水利工程測量1

第1章章緒緒論本章學(xué)學(xué)習(xí)目目標(biāo)通過本本章的的學(xué)習(xí)習(xí),了了解測測量學(xué)學(xué)的基基本內(nèi)內(nèi)容與與任務(wù)務(wù)、地地球的的形狀狀和大大小、、測量量常用用坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)、測測量的的基本本工作作和測測量工工作必必須遵遵守的的原則則。1測測量學(xué)學(xué)的研研究對對象及及水利利工程程測量量學(xué)的的任務(wù)務(wù)1.1.1測量量學(xué)的的研究究對象象及學(xué)學(xué)科分分類測量學(xué)學(xué)是研研究地地球及及其表表面的的各種種形態(tài)態(tài)的學(xué)學(xué)科，，主要要任務(wù)務(wù)是測測定地地球表表面的的點(diǎn)位位和幾幾何形形狀，，并繪繪制成成圖，，以及及測定定和研研究地地球的的形狀狀和大大小。。隨著科科學(xué)技技術(shù)的的發(fā)展展，測測量學(xué)學(xué)已發(fā)發(fā)展為為多個個學(xué)科科。按按照研研究對對象和和研究究范圍圍的不不同，，測量量學(xué)可可劃分分為以以下幾幾個學(xué)學(xué)科：(1)大大地測測量學(xué)學(xué)(2)地地形測測量學(xué)學(xué)(3)攝影影測量量學(xué)(4)工程程測量量學(xué)(5)制制圖學(xué)學(xué)1.1.水水利工工程測測量學(xué)學(xué)的任任務(wù)2水水利工工程測測量任任務(wù)1.1.2水利利工程程測量量學(xué)的的任務(wù)務(wù)(1)為水水利工工程規(guī)規(guī)劃設(shè)設(shè)計(jì)提提供所所需的的地形形資料料，規(guī)規(guī)劃時(shí)時(shí)需提提供中中、小比例例尺地地形圖圖及有有關(guān)信信息以以及進(jìn)進(jìn)行建建筑物物的具具體設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)需提提供大大比例例尺地地形圖圖。(2)在工工程施施工階階段，，要將將圖上上設(shè)計(jì)計(jì)好的的建筑筑物按按其位位置，，大小小測設(shè)設(shè)于地地面，，以便便據(jù)此此施工工，稱稱為施施工放放樣。。(3)在施施工過過程中中及工工程建建成后后的運(yùn)運(yùn)行管管理中中，都都需要要對建建筑物物的穩(wěn)穩(wěn)定性性及變變化情情況進(jìn)進(jìn)行監(jiān)監(jiān)測———變變形觀觀測，，確保保工程程安全全1.2測測量量學(xué)中中確定定地面面點(diǎn)位位置的的方法法由測量量學(xué)的的定義義可知知，研研究地地球表表面各各種形形態(tài)及及服務(wù)務(wù)于工工程建建設(shè),首先要要測定定地球球表面面的點(diǎn)點(diǎn)位，，就需需要對對地球球的形形狀和和大小小有一一概略略了解解，并并建立立適當(dāng)當(dāng)?shù)拇_確定地地面點(diǎn)點(diǎn)位的的參照照標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)———坐標(biāo)標(biāo)系。。1.2.1球球的的形狀狀和大大小1.2.1.1大大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面和和參考考橢球球假想有有一個個靜止止的平平均海海水面面，延延伸至至陸地地下面面形成成一個個封閉閉的曲曲面，，這個個曲面面稱為為大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面(任一靜靜止的的液體體表面面稱作作水準(zhǔn)準(zhǔn)面)。大地水水準(zhǔn)面面所包包圍的的形體體稱為為大地地體，，大地地體就就代表表了地地球的的形狀狀和大大小。。