切点P0称为大地原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达到本国范围内的大地水准面与椭球面十分接近，该椭球面称为参考椭球面。我国大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。P地球表面大地水准面NSWEP0垂线与法线重合参考椭球体参考椭球面与我国大地原点总地球椭球与参考椭球的区别PP'PP'ababM铅垂线法线(大地原点）大地水准面总地球椭球体面参考椭球体面地面总地球椭球体参考椭球体赤道赤道（北极）（南极）总地球椭球定位方法：椭球中心与地球中心重合，椭球短轴与地球自转轴重合等条件。参考椭球定位方法：椭球中心与地球中心不要求重合，要求椭球短轴与地球自转轴平行，使大地起始子午面与天文起始子午面平行，使椭球面与本国大地水准面充分接近。上述两种椭球大小相同：长半径a=6378140m，短半径b=6356755.3m，扁率α=1:298.257用途：全球测图用途：国家测图1.2.2地面点位的确定需3个参数：X（纵坐标）,Y（横坐标）,H（高程）或λ（经度）,Φ（纬度）,H（高程）从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。用经纬度表示点的位置，称为地理坐标。PP1EE1首子午线赤道GG'MM'λλφO经度：东经：0°180°西经：0°180纬度：南纬：0°90°北纬：0°90°经度：M点的子午面PMM′P1与首子午面所组成的二面角。纬度：过M点的铅垂线与赤道面EG′M′E1的夹角1.地面点在投影面上的坐标(1)独立平面直角坐标系（假定平面直角坐标系）m(x,y)X轴为南北方向，Y轴为垂直于南北的东西方向，坐标原点在测区西南角X轴可采用：(1)真子午线方向；(2)磁子午线方向；(3)建筑物主轴线方向。测量上数学上OYXxy测区αⅡOXYⅠⅢⅣαXYm(x,y)测量直角坐标系与数学直角坐标系不同点有：(1)过坐标原点的南北方向为纵轴，即X轴，垂直于南北方向（东西方向）为横轴，即Y轴。数学直角坐标系横坐标为X轴，纵坐标为Y轴。(2)以纵坐标X轴正向为起始边，顺时针量算角度，象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ顺时针排列。数学直角坐标以横坐标X正向为起始边，逆时针量算角度，象限逆时针排列。(3)数学上坐标原点x0、y0均为0。测量上，为使地面各点坐标均为正数，坐标原点选在测区的西南角或假定一对较大的正整数。(2)高斯平面直角坐标系(a)高斯投影的原理把地球椭球面上的图形展绘到平面上，必然产生变形。为了减少变形误差，采用一种适当的投影方法，这就是高斯投影。高斯投影是将地球划分为若干个带，先将每个带投影到圆柱面上。然后展成平面。我们可以设想将一个空心的椭圆柱横套地球，使椭圆柱的中心轴线位于赤道面内并通过球心。将地球按6°分带,从0°起算往东划分,0°～6°为第1带,6°～12°为第2带，……，174°～180°为第30带,东半球共分30个投影，按带进行投影。进行第1带投影时，使地球3°经线与圆柱面相切，3°经线长不变形。0661239036YY1296XX036YXXY1296高斯6°带投影原理分解演示☆高斯投影分带☆123131415161718192021222312345242526272829303132333435363738394041424445460612187278849096102108114120126132138°°°°°°°°°°°°°°°°130°′6°带3°带图中上半部为6°度带分带情况：将地球按6°分带,从0°起算往东划分,0°～6°（第1带）,6°～12°（第2带），……，174°～180°（第30带）,东半球共分30个投影，我国领土从13～23带。图中下半部为3°带分带情况：1°30‘～4°30’（第1带），4°30’（第2带）……，我国领土3°带从24～46带。(b)高斯投影特点：①等角:即椭球面上图形投影到平面之后，其角度相等，无角度变形，但距离与面积稍有变形。②中央经线投影后仍直线，且长度不变形，见右图。因此用这条直线作为平面直角坐标系的纵轴—x轴。而两侧其他经线投影后呈向两极收敛的曲线，并与中央经线对称，距中央经线越远长度变形越大。③赤道投影也为直线。因此,这条直线作为平面直角坐标的横轴—y轴。南北纬线投影后呈凹向两极的曲线，且与赤道投影对称。NSNS0606圆桩面Y轴X轴投影带中央经线赤道投影(c)高斯平面直角坐标系定义：高斯投影各带构成独立的坐标系，中央经线为x轴，赤道投影为y轴，两轴的交点为坐标原点。按高斯直角坐标定义可知：X轴西边各点的Y值均为负。为使Y值为正值，将Y实际均加500km，称Y的通用横坐标,即Y通用=带号+Y实际+500km高斯平面直角坐标系的通用横坐标例：n点在20带，其实际坐标Y实际=-113424.690mY通用=20（-113424.690m+500000）=20(386575.310)m=20386575.310mXmY中央子午线作X轴赤道投影作Y轴XYm500komXno由通用横坐标换算实际横坐标公式如下：Y实际=Y通用（去掉小数点向左数第7、8两位为带号）-500000m注：我国领土从13～23带，带号占两位，直接去掉头两位即可。例如：某点通用横坐标Y通用=20386575.310m，求该点实际横坐标。首先，将20386575.310m中20去掉（第7位为0，第8位为2）则Y实际=386575.310-500000=-113424.690m2、地面点的高程地面上任意点至水准面的垂直距离，称为该点的高程。某点至大地水准面的垂直距离称该点的绝对高程（海拔）。我国规定青岛验潮站1950年至1956年7年统计资料所确定的黄海平均海水面作为统一全国基准面。并在青岛观象山建了水准原点。水准原点至黄海平均海水面的高程为72.289m,这个高程系统称为“1956年黄海高程系”。20世纪80年代初，国家又根据1953年至1979年28年青岛验潮站观测资料，算得水准原点高程为72.2604m,该高程系统称为“1985年国家高程基准”。从1985年1月1日起执行新的高程基准。中国黄海高程系统示意图我国两个高程系统(1)1956黄海高程系(2)1985国家高程基准水准原点青岛验朝站海底黄海平均海水面72.289m用1950→1956的观测结果，建立了“1956年黄海高程系统”。其中H0=72.289m。72.260m用1953→1979的观测结果，建立了“1985年高程基准”。其中H0=72.260m。ABB'相对高程HAHB'HAH'绝对高程hAB绝对高程：从地面某点沿铅垂线到大地水准面的垂直距离，如HA、HB。相对高程：从地面某点沿铅垂线到假定水准面的垂直距离，如HA'、HB'。高差：两点之间高程之差hAB=HB-HA=HB’-HA’hAB有正负B点高于A点时，hAB为（＋），表示上坡。B点低于A点时，hAB为（－），表示下坡。☆水准原点☆水准原点设在青岛市，高程为72.260m（1985国家高程基准）（注：1956黄海高程系为72.289m)1.1954年北京坐标系采用前苏联克拉索夫斯基参考椭球体参数（a=6378245m，=1:298.3）。大地原点实际上是在前苏联普尔科沃。该系统所对应的参考椭球面与我国大地水准面差异，可达到+65m（东部），全国平均达29m。2.1980年国家大地坐标系采用国际大地测量协会与地球物理联合会在1975年推荐的IUGG-75地球椭球参数（a=6378