工程测量教材

工程测量黑龙江水利水电学校2010年10月1第一章绪论第一节工程测量的任务一、工程测量的概念工程测量是测量学的一个分支，是研究工程建设在勘测、规划、设计施工、运行管理各阶段的测量工作理论、技术和方法。二、测量学的任务从测量学的角度讲，其任务包括测绘和测试两个方面。测绘就是使用各种测量仪器和工具，运用各种测量方法测定地球表面的地物和地貌的位置，按一定的比例尺缩绘成图。广义上讲其过程是从实物到图的过程；测设是将图纸上设计好的建筑物的平面位置和高程，按设计要求标定在地面上，作为施工依据，又称施工放样。三、测量学的分类测量学的分支学科有：1）大地测量学2）地形测量学3）摄影测量学4）工程测量学5）海洋测量学2第二节测量工作概述一、工程测量研究的对象工程测量研究的最基本对象是空间上的点。测量工作的主要目的是确定点的坐标和高程。最后是直线、平面和体。只要将确定点的要素弄清楚，测量工作的基本要点就抓住了。空间点的投影如下图1—1所示，规定空间点在XOY坐标平面的投影的坐标为a(x，y),其极坐标为（θ，r），点的高程用z坐标表示，在测量学中用高程来标定。图1—1点的投影图1—2点的平面直角坐标二、工程测量基本工作1、测量的基本工作控制测量、碎部测量以及施工放样的实质都是为了确定点的位置，而点位的确定都离不开距离、角度和高差这三个基本观测量。因此，测量的三项基本工作是：距离测量、角度测量、高差测量；确定地面点位置的三个基本要素为距离；角度和高差。三、测量的基本原则和方法(1)在测量布局上，“由整体到局部”；(2)在测量精度上，“由高级到低级”；(3)在测量程序上，“先控制后碎部”；3(2)方法：在测量过程中，“随时检查，杜绝错误”。作用：防止错、漏的发生，以免影响后续工作。三、测量常用的度量单位1、角度单位：度、分、秒。1个圆周=360°；1°=60′；1′=60″。(2)弧度：等于半径的弧长所对应圆心角，称为一弧度角。以一个弧度角作为角度的单位称为弧度制。ρ=180/πρ=180/π=57.2957795°ρ′=180*60/π=3437′.74677≈3438′ρ″=180*60*60/π=206264.806″≈206265″四、测量坐标与数学坐标的关系如下图1—3所示，两类坐标系。图1—3数学坐标系图1—4测量坐标系1、区别：①两类坐标系的轴正好相反。数学中的平面直角坐标以纵轴为y轴，自原点向上为正，向下为负；以横轴为x轴，自原点；测量上的平面直角坐标系以南北方向的纵轴为x轴，自原点向北为正，向南为负；以东西方向的横轴为y轴，自原点向东为正，向西为负。4②测量与数学上关于坐标象限的规定也有所不同，二者均以北东为第一象限，但数学上的四个象限为逆时针递增编号，而测量上则为顺时针递增编号。2、联系理由是由于测量工作中以极坐标表示点位时其角度值是以北方向为准按顺时针方向计算的，而数学中则是以横轴为准按逆时针方向计算的，把x轴与y轴纵横互换后，数学中的全部三角公式都同样能在测量中直接应用，不需作任何变更五、测量工作在工程建设中的主要任务1）测绘大比例尺地形图2）施工放样和竣工测量3）变形观测5第三节地面点位的确定一、测量学的基准线和基准面1、铅垂线：离心力和地心引力的合力称为重力，重力的作用线即为铅垂线。（它是测量工作的基准线。）2、水准面：假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围了整个地球，形成一个闭合的曲面，这个曲面称为水准面。（无数个）3、大地水准面：在无数个水准面中，其中与平均海水面相吻合的称为大地水准面。（它是测量工作的基准面。）图1—3大地水准面与椭球体(2)大地水准面的特性：a.不规则性（但处处与铅垂线垂直）；b.唯一性。(3)大地水准面的作用：一是点位的投影面；二是高程的起算面。4、总椭球体(1)定义：选用一个非常接近大地水准面，并可用数学表达式表示的规则几何形体来表示地球总的形状。这个数学形体就是由一个椭圆，绕其短轴旋转所形成的椭球体。