工程测量 绪论

1工程测量工程测量测绘工程教研室测绘工程教研室张丽张丽 电电 话话:15506112752 18800600577 邮邮 箱箱: 办公室办公室:C315 2课程情况课程情况性质性质专业基础专业基础课课学时学时上课上课48学时（理论学时（理论36、实验、实验12）实习：本学期第实习：本学期第18周周要求要求出勤出勤复习复习作业作业3反馈反馈与考核与考核课堂教学：课堂教学：出勤、课堂表现出勤、课堂表现（10%）课后交流：谈话课后交流：谈话作业（作业（10%）实验（实验（10%）期末考试（期末考试（70%）4第一章第一章 绪绪 论论工程测量工程测量工程测量工程测量5第一章第一章 绪论绪论1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用1.2 地球的形状与大小地球的形状与大小 1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定1.4 测量工作概述测量工作概述1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用61、定义：、定义：研究地球的形状和大小以及确定地面（包含研究地球的形状和大小以及确定地面（包含空中、地下和水下）点空间位置的科学。空中、地下和水下）点空间位置的科学。2、内容：、内容：测定：测定：使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得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、规划设计、国防缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、国防建设及科学研究使用。建设及科学研究使用。1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用7 2、内容：、内容：测设：测设：测设是指用一定的测量方法，按照一定的精度，测设是指用一定的测量方法，按照一定的精度，把设计图纸上规划设计好的建把设计图纸上规划设计好的建(构构)筑物的平面位置筑物的平面位置和高程标定在实地上，作为施工的依据。和高程标定在实地上，作为施工的依据。1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用83 3、测量学的学科分类、测量学的学科分类 大地测量学、普通测量学、摄影测量学、大地测量学、普通测量学、摄影测量学、工程测量学、地图制图学、海洋测绘学、工程测量学、地图制图学、海洋测绘学、天文测量学天文测量学大地测量学：大地测量学：研究地球表面广大区域点位测定的研究地球表面广大区域点位测定的理论和方法。包括地球的大小和形状的测定、大理论和方法。包括地球的大小和形状的测定、大地区控制测量、天文和重力测量。地区控制测量、天文和重力测量。大地测量学大地测量学GPS9普通测量学：普通测量学：研究确定地球表面小范围（研究确定地球表面小范围（10102525公里）内点位的理论和方法，不顾及地球曲公里）内点位的理论和方法，不顾及地球曲率，把地球表面当作平面看待率，把地球表面当作平面看待。101.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用11摄影测量学：摄影测量学：利用摄影相片或遥感技术来确定利用摄影相片或遥感技术来确定地面物体的形状、大小、性质、特征和空间位地面物体的形状、大小、性质、特征和空间位置的学科。置的学科。1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用12工程测量学：工程测量学：研究工程建设中所进行的各种测量工作研究工程建设中所进行的各种测量工作的理论和方法的学科。（城市建设、大型厂矿建筑、农的理论和方法的学科。（城市建设、大型厂矿建筑、农田水利及道路修建等在勘测设计、施工放样、竣工验收田水利及道路修建等在勘测设计、施工放样、竣工验收和工程监测保养等方面的测绘工作。）和工程监测保养等方面的测绘工作。）海洋测量学海洋测量学、及、及地图制图学地图制图学等。等。本课程主要介绍本课程主要介绍普通测量学普通测量学及及部分工程测量学部分工程测量学的内容，的内容，以便能为土木工程、土地管理、房地产开发、城镇规划以便能为土木工程、土地管理、房地产开发、城镇规划与建筑设计等提供测量专业服务。