第1章 工程测量概述

第一节测量学的基本任务第二节地面点位的表示方法第三节测量的基本工作第一章测量学基本内容回顾测量学是研究如何测定地面点的位置和高程，将地球表面的形状及其他信息测绘成图，以及确定地球的形状和大小科学。包括四个分支：1.地形测量学2.大地测量学3.摄影测量学4.工程测量学§1-1测量学基本任务测定与测设•测定，是用测量的方法确定地面上各种物体的位置并绘制成图，例如测绘地形图的工作；•测设，是把预定的点位用测量方法设置到地面上，例如各种工程建筑物的施工放样工作。一、测量的基本原则和测量工作的实质原则：“从整体到局部，先控制后碎部”实质:测量（测定或测设）点的位置。§1-2地面点位的表示方法地球是一个表面高低起伏极不规则的球体。总的形状可以看成是被海水包围的球体。1.大地水准面一个与假想的无波浪、潮汐、海流和大气压变化引起扰动的处于流体静平衡状态的海洋面相重合并延伸到大陆的重力等位面。由大地水准面所包围的形体称为大地体，大地体可以代表地球总的形状。二、地球的形状和大小2水准面：——任意静止的水面。水准面的特点：处处与铅垂线相垂直。水准面可以有无数个。大地水准面是与平均海水面重合的一个封闭曲面。3旋转椭球用一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体来代替大地体，称为“椭球”。椭球的大小用长半轴a和短半轴b或扁率α表示。a和α称为椭球的元素。为了测量工作的需要，在一个国家或一个地区，需要选用一个最接近于本地区大地水准面的椭球，这样的椭球称“参考椭球”。我国目前采用1980年大地坐标系，即1979年国际大地测量协会推荐的地球椭球，其元素值a＝6378137mb=6356752α=1：298.257由于地球的扁率很小，所以在一般测量工作中，可把地球看作一个圆球来处理，其半径为：R＝6371km。在测量工作中，地面上的点位都用坐标和高程来表示。1.点的平面位置当地面点投影到椭球面上时，其平面位置用大地坐标来表示，当投影到水平面上时，则用平面直角坐标表示。(1)大地坐标用“大地经度”和“大地纬度”来表示。三、地面上点位的表示方法大地经度L：过地面某点M的子午线与本初子午线（或格林威治子午线）的夹角称为该点的大地经度，有东经、西经之分。角值为0°～180°大地纬度B：地面点N的法线方向与赤道的夹角称为大地纬度B，该点位于赤道以北称为北纬，赤道以南称南纬，角值为0°～90°(2)平面直角坐标系地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。例如，在赤道上，1″的经度差或纬度差对应的地面距离约为30m。测量计算最好在平面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上的点位化算到平面上。地图投影有多种方法，我国采用的是高斯-克吕格正形投影(Gauss-Krugerconformalprojection)，简称高斯投影(Gaussprojection)。1)高斯平面坐标系高斯投影是将地球按经线划分成带，称为投影带，投影带是从首子午线起，每隔经度6°划分为一带(称为统一6°带)，自西向东将整个地球划分为60个带。位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线。第一个6°带的中央子午线的经度为3°，任意带的中央子午线经度与投影带号的关系为L0=6N-32)局部平面直角坐标施工中常用。以任一点为坐标原点，北方向或结构中心线为纵坐标轴x轴，顺时针90度为横坐标轴y轴，象限名称按顺时针排列。yIIIIIIVIx2.点的高程任意点到大地水准面的铅垂距离称为该点的绝对高程，简称高程，亦称标高或海拔。用H来表示，HA、HB分别是A点和B点的高程。相对高程－地面点到任意水准面的铅垂距离。