精密工程测量

精密工程测量技术及应用精密工程测量技术及应用河南工程学院土木工程系河南工程学院土木工程系测绘工程教研室测绘工程教研室 第一章第一章 概论概论精密工程测量的特点及发展精密工程测量的特点及发展1精密工程测量的精度精密工程测量的精度2精密工程测量的实施方案精密工程测量的实施方案3研究背景研究背景 随着科学技术的飞速发展和建设事业的迅猛发展，各种新型的特大型工程及建筑群体（数百米高的特大型水电工程，特大跨距的斜拉桥、悬索桥、大型工业和民用建筑群体）纷纷涌现。对传统的工程测量在内容、精度、技术要求、测控技术等方面提出了众多急需解决的问题。为适应现代工程建设的需要，确保这些大型工程建设的顺利实施和工程的优质，并对其日常运营状况进行安全监测，研究现代精密工程测量技术显得十分重要。精密工程测量的含义精密工程测量的含义v 主要是指结合现代测绘科技的新进展，研究和解决大型工程或特种工程对测量的高精度、可靠性、自动测控等各个方面要求的测量科学。v 测量精度要求：1-2mm，甚至达亚毫米级。v 有别于传统的工程测量，但又与其密切相关。主要解决精度要求特高、特难、测值要求高可靠性和安全监测等问题。v 精密工程测量具有典型的多学科交叉的性质。v 精度工程所使用的仪器设备，必须具备优良的性能和适合于从事服务对象的专门要求。精密工程测量的发展方向精密工程测量的发展方向v 1、对经典测量理论和方法的研究v 2、减弱环境因素作用的影响v 3、研究合理的数据处理方法v 4、专用测量仪器的进一步研究各种工程精度的要求各种工程精度的要求 各种工程建设对精度的要求，因工程而异各不相同。同时由于各部位的重要性不同，实现的目地不同，构成的材料不同，允许的误差不同等诸因素的不同，而有不同的精密要求。土石坝安全监测精度4-5mm；混凝土坝安全监测的精度1-2mm；质子加速器粒子巨型磁铁安装误差，径向不大于0.2mm，高程方向不大于0.2mm；各种工程精度的要求各种工程精度的要求 主跨628m的南京长江第二大桥，桥轴线的拼接误差不大于1mm，两合龙端面的对接误差不大于3mm；南京某全高150m的塔形大楼，各层间的垂直度误差不大于2mm，全楼垂直度误差不大于8mm；某核电站，厂区首级控制网的点位中误差小于1mm，核反应堆所建微型控制网点位误差小于1mm，反应堆心各构件的同轴度误差不大于0.2mm；各种工程精度的要求各种工程精度的要求 上海过黄浦江底30m深的排水顶管工程，要求顶管全中误差在10mm以内；综上，精密工程测量的精度，将因各种工程的特点、重要性、环境条件、拟实现的目标等诸因素不同而异。此外，应结合各种分析，根据材料的特征，确定误差的允许值，测量人员应根据此要求，拟定测量方案，选择仪器，满足精度要求。一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求 大量的工程构筑物，如果已有“规范”规定的精度要求，则必须严格按照“规范”要求执行；若无要求，则可参照已有的工程实施。一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求名称名称精度要求精度要求实现精度实现精度采用方法采用方法1.1.大坝变形监测大坝变形监测 坝基水平位移坝基水平位移0.30.30.30.3倒垂，真空激光准直倒垂，真空激光准直 坝顶水平位移坝顶水平位移1.01.01.01.0张引线、正锤、激光准直、张引线、正锤、激光准直、GPSGPS技术技术 坝体位移坝体位移1.01.0张引线、正锤、激光准直、张引线、正锤、激光准直、GPSGPS技术技术 坝体垂直位移坝体垂直位移1.01.01.01.0精密水准、静力水准精密水准、静力水准 坝体裂缝坝体裂缝0.20.20.20.2裂缝仪、应变计裂缝仪、应变计 坝基倾斜坝基倾斜1.0”1.0”1.0”1.0”精密水准、静力水准、电子倾斜仪精密水准、静力水准、电子倾斜仪 近坝区岩体近坝区岩体2.02.02.02.0监控网监控网 闸门、闸墙闸门、闸墙3.03.01-21-2近景摄影近景摄影一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求名称名称精度要求精度要求实现精实现精度度采用方法采用方法2.2.