与建筑设计等提供测量专业服务。1.1 测量学的任务及作用测量学的任务及作用 4 4、测量学的作用：、测量学的作用：13科学研究：科学研究：国防建设：国防建设：经济建设：经济建设：5 5、测量学的发展：、测量学的发展：古代：古代：现代：现代：GPS在大坝外观及滑坡监测中的应用在大坝外观及滑坡监测中的应用测绘科学的应用实例测绘科学的应用实例三峡库区滑坡监测三峡库区滑坡监测TCA2003测量塔柱动态变形GIS系统数据采集系统数据采集大坝监测大坝监测桥梁监测桥梁监测道路施工及露天煤矿挖掘监测道路施工及露天煤矿挖掘监测2000悉尼奥运会悉尼奥运会体育竞赛测量体育竞赛测量高精度工业测量高精度工业测量高精度工业测量高精度工业测量DISTO手持激光测距仪手持激光测距仪面向大众用户面向大众用户隧道开挖中的地质超前预报及断面测量隧道开挖中的地质超前预报及断面测量遥感图像处理遥感图像处理遥感图像处理遥感图像处理特种测量及军事应用特种测量及军事应用27近似是个近似是个椭球椭球圆球圆球圆球圆球20kmNSWE地球形状不规则、密地球形状不规则、密度不均匀度不均匀从空中看地球从空中看地球从空中看地球从空中看地球像一个圆球像一个圆球像一个圆球像一个圆球但但但但 真是这样的吗真是这样的吗真是这样的吗真是这样的吗?1.2 地球的形状与大小地球的形状与大小 281、水准面和大地水准面、水准面和大地水准面水准面：水准面：静止静止的液体表面。的液体表面。KFPG地球表面地球表面铅垂线：铅垂线：重力重力的方向线。的方向线。仪器安置后，垂直仪器安置后，垂直轴和铅垂线重合轴和铅垂线重合29水准面水准面铅垂线铅垂线铅垂线铅垂线铅垂线与水准面垂直铅垂线与水准面垂直无数个：无数个：不同高度的点，都不同高度的点，都 有一个水准面。有一个水准面。30大地水准面大地水准面：平均海水面。平均海水面。1、水准面和大地水准面、水准面和大地水准面特性：不规则、特性：不规则、一个一个。地球表面地球表面大地水大地水准面准面铅垂线不平行铅垂线不平行外外业业测测量量的的基基准准面面铅垂线与大地水准面垂直铅垂线与大地水准面垂直31地球表面地球表面地球表面地球表面海洋海洋海洋海洋铅垂线铅垂线高密度物质高密度物质大地水准面大地水准面原因：地球形状不规原因：地球形状不规则、密度不均匀则、密度不均匀大地水准面大地水准面略有起伏略有起伏不适于计算不适于计算 3 3、地球椭球或旋转椭球：、地球椭球或旋转椭球：经测量实践证明，大地体与一个以椭圆的短轴为经测量实践证明，大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似，而旋转椭球是旋转轴的旋转椭球的形状十分近似，而旋转椭球是可以用数学式严格表示的，测量工作便取大小和大可以用数学式严格表示的，测量工作便取大小和大地体很接近的旋转椭球作为地球的参考形状和大小。地体很接近的旋转椭球作为地球的参考形状和大小。（计算的基准面计算的基准面）WENSabo1.2 地球的形状与大小地球的形状与大小 32333 3、地球椭球或旋转椭球、地球椭球或旋转椭球地球表面地球表面大地水准面大地水准面NSWEabO椭球面椭球面Oaabab二轴椭球二轴椭球与大地体非常接近、形状规则，能用数学与大地体非常接近、形状规则，能用数学公式表达，适于计算公式表达，适于计算旋转椭球：旋转椭球：椭圆绕椭圆绕NS轴轴旋转而成旋转而成1.2 地球的形状与大小地球的形状与大小 34 4 4、参考椭球体的定位：、参考椭球体的定位：确定椭球体与大地体之间相互关系并固定下确定椭球体与大地体之间相互关系并固定下来的工作。以陕西省泾阳县永乐镇某点为大地来的工作。以陕西省泾阳县永乐镇某点为大地原点进行定位，建立了全国统一坐标系，即原点进行定位，建立了全国统一坐标系，即“19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系”。