第一章测量学课件

测量学54学时徐建军学时：54学时（理论：40课时，实验：14课时）内容：测量的原理和方法，仪器的使用。参考资料：《测量学》，顾孝烈，同济大学出版社《工程测量学》，李青岳，测绘出版社《房地产测绘》顾孝烈，中国建筑工业出版社考核：闭卷考试总成绩=平时成绩（20%）+期中考试（20%）+考试成绩（60%）第一章绪论第一节测量学的任务、分类、作用第二节测量学的发展第三节地面点的确定第四节水平面代替水准面的限度第五节测量工作概述第六节测量相关概念第一节测量学的任务、分类、作用一、任务测量学：是研究地球的形状和大小以及确定地面(包含空中、地下和海底)点依的科学。包括测定和测设两个部分。测定：使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设：把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。二、分类1、天文测量学：研究测定恒星的坐标，以及利用恒星确定观测点的坐标（经度、纬度等）的学科。2、大地测量学：研究测定地球的形状和大小及地球的重力场的测量方法、分布情况及其应用的学科。依技术水平分：大地测量学和卫星大地测量学3、地图制图学：研究地图制图的理论和方法。4、摄影测量学：研究利用航天、航空、地面的摄影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。5、工程测量学：研究测量和制图的理论和技术在工程建设中的应用。6、测量仪器学：研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。7、地形测量学：研究将地球表面局部地区的地貌、地物测绘成地形图和编制地籍图的基本理论和方法。8、海洋测绘学：研究以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作。三、作用测量学在基础建设，农业，军事，国防等各方面都起到重要的作用。第二节测量学的发展一、测量学的发展在人类认识地测球形状和大小的过程中，测量学获得了飞速的发展。南北两地同时观测日影的办法首次推算出地球子午圈的周长。先测量地面上一段(子午线)的弧长l，再测量该弧长所对的中心角θ。则地球的半径R就可求得：R=l/θ地球子午线的周长可等于L=2πR。求θ。为此要同时在南北两点测量竖杆影子的长度。凭影长和杆高就可以求得两个杆子与阳光的夹角φ1和φ2。设在同一时刻两地的阳光相互平行则θ=φ2-φ1）二、3S技术发展概况1、全球定位系统（GPS）：是美国国防部为满足其军事部门海、陆、空高精度导航、定位和定时的要求而建立的一种卫星定位和导航系统。2、遥感（RS）：指从远距离高空以信外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器，通过摄影和扫描、信息感应、传输和处理，从而研究地面物体的形状、大小、位置及其环境相互关系与变化的现代科学技术。3、地理信息系统（GIS）：是以采集、存储、描述、检索、分析和应用与空间位置有关的相应属性信息的计算机系统，它是集计算机、地理、测绘、环境科学、空间技术、信息科学、管理科学、网络技术、现代通讯技术、多媒体技术为一体的多学科综合而成的新兴学科。第三节地面点的确定一、地球的形状和大小地球是一个表面覆盖71%的水，起伏不平的三轴椭球体。大地水准面：自由静止的平均海水面延伸到大陆、岛屿内而形成的闭合曲面。水平面：与水准面相切的平面。大地体：由大地水准面所包围的地球形体。参考椭球面：接近大地水准面，可用数学式表示的椭球面来作为测量计算工作基准面。可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km。二、确定地面点位的方法1、地理坐标子午面：过地球自转轴，地面任一点的平面称为子午面。子午线：子午面与地球表面的交线。东经：首子午面向东计。西经：向西计。赤道面：过地球中心所作垂直于自转轴的平面。赤道：赤道面与地球表面的交线。纬线：与赤道面平行的平面与地球表面的交线。