高精度控制网高精度控制网2.02.01.0-2.01.0-2.0TC2003TC2003全站仪、全站仪、GPSGPS测量、测量、ME-3000ME-3000配合配合T3T33.3.大桥精密测量大桥精密测量 高塔柱变形高塔柱变形3.03.03.03.0TC2003TC2003，GPSGPS技术技术 钢箱梁拼装钢箱梁拼装1.01.01.01.0TC2003TC2003 桥梁曲线控制桥梁曲线控制5.05.03.03.0现场测控系统现场测控系统 高塔柱垂直度高塔柱垂直度1/200001/200001/500001/50000TC2003TC2003、自动整平垂准仪、自动整平垂准仪 合拢段拼接合拢段拼接3.03.03.03.0精密测距、测温及模型拟合精密测距、测温及模型拟合一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求名称名称精度要求精度要求实现精实现精度度采用方法采用方法4.88m4.88m灵山大佛造型灵山大佛造型 微型控制网微型控制网 数字化成像数字化成像 安装定位安装定位1.01.010.010.08.08.00.30.35.05.05.05.0ME-3000ME-3000，T2000T2000近景摄影，数字化处理技术、解析测图仪近景摄影，数字化处理技术、解析测图仪分层投影导线，距离交会分层投影导线，距离交会5.800m5.800m顶管工程顶管工程 方位传递方位传递7.0”7.0”3.5”3.5”联系三角测量，联系三角测量，GAKGAK陀螺经纬仪陀螺经纬仪 贯通误差（平面）贯通误差（平面）12.512.58.08.0TC1800TC1800智能测控系统，精密水准智能测控系统，精密水准 贯通误差（竖直）贯通误差（竖直）4.04.01.81.8TC1800TC1800智能测控系统，精密水准智能测控系统，精密水准一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求名称名称精度要求精度要求实现精实现精度度采用方法采用方法6.6.垂准测量垂准测量 高楼垂直度高楼垂直度 电视塔变形电视塔变形8.08.02.02.02.02.01.61.6自动安平（自动安平（1”1”）垂准仪）垂准仪激光铅锤仪加竖直面温度梯度改正激光铅锤仪加竖直面温度梯度改正7.7.大型机械安装大型机械安装 汽车发电机轴线汽车发电机轴线 汽轮发电机高程汽轮发电机高程0.10.10.050.050.030.030.020.02波带级激光准直系统波带级激光准直系统液体静力水准仪液体静力水准仪8.8.核电站核电站 微型控制网微型控制网1.01.00.80.8边角网，边角网，ME-3000ME-3000测距测距 堆心各构件同轴堆心各构件同轴0.20.20.20.2专用对中器专用对中器 边孔同轴度边孔同轴度0.60.60.40.4水银池自准直仪水银池自准直仪一些工程中的精度要求一些工程中的精度要求名称名称精度要求精度要求实现精度实现精度采用方法采用方法9.9.精密跨江工程精密跨江工程1.21.21.01.0L=1.5kmL=1.5km，采用经纬仪测角法及强反光标志，采用经纬仪测角法及强反光标志10.10.