土木工程测量学

选课班级：鹿山学院 任课教师：杨晓云 E -mail：联系电话:日 期：工 程 测 量广西工学院土木与建筑工程系学习学习“工程测量工程测量”测量科学技术在国民经济建设和社会可持续发展以及国防建设中的重要地位不断提高，应用不断扩大。-宁津生宁津生课程的性质课程的性质 工程测量，土木工程测量。工程测量，土木工程测量。专业基础专业基础课；土木工程等专业的课；土木工程等专业的基本技术基本技术；工程建设的工程建设的主要导向技术。主要导向技术。学习的方法学习的方法 理论教学理论教学、实验教学实验教学、实习教学实习教学。根据理论教学需要开展实验教学，。根据理论教学需要开展实验教学，完成必要的作业；实习教学将作为独立课程在理论教学之后进行。通过完成必要的作业；实习教学将作为独立课程在理论教学之后进行。通过理论教学、实验教学、实习教学达到掌握工程测量技术的目的。理论教学、实验教学、实习教学达到掌握工程测量技术的目的。学习的目的学习的目的 努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。本书主要章节及内容本书主要章节及内容测量的基本内容测量的基本内容测量的基本内容测量的基本内容地形测量地形测量地形测量地形测量建设工程测量建设工程测量建设工程测量建设工程测量距距离离测测量量与与直直线线定定向向角角度度测测量量水水准准测测量量测测量量误误差差控控制制测测量量地地图图与与地地形形图图的的测测绘绘地地图图与与地地形形图图的的应应用用民民用用建建筑筑施施工工测测量量 工工业业建建筑筑施施工工测测量量建建筑筑物物的的变变形形观观测测第第1章章 绪绪 论论p测量学基本概念：测绘学、测绘工程学及测量学的定义和研究内容,在国民经济建设中应用。p地面点定位：定位技术过程（测绘、测设），定位元素,定位工作原则。p坐标系统及高程系统：地球形状大小,用水平面替代水准面限度,坐标系统,高程系统。p国家控制测量体系：国家控制网作用、布设方案。学习目标：学习目标：1.1 1.1 建筑工程测量的任务与作用建筑工程测量的任务与作用 一、什么是测量学一、什么是测量学 测量学测量学研究地球表面局部地区内测绘工作的基本理论、技术、方法及应用。也称为测绘学测绘学。测量测量获得地物及地貌信息获得地物及地貌信息绘图绘图 获得反映地物及地貌获得反映地物及地貌信息的地形图信息的地形图测测绘绘学学测测 绘绘中国三维地形图南宁市三维地图南宁市三维地图二、测量学的任务二、测量学的任务测定（测量）测定（测量）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，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设（放样）测设（放样）利用测量技术手段把设计上拟定的地面点测定到实地上，这种技术过程称为测设，或称为工程放样，简称放样。测量学大地测量学摄影测量学地图制图学工程测量学海洋测绘学地球形状与大小、坐标系、控制网用摄影技术获取地形信息地图投影、编制、印刷等工程建设中的测绘技术海洋及水体的测绘技术三、三、测量学的学科分支测量学的学科分支l 大地测量学（大地测量学（geodesy）研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。l 摄影测量学（摄影测量学（photogrammetry）研究利用摄影或遥感的手段获取目标物的影像数据，从中提取几何的或物理的信息，并用图形、图像和数字形式表达测绘成果的学科。遥感影像l 工程测量学（工程测量学（engineering surveying）研究在工程建设和自然资源开发各个阶段进行测量工作的理论和技术的学科。l 地图制图学（地图制图学（cartography）研究模拟地图和数字地图的基础理论、地图设计、地图编制和复制的技术方法及其应用的学科。l海洋测绘学（海洋测绘学（hydrography）研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制理论和方法的学科。l房地产测绘房地产测绘 是测绘与产籍管理业务相结合的专业测量。地理信息系地理信息系统GIS(Geographical Information System)GIS是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。研制期：上世纪70年代1994；组 成：（1）GPS卫星星座；（2）地面监控系统；（3）用户设备。特 点：全天候；高精度；自动化、高效益。应 用：（1）大地测量、工程测量、航空摄影测量；（2）运载工具导航和管制；（3）地壳运动监测、工程变形监测；（4）资源勘察、地球动力学等。GPS全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning System）GPS全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning System）GPS全球定位系统的应用全球定位系统的应用l1999年，欧洲提出“伽利略计划”，准备投资36亿欧元，向高度为2.4万公里的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。