p01绪论

1土木工程测量2§1.1测量学的任务及作用§1.2测量学的发展概况§1.3地面点位的确定§1.4水平面代替水准面的限度§1.5测量工作概述第一章绪论3§1－1测量学的任务及其作用主要内容：一、测量学定义二、主要任务三、测量学分类四、作用及在本专业中的地位4一、测量学的定义测量学是研究地球的形状、大小以及地表(包括地面上各种物体）的几何形状及其空间位置的科学。其核心问题是研究如何测定点的空间位置。测量工作的基本任务：确定地面点在规定坐标系中的坐标值（X，Y，Z）。5二、测量主要任务(工作内容)测量工作内容包括测定和测设两部分。测定(测绘/图)mapping----是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，获得一系列数据信息作为成果，或者把采集的地面图形信息缩绘成图。测设(放样)layout---是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物等的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。6三、测量学分类按其研究的范围和对象的不同，主要分为：大地测量学:Geodesy(GeodeticSurveying)是研究地表及其内部一个较大区域甚至整个地球形状、大小和其定位等内容的测绘科学。必须考虑地球的曲率。普通测量学(地形测量学):Topographicsurveying研究的只是地球自然表面上一个小区域，则由于地球半径很大，就可以把这块球面当作平面看待而不考虑其曲率。其内容可以用文字和数字记录下来，也可用图表示。摄影测量学:Photogrammetry是利用摄影象片来研究地表形状和大小的测绘科学。7海洋测量学:Photogrammetry是以水域为对象进行岸线测量、水下地形测量。工程测量学:EngineeringSurveying是城市建设、大型厂矿建筑、水利枢纽、农田水利及道路、桥梁修建等在勘测设计、施工放样、竣工验收和工程监测保养等方面的测绘工作。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。地图制图学:Cartography利用测量所得的资料，研究如何投影编绘成地图，以及地图制作的理论、工艺技术和应用等方面的测绘科学，是制图学的范畴。8四、作用及在本专业中的地位凡是需要确定点的空间位置的各个领域都要用到测量。在本专业中：工程建设三阶段测量的任务勘测设计控制，测绘地形图施工建设施工放样，竣工测量运营管理安全监测，变形观测返回9•实用工程测量在工程各阶段建设中的作用•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。10111213§1－2测量学的发展概况主要内容：一、国内外测绘科学的发展二、现代测绘科学的发展14一、国内外测绘科学的发展1.中国古代测绘科学的发展夏朝的简单的测量工具；春秋时期记载的地图；战国时期的“司南（指南针）”；西汉初期的已出土的“地形图”及“驻军图”；发现大气折射现象、制图理论等等。2.国外测绘科学的发展17世纪初开始，望远镜应用于天象观测；三角测量方法、高斯最小二乘理论解决数据处理问题、投影学说、摄影测量等等。15二、现代测绘科学的发展电磁波测距仪、自动安平水准仪、电子经纬仪、电子水准仪、全站型速测仪（全站仪）、陀螺经纬仪、激光经纬仪、人造卫星大地测量、GPS、全数字摄影测量。★“3S”技术：GIS——GeographicInformationSystem（地理信息系统）GPS——GlobalPositioningSystem（全球定位系统）RS——RemoteSensing（遥感）返回16§1-3地面点位的确定主要内容：一、地球的形状和大小二、确定地面定位的方法三、确定地面点位的三个基本要素17一.地球的形状和大小Ⅰ．地球自然形体是一个不规则的几何体，海洋面积约占地球表面的71%。高山陆地丘陵海洋181、自然表面从整个地球来看：地球大致像一个椭球体，其表面极不规则，不便于用数学公式来表达。2、物理表面（1）水准面——静止而不流动的水面（重力等位面），是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。（有无数个）（2）大地水准面(1872年德国利斯廷提出)——静止的平均海平面向大陆延伸形成的封闭曲面称为大地水准面。大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。19由于大地水准面是一个不规则的曲面，不能用数学公式表述，因而需要寻找一个理想的几何体代表地球的形状和大小。该几何体必须满足两个条件：①形状接近地球自然形体；②可以用简单的数学公式表示。203、数学表面参考椭球体——旋转椭球面a=6378136mb=6356743m扁率=（a－b）/a=1/298.257(1983年国际大地测量和地球物理联合会推荐的地球元素值)★小范围——近似地把地球看作圆球R=(2a+b)/3=6371km大地水准面旋转椭球面21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。22Ⅱ、测量工作的基准线和基准面测量工作的基准线—铅垂线。测量工作的基准面—大地水准面。测量内业计算的基准线—法线。测量内业计算的基准面—参考椭球面。OG大地水准面铅垂线返回23•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的作用，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。