土木工程測量講義1測量學(xué)緒論

《測量學(xué)》（第四版）1測量學(xué)的教學(xué)學(xué)目的《測量學(xué)》是城市規(guī)劃、、土木工程、、道路交通工工程、測繪工工程、地質(zhì)工工程、港口航航道與海岸工工程等專業(yè)必必修的專業(yè)基基礎(chǔ)課，是一一門實(shí)踐性強(qiáng)強(qiáng)，理論和實(shí)實(shí)踐相結(jié)合的的課程。掌握測量的基基本理論，基基本方法和基基本技能，培培養(yǎng)學(xué)生動手手、實(shí)踐和創(chuàng)創(chuàng)新能力，為為學(xué)生從事城城市規(guī)劃、土土木工程勘測測、設(shè)計(jì)、施施工、管理奠奠定基礎(chǔ)。2第一章緒緒論§1-1測量學(xué)的任務(wù)務(wù)與主要內(nèi)容容生產(chǎn)、生活的的需要城市建設(shè)、農(nóng)農(nóng)田、水利建建設(shè)等交通運(yùn)輸?shù)男栊枰锪髁鬟\(yùn)運(yùn)輸輸、、航航空空、、航航海海、、旅旅行行等等軍事事的的需需要要3一、、測測量量學(xué)學(xué)的的產(chǎn)產(chǎn)生生(一)測量量學(xué)學(xué)在在生生活活上上的的作作用用城市交通圖1104二、、測測量量學(xué)學(xué)的的作作用用(二)測量量學(xué)學(xué)在在軍軍事事的的作作用用“天時(shí)時(shí)，，地地利利，，人人和和””是是打打勝勝仗仗的的三三大大要要素素。。地利利就就要要了了解解和和利利用用地地形形。。地圖圖上上詳詳細(xì)細(xì)表表示示著著山山脈脈、、河河流流、、道道路路、、居居民民點(diǎn)點(diǎn)等等地地形形和和地地物物，，具具有有確確定定距距離離、、位位置置、、辨辨識識方方向向的的作作用用。。5(三)測量量學(xué)學(xué)在在國國土土管管理理中中的的作作用用城市市土土地地的的規(guī)規(guī)劃劃，，城城市市道道路路的的紅紅線線規(guī)規(guī)劃，，房房地地產(chǎn)產(chǎn)開開發(fā)發(fā)，，地地籍籍的的界界址址點(diǎn)點(diǎn)測測定定,都需要要由由測測量量提提供供地地形形圖圖和和有有關(guān)關(guān)土土地地信信息息。。用高高科科技技測測量量手手段段標(biāo)標(biāo)定定國國界界，，常常在在國國家間間的的領(lǐng)領(lǐng)土土爭爭執(zhí)執(zhí)中中起起到到重重要要作作用用;也常常以以對方方出出版版的的地地圖圖上上對對國國境境線線的的表表示示,作為為有利利于于己己方方的的證證據(jù)據(jù)。。6(四)測量量學(xué)學(xué)在在工工程程建建設(shè)設(shè)中中的的作作用用在工工程程建建設(shè)設(shè)的的規(guī)規(guī)劃劃設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)中中，，首首先先需需要要有有地地形形圖圖。。在在修修建建工工廠廠和和居居民民點(diǎn)點(diǎn)時(shí)時(shí)，，須須要要先先平平整整地地基基和和設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)房房屋屋的的放放樣樣。。在在建建設(shè)設(shè)城城市市道道路路網(wǎng)網(wǎng)（（包包括括高高架架道道路路、、地地下下鐵鐵道道和和橋橋梁梁)，都需要要用測量量方法精精確地定定向,定位和定定高程。。我國的考考古工作作者研究究證實(shí)，，早在2000多年前已已經(jīng)有在在修建帝帝都、宮宮殿時(shí)大大規(guī)模平平整地基基和定街街道與建建筑軸線線的措施施，當(dāng)時(shí)時(shí)也需要要有原始始的測量量手段。。7工程的竣竣工和變變形監(jiān)測測為了保障障建筑物物的施工工和運(yùn)行行時(shí)的安安全，需需要測量量工作者者以技術(shù)術(shù)上可行行的最高高精度，，監(jiān)測建建筑物的的變形量量和變形形的發(fā)展展情況。。