HAHA'AHBHB'hABB大地水准面水准面高差——两点的高程之差。常用h表示。hAB=HBHA，高差带有＋、－号。水准原点：水准原点是全国高程测量的基准点。“1956黄海高程系”水准原点高程为72.289m。“1985国家高程基准”水准原点的高程为72.260m。测量的基本要素是：1.高程；2.距离（水平距离或斜距）；3.角度（水平角和竖直角）。高程测量的主要方法有：水准测量（几何水准测量）；三角高程测量；光电测距水准测量；GPS高程测量。§1-3高程测量一、水准测量1.水准测量的实施ABIIIIIIIVVTP1TP2TP3TP41.8320.6711.5360.6151.6240.6120.7131.6341.2142.812HA=29.053HB三项检核：575.0ba575.0hhh575.0ABHH点号水准尺读数高差h(m)高程H(m)后视前视+－A1.8321.16129.053(已知)TP11.5360.67130.2140.921TP21.6240.61531.1351.012TP30.7130.61232.1470.921TP41.2141.63431.2261.598B2.81229.628∑6.9196.3443.0942.5192、水准测量的计算1111bah个测站：第2222bah个测站：第nnnbahn个测站：第+)bah…………ABABABABHHhbahhh计算检核：也称为三项检核3、成果检核闭合差＝观测值－理论值fh＝∑h测—∑h理产生原因：测量中存在各种误差单一水准路线的高差闭合差如下表水准路线支水准附合水准闭合水准fh返往＋hh）－Ｈ－（Ｈ始终测h测h闭合差的允许值容许闭合差，也称闭合差限差。是衡量观测成果精度的一个标准，高差容许闭合差常用Fh表示。铁路、公路工程测量中，)(30mmLFh其中，L为水准路线长度的公里数。若|f|≤|Fh|，则成果符合精度要求，可进行高差闭合差的调整与高程计算，否则检查原因，返工重测。mmnfh3812闭合差调整原则与方法闭合差的调整原则：按距离或测站数成正比反符号分配。方法是在每个观测高差上加一个改正数：fh∑L·Li—vi=校核：∑vi＝－fh，若满足则说明计算无误。高程计算高差平差值即改正后的高差:(hi)=hi+vi各点高程：Hi=Hi-1+(hi)检核：（H终）计算=（H终）已知容许闭合差——闭合差限差。是衡量观测成果精度的一个标准，高差容许闭合差常用Fh表示。若|f|≤|Fh|，则成果符合精度要求，可进行高差闭合差的调整与高程计算否则检查原因，返工重测。闭合差的调整原则：按距离或测站数成正比反符号分配。方法是在每个观测高差上加一个改正数vi=-(fh/∑L)·Li或vi=-(fh/∑n)·ni校核：∑vi＝－fh，若满足则说明计算无误。附合水准路线高差闭合差调整与高程计算点号测站数测得高差(m)高差改正数(m)改正后高差(m)高程(m)备注BM14-0.312+0.012-0.30019.826(已知)B0119.5263+1.793+0.009+1.802B0221.3283-0.751+0.009-0.742BM220.586(已知)∑100.730+0.0300.760成果合格容hhffmmnfh3812=－0.030m=－30mm)(12BMBMhHHhf4、水准测量的主要误差仪器及工具误差——视准轴误差、水准尺分划误差观测误差——整平误差、读数误差外界条件的影响——地球曲率、大气折光、温度变化消减方法：前后视距相等，仔细操作。5、自动安平水准仪当望远镜倾斜时，仪器内部的补偿器K使水平视线在望远镜分划板上所成的像点位置折向望远镜十字丝中心Z，从而使十字丝中心发出的光线在通过望远镜物镜中心后成为水平视线。lZAfs水平光线补偿器Ksf条码水准尺6、电子水准仪电子水准仪工作原理利用仪器里的十字丝瞄准的电子图象感应器（CCD）。