电子对撞机电子对撞机 地面控制网地面控制网1.01.00.30.3边角网，边角网，ME-3000ME-3000测距测距 地下控制网地下控制网1.01.00.30.3边角网，边角网，ME-3000ME-3000测距测距 地下高程控制网地下高程控制网1.01.00.50.5几何水准及静力水准几何水准及静力水准 漂移管漂移管0.20.20.060.06激光准直仪及调节设备激光准直仪及调节设备 磁铁体磁铁体0.20.20.120.12多种专用测量设备多种专用测量设备精密工程测量中精度的确定精密工程测量中精度的确定v 1、根据确保工程最主要的目标及不利情况，进行多种模、根据确保工程最主要的目标及不利情况，进行多种模拟计算分析，并结合目前的先进技术能实现的精度初步确拟计算分析，并结合目前的先进技术能实现的精度初步确定定v 2、根据类似工程安全运行资料并结合专门分析的结果而、根据类似工程安全运行资料并结合专门分析的结果而认定认定v 3、借助于同类工程执行的并已被验证能确保工程质量的、借助于同类工程执行的并已被验证能确保工程质量的精度指标精度指标精密工程测量实施方案精密工程测量实施方案v 1、收集各种有关的资料及深刻理解对精度要求的含义v 2、找出关键问题及拟定处理方案v 3、成功经验的吸收v 4、能考虑以不同方法进行验证精密工程测量实施方案的基本步骤精密工程测量实施方案的基本步骤v 1、对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点进行详细的分析及描述，并分析总结这些条件对测量作业的影响。要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析和评定这些资料的精度和利用价值；v 2、工程区基准的确定，在详细进行精度分析和遵循有关“规范”条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提出控制方案和实施方法，以及对精度进行预估等；精密工程测量实施方案的基本步骤精密工程测量实施方案的基本步骤v 3、确定出测量中的关键精度所在，并结合自己的经验以及广泛吸收同类工程成功的实例，提出数个实施方案。实施方案包括采用的仪器、测量的方法、关键技术的解决内容、预期精度的估计，以及不同方案的比较；v 4、数据处理的方法；v 5、对方案可行性的论证，工作量及经费的概算。精密工程测量实施方案的基本步骤精密工程测量实施方案的基本步骤v 1、对工程区的环境条件、工程及水文地质、气候的特点进行详细的分析及描述，并分析总结这些条件对测量作业的影响。要全面完整地掌握该地区已有的测量资料，分析和评定这些资料的精度和利用价值；v 2、工程区基准的确定，在详细进行精度分析和遵循有关“规范”条款的基础上，兼顾整个工程区建设的需要，提出控制方案和实施方法，以及对精度进行预估等；各建各建筑物筑物、构、构筑物筑物的主的主 要轴要轴 线线根据确保工根据确保工程最主要的程最主要的目标及不利目标及不利情况，进行情况，进行多种模拟计多种模拟计算分析，并算分析，并结合目前的结合目前的先进技术能先进技术能实现的精度实现的精度初步确定初步确定细细部部放放样样精密工程测量中精度的确定精密工程测量中精度的确定123施工放样的精度施工放样的精度建筑限差：建筑限差：建筑物竣工后的实际位置相对于设计位置建筑物竣工后的实际位置相对于设计位置的极限偏差，它一般由测量误差、施工误差和构件加的极限偏差，它一般由测量误差、施工误差和构件加工误差造成，常常用施工总误差允许值来表示。工误差造成，常常用施工总误差允许值来表示。一般土建工程的施工总误差允许值：一般土建工程的施工总误差允许值：101030cm30cm；钢结构施工的总误差允许值：钢结构施工的总误差允许值：1 18mm8mm；高层建筑物轴线倾斜度允许值：高层建筑物轴线倾斜度允许值：1/10001/10001/20001/2000；施工放样的精度施工放样的精度 土石方的施工总误差允许值：土石方的施工总误差允许值：10cm10cm；对特殊要求的工程项目，其设计图纸都有明确的限对特殊要求的工程项目，其设计图纸都有明确的限差要求。