•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，它是又一个测量的基准面。24二、确定地面点位的方法地面点的空间位置可以用点在水准面或水平面上的位置（X，Y）及点到大地水准面的铅垂距离（H）来确定。如地面点：A（X，Y，H）CYABabcX25Ⅰ、地面点的高程地面点的高程：地面点到大地水准面的铅垂距离。注：地面点在大地水准面以上，H为正；地面点在大地水准面以下，H为负。如图：HA=166.780mHB=-136.680mA大地水准面HABHB26绝对高程（海拔/高程）：某地面点到大地水准面的铅垂距离。如：HA、HB。相对高程：某点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。如：HA′、HB′。高差：地面上两点高程之差。如：hAB=HB–HAhAB=HB′–HA′★与高程起算面无关当hAB为正时，B点高于A点；当hAB为负时，B点低于A点；如图示27我国的高程系统：水准原点全国高程的起算点。1985年国家高程基准（72.260m）1953年至1979年青岛验潮站观测资料1956年黄海高程系（72.289m）1950年至1956年统计资料目前我国统一采用1985年国家高程基准。水准原点H0验潮站大地水准面282、地面点的坐标(1)地理坐标●天文坐标（地面点在大地水准面上的球面坐标）分别用天文经度（λ）和天文纬度（φ）表示。以铅垂线为基线，以大地水准面为基准面(如下图)。λ基本概念29●大地坐标（地面点在地球球椭面上的球面坐标）分别用大地经度L和大地纬度B表示，以法线为依据，以参考椭球面作为基准面。L30我国大地原点位于陕省泾阳县永乐镇。我国统一采用的坐标系为“1980年国家坐标系”。大地原点：全国统一坐标的起算点。31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32(2)高斯平面直角坐标系1、高斯投影的概念高斯投影是一种等角投影。它是由德国数学家高斯(Gauss，1777~1855)提出，后经德国大地测量学家克吕格(Kruger，1857～1923)加以补充完善，故又称“高斯—克吕格投影”，简称“高斯投影”。33NSc赤道高斯投影平面赤道中央子午线2、高斯投影的原理高斯投影采用分带投影。将椭球面按一定经差分带，分别进行投影。34高斯投影必须满足：1．高斯投影为正形投影，即等角投影；2．中央子午线投影后为直线，且为投影的对称轴；3．中央子午线投影后长度不变。高斯投影平面赤道中央子午线353、高斯投影的特性（1）中央子午线投影后为直线，且长度不变。（2）除中央子午线外，其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午线为对称轴。投影后有长度变形。（3）赤道线投影后为直线，但有长度变形。赤道中央子午线平行圈子午线Oxy36（4）除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴。（5）经线与纬线投影后仍然保持正交。（6）所有长度变形的线段，其长度变形比均大于l。（7）离中央子午线愈远，长度变形愈大。赤道中央子午线平行圈子午线Oxy374、投影带的划分限制变形的大小。宽度一般分为6º、3º、1.5º等几种带。我国规定按经差6º和3º进行投影分带。6º带自首子午线开始，按6º的经差自西向东分成60个带。★我国境内有11个6°带（13带到23带）3º带自1.5º开始，按3º的经差自西向东分成120个带。★我国境内有21个3°带（25带到45带）386度带与3度带投影及其关系396º带:1)带号N与该中央子午线经度L。的关系为:L。=6N-3º例：L。=6×18-3º=105º2)某点大地经度L与带号N的关系为:N=int(L/6)+1例：N=int(106º/6)+1=183º带:1)带号n与该中央子午线经度L。的关系为:L。=3n例：L。=3×25=75º2)某点大地经度L与带号N的关系为:N=int(L/3+0.5)例：N=int(106º/3+0.5)=35405、高斯平面直角坐标系坐标系的建立：x轴—中央子午线的投影y轴—赤道的投影原点O—两轴的交点OxyP（X，Y）高斯自然坐标注：X轴向北为正，y轴向东为正。赤道中央子午线41•我国位于北半球，X（纵坐标）值全为正值，而Y（横坐标）值，则有正有负。为了使Y值不出现负值，则将x坐标轴西移500km（赤道上3°约334.8km=334800米），见右图。•为了指明该点属于何带，还规定在横坐标y值之前，要写上带号。这里，未加500km和带号的横坐标值称为自然值，加上500km和带号的横坐标值称为通用值。o1XX1Y500kmo42例如：43例：有一国家控制点的坐标:x=3102467.280m,y=19367622．380m，（1）该点位于6˚带的第几带？（2）该带中央子午线经度是多少？（3）该点在中央子午线的哪一侧？（4）该点距中央子午线和赤道的距离为多少？（第19带）（L。=6º×19-3º=111˚）（先去掉带号，原来横坐标y＝367622.380—500000＝-132377.620m，在西侧）（距中央子午线132377.620m，距赤道3102467.280m）44不同点：1、x，y轴互异。2、坐标象限不同。3、表示直线方向的方位角定义不同。相同点：数学计算公式相同。高斯平面直角坐标系与笛卡尔坐标系与数学上的笛卡尔平面直角坐标系的异同点：高斯平面直角坐标系笛卡尔坐标系ααooyyxxⅠⅠⅢⅡⅡⅣⅣⅢppx=Dcosαy=Dsinαx=Dcosαy=DsinαDD45(3)独立平面直角坐标当测区范围较小时，可将大地水准面看作平面，并在平面上