纬度：地面点的法线与赤道面的夹角即为该点的纬度。第四节水平面代替水准面的限度大地水准面为球面，而本课程是小面积测量，为了简化计算，因此用水平面代替水准面的，那么必然产生误差。实际中，误差只要在测量和制图的容许范围内，其影响可以忽略不计。一、对距离的影响一般测量工作中，在半径为25Km的范围内，用水平面代替水准面的距离误差可忽略不计。二、对高程的影响水平面代替高程的影响很大，当距离为200m时，误差为0.31cm，这个误差在高程测量中是不能忽视的。第五节测量工作概述一、测量的基本问题测量的目的，一般来说就是测定地球表面某一局部地区的形状大小，并绘制成图。地球表面的内容是丰富的，具体可分为地物和地貌。地物：指地面上天然形成的固体物体，如房屋，道路，河流。地貌：地球表面高低起伏的形状，如山岭，洼地，河谷。测定地物和地貌，主要是选择它们的特征点进行测量定点二、测量的基本工作确定一个点的位置，既反映点与点之间的关系：距离，角度，高差。测量工作基本内容：水平角测量，水平距离测量，高程测量。三、测量的基本原则测量工作基本原则：1、工作范围上，从整体到局部；工作性质上，先控制后碎部；精度上，从高级到低级。2、上一步工作没有完成不进行下一步工作。控制测量：测区内，按一定的密度，选定一些具有控制意义的地面点，作为全面测量的依据，，用精密的仪器和方法测定，使具有较高等级的精度，以保证下一步工作的顺利进行。碎步测量：在控制点上安置仪器，以较底的精度测绘其周围的地物和地貌，直至测完整个测区。第六节测量相关概念一、地图类型1、平面图：将地表面的地物轮廓沿铅垂线方向投影到平面上，按一定比例缩绘成与实地相似的图。2、地形图：在图上不仅表示出了测区内地物的平面位置，而且还用等高线表示出测区的地貌。3、地图：将大面积地区或整个地球表面绘制成图时，必须考虑地球曲线率的影响，采用特殊的投影方法，这种方法得到的描绘大面积地区形状和大小的图称为地图。二、比例尺比例尺：地形图上任意一线段的长度与地面上相应线段的实际水平长度之比，称为地形图的比例尺。1、分类数字比例尺：用分子为1的分数形式表示的比例尺。分母越大，比例尺越小。直线比例尺：以直线或图示的方式绘制比例线段表示图纸比例。实际中，缩放图纸时，直线比例尺能同图纸一起缩放，所以不会产生误差。数字比例尺则会产生很大误差第二章水准测量第一节水准测量原理第二节水准测量的仪器和工具第三节水准仪的使用第四节水准测量外业工作第五节水准测量的内业第六节水准仪的检验与校正第七节水准测量的误差分析第一节水准测量原理水准测量是利用一条水平视线，并借助水准尺，来测定地面两点间的高差，这样就可由已知点的高程推算出未知点的高程。第二节水准测量的仪器和工具水准测量所使用的仪器为水准仪，工具为水准尺和尺垫。水准仪按其精度可分为DS05、DSl、DS3和DSl0等四个等级。“D|”为我国对大地测量仪器规定的总代号，“S”是水准仪的代号，05，1，3，10是指各等级水准仪每Km往返测高差中数的中误差，以mm计。一、水准仪的结构水准仪构成主要有望远镜、水准器及基座三部分。1．望远镜有内对光与外对光两种。DS3水准仪望远镜主要由物镜、目镜、对光透镜和十字丝分划板所组成。十字丝交点与物镜光心的连线，称为视准轴或视线。2．水准器：分为管水准器和圆水准器。水准器是用来指示视准轴是否水平或仪器竖轴是否竖直的装置。管水准器用来指示视准轴是否水平；圆水准器用来指示竖轴是否竖直。(1)管水准器水准管上一般刻有间隔为2mm的分划线，分划线的中点0，称为水准管零点。通过零点作水准管圆弧的切线，称为水准管轴。微倾式水准仪在水准管的上方安装一组符合棱镜，通过符合棱镜的反射作用，使气泡两端的像反映在望远镜旁的符合气泡观察窗中。若气泡两端的半像吻合时，就表示气泡居中。若气泡的半像错开，则表示气泡不居中，这时，应转动微倾螺旋，使气泡的半像吻合。(2)圆水准器圆水准器顶面的内壁是球面，其中有圆分划圈，圆圈的中心为水准器的零点。通过零点的球面法线为圆水准器轴线，由于它的精度较低，故只用于仪器的概略整平。(3)基座基座的作用是支撑仪器的上部并与三脚架连接。它主要由轴座、脚螺旋、底板和三角板构成。