經(jīng)常需需要在一一段時(shí)間間內(nèi)進(jìn)行行連續(xù)觀觀測，為為此要使使用自動動化的監(jiān)監(jiān)測和記記錄的測測量儀器器，在各種工工程建設(shè)設(shè)中的應(yīng)應(yīng)用愈來來愈廣泛泛。8§1-2測繪學(xué)科科的內(nèi)涵涵和發(fā)展簡簡史9一、測繪繪學(xué)科的的定義和和內(nèi)涵二、測繪繪科學(xué)的的歷史和和近代發(fā)發(fā)展三、測繪繪學(xué)科的的分支一、測量量學(xué)的定定義和內(nèi)內(nèi)涵1.早期的定定義研究地球球的形狀狀和大小小，確定定地面點(diǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)標(biāo)的學(xué)科科。2.當(dāng)前的定定義研究測定定和描繪繪地球及及其表面面的各種種形態(tài)的的理論和和方法的學(xué)科。10測繪和采采集表示示各種地地物和地地貌的形形狀、大大小、位位置等空空間幾何何數(shù)據(jù)，，進(jìn)行數(shù)數(shù)字化管管理，提提供工程程設(shè)計(jì)所所必要的的地形信信息(地形圖和和地形數(shù)數(shù)據(jù))。把設(shè)計(jì)的的建筑物物、大型型設(shè)備等等按設(shè)計(jì)計(jì)的形狀狀、大小小和位置置準(zhǔn)確地地在實(shí)地地標(biāo)定出出來，才才能進(jìn)行行施工(稱為測設(shè)設(shè)或施工工放樣，，并貫穿穿于施工工全過程程)。11測量工作作在工程程建設(shè)中中作用這是人類類為了生生存和發(fā)發(fā)展，在在歷史上上長期探探索的問問題，并并知道需需要用大大地測量量的方法法來解決決。早在公元元前6世紀(jì),古希臘的的畢達(dá)哥哥拉斯(Pythagoras)就提出了了地球形形態(tài)的概概念。12二、測繪繪學(xué)科的的歷史和和近代進(jìn)進(jìn)展“地球的形形狀是什什么樣的的？”“如何何用圖形形來表示示地面形形態(tài)？””亞里士多多德（Aristotle）作了了進(jìn)一步步論證，，支持持這一學(xué)學(xué)說。又又一世紀(jì)紀(jì)后，，埃拉托托斯特尼尼（Eratosthenes）用在在南北兩兩地同時(shí)時(shí)觀測日日影的辦辦法,首次推算算出地球球子午圈圈的周長長。我國唐代代僧人一一行根據(jù)據(jù)天文觀觀測，計(jì)計(jì)算出地地球子午午線1°的長度。。測繪地圖圖是地球球表面形形態(tài)認(rèn)識識的開始始。晉代代裴秀總總結(jié)出““制圖六六體”，，為當(dāng)時(shí)““地圖制制圖”訂訂立標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。13古希臘托托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地地圖投影影”概念念和測經(jīng)經(jīng)緯度定定地面點(diǎn)點(diǎn)位方法法。此后，一一系列重重大科學(xué)學(xué)發(fā)明與與測繪學(xué)學(xué)科相輔輔相成地地發(fā)展：：17世紀(jì)初發(fā)發(fā)明望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡，1730年,英國西森森(Sisson)制成測角角用的經(jīng)經(jīng)緯儀，，促進(jìn)三三角測量量的發(fā)展展。1795年,德國高斯斯(C.F.Gauss)提出最小小二乘法法(LeastSquareMethod)為測量數(shù)據(jù)處處理奠定數(shù)學(xué)學(xué)基礎(chǔ)。14高斯又提出將將橢球面變換換為平面的地地圖投影方法法,后經(jīng)克呂格爾爾(J.Krüger)擴(kuò)充完善，稱稱為“高斯-克呂格爾投影影”，沿用至至今。19世紀(jì)50年代,發(fā)明了攝影測測量,后來發(fā)展成為為航空、航天天攝影測量和和遙感。