欧盟指出，该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1米的精确定位服务，2008年完成。l另外，美国的GPS只为自己（尤其是军方）提供高精度定位，对其他用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务（特别是在战时）。伽利略是完全提供给民用的，定位精度比美国提供的高，不会无故关闭服务。GAILILEO系统系统l北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。l系统构成有：地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。l 北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”。“北斗北斗”导航定位系统导航定位系统“北斗北斗”导航定位系统导航定位系统四、测量学在土木工程建设中的地位四、测量学在土木工程建设中的地位 测量是土木工程规划建设的测量是土木工程规划建设的重要依据重要依据。测量是土木工程勘察设计现代化的测量是土木工程勘察设计现代化的重要技术重要技术。测量是土木工程顺利施工的测量是土木工程顺利施工的重要保证重要保证。测量是房地产管理、工程综合质量检验、重要土木工程设施安全监视测量是房地产管理、工程综合质量检验、重要土木工程设施安全监视的的重要手段重要手段。土木工程技术人员明确测量科学在工程建设中的重要地位，熟练土木工程技术人员明确测量科学在工程建设中的重要地位，熟练掌握测量基本理论和技术原理，熟练掌握和应用工程测量基本理论和掌握测量基本理论和技术原理，熟练掌握和应用工程测量基本理论和方法，是进行交通土木工程技术工作的基本条件。方法，是进行交通土木工程技术工作的基本条件。1.2 1.2 地面点位的确定地面点位的确定地球的形状和大小：地球的形状和大小：v不规则曲面；v平均半径6371km；v 珠峰8848.43m，马里亚那海沟11022m，海洋71%。1 1、水准面、水准面 设想有一个自由平静的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，我们把就自由平静的海水面称为水准面水准面。水准面是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。一、定位的基准面一、定位的基准面2.大地水准面大地水准面 完整的水准面是被海水包围的封闭曲面。这样的水准面有无数个，其中最接近地球形状和大小的是通过平均海水面的那个水准面，这个唯一而确定的水准面叫大地水准面，也就是测测量量的的基基准面准面。大地水准面包围的地球形状，称为大地体大地体。一、定位的基准面一、定位的基准面3.参考旋参考旋转椭球体面球体面 由于地球内部质量分布不均匀，导致地面上各点的重力方向即铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面不规则曲面。在测量上选用椭圆绕其短轴旋转而成的参考旋转椭球体面，作为测量计算的基准面，如右图所示。一、定位的基准面一、定位的基准面我国采用的椭球体元素（我国采用的椭球体元素（IUGG75）：）：a6 378 140m b=6356752m f=1/298.257 参考椭球体参考椭球体 某一国家或地区为处理测量成果而采用与大地体的形状大小最接近，又适合本国或本地区要求的旋转椭球。二、地面点位的测量坐标系统二、地面点位的测量坐标系统主要的坐标系统包括：主要的坐标系统包括：v大地坐标系大地坐标系 即地理坐标系，用大地经度，大地纬度表示。v空间直角坐标系空间直角坐标系v平面坐标系平面坐标系 高斯直角坐标系 工程独立直角坐标系1.大地地理坐标系大地地理坐标系 Geodetic Geographical Reference SystemPHO地轴赤道SNBLP点坐标点坐标：(B，L，H）子午面子午面子午线子午线起起始始子子午午面面大地经度大地经度赤道面赤道面大大地地纬纬度度2.2.空间直角坐标系空间直角坐标系（Spatial Rectangular Coordinate system）ZYXPZYXO SNP点坐标（点坐标（X,Y,Z）起始子午面起始子午面坐标转换公式说明：同一点的大地地理坐标与大地空间直角坐标间可互换。说明：同一点的大地地理坐标与大地空间直角坐标间可互换。野外数据采掘野外数据采掘2.高斯投影与高斯平面直角坐高斯投影与高斯平面直角坐标系系数据采集数据采集投影变换投影变换成果使用成果使用内业计算内业计算使用不便使用不便什么是地图投影？什么是地图投影？x=f1(j j,l l)y=f2(j j,l l)按按照照一一定定的的数数学学法法则则，将将地地球球表表面面上上的的元元素素转转换换到到平平面面上上，使使地地面面点点位位的的地地理理坐坐标标与与平平面面的的平平面面直直角角坐坐标标建建立立起起一一一一对对应应的函数关系。的函数关系。