我們把把選定定了形形狀和和大小小并在在地球球上定定位的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢球球稱為為參考考橢球球。參參考橢橢球的的表面面是一一個規(guī)規(guī)則的的數(shù)學(xué)學(xué)曲面面，它它是測測量計(jì)計(jì)算和和投影影制圖圖所依依據(jù)的的面。。我們把把選定定了形形狀和和大小小并在在地球球上定定位的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢球球稱為為參考考橢球球。參參考橢橢球的的表面面是一一個規(guī)規(guī)則的的數(shù)學(xué)學(xué)曲面面，它它是測測量計(jì)計(jì)算和和投影影制圖圖所依依據(jù)的的面。。圖1——1大大地水水準(zhǔn)面面圖1——2參參考考橢球球面1.2.1.2我我國的的大地地坐標(biāo)標(biāo)系所所使用用的橢橢球建國初初期，，鑒于于當(dāng)時(shí)時(shí)的歷歷史條條件，，我國國以前前蘇聯(lián)聯(lián)選定定的克克拉索索夫斯斯基橢橢球和和普爾爾科夫夫天文文臺為為大地地原點(diǎn)點(diǎn)的橢橢球定定位為為依據(jù)據(jù)，利利用蘇蘇聯(lián)境境內(nèi)的的三角角鎖與與我國國境內(nèi)內(nèi)的綏綏芬河河、呼呼瑪、、吉拉拉林等等處三三角鎖鎖聯(lián)測測，并并平差差了我我國東東北部部三角角網(wǎng)，，得出出北京京基線線網(wǎng)點(diǎn)點(diǎn)的坐坐標(biāo)，，作為為全國國坐標(biāo)標(biāo)起算算基礎(chǔ)礎(chǔ)，建建立了了我國國的大大地坐坐標(biāo)系系，稱稱為”1954年北京京坐標(biāo)標(biāo)系””。后后來根根據(jù)新新的測測量數(shù)數(shù)據(jù)，，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)該坐坐標(biāo)系系所選選的參參考橢橢球面面與我我國范范圍內(nèi)內(nèi)地表表形態(tài)態(tài)相差差較大大，1980年我國國采用用IUGG十六屆屆大會會推薦薦的橢橢球，，建立立了我我國自自己的的大地地坐標(biāo)標(biāo)系，，稱為為“1980年國家家大地地坐標(biāo)標(biāo)系”1.2.2地面面點(diǎn)位位置的的表示示方法法1.地地心空空間直直角坐坐標(biāo)系系目前，，衛(wèi)星星大地地測量量的日日益發(fā)發(fā)展，，常用用地心心空間間直角角坐標(biāo)標(biāo)來表表示空空間一一點(diǎn)的的地心心空間間直角角坐標(biāo)標(biāo)系的的原點(diǎn)點(diǎn)設(shè)在在地球球橢球球的中中心O，用相互互垂直直的x、y、z三個軸軸表示示，x軸通過過起始始子午午面與與赤道道的交交點(diǎn)，，z軸與地地球旋旋轉(zhuǎn)軸軸重合合，形形成右右手坐坐標(biāo)系系。如如圖如如圖1—3所示示圖1——3空空間直直角坐坐標(biāo)系系2.地面點(diǎn)點(diǎn)的大大地坐坐標(biāo)系系用地面面點(diǎn)的的大地地坐標(biāo)標(biāo)系表表示地地面點(diǎn)點(diǎn)的位位置需需要三三個參參數(shù)：：大地地經(jīng)度度，大大地緯緯度，，大地地高大地經(jīng)經(jīng)度L和大地地緯度度B表示地地面點(diǎn)點(diǎn)在參參考橢橢球面面上的的二維維投影影位置置，用用大地地高H表示地地面點(diǎn)點(diǎn)到參參考橢橢球面面的垂垂直距距離，，如圖1—4所示圖1——4大大地坐坐標(biāo)系系1.2.3二維維坐標(biāo)標(biāo)系1.2．3．