1948年發(fā)明電磁波波測距儀，解解決了遠(yuǎn)程精精密測距的測測量難題。20世紀(jì)60年代,發(fā)明電子計(jì)算算機(jī)，應(yīng)用于于測繪界,創(chuàng)立“計(jì)算機(jī)機(jī)輔助成圖””,出現(xiàn)了數(shù)字地地圖,開創(chuàng)了數(shù)字化化新時(shí)代。15三、測量學(xué)科科的分支大地測量學(xué)研究和測定地地球的形狀、、大小、重力力場和地面點(diǎn)點(diǎn)幾何位置及及其變化的理理論和技術(shù)的的學(xué)科。地球球的形狀大小小以大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面為代表。。大地點(diǎn)的定定位，用經(jīng)緯緯度或空間直直角坐標(biāo)，定定位方法有幾幾何法大地測測量、物理法法大地測量和和近代的衛(wèi)星星法大地測量量。16用經(jīng)緯儀作三三角高程測量量17用水準(zhǔn)儀作精精密水準(zhǔn)測量量18上述:三角高程測量量和水準(zhǔn)測量量,都屬于幾何大地測測量，幾何大大地測量中還還包括三角測量和和天文測量等等。天文測量研究究測定恒星的的坐標(biāo)，以及及利用觀測恒星星確定地面點(diǎn)點(diǎn)的大地位置置(經(jīng)度、緯度、方方位角)和十分精確的的時(shí)間(世界時(shí)、恒星星時(shí))，它對于地球球科學(xué)和空間技術(shù)(衛(wèi)星發(fā)射、定定位和宇宙航航行)都十分重要。。19天文臺的天文文觀測20天文臺外觀用天文望遠(yuǎn)鏡鏡觀測物理大地測量量學(xué)研究地球球的重力測量量方法,重力分布情況況(重力場)及其應(yīng)用。測定重力加速速度G的目的：1.建立國家重力力基準(zhǔn)網(wǎng)和基基本網(wǎng)；2.確定全球重力力場模型及其其變化；3.確定區(qū)域的和和地球的大地地水準(zhǔn)面及其變化(重力異常使大大地水準(zhǔn)面產(chǎn)產(chǎn)生不規(guī)則變化化)。21在大地重力點(diǎn)點(diǎn)上作重力測測量22在珠峰高山地地區(qū)作重力測測量23攝影測量與遙遙感學(xué)研究利用攝影影或遙感手段段，獲取地面面目標(biāo)物的影影像數(shù)據(jù)，從從中提取幾何何或物理信息息，用圖形、、圖像和數(shù)字字信息表達(dá)的的理論和方法法的學(xué)科。攝影測量的方方法有地面攝攝影、航空攝影和航天攝攝影和遙感。。小范圍的地地形測量或工程程測量可利用用地面攝影測測量方法。24機(jī)載空間三維維數(shù)據(jù)采集系系統(tǒng)25航空攝影測量量機(jī)身利用衛(wèi)星星定位工程測量學(xué)研究工程建設(shè)設(shè)和自然資源源開發(fā)中進(jìn)行行的控制測量量、地形測繪繪、施工放樣樣和變形監(jiān)測測的理論和技技術(shù)的學(xué)科。。是測繪學(xué)科科在國民經(jīng)濟(jì)濟(jì)和國防建設(shè)設(shè)中的直接應(yīng)應(yīng)用。工程規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)階段：提供地形資料料；施工興建階段段：標(biāo)定設(shè)計(jì)建筑筑的位置；運(yùn)行管理階段段：竣工測量和變變形監(jiān)測。高精度工程測測量用于大型型、精密工程程和設(shè)備的精確定定位、安裝和和變形觀測。26道路測量道路建筑高程程放樣用數(shù)字水準(zhǔn)儀儀和條碼水準(zhǔn)尺尺。27渠道水位監(jiān)測測28面水準(zhǔn)測量–場地平整29大橋變形監(jiān)測測11030隧道工程測量量11031海洋測繪學(xué)研究以海洋水水體和海底為為對象的學(xué)科科。包括：海洋大大地測量、海海底地形測量量、海道測量、海洋洋專題測量等等。海洋測區(qū)條件件復(fù)雜,受潮汐、氣象象、透明度差等影響響，需用特種種儀器和方法法:衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性組組合導(dǎo)航、天天文測量、水水聲定位系統(tǒng)、水下下攝影測量等等。