工程測量教程課件1523T附表格8

§1.1測量學簡介測量學是研究地球的形狀、大小確定地球表面各種物體的形狀、大小、空間位置的科學。(1)地物和地貌1)地物——地面上天然或人工形成的物體，包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路與橋梁等。2)地貌：地表高低起伏的形態(tài)，它包括山地、丘陵與平原等。地形——地物和地貌的總稱。第1章緒論(2)測量學的任務測定與測設1)測定——使用測量儀器和工具，通過測量和計算，將地物和地貌的位置按一定比例尺、規(guī)定符號縮小繪制成地形圖。2)測設將地形圖上設計的建筑物、構筑物的位置在實地標定出來，作為施工的依據(jù)。(3)測量在國民經(jīng)濟建設中的應用1)城市規(guī)劃、給排水、煤氣管道、工業(yè)廠房和高層建筑建設①設計階段——測繪各種比例尺地形圖，供結構物平面及豎向設計使用；②施工階段——將設計建構物的平面位置和高程在實地標定出來，作為施工的依據(jù)；③工程完工后——測繪竣工圖，供日后擴建、改建、維修和城市管理用；對某些重要建構筑物在建設中和建成后進行變形觀測，保證建筑物安全。2)鐵路、公路建設的測量工作①測繪路線附近地形圖，在地形圖上設計路線，將設計路線位置標定到地面。②建橋前，測繪河流兩岸的地形圖，測定河流的水位、流速、流量與河床地形圖、橋梁軸線長度，為橋梁設計提供資料，將設計橋臺、橋墩位置標定到實地。③開挖隧道前，在地形圖上確定隧道位置，計算隧道長度與方向，指示隧道開挖方向，保證隧道正確貫通?！?.2地球的形狀和大小(1)、地球1)南北極稍扁，赤道稍長，平均半徑為6371km的橢球。2)表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈現(xiàn)高低起伏的形態(tài)。最高處——中國珠穆朗瑪峰，8844.43m2005年中國測得。最低處——馬里亞納海溝，-10911m1995年日本探測艇海溝號(Kaiko)測得。3)海洋面積——71%，陸地面積——29%。(2)地球的物理特性1)重力與鉛垂線①重力——地球質(zhì)點受萬有引力與離心力的合力。②鉛垂線方向——重力方向。2)水準面水準面——靜止不動的水面延伸穿過陸地，包圍整個地球，形成的封閉曲面。處處與鉛垂線垂直的連續(xù)封閉曲面。因高度可變，水準面不唯一。3)大地水準面與平均海水面吻合的水準面。靜止海水面向大陸延伸，形成的不規(guī)則的封閉曲面。大地水準面——唯一。(3)、、參考考橢球1)大地水準面有有微小起伏、、不規(guī)則、很難用數(shù)學方方程表示。2)將地表地形投投影到大地水水準面上計算非常困困難。3)選擇一個與大大地水準面非非常接近、能用數(shù)學方程程表示的橢球球面作為投影基準準面，由橢圓NESW繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的旋旋轉(zhuǎn)橢球，——參考橢球，表面——參考橢球面。4)法線——由地地表任一點向向參考橢球面面作垂線。5)參考橢球元元素——橢橢圓的長半半軸a和扁率f，6)參考橢球定定位——參參考橢球相相對于大地地水準面的的位置大地原點———參考橢橢球面與大大地水準面面相切的點點在大地原點點處，鉛垂線與法線重合。(4)我我國現(xiàn)用用的幾個參參考橢球元元素值§1.3測量坐標系系與地面點點位的確定定(1)參參心坐標標系與地心心坐標系物理空間———三維空空間。表示地面點點在某空間間坐標系的的位置需三三個參數(shù)；；確定地面點點位——確確定其在某某個空間坐坐標系的三維坐標。?？臻g坐標系系——地心心坐標系和和參心坐標標系?！暗匦摹薄厍蛸|(zhì)質(zhì)心，WGS-84為地心坐標標系?！皡⑿摹薄獏⒖紮E橢球中心，，參心與地地心一般不不重合。1954北北京坐標系系與1980西安坐坐標系屬參心坐標標系。工程測量使使用參心坐坐標系，地心坐標系系與參心坐坐標系可以以相互轉(zhuǎn)換換。測量三維坐標系———確定點球面面位置的二維坐標系確定點高度度的一維高程系。