1平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)在小范范圍進(jìn)進(jìn)行測測量工工作時(shí)時(shí)，可可用水水平面面作為為基準(zhǔn)準(zhǔn)面，，平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)系的的原點(diǎn)點(diǎn)以O(shè)表示(圖1—5)。通過過O點(diǎn)的南南北方方向線線為x軸(縱軸)，向北北為正正，向向南為為負(fù)；；通過過O點(diǎn)而垂垂直于于X軸的東東西方方向線線為Y軸(橫軸)，向東東為正正，向向西為為負(fù)。。象限限次序序按順順時(shí)針針方向向排列列。為為了避避免測測區(qū)內(nèi)內(nèi)各點(diǎn)點(diǎn)的坐坐標(biāo)出出現(xiàn)負(fù)負(fù)值，，通常常將原原點(diǎn)O選在測測區(qū)西西南角角上，，使地地面各各點(diǎn)都都投影影于第第1象限內(nèi)內(nèi)。如如圖1—5中，地面面點(diǎn)A、B的位置置分別別用平面直直角坐坐標(biāo)(xA、yA)、(xB、yB)表示；；該兩兩點(diǎn)的的坐標(biāo)之之差稱稱為坐坐標(biāo)增增量，，以⊿x、⊿y表示。。坐標(biāo)標(biāo)增量可以以通過過測量量有關(guān)關(guān)距離離和角度度進(jìn)行行計(jì)算算求得得。圖1——5平平面直直角坐坐標(biāo)2．3．2高斯斯平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)在大范范圍進(jìn)進(jìn)行測測量工工作時(shí)時(shí)，由由于水水平面面和水水準(zhǔn)面面存在在較大大的差差異，，所以以不能能用水水平面面代水水準(zhǔn)面面。應(yīng)應(yīng)將地地面點(diǎn)點(diǎn)投影影到橢橢球面面上，，再按按一定定的條條件投投影到到平面面上，，形成成統(tǒng)一一的平平面直直角坐坐標(biāo)系系。我我國現(xiàn)現(xiàn)采用用的是是高斯斯—克克呂格格投影影方法法，該該方法法是按按一定定經(jīng)差差將地地球橢橢球面面劃分分成若若干投投影帶帶，如如圖1-6所示示圖1——6高高斯平平面直直角坐坐標(biāo)。再將每每一帶帶投影影到平平面上上，以以中央央子午午線的的投影影為縱縱軸，，赤道道線的的投影影為橫橫軸，，建立立統(tǒng)一一的平平面直直角坐坐標(biāo)系系統(tǒng)。。如圖圖1-7所示圖1——7高高斯平平面直直角坐坐標(biāo)系系統(tǒng)分帶時(shí)時(shí)，既既要考考慮投投影后后長度度變形形不大大，又又要使使帶數(shù)數(shù)不至至于過過多以以減小小換帶帶計(jì)算算工作作，通通常按按經(jīng)差差6o或3o分為為六度度帶或或三度度帶。。六度度帶自自0o子午午線起起每隔隔經(jīng)差差6o自西西向東東分帶帶，將將整個個地球球分成成60個投影影帶。。用第1、第2、第3、…、、第60表示投投影帶帶的帶帶號，，如圖圖1-8所示。。三度度帶是是在六六度帶帶的基基礎(chǔ)上上分成成的，，它的的中央央子午午線與與六度度帶的的中央央子午午線和和分帶帶子午午線重重合，，即自自東經(jīng)經(jīng)1．5o子午線線起每隔隔經(jīng)差3o自西向向東分帶帶，將整整個地球球分成120個投影帶帶。用第第1、第2、第3、…、第第120表示投影影帶的帶帶號。圖1----8橢橢球面分分帶示意意圖六度帶中中任意帶帶的中央央子午線線經(jīng)度Lo為：式中，，N為6o投影帶帶的帶帶號。。如圖圖1-9所所示三三度帶帶中任任意帶帶的中中央子子午線線經(jīng)度度劃為為Ll=3n式中，，n為3o投影帶帶的帶帶號。。如圖圖1-9所所示圖1——9高高斯平平面分分帶示示意圖圖高斯平平面直直角坐坐標(biāo)以以赤道道為零零起算算，赤赤道以以北為為正，，以南南為負(fù)負(fù)高斯平平面直直角坐坐標(biāo)以以赤道道為零零起算算，赤赤道以以北為為正，，以南南為負(fù)負(fù).1.2.4高高程系系1.