11032地圖制圖學(xué)研究模擬地圖圖和數(shù)字地圖圖的設(shè)計(jì)、編編繪、復(fù)制的的理論和方法法的科學(xué)。主主要內(nèi)容：地圖投影地圖編繪地圖整飾地圖出版1103311034世界地圖測量儀器學(xué)研究測量儀器器的制造、改改進(jìn)和創(chuàng)新的的學(xué)科。測繪學(xué)科的發(fā)發(fā)展離不開測測繪理論的進(jìn)進(jìn)展和測繪儀儀器的發(fā)明和和創(chuàng)新。17世紀(jì)發(fā)明了望望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯緯儀、水準(zhǔn)儀儀、平板儀，，使控制測量量和地形測量量精度提高。。19世紀(jì)攝影技術(shù)術(shù)發(fā)明，便應(yīng)應(yīng)用于測量，，到20世紀(jì)初，創(chuàng)造造出自動航空空攝影機(jī)，實(shí)實(shí)現(xiàn)了大面積積航空攝影測測量。11035地形測量學(xué)研究將地球表表面局部地區(qū)區(qū)的地貌和地地物測繪成地地形圖、編制制地籍圖和房房產(chǎn)圖等的基基本理論和方方法的科學(xué)。。1103611037地形測量及施施工放樣在控制測量的的基礎(chǔ)上,測繪地形圖(表示地物和地地貌),或進(jìn)行施工放放樣。地形圖圖例211038地形圖圖例1地形圖圖例211039認(rèn)識地球是人人類探索自然然的目標(biāo)之一一，也是測量量學(xué)的任務(wù)務(wù)之一。絕大多數(shù)測量量工作是在地地球面上進(jìn)行行，以地球作作為參考系。。因此，有必要要首先討論地地球的形狀和和大小。11040§1-3地面點(diǎn)位的確確定和坐標(biāo)系系一、地球的形形狀和大小地球的制高點(diǎn)點(diǎn)－珠穆穆朗瑪峰海拔高程8844.43m11041馬里亞納海溝溝－斐斐查茲海淵淵剖面圖11042地球球海海面面下下最最深深處處高程程為為－－11000m大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面與平平靜靜的的平平均均海海水水面面相相重重合合，，并并延延伸伸通通過過陸陸地地而而形形成成的的封封閉閉曲曲面面稱稱為為“大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面”11043液體體受受重重力力而而形形成成的的靜靜止止表表面面稱稱為為水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球體體由于于大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面受受地地球球內(nèi)內(nèi)部部質(zhì)質(zhì)量量分分布布不不均均勻勻影影響響，，是是不不規(guī)規(guī)則則曲曲面面，，無無法法用用數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)方方法法準(zhǔn)準(zhǔn)確確描描述述和和計(jì)計(jì)算算，，也也難難以以在在其其面面上上處處理理測測量量成成果果。。11044旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球體體用一一非非常常接接大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)面面－－旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢橢球球面面代替替大大地地水水準(zhǔn)準(zhǔn)面面，，用用旋旋轉(zhuǎn)橢橢球球體體描描述述地地球球，，稱稱參考考橢橢球球體體。。