工程测量绪论tm

主讲人：袁长丰工程测量Ⅰ课程简介：工程测量Ⅰ这门课程从第1周到12周，共有48学时。在这段时间里要进行6次课外实验课。《工程测量实用教程》这本教材，是普通高等教育“十二五”规划教材，全书分四部分：第一部分是基础篇（从第1章到第5章），主要讲的是测量的基础知识；第二部分是提高篇（从第6章到第12章），主要介绍现代的新技术及其应用。第三部分是应用篇（从第13章到第19章），主要讲测量技术在各种工程技术上的应用；第四部分，附录。学习要求：本课程学习主要掌握测量学基本知识、基本理论和基本技能，基本技术、基本方法；做到：测、算、绘、用。要求认真听课，独立完成作业。实验课要认真对待，实验课分组（每班6组），对测得的数据必须要实事求是、精益求精，决不容许弄虚作假、涂改数据，对所使用的仪器要认真负责，养成良好的操作习惯和职业道德。要精读附录A、B、C，要通读附录D-J第一章绪论§1.1测量学概述一．测量学概念过去对测量学的概念是：测量学是研究地球的形状、大小，以及确定地面点位的科学。确定地面点位指的是：地面点的平面位置（x,y）和高程（H）。现在比较权威的说法有两个定义：一个是在GB/T14911-1994《测绘基本术语》：测绘学是研究地理信息的获取、处理、描述和应用的学科，其内容包括研究测定、描述地球的形状、大小、重力场，地表形态以及它们的变化，确定自然和人造物体、人工设施的空间位置及属性，制成各种地图和建立有关信息系统。另一个是2002年8月29日第九届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过修订的《中华人民共和国测绘法》第二条：本法所称测绘，是指对自然地理要素或者地表人工设施的形状、大小、空间位置及其属性进行测定、采集、表述以及对获得的数据、信息、成果进行处理和提供的活动。教学目的：了解测量学的概念、任务、分类及在工程建设中的作用。重点：测量学两大主要内容。二．测量学主要内容主要内容包括两方面：测定和测设。测定：用测量仪器，通过测量、计算，从而获得一系列的测量数据和成果，将地球表面的地形按照一定比例尺缩绘成地形图。测设：指用一定的测量方法，按照要求的精度，把图纸上规划好的建筑物、构筑物在实地标定出来。二者之间关系：§1.1测量学概述建（构）筑物地形图测定测设§1.1测量学概述三.测量学应用测量是国家经济建设和国防建设的一项重要的基础性、先行性的工作。从规划设计到每项具体工程的建设，都需要准确的测量数据作依据。（1）经济建设：资源勘查、能源开发、城乡建设、交通运输、江河治理、土地整治、环境保护、行政界勘定;（2）国防事业：国界勘定、军用地图、航天测控、弹道计算;（3）科学研究：地壳升降、海陆变迁、地震监测、灾害预警、航天航空技术;19961999森林破坏监测FY－C2000.4月6日08:00洞庭湖地区(ByRadarsat,August27,1998)战争中的伊拉克战场铁丝网北部战区部队边界边界伊拉克科威特伊拉克部队行动路线沙特阿拉伯海湾战争中美joint-STARS的侦察结果打击前后的伊拉克巴什拉部分地区---2测绘科学在土木工程专业中的应用1、勘测设计阶段:要求有各种比例尺的地形图，供城镇规划、选择厂址、管道及交通线路选线以及总平面图设计和竖向设计之用。2、施工阶段:要将设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程测设于实地，以便进行施工。如：场地平整（场地挖土、填土方量）、定位放线（放轴线）、质量监控、位移监控（水平、垂直）等；3、施工结束后:还要进行竣工测量，绘制竣工图，供日后扩建和维修之用。4、竣工以后:对某些大型及重要的建筑物和构筑物还要进行变形、沉降观测，以保证建筑物的安全使用。§1.1测量学概述四.测量学分类§1.1测量学概述按照研究范围和对象的不同，测绘学主要包括以下分支：1．大地测量学：是一门研究地球形状、大小，解决大范围地区的控制测量、地球重力场测定和按一定坐标系建立国家统一的点位控制网的理论、技术和方法的学科。