水利工程測(cè)量

水利工程測(cè)量量主講：郭向紅紅太原理工大學(xué)學(xué)水利科學(xué)與與工程學(xué)院個(gè)人簡(jiǎn)介郭向紅，博士士，講師。主主要研究方向向節(jié)水灌溉理理論與技術(shù)、、土壤水動(dòng)力力學(xué)計(jì)算機(jī)模模擬、土壤-作物-大氣（SPAC）系統(tǒng)水分傳傳輸與模擬。。作為主要完完成人參與了了國(guó)家自然科科學(xué)基金項(xiàng)目目、國(guó)家“863”項(xiàng)目，國(guó)家家科技部支撐撐項(xiàng)目、山西西省科技攻關(guān)關(guān)項(xiàng)目、山西西省研究生創(chuàng)創(chuàng)新項(xiàng)目、太太原市大學(xué)生生創(chuàng)新項(xiàng)目等等多項(xiàng)縱向項(xiàng)項(xiàng)目。在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)報(bào)》、《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)報(bào)》、《水科學(xué)進(jìn)展》、《水利學(xué)報(bào)》、《排灌機(jī)械工程程學(xué)報(bào)》、《應(yīng)用基礎(chǔ)與工工程科學(xué)學(xué)報(bào)報(bào)》、《HydrologyResearch》等發(fā)表論文20余篇，被EI、SCI、ISTP收錄10余篇。榮獲山山西省科技進(jìn)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，山西省高高等學(xué)校科技技進(jìn)步一等獎(jiǎng)獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家知識(shí)識(shí)產(chǎn)權(quán)局軟件件著作權(quán)2項(xiàng)，第六屆農(nóng)農(nóng)業(yè)水土工程程專業(yè)委員會(huì)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)年會(huì)會(huì)優(yōu)秀青年學(xué)學(xué)術(shù)論文1項(xiàng)。主講本科科生課程：《水利工程測(cè)量量》、《農(nóng)田水利學(xué)》、《灌溉工程新技技術(shù)》、《Fortran程序設(shè)計(jì)》，碩士博士研研究生課程：：《排灌理論與技技術(shù)》。課程性質(zhì)、目目的和任務(wù)《水利工程測(cè)量量》是水利工程專專業(yè)的一門技技術(shù)基礎(chǔ)課，，其教學(xué)目的的是培養(yǎng)學(xué)生生具有測(cè)繪科科學(xué)方面的基基礎(chǔ)理論知識(shí)識(shí)和基本的測(cè)測(cè)繪技能。本課程的教學(xué)學(xué)任務(wù)是通過過理論講授、、實(shí)驗(yàn)和教學(xué)學(xué)實(shí)習(xí)，使學(xué)學(xué)生逐步掌握握水利工程測(cè)測(cè)量方面的基基礎(chǔ)理論、掌掌握常規(guī)測(cè)量量?jī)x器的操作作使用方法、、掌握小區(qū)域域大比例尺地地形圖的測(cè)繪繪方法、掌握握水利工程施施工放樣測(cè)量量技術(shù)，并具具有正確使用用測(cè)繪資料的的能力，為今今后從事本專專業(yè)的勘測(cè)、、規(guī)劃、設(shè)計(jì)計(jì)、施工及管管理打下基礎(chǔ)礎(chǔ)。教學(xué)環(huán)節(jié)水利工程測(cè)量課堂講授課程實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)習(xí)本學(xué)期下學(xué)期課程考核方法法課堂表現(xiàn)試卷成績(jī)作業(yè)每節(jié)課開始之之前對(duì)上節(jié)課課內(nèi)容進(jìn)行提提問每章作業(yè)完成成情況第一章緒論論§1.1水工程測(cè)量的的任務(wù)§1.2地面上點(diǎn)位的的確定§1.3用水平面代替替水準(zhǔn)面的限限度§1.4測(cè)量工作的基基本原則§1.5測(cè)繪科學(xué)的發(fā)發(fā)展概況§1.1水工程測(cè)量的的任務(wù)一、測(cè)量學(xué)的的含義及其分分類1、定義：研究究地球及其表表面各種形態(tài)態(tài)的學(xué)科,主要任務(wù)是測(cè)測(cè)定地球表表面的的點(diǎn)位和幾何何形狀，并繪繪制成圖，以以及測(cè)定和研研究地球的形形狀和大小。。