橢橢球球參參數(shù)數(shù)：：11045長半半徑徑a=6378137m短半半徑徑b=6356752m扁率率f=(a-b)/a=1/298.257二、、確確定定地地面面點(diǎn)點(diǎn)位位的的坐坐標(biāo)標(biāo)系系子午午面面－地球球上上任任一一點(diǎn)點(diǎn)與與地球球旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸所所組組成的的平平面面。。首子子午午面面－通過過英英國國格格林林尼尼治(Greenwich)天文文臺臺的的子子午午面面。。11046G（一一））大地地坐坐標(biāo)標(biāo)系系A(chǔ)首子子午午面面地球球旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸赤道道平平面面格林林尼尼治治A點(diǎn)子子午午面面大地地經(jīng)經(jīng)度度－通過過A點(diǎn)的的子子午午面面與首首子子午午面面之之間間的夾夾角角(L)大地地緯緯度度－通過過A點(diǎn)的的橢球球面面法法線線與與赤道道平平面面的的交交角角(B)11047（一一））大大地地坐坐標(biāo)標(biāo)系系（（地地理理坐坐標(biāo)標(biāo)系系））11048以經(jīng)經(jīng)度度與與緯緯度度表表示示點(diǎn)點(diǎn)位位的的坐坐標(biāo)標(biāo)系系(球面面坐坐標(biāo)標(biāo)系系統(tǒng)統(tǒng))中國國的的法法定定大大地地坐坐標(biāo)標(biāo)中中心心—中華華人人民民共共和和國國大大地地原原點(diǎn)點(diǎn)，，坐坐落落在在西西安安之之北北約約100公里里的的涇涇陽陽縣縣內(nèi)內(nèi)。。大地原點(diǎn)點(diǎn)的地面面海拔高高程為417.7米，它距距我國陸陸邊正北北880公里，東東北2500公里，正正東1000公里，正正南1750公里，西西南2250公里，正正西2930公里，西西北2500公里。大大致位于于我國大大陸領(lǐng)土土的中心心。1104911050我國大地地坐標(biāo)系系原點(diǎn)所所在地的的大門國家測繪繪地理信信息局建建立的““大地原原點(diǎn)”11051中國大地地坐標(biāo)系系的基準(zhǔn)準(zhǔn)點(diǎn)建筑外觀觀11052國家大地地原點(diǎn)地地面標(biāo)志志11053大地原點(diǎn)點(diǎn)瑪瑙中中心標(biāo)志志（二）高高斯平面面直角坐坐標(biāo)系高斯投影影是等角角橫切橢橢圓柱投投影。等等角投影影就是正正形投影影。就是是在極小小的區(qū)域域內(nèi)橢球球面上的的圖形，，投影影后保持持形狀相相似。即即投影后后角度不不變形。。11054高斯投影影的分帶帶和編號號11055中央子午午線經(jīng)度度投影分帶帶號N點(diǎn)在高斯斯平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系中的的坐標(biāo)值值中央子午午線的投投影是X軸，赤道道的投影影是Y軸，其交點(diǎn)是坐坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)。點(diǎn)的X坐標(biāo)是點(diǎn)點(diǎn)至赤道道的距離離,赤道以北北x值為正；；點(diǎn)的Y坐標(biāo)是點(diǎn)點(diǎn)至中央央子午線線的距離離，y值有正有負(fù)。11056點(diǎn)在高斯斯平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系中的的坐標(biāo)值值為了避免免Y坐標(biāo)出現(xiàn)現(xiàn)負(fù)值，，把Y坐標(biāo)值加加500公里。。