当按下Measure测量键时，仪器就会把瞄准并调焦好的尺子上的条码图片来一个快照，然后把它和仪器内存中的同样的尺子条码图片进行比较和计算。这样，就可以计算出尺子的读数并且保存在内存中了。条码标尺十字丝面图像处理器电子显示器成像探测译释比对处理标尺读数视距电子水准仪的基本原理DiNi12电子水准仪7、跨河水准测量(a)(b)(c)ABI2I1I2I1ABBBI1I2置水准仪于I1，先读本岸A点的尺读数，再读对岸B点的尺读数；保持望远镜的对光不变，将水准仪迅速移至对岸I2，先读对岸A点的尺读数，然后读本岸B点的尺读数；取两次所得高差的平均值作为一测回值。河面宽度在200～400m时，应该进行两个测回。二、三角高程测量其中，f=p-r称为球气差.fviSvripMCBFh2102112tan单向观测计算高差的基本公式212012012viCStgSh2020202043.0142CSRSRSRSrpf式中竖直角α、仪器高i和觇标高v，均可由外业观测得到。S0为实测的水平距离，R=6371km。§1-4水平角的观测与计算当一个测站上只有两个方向时使用。ACB1、测回法：2、方向观测法：当一个测站上需观测两个以上方向时使用。ABCD安置经纬仪)(21RL＝测回法：盘左位置瞄准左目标顺时针转照准部读取平盘读数aL盘右瞄准右目标读取平盘读数aR逆时针旋转照准部读取水平度盘读数bL瞄准右目标计算上半测回角值L＝aL－bL两半测回角值较差符合精度要求则瞄准左目标读取平盘读数bR计算下半测回角值L＝aL－bL水平角观测手簿(测回法)测站竖盘位置目标水平度盘读数一测回角值半测回角值O左右MNMN0o01'3068o07'12180o01'42248o07'3068o05'4268o05'4868o05'45MON水平角观测误差来源一、仪器误差1、视准轴误差2、横轴误差3、竖轴误差4、照准部偏心差用盘左、盘右所得结果的平均值可以消除视准轴误差、横轴误差和照准部偏心差的影响。二、观测误差1、测站对中误差2、目标对点误差3、照准误差4、读数误差三、外界条件的影响1、大气折光2、温度变化电子经纬仪电子经纬仪也采用度盘测角，从度盘上取得电信号，再转换成数字。并可将结果储存在微处理器内，根据需要进行显示和换算以实现记录的自动化。这种电子经纬仪按取得电信号的方式不同可分为编码度盘测角和光栅度盘测角两种。015编码度盘编码度盘的缺点：直接利用编码度盘不容易达到较高的测角精度。当光电二极管位置紧靠码区边缘时，可能会误读为邻区的代码，使读数发生大错，后来发明了一种循环码(又称葛莱码)，使相邻码区间只有一个码不同，减少误码的可能性。光栅度盘图3－35明条纹暗条纹接收管发光管光栅度盘指示光栅(a)(b)在光学玻璃盘上径向均匀地刻出许多径向刻线，就形成了光栅度盘。如图a，如果光栅度盘与密度相同的指示光栅(相当于度盘的零指标线)叠置，将产生莫尔条纹。如图b.测量时，度盘被电动机驱动而绕纵轴旋转，每旋转一周，整盘光栅被两光闸所扫描。两光闸分别给出正弦形脉冲，其强度得到调制，并形成图中右侧的矩形脉冲信号，根据两组信号的相位差进行角度测量。3－360LRLSS(t)R(t)ttTTT=nT0+TSR§1-5竖直角的观测与计算一、竖直角高度角——在同一个铅锤面内目标方向线与水平线的夹角，用表示，仰角＋、俯角－天顶距——在同一个铅垂面内，目标方向线与指向天顶方向的铅垂线的夹角，用Z表示，角值为0°～180°二、竖盘构造特点竖盘读数指标相对于竖盘不动竖盘与望远镜固连，与望远镜同时转动，且竖盘中心位于横轴上三、竖直角的观测安置经纬仪，盘左瞄准目标)(21RL指标水准管气泡居中读取竖盘读数L计算L指标水准管气泡居中计算R计算竖直角盘右瞄准同一目标读取竖盘读数R四、竖直角的计算：顺时针注记（天顶为零）:L＝90°－L0盘左900180指标指标L0270逆时针注记:L＝L0－90°R＝270°－R0R＝R0－270°盘右R0900180270五、竖盘指标差指标