355个个几何参数几何参数：椭圆的长半轴：椭圆的长半轴：椭圆的短半轴：椭圆的短半轴：椭圆的扁率：椭圆的扁率：椭圆的第一偏椭圆的第一偏 心率：心率：椭圆的第二偏椭圆的第二偏 心率：心率：椭球的几何参数及其关系椭球的几何参数及其关系4 4、参考椭球体的定位、参考椭球体的定位常用常用a、表示椭球形状、大小至少表示椭球形状、大小至少有有a或或bNSWabOaF2F1E长度长度参数参数36克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球1975年国际椭球年国际椭球WGS-84椭球椭球abe2e26 378 2456 356 863.018 81/298.30.006 693 421 622 9660.006 738 525 414 6836 378 1406 356 755.288 21/298.2570.006 694 384 999 590.006 739 501 819 476 378 1376 356 752.314 21/298.257 223 5630.006 694 379 990 130.006 739 496 742 23为简化书写，引入以下符号：为简化书写，引入以下符号：两个辅助函数：两个辅助函数：椭球的几何参数及其关系椭球的几何参数及其关系4 4、参考椭球体的定位、参考椭球体的定位1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定 37 测量工作的测量工作的实质是确定地面点的空间位置实质是确定地面点的空间位置，首，首先先必须了解测量的坐标系统和高程系统。必须了解测量的坐标系统和高程系统。1 1、二维坐标系统、二维坐标系统 表示地面点在地球椭球面或投影在水平面上的表示地面点在地球椭球面或投影在水平面上的位置，通常有下列三种坐标系统位置，通常有下列三种坐标系统:（1 1）地理坐标（球面坐标）地理坐标（球面坐标）天文地理坐标：天文地理坐标：表示地面点在大地水准面上的位表示地面点在大地水准面上的位置，用天文经度置，用天文经度和天文纬度和天文纬度表示。用天文测量表示。用天文测量的方法直接测定。的方法直接测定。38NSPP格林尼治格林尼治天天 文文 台台n 天文经度天文经度n 天文纬度天文纬度过地面点的子午面与起过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角始子午面之间的夹角（东经、西经东经、西经，东正西，东正西负负）过地面点的铅垂线与过地面点的铅垂线与赤道面之间的夹角赤道面之间的夹角（南纬、北纬南纬、北纬，北正，北正南负南负）GO1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定39NSPP格林尼治格林尼治天天 文文 台台n 大地经度大地经度Ln 大地纬度大地纬度BLBH过地面点的子午面与起过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角始子午面之间的夹角（东经、西经东经、西经，东正西负，东正西负）过地面点的法线与赤过地面点的法线与赤道面之间的夹角道面之间的夹角（南南纬、北纬纬、北纬，北正南负，北正南负）GO大地地理坐标：大地地理坐标：表示地面点在地球椭表示地面点在地球椭球面上的位置，用大地球面上的位置，用大地经度经度L L和大地纬度和大地纬度B B表示。表示。1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定40（2 2）独立平面直角坐标）独立平面直角坐标 当测量范围较小时当测量范围较小时(如半径不大于如半径不大于l0kml0km的范围的范围)，可以将该，可以将该测区的球面看作平面，直接将地面点沿铅垂线方向投影到测区的球面看作平面，直接将地面点沿铅垂线方向投影到水平面上。在实际测量中，一般将坐标原点选在测区的西水平面上。在实际测量中，一般将坐标原点选在测区的西南角，使测区内的点位坐标均为正值，并以该测区的子午南角，使测区内的点位坐标均为正值，并以该测区的子午线线(或磁子午线或磁子午线)的投影为的投影为X X轴，向北为正，与之相垂直的轴，向北为正，与之相垂直的为为Y Y轴，向东为正，由此建立了该测区的独立平面直角坐轴，向东为正，由此建立了该测区的独立平面直角坐标系。标系。yA西西y(东东)南南(第四象限第四象限)(第三象限第三象限)(第一象限第一象限)(第二象限第二象限)AxAo(西南角西南角)x(北北)1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定41（3 3）高斯平面直角坐标）高斯平面直角坐标高斯投影：首先是将地球按经线分为若干带，称为投影带。它从首子高斯投影：首先是将地球按经线分为若干带，称为投影带。