11057為了區(qū)分分不同投投影帶中中的點(diǎn)，，在點(diǎn)的的Y坐標(biāo)值上上加帶號號N所以點(diǎn)的的橫坐標(biāo)標(biāo)以下式式表示：：Y=N×1000000+500000+y（三）地地平坐標(biāo)標(biāo)系地平坐標(biāo)標(biāo)系為小小范圍的的平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系地平坐標(biāo)標(biāo)系以當(dāng)當(dāng)?shù)氐乃矫鏋闉橥队懊婷嫱ǔＲ援?dāng)當(dāng)?shù)氐恼狈较蛳驗(yàn)閄坐標(biāo)軸的的正方向向某一建筑筑地區(qū)的的“建筑筑坐標(biāo)系系”也是是一種地地平坐標(biāo)標(biāo)系地平坐標(biāo)標(biāo)系為獨(dú)獨(dú)立坐標(biāo)標(biāo)系應(yīng)與與國家或或城市坐坐標(biāo)系進(jìn)進(jìn)行連測測11058（四）平平面坐標(biāo)標(biāo)變換—坐標(biāo)軸的的平移和和旋轉(zhuǎn)11059建筑坐標(biāo)標(biāo)系(x′,y′)變換為為城市坐坐標(biāo)系系(x,y)變換參參數(shù)(x,y),α00平移量量(x0,y0)旋轉(zhuǎn)角角α（五））平面面坐標(biāo)標(biāo)變換換11060城市坐坐標(biāo)系系(x,y)變換為為建筑坐坐標(biāo)系系（x′,y′）變換參參數(shù)(x0,y0),α（六））地面點(diǎn)點(diǎn)的高高程高程（（絕對對高程程、海海拔））－地地面面點(diǎn)到到大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的鉛垂垂距離離。假定高高程（（相對對高程程）－－地地面點(diǎn)點(diǎn)到假假定水水準(zhǔn)面面的鉛鉛垂距距離。11061高差－兩點(diǎn)間間的高高程之之差(不論絕絕對高高程或或相對對高程程)測定平平均海海水面面(高程為為零)的驗(yàn)潮潮站11062水準(zhǔn)原原點(diǎn)至至1985國家高高程基基準(zhǔn)““零海海平面面”的的高程程72.2604m11063青島觀觀象山山水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)11064水準(zhǔn)原原點(diǎn)旱旱井11065水準(zhǔn)原原點(diǎn)瑪瑪瑙石石標(biāo)志志11066水準(zhǔn)原原點(diǎn)標(biāo)標(biāo)牌11067從水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)測定定全國國各基基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)高程程的精精密水水準(zhǔn)測測量11068§1-4測量工工作的的程序序及基基本內(nèi)內(nèi)容基本原原則控制測測量地形測測量施工放放樣基本觀觀測量量：距距離,角度,高差11069布局上上：由整體體到局局部精度上上：由高級級到低低級次序上上：先控制制后細(xì)細(xì)部一、測測量工工作的的基本本原則則所有測測量工工作都都必須須遵循循以上上原則則也是測測量的的工作作程序序11070測量工工作的的程序序由整體體到局局部由高級級到低低級先控制制后細(xì)細(xì)部110712.一等三三角鎖鎖二等等連續(xù)續(xù)網(wǎng)11072一等三三角鎖鎖為國國家平平面控控制網(wǎng)網(wǎng)的基基礎(chǔ)傳統(tǒng)平平面控控制網(wǎng)網(wǎng)布置置形式式二、控控制測測量11073三、細(xì)部測測量11074在控制制測量量基礎(chǔ)礎(chǔ)上，，測繪繪地形形細(xì)部部或進(jìn)行行建筑筑物的的細(xì)部部放樣樣。浦東運(yùn)運(yùn)河小小灣橋橋擴(kuò)建建工程程細(xì)部部測繪繪11075四、基基本觀觀測量量－－確定地地面點(diǎn)點(diǎn)位的的三個(gè)個(gè)基本本要素素:11076距離-S角度-α,β高差-h§1-5水準(zhǔn)面面曲率率對觀觀測量量的影影響在小測測區(qū)內(nèi)內(nèi)，用水平平面代代替水準(zhǔn)準(zhǔn)面，，討論由由此對對距離和和高差差測量的的影響響：11077一、水水準(zhǔn)面面曲率率對距距離測測量的的影響響11078S(km