近年来，随着空间技术的发展，大地测量正在向空间大地测量和卫星大地测量发展。2．普通测量学：是研究地球表面局部地区测绘工作的理论、技术和方法的学科。主要研究内容包括：图根控制网的建立和大比例尺地形图、房地产图的测绘等。3．摄影测量与遥感：是一门研究利用摄影或遥感技术获取地物和地貌影像并进行分析处理，绘制地形图或获得数字化信息的理论、技术和方法的学科。四.测量学分类§1.1测量学概述4．工程测量学：是一门研究工程建设在勘察设计、施工放样、运营管理各阶段中进行测量工作的理论、技术和方法的学科。土木工程测量属于工程测量范畴。5．海洋测量学：研究地球表面水体及港口、码头、航道和水下地貌的学科。6．地图制图学与地理信息系统：地图制图学是一门研究利用测量成果制作各种地图的理论、技术和方法的学科。包括地图编制、地图投影学、地图整饰、印刷等，现在朝着自动化、电子地图和GIS发展。GIS是对地理空间数据进行采集、存储、管理、处理、分析、建模、现实、输出的信息系统。§1.1测量学概述五.测量学发展概况测量学是一门很古老的科学，至少有四千多年的历史。1.我国早在春秋战国时期，已经制成了利用磁石的指南仪器“司南”，它是沿用几千年的指南针与罗盘的雏型。2.大约是公元前2200年，夏禹治水时，使用了“左准绳，右规矩”的测量工具和方法。3.长沙马王堆3号汉墓出土了西汉时期的《地形图》和《驻军图》》，东汉张衡研制的天球仪与侯风地动仪、魏晋时期刘徽的《海岛算经》、西晋裴秀的《制图六体》、唐李吉甫的《元和群县图志》等等。4.宋代沈括在他的著名著作《梦溪笔谈》中提出了磁偏角现象，这比哥伦布的发现要早400年。清代初期开展了全国性测图工作，§1.1测量学概述5.1957年第一颗人造地球卫星上天，1966年开始进行卫星大地测量，能以全天候观测，速度快，精度高，对洲际之间、岛屿和岛屿之间及岛屿和大陆之间的联测能既快速又正确。20世纪70年代，通过人造卫星拍摄地球的照片，使航天技术有了广泛发展和应用。80年代开始发射的全球定位系统卫星，在90年代全部完成发射任务。综上所述：仪器从原始电子；测图从白纸数字化测图；测量从地面太空。五.测量学发展概况§1.2地面点位的确定教学目的：掌握测量的基准、基本概念、地面点的表示方法、直线表示方法。重点：测量的基准、基本概念、地面点的表示方法、直线表示方法。根本任务：如何确定地面点的空间位置，包括平面位置和高程。一．测量的基准（一）概念1.基准线测量上，把重力的方向线作为基准线，并称之为铅垂线。2.基准面水准面——自由静止的水面。它是受地球重力影响而形成的，是一个处处与铅垂线垂直的连续曲面。另外，水面有高有低，因此符合上述特点的水准面有无数多个。大地水准面——假想静止的平均海水面向大陆和岛屿内延伸而形成的封闭曲面。它是水准面中的一个。大地水准面和铅垂线分别是野外测量的基准面和基准线。由大地水准面所包围的地球形体，称为大地体。通常，人们把大地体看作地球的形状。但由于地球内部的质量分布不均匀，引起铅垂线的方向产生不规则的变化，致使大地水准面成为一个有微小起伏且不能用简单的几何形体和数学公式表达的不规则曲面。地球表面大地水准面水平面——与水准面相切的平面。当测量区域较小时，可用水平面代替水准面或大地水准面。A水平面大地水准面一．测量的基准（二）地球的形状最高的珠峰高出海水面达8844.43m，最低的马里亚纳海沟低于海水面达11022m。但是这样的高低起伏，相对于地球半径6371km来说还是很小的。再顾及到海洋约占整个地球表面的71%，因此，人们把海水面所包围的地球形体看着地球的形状。通常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地球的形状，作为测量计算工作的基准面。地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称旋转椭球。这个旋转椭球体称为参考椭球体，为一规则的曲面体。可用数学公式表示：(1-1)1222222bZaYaX式中a、b为参考椭球体几何参数。