土木工程测量：第1章 绪论

20132014学年第三学期学年第三学期土木工程测量土木工程测量1.绪论绪论主要内容1.2 地球的形状和大小1.1测量学简介1.3 地面点位的确定1.4 水平面代替水准面的影响1.5 测量工作概述1.1测量学简介1.1.1 1.1.1 定义定义 测量学（surveying)是研究地球的形状和大小以及确定地面点位的科学。1.1.2 1.1.2 任务任务 (1)测定-将地面事物按一定比例尺在图上标定出来 (2)测设-将图纸上设计出的物件标定到地面上 指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成果，将地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、国防建设、规划设计及科学研究使用。（地物、地貌图纸、数据库）(1)测定:测设（放样）是指用一定的测量方法，按要求的精度，把设计图纸上规划设计好的建（构）筑物的平面位置和高程标定在实地上，作为施工的依据。（图纸、数据地面点位）(2)测设 测量工作在土建工程中是一项基础性、前期和超前的工作，应用广泛。它能为各项土建工程提供各种比例尺的现状地形图或专用图和测绘资料；按照规划设计部门的要求进行规划定线和拨地测量以及各项勘察测量；在工程施工和运营管理阶段，对建（构）筑物进行变形监测，以确保安全。所以，测绘工作将直接关系到工程的质量和预期效益的实现，是我国现代化建设不可缺少的一项重要工作。（测量仪器与技术发展的过程)(1)古代：指南针、浑天仪、测绳、记里鼓等工具(2)近代：17世纪，伽利略发明望远镜光学仪器 19世纪末，出现了照相技术摄影测量 飞机的发明航空摄影测量(3)现代：特别是上世纪60年代以来，现代光学及电子学理论微波测距 电子计算机的出现全站仪ETS 地理信息管理GIS 人造卫星的发明 遥感RS 全球定位系统GPS 1.1.3 测量学的发展全站仪ETS(Electronic Total Station)全球卫星定位系统 GPS(Global Positioning System)地理信息系统 GIS(Geographic Information System)遥感 RS (Remote Sensing)(4)目前:测量界最先进的理论和技术是3S，即:全球卫星定位系统 GPS地理信息系统 GIS遥感 RS遥感卫星 气象卫星的旱情监测 嘉陵江上游水土侵蚀遥感调查 河南省有效灌溉面积遥感调查 山东省可发展灌溉面积遥感调查 1.1.4 测量学的分类(1)普通测量学(elementary surveying)：将地球自然表面局部地区的地形及人工结构物测绘成大比例尺地形图的基本理论和方法的学科。(2)大地测量学（geodesy)：研究地球表面广大地区的点位测定及整个地球的形状、大小和地球重力场的测定的理论和方法的学科。（又分为常规大地测量学和卫星大地测量学）(3)摄影测量学(photogrammetry)：研究利用摄影或遥感的技术获取地物和地貌影象，进行分析处理，以绘制地形图或获取数字化信息的理论和方法的学科。(4)工程测量学(engineering surveying)：研究工程建设在设计、施工和管理阶段中所进行的测量工作的理论和方法的学科。(1)国防建设方面：国界勘定、指挥战争等。(2)经济建设方面：工民建、交通、水利、矿山等。(3)科学研究方面：地壳变形、地极移动、重力场变化、地震预报等。1.1.5 1.1.5 测量学的意义：测量学的意义：(5)(5)海洋测量（海洋测量（marine survey)marine survey)：完成海洋水文：完成海洋水文潮汐水下地形及海洋工程等领域的测量潮汐水下地形及海洋工程等领域的测量1.2 地球的形状和大小1.2.1自然形状和大小 我们常把海水面所包围的体形看作地球的形状。平均半径约为6371 km的不规则球体，其中29%是陆地，71%是海洋。最高处：8844.43 m （喜马拉雅山脉的珠穆朗玛峰）最低处：11022 m （太平洋底的马里亚纳海沟）*珠穆朗玛峰是世界最高峰，作为世界群山之首，屹立在欧亚板块和印度板块碰撞造就的喜马拉雅山脉群峰之中。地壳板块运动、全球温室效应等因素都会引起珠穆朗玛峰地区环境的变化，喜马拉雅地区一直是国际地学研究的热点地区之一，珠穆朗玛峰高程测量一直为世人瞩目。*1975年，中科院、国家测绘局和国家体委组成联合登山科考队，我国测绘人员首次将测量觇标设立在珠峰之巅。中国科学家测定珠峰峰顶雪面的高度为8849.05米，减去当时测量得到的峰顶0.92米的雪深，最终精确得到珠峰高度为8848.13米，误差优于0.36米。