差要求。具体工程放样精度的要求：具体工程放样精度的要求：若规范有规定，则按规范执行；若规范有规定，则按规范执行；若无规定，则按工程的需要来确定精度，使之既能若无规定，则按工程的需要来确定精度，使之既能满足工程建设的需要，又不至于浪费。满足工程建设的需要，又不至于浪费。施工放样的精度施工放样的精度放样方法的种类放样方法的种类实际放样时，按照精度要求的不同，常采用直接放样实际放样时，按照精度要求的不同，常采用直接放样法和归化法放样。法和归化法放样。一般放样方法：只测设必要放样数据的一种简便直接一般放样方法：只测设必要放样数据的一种简便直接的放样方法。的放样方法。一般而言是只用盘左（正镜）测设角度和（或）距一般而言是只用盘左（正镜）测设角度和（或）距离来确定点的位置。离来确定点的位置。放样点位的精度仅为仪器半测回的精度。放样点位的精度仅为仪器半测回的精度。放样方法的种类放样方法的种类归化法放样：为了满足高精度的放样。归化法放样：为了满足高精度的放样。先用一般放样方法放样一个点作为临时过度点；先用一般放样方法放样一个点作为临时过度点；接着测量该过度点与设计点之间的角度、距离，计接着测量该过度点与设计点之间的角度、距离，计算实测值与设计值的差值；算实测值与设计值的差值；然后根据差值将过度点修正归化到更精度的位置；然后根据差值将过度点修正归化到更精度的位置；最后在精确的位置上设立标志，作为放样点的设计最后在精确的位置上设立标志，作为放样点的设计位置。位置。距离放样距离放样定义：从一个已知点沿已知方向确定所需的距离。定义：从一个已知点沿已知方向确定所需的距离。放样方法：放样方法：1 1，钢尺直接法放样，钢尺直接法放样2 2，光电测距仪直接法放样，光电测距仪直接法放样3 3，归化法放样，归化法放样钢尺直接法放样钢尺直接法放样 钢尺法测设：经纬仪定线；钢尺法测设：经纬仪定线；钢尺测设钢尺测设D DABAB ；用大木桩标定用大木桩标定B B。已有：起点已有：起点A A、和、和ABAB方向方向 已知：水平距离已知：水平距离D AB(D AB(设计已知设计已知)定：终点定：终点B B 注：测设精度要求较高时，考虑注：测设精度要求较高时，考虑 距离的改正数，实际测设的距离距离的改正数，实际测设的距离 为为D=D-DD=D-Dk k-D-Dt t-D-Dh h光电测距仪直接法放样光电测距仪直接法放样在在A A安置测距仪安置测距仪(或全站仪或全站仪)；在在B B附近安置反光棱镜；附近安置反光棱镜；观测观测ABAB距离、调整棱镜位距离、调整棱镜位置，直至与设计距离相等，置，直至与设计距离相等，定定B B标志。标志。测距仪观测斜距时，应读测距仪观测斜距时，应读竖直角，改正成平距；竖直角，改正成平距；全站仪直接读取平距。全站仪直接读取平距。归化法放样归化法放样 1 1，先用直接放样法定出待放样点，先用直接放样法定出待放样点B B；2 2，精确测定，精确测定A A与与B B之间的距离之间的距离D D测；测；3 3，计算，计算D=DD=D设设-D-D测测 4 4，根据，根据D D对对B B的位置进行调整，直到的位置进行调整，直到D D设设=D=D测测正倒镜投点法正倒镜投点法PPP精密角度放样法精密角度放样法AO PP点位放样点位放样 将设计的平面点位测设到实地上。将设计的平面点位测设到实地上。测设方法测设方法测设数据测设数据 极坐标法极坐标法 角度角度、距离、距离D D 直角坐标法直角坐标法 角度角度(直角直角)、距离、距离D D 距离交会法距离交会法 距离距离D1D1、距离、距离D2D2 角度交会法角度交会法 角度角度11、角度、角度22 直接坐标法（直接坐标法（GPS RTKGPS RTK法）法）现场至少有一条基线现场至少有一条基线(两个相互通视的已知点两个相互通视的已知点)极坐标法 原理：在控制点上测设角度和距离来确定点的平面位置。