a为长半径，b为短半径。参考椭球体扁率α应满足下式：(1-2)aba我国目前采用的元素值为长半径a=6378140m扁率α=1:298.275由于α很小，在精度要求不高时，可近似将地球当作圆球体，其半径为平均值6371km。二.地面点位的表示方法确定地面点的空间位置，包括平面位置和高程。（一）地面点的高程高程分为绝对高程和相对高程。绝对高程——依据基准面的不同，分为大地高、正高、正常高。1.大地高：以地球椭球体为基准面，即地面点沿法线到地球椭球体的距离，记为H大。2.正高：以大地水准面为基准面，即地面点沿铅垂线到大地水准面的铅垂距离，记为H正。3.正常高，以似大地水准面为基准面，即地面点沿铅垂线到似大地水准面的铅垂距离，记为HA。三者之间关系：H大=H正+NH大=HA+ζN为大地水准面差距；ζ为高程异常。二.地面点位的表示方法确定地面点的空间位置，包括平面位置和高程。（一）地面点的高程正常高又称为海拔不同的国家和地区选择不同的平均海水面作为自己的高程起算面。我国的高程是以青岛验潮站推算的黄海平均海水面作为全国的高程起算基准面,为测量方便起见，我国在青岛观象山上设有水准原点，其高程为72.260米。全国各地的高程都是以它为基准进行测算的。二.地面点位的表示方法（一）地面点的高程青岛验潮站“1956年黄海高程系”，青岛市观家山水准原点高程为72.289m。“1985年国家高程基准”，青岛市观家山水准原点高程为72.260m。1987年后启用此基准。二.地面点位的表示方法（一）地面点的高程相对高程——地面点到任一水准面的铅垂距离，又称为假定高程。高差——两地面点之间的高程差。hAB=HB–HA=H'B–H'A任一水准面似大地水准面HAHBABHAHBhAB高差有正负，注意下标AB与BA不同由此可见两点间的高差与高程起算面无关。地面点的空间位置都与一定的坐标系统相对应。在测量上常用的坐标系有空间直角坐标系、地理坐标系、高斯投影平面坐标系、平面独立直角坐标系等。其中地理坐标包括天文和大地地理坐标1.地理坐标基准面：大地水准面。用天文经度、纬度、大地高H表示地面点的空间位置。基准线为铅垂线。经度自零子午面向东为正、向西为负。纬度…椭球体面上的大地高为零。二.地面点位的表示方法（二）地面点的坐标1.1天文地理坐标1.2大地地理坐标基准面：以参考椭球体面为基准面。用大地经度L、纬度B、大地高H表示地面点的空间位置。基准线为法线。经度自零子午面向东为正、向西为负。纬度…椭球体面上的大地高为零。大地原点：根据起始大地原点（该点的大地经纬度和天文经纬度一致）的坐标推算。我国大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇，称为1980国家大地坐标系。2空间直角坐标系地面点位也可用空间直角坐标(x,y,z)表示。x轴z轴y轴右手坐标系3高斯平面直角坐标系要将球面上的大地坐标按一定数学法则归算到平面上，即采用地图投影的理论绘制地形图，才能用于规划建设。地图投影有等角投影、等面积投影和任意投影三种。等角投影又称正形投影，它保证在椭球体面上的微分图形投影到平面后将保持相似。这是地形图的基本要求。正形投影有两个基本条件：①保角条件，即投影后角度大小不变。②长度变形固定性，即长度投影后会变形，但在一点上各个方向的微分线段变形比m是个常数k:m=ds/dS=k式中：ds——投影后的长度dS——球面上的长度。3高斯平面直角坐标系⑴高斯投影的概念（正形投影）①中央子午线是直线，其长度不变形，离开中央子午线的其他子午线是弧形，凹向中央.子午线。离开中央子午线越远，变形越大。②投影后赤道是一直线，并与中央子午线正交。③离开赤道的纬线是弧线，凸向赤道。在高斯投影平面上：3高斯平面直角坐标系高斯投影可将椭球面变成平面，但离开中央子午线越远变形越大，这种变形将会影响测图和施工的精度。为对长度变形加以控制，测量中采用限制投影宽度的方法——分带投影。投影带宽以相邻两子午线的径差来划分。有6°、3°带等不同投影方法。6°带投影是从英格林尼治子午线开始，自西向东，每隔6°投影一