这一数据一直作为中国对珠峰高度的采用值沿用至2005年10月。*2005年中国珠峰高程复测行动于3月15日正式开始，5月22日成功登顶并顺利完成相关数据的采集工作。之后，我国测绘专家对取得的数据进行了大量的分析处理工作。*2005年10月9日上午10点，国务院新闻办公室举行新闻发布会，国家测绘局局长陈邦柱公布了珠穆朗玛峰新高程为8844.43米，原1975年公布的高程数据8848.13米停止使用。世界最高峰为何会变“矮”？3.70米的高度去哪里了？珠峰测高技术顾问、中国科学院院士陈俊勇表示，除了误差，珠峰变“矮”的最主要的原因有3个：*珠峰变“矮”，首先是因为两次测得的冰雪深度不同。1975年珠峰测高时，只摘去了珠峰头上的雪帽。而本次测高除减掉约1米的雪深外，还减去了2.5米至2.6米的冰层和冰与碎石的混合层厚度。*其次，本次珠峰“身高”的起算点大地水准面的计算结果较上次更为精确、完善。此次测高确定的大地水准面比1975年高出0.7米至0.8米。*第三个原因是全球气候变暖。从20世纪60年代开始，珠峰冰雪层的厚度总体上呈现变薄的趋势。从1975年至今，珠峰的高程因此“矮”了0.3米至0.4米。a.铅垂线(plumb line)：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。）1.2.2 大地水准面（geoid)（1）大地水准面的概念b.水准面(level surface)：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。（共有无数个）c.大地水准面(geoid)：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）（2）大地水准面的特性a.不规则性（有微小起伏，但处处与铅垂线垂直）b.唯一性（3）大地水准面的作用a.点位的投影面（用规则的总椭球体代替）b.高程的起算面(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形成的椭球体。1.2.3 参考椭球体(reference ellipsoid(2)参考椭球体须满足以下条件：a.参考椭球中心与地球质心重合；b.参考椭球旋转轴与地球自转轴重合，赤道与地球赤道一致；c.体积V参考椭球=V地球，且大地水准面与参考椭球间的高差平方和hi2=min；d.总质量M参考椭球=M地球；e.旋转角速度参考椭球=地球。(3)我国所用椭球体及大地原点a.椭球体参数：长半轴 a 6378140 m 短半轴 b 6356755 m 扁 率 f=(a-b)/a 1/298.257b.大地原点(geodetic origin)：以陕西省西安市泾阳县永乐镇某点作为大地原点，进行大地定位，并由此建立全国统一坐标系，即目前使用的“1980西安坐标系”。1.3 地面点位的确定1.3.1坐标系统(horizontal coordinate system)（1）地心坐标系(geocentric coordinate system)：A（X,Y,Z）（2）地理坐标系(geographical reference system)：A（B,L,H）（3）平面直角坐标系(horizontal coordinate system)：A（X,Y）a.高斯平面直角坐标系(Gauss plane coordinate system)b.独立平面直角坐标系(independent coordinate system)1.3.2高程系统(height system)（1）绝对高程系统(absolute height system)（2）相对高程系统(relative height system)（1）地心坐标系：A（X,Y,Z）（2）地理坐标系：A（B,L,H）（3）平面直角坐标系：A（X,Y）a.高斯平面直角坐标系 定义：从首子午线开始，自西向东每 6划分一带（或是从东经 130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。中央子午线经度(longitude of central meridian)及带号(zone number)：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-130)/3+1 高斯平面直角坐标(X,Y)为避免y坐标值出现负值，我国规定将每带的坐标原点向西移500km，即将y值加上500km，再冠以带号，即为Y坐标值。b.