设想将一个椭圆柱横套在地球表面的外面，并与地设想将一个椭圆柱横套在地球表面的外面，并与地球面上某一条子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭球面上某一条子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭圆柱的轴通过椭球体中心。圆柱的轴通过椭球体中心。(1)(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）高斯投影（等角横切圆柱投影）中央子午线中央子午线 以以椭椭球球中中心心为为投投影影中中心心，将将中中央央子子午午线线两两侧侧一一定定经经差差范范围围内内的的图图形形正正形形投投影影到到圆圆柱柱面面上上，再再顺顺着着过过南南、北北极极的的圆圆柱柱母母线将柱面剪开，展成平面，这个平面就是高斯投影平面。线将柱面剪开，展成平面，这个平面就是高斯投影平面。经差为经差为33或或 66(1)(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）高斯投影（等角横切圆柱投影）NSc中中中中央央央央子子子子午午午午线线线线赤道赤道高斯投影平面高斯投影平面赤道赤道中中央央子子午午线线l 投影带：规定以经差6、3、1.5或更小的经差为准来限定高斯投影的范围，每一投影范围叫一个投影带。分带投影的目的是为了限制投影变形，如长度变形较为严重。高斯投影的相关概念高斯投影的相关概念l 6带是从0子午线算起，以经度每隔6为一带，将整个地球划分成60个投影带，并用阿拉伯数字1，260顺次编号，叫做高斯6投影带(简称6带)。高斯投影6带中央子午线经度L0与投影带号Ne之间的关系式为：L0=Ne63高斯投影高斯投影带的相关概念的相关概念l 3带是从1.5子午线算起，以经度每隔3为一带，将整个地球划分成120个投影带，其中央子午线经度L0与投影带号Ne的关系为L=Ne 3。高斯投影高斯投影带的相关概念的相关概念 解：据题意，其高斯投影6带的带号为：e=INT（11624/6+1）=20(INT取整数）中央子午线经度为：L0=2063=117 例例：某某城城市市中中心心的的经经度度为为11624，求求其其所所在在高高斯斯投投影影6带带的的中央子午线经度中央子午线经度L0和投影带号和投影带号Ne。中中央央子子午午线线投投影影后后为为直直线线，且且长长度度不不变变；赤赤道道投投影影后后为为直直线，且长度改变。线，且长度改变。长度不变长度不变长度改变长度改变x x x xy y y yo o o o(2)(2)高斯投影的特点高斯投影的特点 其其余余子子午午线线的的投投影影均均为为凹凹向向中中央央子子午午线线的的曲曲线线，并并以以中中央央子午线为对称轴，投影后长度改变；子午线为对称轴，投影后长度改变；其其余余纬纬线线，投投影影后后为为凸凸向向赤赤道道的的曲曲线线，并并以以赤赤道道为为对对称称轴轴，投影后长度改变。投影后长度改变。x xy yo o长度改变长度改变长度改变长度改变(2)(2)高斯投影的特点高斯投影的特点x xy yo o 离中央子午线愈远，长度变形愈大。离中央子午线愈远，长度变形愈大。子午线子午线1 1子午线子午线2 2(2)(2)高斯投影的特点高斯投影的特点 采用分带投影后，由于每投影带的中央子午线和赤道的投影为两正交直线，故可取两正交直线的交点为坐标原点。中央子午线的投影线为坐标纵轴X轴，向北为正；赤道投影线为坐标横轴Y轴，向东为正，这就是全国统一的高斯平面直角坐标系。(3)(3)高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值（赤道上）约为330km，为了避免出现负的横坐标值，可在横坐标上加500 000m。此外还应在坐标前面冠以带号。例如某点Y=19 123 456.789m，该点位于19带，其相对于中央子午线的横坐标：先去带号19，再减去500 000m，最后得y=-376 543.211m,该点在西侧。(3)(3)高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 当测量的范围较小时，可以把该测区的球面当作平面看待，直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，用平面直角坐标来表示它的投影位置。3.平面坐平面坐标系（系（Horizontal Coordinate System）(1)独立平面直角坐独立平面直角坐标系系 测量上选用的平面直角坐标系，规定纵坐标轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横坐标轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；坐标原点可假定，也可选在测区的已知点上。象限按顺时针方向编号。独立平面直角坐独立平面直角坐标系的建立系的建立xyOCP测区中心点YXPC H（X,Y,H）(2)施工坐施工坐标系系（Constrcution Coordinate System）xyO桥轴线方向桥轴线方向(3)极坐极坐标系系 (Polar coordinate system)测绘工作中，常在局部范围内使用极坐标，O为极点，OX为极轴，为矢径，为极角。