原理：在控制点上测设角度和距离来确定点的平面位置。测设元素：角度和距离。测设元素：角度和距离。用途：极为广泛，适合各种工程放样。用途：极为广泛，适合各种工程放样。适用条件：若采用经纬仪和钢尺放样则适用于放样点离控适用条件：若采用经纬仪和钢尺放样则适用于放样点离控制点较近且便于量距的情况；若用全站仪放样则不受限制。制点较近且便于量距的情况；若用全站仪放样则不受限制。极坐标法 1 1、计算放样元素：、计算放样元素：2 2，将经纬仪或全站仪安置于已知点，将经纬仪或全站仪安置于已知点O O上，后视已知点上，后视已知点A A，测，测设角度设角度，得到方向，得到方向OBOB，然后在此方向上测设距离，然后在此方向上测设距离D D，设立，设立标志作为标志作为B B点的设计位置。点的设计位置。1122tan()tan()()()AOBOOAOBAOBOOBOABOBOyyyyxxxxDxxyy(X(XO O,Y,YO O)A AO O O O(X(XA A,Y,YA A)B B(X(XB B,Y,YB B)OAOBD极坐标法 J、K为已知导线点，P为某设计点位。在J点用极坐标法测设P点，J，K、P的坐标分别为J（746.202，456.588）、K（502.110m，496.225m）和P(450.000，560.000)、D计算：XJP=XP-XJ=-52.110，YJP=YP-YJ=+63.775 XJK=XK-XJ=+244.092，YJK=YK-YJ=-39.637 D=82.357m，JK=35004635”，JP=12901507”=JP-JK=12901507”-35004635”=13802832”极坐标法直角坐标法 原理：通过在控制基线及其垂直方向量取距离（坐标差）原理：通过在控制基线及其垂直方向量取距离（坐标差）来确定点的平面位置。来确定点的平面位置。放样元素：角度（直角）和距离。放样元素：角度（直角）和距离。用途：多用于建筑物轴线的放样。用途：多用于建筑物轴线的放样。适用条件：现场有控制基线，且待放样的轴线与基线平行。适用条件：现场有控制基线，且待放样的轴线与基线平行。直角坐标法角度交会法 原理：在两个或以上控制点测设角度来确定点的平面位置。原理：在两个或以上控制点测设角度来确定点的平面位置。放样元素：两个（或以上）角度。放样元素：两个（或以上）角度。应用：水利工程和桥梁工程。应用：水利工程和桥梁工程。适用条件：不便于测距的场合。适用条件：不便于测距的场合。角度交会法BPBPBPAPAPAPABABABxxyyxxyyxxyyarctanarctanarctanBABPbAPABa1 1、计算测设元素、计算测设元素角度交会法 2、实地测设、实地测设 (1)在在A置仪，以置仪，以B定向；反拨定向；反拨a角，在角，在P可能相交位置处设可能相交位置处设立两个骑马桩立两个骑马桩1、2，并于桩上钉小铁钉以标志视线方向。，并于桩上钉小铁钉以标志视线方向。(2)在在B置仪，以置仪，以A定向；正拨定向；正拨b角，同样设立骑马桩角，同样设立骑马桩3、4。(3)拉线拉线12、34，其交点为，其交点为P，并予地面钉木桩，其上钉小钉，并予地面钉木桩，其上钉小钉标志。标志。距离交会法距离交会法 原理：以两个控制点为基准上量取距离来确定点的平面位原理：以两个控制点为基准上量取距离来确定点的平面位置。置。放样元素：两个（或以上）距离。放样元素：两个（或以上）距离。应用：建筑工程。应用：建筑工程。适用条件：地形平坦，待测设点距控制点较近。适用条件：地形平坦，待测设点距控制点较近。距离交会法距离交会法1.1.计算计算D DAPAP 、D DBPBP；2.2.在测站在测站A A用钢尺测用钢尺测设设D D1 1；在测站；在测站B B用钢尺用钢尺测设测设D D2 2，相交得，相交得P P点，点，定定P P点标志。点标志。