2、分類：【1】大地測(cè)量學(xué)【2】地形測(cè)量學(xué)【3】攝影測(cè)量學(xué)【4】工程測(cè)量學(xué)【5】地圖制圖學(xué)大地測(cè)量學(xué)研究在地球表表面大區(qū)域內(nèi)內(nèi)建立國(guó)家大大地控制網(wǎng)，，測(cè)定地球形形狀大小和地地球重力場(chǎng)的的理論、技術(shù)術(shù)和方法的科科學(xué)，稱為大大地測(cè)量學(xué)地形測(cè)量學(xué)研究小區(qū)域內(nèi)內(nèi)測(cè)繪地形圖圖的基本理論論、技術(shù)和方方法的學(xué)科稱稱為地形測(cè)量量學(xué)攝影測(cè)量學(xué)利用攝影像片片測(cè)定物體的的形狀、大小小和空間位置置的方法稱為為攝影測(cè)量學(xué)學(xué)。工程測(cè)量學(xué)研究礦山、水水利、道路、、城市建設(shè)等等各項(xiàng)工程建建設(shè)在規(guī)劃設(shè)設(shè)計(jì)、施工和和工程管理階階段進(jìn)行的各各項(xiàng)測(cè)量工作作的學(xué)科。地圖制圖學(xué)研究地圖及其其制作理論、、工藝和應(yīng)用用的學(xué)科，稱稱為地圖制圖圖學(xué)。二、水利工程程測(cè)量的任務(wù)務(wù)1、為水利工程程規(guī)劃設(shè)計(jì)提提供所需的地地形資料。規(guī)規(guī)劃時(shí)需提供供中、小比例例尺地形圖及及有關(guān)信息，，建筑物設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)要測(cè)繪大大比例尺地形形圖。2、施工階段要要將圖上設(shè)計(jì)計(jì)好的建筑物物按其位置、、大小測(cè)設(shè)于于地面，以便便據(jù)此施工，，稱為施工放放樣。3、在施工過程程中及工程建建成后運(yùn)行管管理中，需要要對(duì)建筑物的的穩(wěn)定性及變變化情況進(jìn)行行監(jiān)測(cè)——變形觀測(cè)，確確保工程安全全?！?.2地面上點(diǎn)位的的確定認(rèn)識(shí)地球是人人類探索的目目標(biāo)之一，也也是測(cè)量學(xué)的的任務(wù)之一;絕大多數(shù)測(cè)量量工作是在地地球上進(jìn)行，，或以地球作作為參考系。。地物：地面上上的道路、河河流、房屋等等地面上位置置固定的天然然、人工物體體。地貌：地表高高低起伏的形形態(tài)。地形：地物和和地貌的總稱稱。一、地球的形形狀和大小1、地球的形狀狀和大小地球既圍繞太太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)又繞繞自己的軸自自轉(zhuǎn)，地球上上的物體將受受到地球、太太陽(yáng)、月亮引引力、離心力力等多種力的的作用，而其其中主要是受受到離心力和和地球質(zhì)心吸吸引力的作用用，這兩個(gè)力的合合力稱為重力力，重力方向向即為垂線方方向。由于地球的自自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，，使得地球成成橢球形，其其赤道半徑大大，極半徑小小。地球表面面并不光滑，，形狀十分復(fù)復(fù)雜，有高山山平原，江河河湖泊，如：：有高于海平面面8848m珠穆朗瑪峰有低于海平面面11022m馬里亞納海溝溝但是這樣的高高低變化與地地球半徑6371km相比只有1/600變化是微小的的。因?yàn)楹Ｑ笱蠹s占整個(gè)地地球表面的71%?！锼匀藗?cè)O(shè)設(shè)想將靜止的的海水面向整整個(gè)陸地延伸伸，用所形成成的封閉曲面面代替地球表表面，這個(gè)曲曲面稱為大地地水準(zhǔn)面。大大地水準(zhǔn)面所所包含的形體體，稱為大地地體，它代表表了地球的自自然形狀和大大小。2、水準(zhǔn)面定義：設(shè)想以以一個(gè)靜止不不動(dòng)的水面向向陸地延伸，，形成一個(gè)閉閉合的曲面包包圍整個(gè)地球球，，稱這個(gè)閉合合曲面為水準(zhǔn)準(zhǔn)面。特點(diǎn)：1.重力等位面，，其表面處處處與重力方向向垂直。2.有無(wú)窮多個(gè)，，但各水準(zhǔn)面面之間是不平平行的。3.是不規(guī)則的閉閉合曲面水準(zhǔn)面地球自然表面面3、大地水準(zhǔn)面面定義：水準(zhǔn)面面有無(wú)數(shù)個(gè)，，其中通過平平均海水面的的一個(gè)水準(zhǔn)面面稱為大地水水準(zhǔn)面。作用：測(cè)量工工作的基準(zhǔn)面面獲取：我國(guó)在在青島設(shè)有驗(yàn)驗(yàn)潮站大地水準(zhǔn)面包包圍的形體稱稱為大地體地球自然表面面大地水準(zhǔn)面4、旋轉(zhuǎn)橢球面面與旋轉(zhuǎn)橢球球體由于大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面是不規(guī)則則曲面，無(wú)法法準(zhǔn)確描述和和計(jì)算。也難難以在其面上上處理測(cè)量成成果。