二、水准尺和尺垫水准尺是水准测量时使用的标尺。其质量好坏直接影响水准测量的精度。因此，水准尺需用不易变形且干燥的优质木材制成；要求尺长稳定，分划准确。常用的水准尺有塔尺和双面尺两种。双面尺的黑面均由零开始；而红面，一根尺由4.687m开始至6.687m或7.687m，另一根由4.787m开始至6.787m或7.787m。尺垫是在转点处放置水准尺用的，它用生铁铸成，一般为三角形，中央有一突起的半球体，下方有三个支脚。用时将支脚牢固地插入土中，以防下沉，上方突起的半球形顶点作为竖立水准尺和标志转点之用。第三节水准仪的使用水准仪的使用包括仪器的安置、粗略整平、瞄准水准尺、精平和读数等操作步骤。一、安置水准仪打开三脚架并使高度适中，目估使架头大致水平，检查脚架腿是否安置稳固，脚架伸缩螺旋是否拧紧，然后打开仪器箱取出水准仪，置于三脚架头上用连接螺旋将仪器牢固地固连在三脚架头上。二、粗略整平粗平是借助圆水准器的气泡居中，使仪器竖轴大致铅垂，从而视准轴粗略水平。在整平的过程中，气泡的移动方向与左手大拇指运动的方向—致。三、瞄准水准尺首先进行目镜对光，即把望远镜对着明亮的背景，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰。再松开制动螺旋，转动望远镜，用望远镜筒上的照门和准星瞄准水准尺，拧紧制动螺旋。然后从望远镜中观察；转动物镜对光螺旋进行对光，使目标清晰，再转动微动螺旋，使竖丝对准水准尺。当眼睛在目镜端上下微微移动时，若发现十字丝与目标影像有相对运动，这种现象称为视差。四、精平与读数眼睛通过位于目镜左方的符合气泡观察窗看水准管气泡，右手转动微倾螺旋，使气泡两端的像吻合，用十字丝的中丝在尺上读数。先估读毫米数，然后报出全部读数。第四节水准测量外业工作一、水准点及水准测量路线形式水准测量路线形式主要有：闭合水准路线、附合水准路线和支水准路线。闭合水准路线:从一个已知水准点开始，沿着环形路线测定各点高程，最后仍回到起始水准点。附合水准路线：从一个已知水准点开始，经过各待测高程点，最后连测到另一个已知高程点。支水准路线：由一个已知水准点开始，最后没有闭合到原水准点或连测到另一个已知水准点。二、水准测量的实施当欲测的高程点距水准点较远或高差很大时，就需要连续多次安置仪器以测出两点的高差。为测A、B点高差，在AB线路上增加1、2、3、4、……等中间点，将AB高差分成若干个水准测站。其中间点仅起传递高程的作用，称为转点（TurningPoint），简写为TP。转点无固定标志，无需算出高程。显然，每安置一次仪器，便可测得一个高差，即将各式相加，得则B点的高程为三、水准测量的检核1．计算检核B点对A点的高差等于各转点之间高差的代数和，也等于后视读数之和减去前视读数之和，因此，此式可用来作为计算的检核。但计算检核只能检查计算是否正确，不能检核观测和记录时是否产生错误。2．测站检核B点的高程是根据A点的已知高程和转点之间的高差计算出来。若其中测错任何一个高差，B点高程就不会正确。1）变动仪器高法：同一测站用两次不同的仪器高度，测得两次高差以相互比较进行检核。2）双面尺法：仪器高度不变，立在前视点和后视点上的水准尺分别用黑面和红面各进行一次读数，测得两次高差，相互进行检核。3．成果检核测站检核只能检核一个测站上是否存在错误或误差超限。由于温度、风力、大气折光、尺垫下沉和仪器下沉等到外界条件引起的误差，尺了倾斜和估读的误差，以及水准仪本身的误差等，虽然在一个测站上反映不很明显，但随着测站数的增多使误差积累，有时也会超过规定的限差。1）附合水准路线检核△h=∑h测-∑h理2）闭合水准路线检核△h=∑h测3）支水准路线检核△h=∑h往+∑h返第五节水准测量的内业水准测量外业式作结束后，要检查手簿，再计算各点间的高差。经检核无误后，才能进行计算和调整高差闭合差。最后计算各点的高程。一、附合水准路线闭合差的计算和调整1．高差闭合差的计算高差闭合差可用来衡量测量成果的精度，等外水准测量的高差闭合差容许值，规定为平地L为水准路线长度公里数山地n为测站数2．闭合差的调整在同一条水准路线上，假设观测条件是相同的，可认为各