它从首子午线午线(零子午线零子午线)开始，自西向东每隔开始，自西向东每隔6 6划为一带，用表示带号，位于划为一带，用表示带号，位于各投影带中央的子午线称中央子午线各投影带中央的子午线称中央子午线(；也可由东经；也可由东经1 13030 开始，自西向开始，自西向东每隔东每隔3 3划为一带，用划为一带，用n n表示带号，我国国土所属范围即带号表示带号，我国国土所属范围即带号=l3=l32323（n=24n=244646）。）。174-174-1681807284909678012186131415161233031321201 2 3 4 5 658 59606162636424 25262728293031323 3 915157581 87 93177-177-17142椭圆柱面与子午线相切椭圆柱面与子午线相切中央子午线中央子午线1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定43中央子午线中央子午线高斯高斯克吕格投影克吕格投影 赤道赤道赤道的投影赤道的投影中央子午线的投影中央子午线的投影P(x,y)xyOyx1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定441.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定2 2、高程系统、高程系统确定该点沿铅垂方向到某基准面的距离。确定该点沿铅垂方向到某基准面的距离。ABHAHBHAHB黄海平均海水面黄海平均海水面大地水准面大地水准面假定水准面假定水准面hAB绝对高程（海拔）绝对高程（海拔）：指某点沿铅垂线方向到大指某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，用表示地水准面的距离，用表示。相对高程：相对高程：某点距假定水准面的铅垂距离。某点距假定水准面的铅垂距离。高差：高差：地面上两点间的高程之差。地面上两点间的高程之差。1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定45 高程基准面如何确定，基准点的高程为多高程基准面如何确定，基准点的高程为多少呢？少呢？以青岛验潮站多年的观测资料求得以青岛验潮站多年的观测资料求得黄海平均海水面黄海平均海水面，作为我国的高程基准面，建立了作为我国的高程基准面，建立了“19561956年黄海高程系年黄海高程系”，并在青岛市观象山上建立了国家水准基点（，并在青岛市观象山上建立了国家水准基点（72.289m72.289m）。在）。在19871987年启用年启用“19851985国家高程基准国家高程基准”，此时测定的国家水准基点高程此时测定的国家水准基点高程72.260m72.260m。1.3 测量坐标系与地面点位的确定测量坐标系与地面点位的确定46471.4 测量工作概述测量工作概述测量工作的主要任务是：测量工作的主要任务是：测绘地形图（测定）测绘地形图（测定）施工放样（测设）施工放样（测设）测量工作的基本内容是：测量工作的基本内容是：测角、测距、测高差测角、测距、测高差481 1、测量工作的基本原则、测量工作的基本原则地形包括：地形包括：地物地物:地面上固定性物体，如河流、房屋、地面上固定性物体，如河流、房屋、道路、湖泊等；道路、湖泊等；地貌地貌:地面的高低起伏的形态，如山岭、谷地面的高低起伏的形态，如山岭、谷地和陡崖等。地和陡崖等。1.4 测量工作概述测量工作概述49在实际测量工作中应当遵守以下基本原则在实际测量工作中应当遵守以下基本原则:在测量布局上，应遵循在测量布局上，应遵循“由整体到局部由整体到局部”的原则；的原则；在测量程序上，应遵循在测量程序上，应遵循“先控制后碎部先控制后碎部”的原则；的原则；在测量过程中，应遵循在测量过程中，应遵循“步步有检核步步有检核”的原则；的原则；在测量精度上，应遵循在测量精度上，应遵循“由高级到低级由高级到低级”的原则。的原则。1.4 测量工作概述测量工作概述502 2、控制测量的概念、控制测量的概念控制测量：控制测量：测定测区内若干个具有控制意义的控制点测定测区内若干个具有控制意义的控制点的平面位置的平面位置(坐标坐标)和高程，作为测绘地形图或施工和高程，作为测绘地形图或施工放样的依据。放样的依据。平面控制测量：平面控制测量：确定测区中一系列控制点的坐标（确定测区中一系列控制点的坐标（x x、y y），形式有导线测量、边角测量及交会定点等。），形式有导线测量、边角测量及交会定点等。