因此，，用一個(gè)非常常接近大地水水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)學(xué)模型——旋轉(zhuǎn)橢球面代代替大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面。用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢球體描述述的地球，稱稱為參考橢球球體。構(gòu)成：由橢圓圓NWSWE繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而形成的的。要求：①總質(zhì)質(zhì)量=地球質(zhì)量，中中心與質(zhì)心重重合，短軸與與旋轉(zhuǎn)重合。。②旋轉(zhuǎn)角速度度與地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度相等。。③表面與大地地水準(zhǔn)面擬合合最好。大地水準(zhǔn)面與與橢球面高差差最大差為±200m旋轉(zhuǎn)橢球面大地水準(zhǔn)面abNSWEa=6378140m扁率α=(a-b)/a=1:298.257（1）1954年北京坐標(biāo)系系，采用前蘇蘇聯(lián)克拉索夫夫斯基參考橢球體參參數(shù)：a=6378245m=1:298.3（2）1980年國(guó)家大地坐坐標(biāo)系采用國(guó)國(guó)際大地測(cè)量量協(xié)會(huì)與地球物理聯(lián)合合會(huì)在1975年推薦的IUGG-75地球橢球。其參數(shù)：a=6378140m=1:298.257（3）在測(cè)量工作作范圍不大時(shí)時(shí)，可將地球球看作圓球體體，以球面代代替大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面，其半徑徑R=6371km二、地面上點(diǎn)點(diǎn)位的表示方方法（一）坐標(biāo)1、地理坐標(biāo)以以經(jīng)度和緯緯度表示地面面點(diǎn)位置的稱稱為地理坐標(biāo)標(biāo)。NSWEoλ首子午線格林威治φ地面上任意點(diǎn)點(diǎn)M（λ、Φ）子午面子午線又叫經(jīng)經(jīng)線M點(diǎn)的經(jīng)度M點(diǎn)的緯度空間位置包括括點(diǎn)在球面上上的位置和到水準(zhǔn)面的的距離2、高斯平面直直角坐標(biāo)以中央子午線線作為坐標(biāo)縱縱軸（用X表示）以赤道道作為坐標(biāo)橫橫軸（用Y表示））。S赤道中央子子午線線中央子子午線線赤道NNS6°帶的劃劃分為為限限制高高斯投投影離離中央央子午午線愈愈遠(yuǎn)，，長(zhǎng)度度變形形愈大大的缺缺點(diǎn)，，從經(jīng)經(jīng)度0°開始，，將整整個(gè)地地球分分成60個(gè)帶，，6°為一帶帶。9o0o3o6o1220102o105o108o111o120o1819114o12o117o500kmyMyxM我國(guó)高高斯平平面直直角坐坐標(biāo)的的表示示。方法：：（1）先將將自然然值的的橫坐坐標(biāo)Y加上500000米；（2）再在在新的的橫坐坐標(biāo)Y之前標(biāo)標(biāo)以2位數(shù)的的帶號(hào)號(hào)。例如：：M點(diǎn)位于于111o中央子子午線線以西西4321.90m，那么么對(duì)應(yīng)應(yīng)的高高斯坐坐標(biāo)的的橫坐坐標(biāo)是是多少少？第一步步：計(jì)計(jì)算帶帶號(hào)N=(111+3)/6=19第二步步：計(jì)計(jì)算橫橫坐標(biāo)標(biāo)19500000-4321.90=19495678.103°帶的劃劃分從從東東經(jīng)1°30開始，，將整整個(gè)地地球分分成120個(gè)帶，，3°為一帶帶。例如，，南京京市處處于東東經(jīng)118°47，即6°帶號(hào)Ｎ=(118°47’+3°°)/6°°=20.3=20Ｌ０=6×20-3=117°°3°帶號(hào)即n=118°47′′/3°=39.6=40Ｌ０=3=3°××40=120°適用于于：測(cè)測(cè)區(qū)范范圍較較大，，不能能將測(cè)測(cè)區(qū)曲曲面當(dāng)當(dāng)作平平面看看待。。3、平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)系適用于于：測(cè)測(cè)區(qū)范范圍較較小，，可將將測(cè)區(qū)區(qū)曲面面當(dāng)作作平面面看待待。西y(東)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AyAxAox(北)獨(dú)立平平面直直角系系原點(diǎn)點(diǎn)一般般選擇擇在測(cè)測(cè)區(qū)西西南角角直接將將地面面點(diǎn)沿沿鉛垂垂線方方向投投影到到水平平面上上。