独立平面直角坐标系坐标原点（选在测区的西南角）X、Y轴方向（横轴为Y；竖轴为X）第I、II、III、IV象限X、Y轴方向（横轴为Y；竖轴为X）第I、II、III、IV象限1.3.2高程坐标系绝对高程：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。相对高程：地面点到假定水准面的铅垂距离。又称假定高程。高差(height difference)：地面上两点高程之差，一般用 h 表示。（hAB=hB-hA）*以青岛验潮站多年观测资料求得黄海平均海水面作为我国的大地水准面（高程基准面），并于青岛观象山上建立了国家水准基点,称水准原点（leveling origin)。“1985国家高程基准”的国家水准基点高程为：H=72.260 m1.4 水平面代替水准面的影响水平面代替水准面的影响1.4.1 1.4.1 水平面代替水准面对距离的影响水平面代替水准面对距离的影响D=RD=R tanD=D-D=R(tan-)=D3/3R2D/D=(D/R)2/3 结论：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。1.4.2 1.4.2 水平面代替水准面对高程的影响水平面代替水准面对高程的影响(R+h)2=R2+D22Rh+h2=D2h=D2/2R结论：影响较大，因此不能用水平面代替大地水准面。1.5 测量工作概述测量工作概述1.5.1测量工作的基本原则(1)(1)在测量布局上，在测量布局上，“由整体到局部由整体到局部”；在测量在测量精度上，精度上，“由高级到低级由高级到低级”；在测量程序上，在测量程序上，“先控制后碎部先控制后碎部”；作用：a.保证精度，减少误差积累；b.加快进度。(2)(2)在测量过程中，在测量过程中，“随时检查，杜绝错误随时检查，杜绝错误”作用：防止错、漏的发生，以免影响后续工作。1.5.2控制测量(control survey)遵循“先控制后碎部”的测量原则，就是先进行控制测量，测定测区内若干具有控制意义的控制点的平面位置（坐标）和高程，作为测绘地形图或施工放样的依据。控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。1.5.3碎部测量(detail survey)在控制测量的基础上就可以进行碎部测量。碎部测量就是以控制点为依据，测定控制点至碎部点（地形的特征点）之间的水平距离、高差及其相对于某一已知方向的角度来确定碎部点的位置，应用碎部测量的方法，在测区内测定一定数量的碎部点位置后，按一定的比例尺将这些碎部点标绘在图纸上，绘制成图。1.5.4施工放样(setting-out survey)施工放样（测设）是把设计图上建（构）筑物位置在实地上标定出来，作为施工的依据。施工放样同样需要遵循“先控制后碎部”的基本原则。1.5.5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：(1)测高测高(height measurement)；(2)测角测角(angular surveying)；(3)测距测距(distance measurement)。1.5.6测量的度量单位(1)度分秒制1圆周=360；1=60；1=60。(2)弧度制 =180/=180/=57.295779557.3=180*60/=3437.746773438=180*60*60/=206264.806206265Chapter conclusion1 Concepts:(1)survey (2)geoid (3)level surface (4)height (5)height differenceChapter conclusion 2 Realize:(1)classification of survey (2)task of survey (3)reference ellipsoid (4)gauss projection (5)geodetic origin (6)leveling origin (7)problem using plane replacing curve Chapter conclusion 3 grasp:(1)coordinated system in surveying region (2)working principle for surveying work (3)zoning and counting reel number (4)three elements determining point location