长半轴a≈6378140m6短半轴b≈6356755m扁率f=(a-b)/a≈1/298.257二、确定地面点的坐标系统1、天文地理坐标图1—4地理坐标地面点在球面上的位置常用经度和纬度来表示，成为地理坐标。它以铅垂线为基准线，以大地水准面为基准面。2、平面直角坐标1)、高斯平面直角坐标①定义：从首子午线开始，自西向东每6°划分一带，将该带展开，近似看成平面。或是从东经1°30'子午线开始，自西向东每3°划分一带，将该带展开，近似看成平面。7图1—5投影带及6度（3度）带②中央子午线经度及带号：◎对于6°带：◎第N带的中央子午线经度L0=6N-3°◎经度L的带号N=[L/6°]+1◎对于3°带：◎第n带的中央子午线经度l0=3n◎经度l°的带号n=[(l°-1°30′)/3°]+1◎坐标(X,Y)◎Y坐标值加上500km，再冠以带号。图1—6高斯平面投影原理8图1—7高斯平面直角坐标2）、独立平面直角坐标系当测区面积较小时，可不虑地球曲率的影响。用平面直角坐标表示其投影位置。坐标系的原点选在测区西南角，一是测区内任意点的坐标均为正值。规定X轴向北为正向，Y轴向东为正向，坐标象限按顺时针方向编号，如下图所示。图1—8独立直角坐标3、高程坐标系：“1956国家高程基准”的青岛国家原水准基点高程H=72.289m“1985国家高程基准”的青岛国家水准基点高程H=72.260m高程：地面点到大地水准面的铅垂距离，一般用H表示。又称绝对高程或海拔。9高差：地面上两点高程之差，一般用h表示。（hAB=HB-HA）相对高程：地面点到假定水准面的铅垂距离。又称假定高程。绝对高程：地面上一点到大地水准面的铅垂距离，又称海拔。图1—9高程和高差三、水平面代替水准面对距离的影响D=RθD′=Rtanθ△D=D′-D=R(tanθ-θ)≈D3/3R2△D/D=(D/R)2/3影响较小，通常在半径10km测量范围内，可以用水平面代替大地水准面。10图1—10水平面代替水准面的影响四、水平面代替水准面对高程的影响(R+△h)2=R2+D′22R△h+△h2=D′2△h=D2/2R影响较大，因此不能用水平面代替大地水准面。11第二章水准测量第一节水准测量的工具及使用一、水准测量的基本原理：图2—1水准测量原理水准测量的原理是：利用水准仪提供的一条水平视线，分别读出地面上两个点上所立水准尺上的读数，由此计算两点的高差，根据测得的高差再由已知点的高程推求未知点的高程。高差法：)(baHHAB仪高法：baHHAB)(二者的适用条件是：高差法用于高程的联标测量，用来完成测绘任务；仪器高法适用来完成测设任务，用于地面上定位点的高程放样。二者的公式表达式不同的。必须注意，深刻理解。从公式的角度看，测量和放样在完成任务的目的上的区别是：测量是求得某点的高程；放样是求得某点的尺度数。几个概念：1、后视点及后视读数：某一测站上已知高程的点，称为后视点，在后视点12上的尺读数称为后视读数。用a表示。2、前视点及前视读数：某一测站上高程待测的点，称为前视点，在前视点上的读数称为前视读数。用b表示3、转点：在连续水准测量中，用来传递高程的点，称为转点。其上既有前视读数，又有后视读数。4、间视点：在测量过程中，临时用来检查某一点的高程而在其上立尺所测的只有前视读数的点称为间视点。属于前视点的一个类型。其数据不能用来进行计算校核。常在超平中使用。二、连续水准测量：连续水准测量，也称联标。在A、B两点间高差较大或相距较远，安置一次水准仪不能测定两点之间的高差时使用。此时有必要沿A、B的水准路线增设若干个必要的临时立尺点，即转点（用作传递高程）。根据水准测量的原理依次连续地在两个立尺中间安置水准仪来测定相邻各点间高差，求和得到A、B两点间的高差值。如图1-2所示。h1=a1-b1h2=a2-b2则：bahhhhhnAB.....21如图2-2连续水准测量13三、水准仪的构造：(一)DS3微倾水准仪图片图2—3DS3型水准仪水准仪主要有望远镜、水准器和基座组成。如图2-3所示。