使用极坐标的优点是解算两点之间的相互关系时较为简便。XOP测量学直角坐标系与数学直角坐标系异同测量学直角坐标系与数学直角坐标系异同yx（a）数学平面直角坐标系数学平面直角坐标系oPxy（b）测量平面直角坐标系测量平面直角坐标系oP三、地面点的高程（高程系统）三、地面点的高程（高程系统）1.1.高程系统的概念高程系统的概念 正高系统：以大地水准面为基准面的高程系统；正高表示地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离。正高绝对高程或海拔，简称高程。2.绝对高程和相对高程绝对高程和相对高程v绝对高程绝对高程：地面任一点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。v相对高程：相对高程：地面点沿铅垂线至假定水准面的距离。v高差：高差：地面上两点之间的高程之差。3.国家高程基准国家高程基准v1956年黄海高程系 水准原点起算高程：72.289m。v1985国家高程基准 水准原点起算高程：72.260m。国家水准原点（山东青岛）国家水准原点（山东青岛）72.260m19851985年国家高程基准年国家高程基准 采用青岛验潮站采用青岛验潮站19521979年潮汐观测资料计年潮汐观测资料计算的平均海水面为国家高程起算面。算的平均海水面为国家高程起算面。地球曲率对地球曲率对水平距离水平距离的影响的影响 1.3 水平面代替水准面的限度水平面代替水准面的限度 水平面大地水准面ABabchtsR用水平面代替水准面 当当S=10km时时，s/s=1/1217700，小于目前精密测距的容许误差。小于目前精密测距的容许误差。因因此此在在半半径径为为10km的的范范围围内内进进行行距距离离测测量量时时，可可不不考考虑虑地地球球曲曲率率的影响。的影响。地球曲率对水平角的影响地球曲率对水平角的影响 式中，式中，P为多边形面积，为多边形面积，R为地球曲率半径，为地球曲率半径，为为206265206265 当当P为为100100Km2时，时，=0.51。由此可知：由此可知：在面积为在面积为100Km2范围内，地球曲率对水平角的范围内，地球曲率对水平角的影响只有在精密测量中才考虑，一般测量工作不必考虑。影响只有在精密测量中才考虑，一般测量工作不必考虑。地球曲率对地球曲率对高差高差的影响的影响 上上式式中中可可用用s代代替替t，h与与2R相相比比，可可忽忽略略不不计计，则则上上式式可写成：可写成：当当s=100m时，时，h=0.8mm，由此可见：，由此可见：地球曲率对高差地球曲率对高差的影响，即使在很短的距离内也必须加以考虑。的影响，即使在很短的距离内也必须加以考虑。一、测量的基本工作一、测量的基本工作v角角度度测量量、距距离离测量量、高高程程测量量是是地地面面点点定定位位的的测量基本技量基本技术工作。工作。v测量量得得到到的的角角度度()、距距离离(D)、高高差差(h)是是地地面面点点定位的基本元素，称定位的基本元素，称为定位元素。定位元素。1.4 测量工作概述测量工作概述测量距离二、测量工作的基本原则二、测量工作的基本原则整体原则：从整体到局部控制原则：先控制后碎部检核原则：步步有检核精度原则：先高级后低级B1.5 国家大地控制网概述国家大地控制网概述基本任务：基本任务：国家大地控制网是由国家统一建立，以全国统一的坐标系和高程系为参照系，是全国性地图测制和各种工程测量的控制基础。布设原则布设原则：l 分级布网、逐级控制l 足够的精度l 足够的密度l 应有统一的规格一一 、国家大地控制网的基本任务及布设原则、国家大地控制网的基本任务及布设原则二、国家大地控制网的布设方案二、国家大地控制网的布设方案 我国水平大地控制网的基本形式为传统的三角网,按精度的不同分为四个等级:n一等三角锁是国家平面控制网的骨干;n二等三角网布设于一等三角锁环内，是国家平面控制网的全面基础;n三、四等三角网为二等三角网的进一步加密。1.平面大地网平面大地网国家大地原点（陕西泾阳）国家大地原点（陕西泾阳）2.高程大地网高程大地网布设原则：从高级到低级，从整体到局部，逐级控制，逐级加密。布设等级：n一等水准网是国家高程控制网的骨干。n二等水准网布设于一等水准环内，是国家高程控制网的全面基础。n三、四等水准网为国家高程控制网的进一步加密。国家水准原点（山东青岛国家水准原点（山东青岛）3.GPS三维大地网三维大地网 “2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度的GPS A、B级网，总参测绘局布设的GPS一、二级网，中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，共2609个点。较传统大地控制网的优势：v有精度高、速度快、费用省、操作简便；v克服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点。本章重点本章重点l 测量学基本概念；l 坐标系统及高程系；l 地面点定位。