高程控制测量：高程控制测量：测定各控制点间的高差，从而求出各测定各控制点间的高差，从而求出各控制点高程，方法有水准测量、光电测距三角高控制点高程，方法有水准测量、光电测距三角高程测量等。程测量等。1.4 测量工作概述测量工作概述513 3、碎部测量的概念、碎部测量的概念碎部测量：碎部测量：以控制点为依据，测定控制点至以控制点为依据，测定控制点至碎部点碎部点(地形的特征点地形的特征点)之间的水平距离、高差之间的水平距离、高差及其相对于某一已知方向的角度，来确定碎部及其相对于某一已知方向的角度，来确定碎部点的位置。按一定的比例尺将这些碎部点位标点的位置。按一定的比例尺将这些碎部点位标绘在图纸上，绘制成图。绘在图纸上，绘制成图。1.4 测量工作概述测量工作概述524、施工放样的概念、施工放样的概念施工放样施工放样(测设测设)：是把设计图上建是把设计图上建(构构)筑物筑物位置在实地标定出来，作为施工的依据。位置在实地标定出来，作为施工的依据。5、测量的基本工作、测量的基本工作综上所述，控制测量和碎部测量以及施工放样综上所述，控制测量和碎部测量以及施工放样等，其实质都是确定点的位置。因此，等，其实质都是确定点的位置。因此，距离测量、距离测量、角度测量和高差测量角度测量和高差测量(水准测量水准测量)是测量的三项是测量的三项基本工作。基本工作。1.4 测量工作概述测量工作概述53讨论题：讨论题：在工程建设中，测量有什么作用？在工程建设中，测量有什么作用？为什么说测量工作的基准线是铅垂线为什么说测量工作的基准线是铅垂线？作业：作业：3、51.4 测量工作概述测量工作概述541 1、对距离的影响、对距离的影响水平面代替水准面的限度水平面代替水准面的限度设球面设球面(水准面水准面)与水平面与水平面 在点相切在点相切、两点在球面上弧长为，水平距离为、两点在球面上弧长为，水平距离为 ，即即,tgtg,以水平距以水平距离离 代替弧长所产生的误差为代替弧长所产生的误差为，则，则 （tgtg ）取取637lkm637lkm，以不同的代入，以不同的代入式中，得出距离误差式中，得出距离误差和相应和相应相对误差相对误差代入上式代入上式表表1 1水平面代替水准面的距离误差和相对误差水平面代替水准面的距离误差和相对误差 距离D/km距离误差D/mm相对误差D/D1081/1 220 000251281/200 0005010261/49 00010082121/12 000由表可知，在半径为由表可知，在半径为10km10km的范围内（相当于面的范围内（相当于面积积320km2320km2），用水平面代替水准面可不考虑地），用水平面代替水准面可不考虑地球曲率对距离的影响。球曲率对距离的影响。当精度要求较低时，还可以将测量范围的半径当精度要求较低时，还可以将测量范围的半径扩大到扩大到25km(25km(相当于面积相当于面积2000km2)2000km2)。2 2、对高差的影响、对高差的影响在图中，、两点在同一球面在图中，、两点在同一球面(水准面水准面)上，其高程应相上，其高程应相等等(即高差为零即高差为零)。点投影到水平面上得。点投影到水平面上得 点。则点。则 即为水即为水平面代替水准面产生的高差误差。设平面代替水准面产生的高差误差。设 h h，则，则 即即 取取R R637lkm637lkm，则得相应的高差误差值，如表所列。，则得相应的高差误差值，如表所列。表表2 2 水平面代替水准面的高差误差水平面代替水准面的高差误差由表可知，由表可知，在进行水准在进行水准(高程高程)测量时，应当用水准面测量时，应当用水准面作为测量的基准面。作为测量的基准面。距离距离D/kmD/km0.l0.l0.20.20.30.30.40.40.50.51 12 25 51010h/mm h/mm 0.80.83 37 713132020787831431419621962784878483 3、对水平角度的影响、对水平角度的影响由球面三角学知识知道，同一空间多边形在球面上投影的各由球面三角学知识知道，同一空间多边形在球面上投影的各内角之和，较其在平面上投影的各内角之和大一个球面角内角之和，较其在平面上投影的各内角之和大一个球面角超超 P P为球面多边形的面积为球面多边形的面积当当P=100P=100平方公里，平方公里，=0.51=0.51，当当P=400P=400平方公里，平方公里，=2.03=2.03。所以所以，地球曲率对水平角度的影响在一般测量地球曲率对水平角度的影响在一般测量工作工作中中不必考虑，只有在最精密测量中才需要考虑不必考虑，只有在最精密测量中才需要考虑。