在在實(shí)際際測(cè)量量中，，一般般將坐坐標(biāo)原原點(diǎn)選選在測(cè)測(cè)區(qū)的的西南南角，，使測(cè)測(cè)區(qū)內(nèi)內(nèi)的點(diǎn)點(diǎn)位坐坐標(biāo)均均為正正值，，并以以該測(cè)測(cè)區(qū)的的子午午線(或磁子子午線線)的投影影為X軸，向向北為為正，，與之之相垂垂直的的為Y軸，向向東為為正，，由此此建立立了該該測(cè)區(qū)區(qū)的獨(dú)獨(dú)立平平面直直角坐坐標(biāo)系系。其與數(shù)數(shù)學(xué)中中平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)系相相比，，不同同點(diǎn)：：1．測(cè)量量上取取南北北方向向?yàn)榭v縱軸（（X軸），，東西西方向向?yàn)闄M橫軸（（Y軸）2．角度度方向向順時(shí)時(shí)針度度量，，象限限順時(shí)時(shí)針編編號(hào)。。相同點(diǎn)點(diǎn)：數(shù)數(shù)學(xué)中中的三三角公公式在在測(cè)量量計(jì)算算中可可直接接應(yīng)用用。（二））高程程1、絕對(duì)對(duì)高程程（海海拔））：指指地面面點(diǎn)沿沿鉛垂垂線方方向到到大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的距離離，用用Ｈ表表示。。2、相對(duì)對(duì)高程程：地地面上上一點(diǎn)點(diǎn)到假假定水水準(zhǔn)面面的鉛鉛垂距距離（（H′）3、高差差：地地面上上兩點(diǎn)點(diǎn)間的的高程程之差差。（（h）AB點(diǎn)的高高差：：hAB=HB-HA=HB’-HA’ABHAHBH'AH'B大地水水準(zhǔn)面面假定水水準(zhǔn)面面黃海平平均海海水面面hAB三、地地面點(diǎn)點(diǎn)的相相互位位置關(guān)關(guān)系及及測(cè)量量的基基本工工作水平距距離、、水平平角及及高程程是確確定地地面點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)對(duì)位置置的三三個(gè)基基本幾幾何要要素。。要確確定地地面點(diǎn)點(diǎn)的相相對(duì)位位置常常規(guī)測(cè)測(cè)量的的基本本工作作是：：①測(cè)測(cè)距距離D②測(cè)角度度（β）③測(cè)測(cè)高高差hABCabcxyαβ§1.3用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面的限限度一、地地球曲曲率對(duì)對(duì)水平平距離離的影影響oA’B’ABCtdRαR———地球半半徑6371Kmα——圓心角角將tgα用級(jí)數(shù)數(shù)展開開，去去前兩兩項(xiàng)，，得：：因?yàn)棣?d/R，故：：相對(duì)誤誤差：表1水平面面代替替水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的距離離誤差差和相相對(duì)誤誤差距離D/km距離誤差ΔD/mm相對(duì)誤差ΔD/D1081/1220000251281/2000005010261/4900010082121/12000由表可可知，，在半半徑為為10km的范圍圍內(nèi)（（相當(dāng)當(dāng)于面面積320km2），用用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面可不不考慮慮地球球曲率率對(duì)距距離的的影響響。當(dāng)精度度要求求較低低時(shí)，，還可可以將將測(cè)量量范圍圍的半半徑擴(kuò)擴(kuò)大到到25km(相當(dāng)于于面積積2000km2)。二、地地球曲曲率對(duì)對(duì)高程程的影影響B(tài)’A’ABCtdRα將secα用級(jí)數(shù)數(shù)展開開，取取前兩兩項(xiàng)，，得：：代入得得：因?yàn)棣?d/R，故：：取R＝637lkm，則得得相應(yīng)應(yīng)的高高差誤誤差值值，如如表所所列。。距離D/km0.l0.20.30.40.512510△h/mm0.83713207831419627848表2水平面面代替替水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的高差差誤差差由表可可知，，在進(jìn)行行水準(zhǔn)準(zhǔn)(高程)測(cè)量時(shí)時(shí)，應(yīng)應(yīng)當(dāng)用用水準(zhǔn)準(zhǔn)面作作為測(cè)測(cè)量的的基準(zhǔn)準(zhǔn)面?！?.4測(cè)量工工作的的基本本原則則1、測(cè)量量工作作的基基本原原則在實(shí)際際測(cè)量量工作作中應(yīng)應(yīng)當(dāng)遵遵守以以下基基本原原則:在測(cè)量量布局局上，