絕絕對高高程地面點(diǎn)點(diǎn)沿鉛鉛垂線線方向向至大大地水水準(zhǔn)面面的距距離稱稱為絕絕對高高程，，亦稱稱為海海拔。。在圖圖1-10中，，地面面點(diǎn)A和B的絕對對高程程分別別為HA和HB。我國規(guī)規(guī)定以以黃海海平均均海水水面作作為我我國的的大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面。。圖1—10絕絕對高高程2.相相對高高程地面點(diǎn)點(diǎn)沿鉛鉛垂線線方向向至任任意水水準(zhǔn)面面的距距離稱稱為該該點(diǎn)的的相對對高程程，亦稱為為獨(dú)立立高程程。在在圖1-10中中，地地面點(diǎn)點(diǎn)A和B的相對對高程程分別別為H‘A和H’B，兩點(diǎn)高高程之之差稱稱為高高差，，以符符號““h”表示。。圖1—10中中，A、B兩點(diǎn)的的高差差為：：。。在測量量工作作中，，一般般采用用絕對對高程程，只只有在在偏僻僻地區(qū)區(qū)，沒沒有已已知絕絕對高高程點(diǎn)點(diǎn)或相相對獨(dú)獨(dú)立的的地區(qū)區(qū)時(shí)，，才采采用相相對高高程。。1.3用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面的限限度在普通通測量量中，，當(dāng)測測區(qū)面面積不不大時(shí)時(shí)，又又可把把球面面視為為平面面，用用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面，使使計(jì)算算和繪繪圖工工作大大為簡簡化，，但是是多大大范圍圍內(nèi)才才允許許用水水平面面代替替水準(zhǔn)準(zhǔn)面。。以下下就討討論以以水平平面代代替水水準(zhǔn)面面對水水平距距離、、高差差及角角度測測量的的影響響，從從而明明確用用水平平面可可以代代替水水準(zhǔn)面面的范范圍。。1.4測測量量工作作概述述1.4.1測測量量的基基本工工作在測量量工作作中，，地面面點(diǎn)的的三維維坐標(biāo)標(biāo)(X，y，H)一般是是間接接測出出的。。設(shè)A、B、C為地面面上的的三點(diǎn)點(diǎn)(如如圖1-13所所示)，投投影到到水平平面上上的位位置分分別為為a、b、c.如果A點(diǎn)的位位置已已知，，要確確定B點(diǎn)的位位置，，需要要確定定B點(diǎn)到A點(diǎn)在水水平面面上的的水平平距離離DAB和B點(diǎn)位于于A點(diǎn)的方方位。。圖中中ab的方向向可用用通過過點(diǎn)的的指北北方向向與ab的夾角角(水水平角角)表表示示，有有了DAB和，B點(diǎn)在圖圖中的的平面面位置置b就可以以確定定。由由于A、B兩點(diǎn)的的高程程不同同，除除平面面位置置外，，還要要知道道它們們的高高低關(guān)關(guān)系，，即A、B兩點(diǎn)的的高程程HA、HB或A、B兩點(diǎn)間間的高高差HAB，這樣B點(diǎn)的位位置就就完全全確定定了。。如果果還要要確定定C點(diǎn)在圖圖中的的位置置c，則需要要測量量BC在水平平面的的水平平距離離DBC及b點(diǎn)上相鄰鄰兩邊的的水平夾夾角以及及Hc或hBC。1．對水水平距離離的影響響如圖1——11所所示，A、B為地面上上兩點(diǎn)，，它們在在大地水水準(zhǔn)面上上的投影影為a、b，，弧長為D。在水平面面上的投投影為aˊ、bˊ，其距離為為Dˊ，兩者之差差D即為用水水平面代代替水準(zhǔn)準(zhǔn)面所產(chǎn)產(chǎn)生的誤誤差。設(shè)地球的的半徑為為R，AB所對的圓圓心角為為"，則則因?yàn)閯t有將tan按級數(shù)展展開，并并略去高高次項(xiàng)，，取前兩兩項(xiàng)得：：則△△D=(1.1)以代人式式(1．．1)，，得(1.2)表示成相相對誤差差為：(1.3)距離D(km)距離誤差D(cm)相對誤差△D/D距離D(km)距離誤差△D(cm)相對誤差△D/D10250.