(二）基座：呈三角形，由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器上部通过竖轴插在轴套内，由基座承托。脚螺旋用来调整圆水准器。整个仪器通过连接板、中心螺旋与三角架连接。（三）望远镜：14图2—4测量望远镜图2—5望远镜成像原理由物镜、目镜、十字丝分划板和对光透镜（内对光式）组成。1、物镜：（复合透镜）作用：将远处的目标成象在十字丝分划板上，形成缩小而倒立的实象。2、目镜：（复合透镜）作用：将物镜所形成的实象连同十字丝一起放大成虚象。3、十字丝分化板：位于望远镜光学系统的焦平面上，光学玻璃板，用以瞄准目标和读数，上面有一竖丝和三条横丝（中丝和两条视距丝）4、视准轴：物镜光心和十字丝交点的连线。望远镜的性能主要有：放大率、视场角、分辨率和亮度。望远镜的使用主要有：对光和消除视差。视差指物镜对光后，眼睛在目镜端上、下微微移动时，十字丝和水准尺成象有相互移动的现象。消除方法：仔细反复的调节目镜和物镜的对光螺旋，直到成象稳定。（四）水准器：分圆水准器和管水准器，圆水准器用以使仪器竖轴处于铅垂位置，管15水准用以使视线精确水平。（五）水准管的构造图2—6水准管的构造图2—7水准管与符合棱1.水准管轴：水准管圆弧的中点称为水准管的零点。过零点作圆弧的纵切LL称为水准管轴2.符合棱镜：提高气泡的居中精度和便于观测。3.水准管分划值：水准管上2毫米弧长所对的圆心角。τ”=2ρ”/R（六）圆水准器的构造图2—8圆水准器。1.圆水准轴：分划小圆周的中心为圆水准器的零点，过零点的球面法线。2.分划值大，灵敏度低，仅用于粗平。16四、水准仪的操作：准仪的使用分以下几步：(1)三角架打开与安置：分两个步骤a提拉脚架，用右手抓住三角架的头部，立起来，然后用左手顺时针拧开三角脚架三个脚腿的固定螺栓。同时上提脚架，脚腿自然下滑。提至架头与自己的眼眉齐平为止。之后逆时针拧紧螺旋，固定脚腿。注意螺栓的拧紧程度不要过大，手感吃力即可。b打开脚架：提拉完脚架之后，用两手分别抓住两个架腿，向外测掰拉，同时用脚推出另一个架腿，使脚架的落地点构成等边三角形并保证架头大致水平。要求脚架的空挡与两个立尺点相对，这样防止骑某个脚腿读数的情况出现。(2)安置仪器：三角架立好后，打开仪器箱取出仪器，将仪器的底座一侧接触架头，然后顺势放平仪器。旋紧底座固定螺旋。要求松紧适度。(3)粗平：将仪器的圆气泡对准一个架腿测，手提该架腿前后推拉脚腿，使气泡大致居中。气泡的运动方法为左右反向，前后同向。踩实架腿。(4)精平：在粗平完成后，调节脚螺旋，使圆水准气泡严格居中，称为圆气泡的精平。如下图1—9所示；旋动微倾螺旋，使长符合水准管的两个半气泡对齐，称为读数精平。见图2—10图2—9圆水准器整平图2—10长水准器的气泡符(5)瞄准水准尺：17(6)读数：从小数向大数读，读四位。前两位从尺上直接读取，第三位查黑白格数，第四位估读。如图1-11读数为1.259米。图2—11瞄准水准尺与读数注意:①每次读数前都要精平；②按操作规程使用仪器；③制、微动螺旋不能错用，旋转要轻巧；④仪器和工具要轻拿轻放；⑤不能坐仪器箱；⑥切忌手扶脚架进行观测。以上的操作是针对DS3型微倾水准仪而言的。对自动安平水准仪省略了读数精平。五、测量工具1.水准尺：水准测量的重要工具，与水准仪配合使用。种类有精密水准尺和普通水准尺；尺长一般为3～5米；尺型有直尺、折尺、塔尺等；其分划为底部从零开始每间隔1厘米，涂有黑白或黑红相间的分划，每分米注记数字。双面尺分黑面尺（主尺），0～3米和红面尺（辅尺）底部从4.687（4.787）～7.687（7.787）。2.尺垫：18与水准仪配合使用，在转点上使用。作用：传递高程，防止水准尺下沉和转动改变位置。3、三脚架:用于安放仪器。19第二节普通水准测量一、水准测量的实施所谓的普通水准测量，是指四等或等外水准测量。1、水准点图2—12永久水准点(a)、(b)2、水准路线（1）闭合水准路线：从一个已知水准点出发经过各待测