812.81:1220001:20000050100102.7821.21:490001:12000表1—1用水平面面代替水水準(zhǔn)面對對距離的的影響圖1—11水平平面代替替水準(zhǔn)面面對水平平距離及高高差的影影響2．對高高差的影影響在圖1——11中中，A、B兩點(diǎn)在同同一水準(zhǔn)準(zhǔn)面上，，其高差差應(yīng)為零零。B點(diǎn)投影在在水平面面上得b′點(diǎn)，則bb′即為水平平面代替替水準(zhǔn)面面所產(chǎn)生生的高差差誤差，，或稱為為地球曲曲率的影影響。bb′=△h(R+△△h)化簡得：：(1.4)D(m)1002005001000△h(mm)0.83.119.678.5表1—2用水平面面代替水水準(zhǔn)面對對高差的的影響第四節(jié)測測量工工作概述述1．測量的基基本工作作在測量工工作中，，地面點(diǎn)點(diǎn)的三維維坐標(biāo)(X，y，，H)一般是間間接測出出的。設(shè)設(shè)A、B、、C為地面上上的三點(diǎn)點(diǎn)(如圖圖1-13所示示)，投投影到水水平面上上的位置置分別為為a、b、、c.如果A點(diǎn)的位置置已知，，要確定定B點(diǎn)的位置置，需要要確定B點(diǎn)到A點(diǎn)在水平平面上的的水平距距離DAB和B點(diǎn)位于A點(diǎn)的方位位。圖中中ab的方向可可用通過過點(diǎn)的指指北方向向與ab的夾角(水平角角)表表示，有有了DAB和，B點(diǎn)在圖中中的平面面位置b就可以確確定。由由于A、B兩點(diǎn)的高高程不同同，除平平面位置置外，還還要知道道它們的的高低關(guān)關(guān)系，即即A、B兩點(diǎn)的高高程HA、HB或A、B兩點(diǎn)間的的高差HAB，這樣B點(diǎn)的位置置就完全全確定了了。如果果還要確確定C點(diǎn)在圖中中的位置置c，則需要測量量BC在水平面面的水平平距離DBC及b點(diǎn)上相鄰鄰兩邊的的水平夾夾角以及Hc或hBC。由此可知知，水平距離離、水平平角及高高程是確確定地面面點(diǎn)相對對位置的的三個基基本幾何何要素。。測量地地面點(diǎn)的的水平距距離、水水平角及及高程是是測量的的基本工工作。2．測量量的基本本原則無論是測測繪地形形圖還是是施工放放樣測量量，要在在某一點(diǎn)點(diǎn)上測繪繪該地區(qū)區(qū)所有的的地物和和地貌或或測設(shè)建建筑物的的全部細(xì)細(xì)部是不不可能的的。例如如圖1——14所所示，在在A點(diǎn)只能測測繪附近近的房屋屋、道路路等的平平面位置置和高程程，對于于山的另另一面或或較遠(yuǎn)的的地物就就觀測不不到，因因此，必必須連續(xù)續(xù)地逐個個設(shè)站觀觀測。所所以測量量工作必必須按照照一定的的原則進(jìn)進(jìn)行，這這就是在在布局上上“由整體體到局部部”，在工作步步驟上“先控制制后碎部部”。即先進(jìn)進(jìn)行控制制測量，，然后進(jìn)進(jìn)行碎部部測量。。圖1--14控制測量量包括平平面控制制測量和和高程控控制測量量，如圖圖1—14，先在測測區(qū)內(nèi)部部設(shè)A、B、C、D、E，F(xiàn)等控制點(diǎn)點(diǎn)連成控控制網(wǎng)(圖中為閉閉合多邊邊形)，用較精精密的方方法測定定這些點(diǎn)點(diǎn)的平面面位置和和高程，，以控制制整個測測區(qū)，并并依一定定比例尺尺將它們們縮繪到到圖紙上上，然后后以控制制點(diǎn)為依依據(jù)進(jìn)行行碎部測測量，即即在各控控制點(diǎn)上上測量附附近的屋屋角、道道路中心心線和河河岸線的的