(2)確確定點球球面位置的的二維坐標標系地理坐標系系，平面直直角坐標系系。1)地理理坐標系天文地理坐坐標系，大大地地理坐坐標系。①天文地地理坐標系系地面點在大大地水準面面上的位置置?；鶞省U鉛垂線，大大地水準面面。球面坐標———天文經(jīng)度λ，天文緯度φ。天文子午面面——過地地面P點的鉛垂線線與地球旋旋轉(zhuǎn)軸NS平行的平面面。天文子午線線——天文文子午面與與大地水準準面的交線線。首子午面———過英國國格林尼治治天文臺G的天文子午午面。P點天文經(jīng)度λ——P點天文子午午面與首子子午面的兩兩面角從首子午面面向東或向向西計算，，取值范圍圍是0°～～180°°，在首子午線線以東為東東經(jīng)，以西西為西經(jīng)。。P點天文緯度φ——P點鉛垂線與與赤道面的的夾角，自赤道起向向南或向北北計算，取取值范圍為為0°～～90°。。在赤道以北北為北緯，，以南為南南緯?？捎锰煳臏y測量方法測測定地面點點的天文經(jīng)度和和天文緯度度。格林尼治天天文臺，始始建于1675年，，位于英國首首都倫敦的的格林威治治，二戰(zhàn)后遷往往新址———蘇塞克郡的的赫斯特蒙蒙蘇堡，但保留了““格林威治皇皇家天文臺臺”的名稱。。1884年年，經(jīng)過這這個天文臺臺的子午線線被確定為全全球時間和和經(jīng)度計量量標準參考考子午線，，也稱為本初初子午線，，即零度經(jīng)經(jīng)線。初建之時，，目的是精精確地觀測測月球和恒恒星，幫助航海家家確定經(jīng)度度。現(xiàn)它已發(fā)展展為英國的的一個綜合合性光學天天文臺。1999年年12月28日，新新時間系統(tǒng)統(tǒng)——格林威治電電子時間(GET)正式誕生，，為全球電子子商務提供供時間標準準。原格林威治治時間(GMT)仍保留作為為21世紀紀世界標準準時間。②大地地地理坐標系系表示地面點點在參考橢橢球面上的的位置?；鶞省獏⒖紮E球面面和法線。。用大地經(jīng)度度L，大地緯度B表示。P點大地經(jīng)度度L——P點大地子午午面與首子子午面的兩兩面角P點大地緯度度B——P點的法線與與赤道面的的夾角。大地經(jīng)、緯緯度是根據(jù)據(jù)起始大地地點的大地地坐標，按大地測量量所得數(shù)據(jù)據(jù)推算得到到。起始大地點點——大地地原點，該點大地經(jīng)經(jīng)緯度與天天文經(jīng)緯度度一致。我國以陜西省-涇涇陽縣-永永樂鎮(zhèn)-石際寺村大地原點建立的大地地坐標系———1980西西安坐標系系。大地原點的的地理坐標標約為東經(jīng)108°55′′，北緯34°32′，海拔拔417.2m。大地原點結結構大地原點中中心標石結結構投影臺投影影原理投影臺投影影原理投影臺投影影原理投影臺模型型在投影臺安安置經(jīng)緯儀儀進行投影影觀測與前蘇聯(lián)1942年年普爾科沃沃坐標系聯(lián)聯(lián)測，經(jīng)蘇聯(lián)西伯伯尼亞從我我國東北入入境，傳算過來的的坐標系———1954北北京坐標系系。大地原點———前蘇聯(lián)聯(lián)列寧格勒勒普爾科沃沃天文臺中中央(3)平平面直角坐坐標系球面坐標對對局部測量量不方便，，工程測量一一般在平面面直角坐標標系進行。。地球是一個個不可展的的曲面，通過投影將將地球表面面物體化算算到平面上上，一定存在變變形。案例——切橙子。地球是一個個不可展曲曲面演示1)高斯平面坐坐標系高斯投影———保持球球面上的角角度不變，，邊長存在變變形，保角投影。德國科學家家高斯在1820~1830年間，為解決德國國漢諾威地地區(qū)大地測測量投影問問題，提出的一種種投影方法法；1912年年起，德國國學者克呂呂格將高斯斯投影公式式加以整理理擴充并推導導出了實用用計算公式式。使用高斯投投影的國家家——德國、中國、前蘇聯(lián)。地球按經(jīng)線線劃分為帶帶——投影影帶帶；用空空心心橢橢圓圓柱柱橫橫套套在在參參考考橢橢球球外外面面；；橢圓圓柱柱與與某某一一子子午午線線相相切切————中央央子子午午線線，橢球球面面上上圖圖形形按按保保角角投投影影原原理理投投影影到到橢橢圓圓柱柱體體面面上上；；沿過過南南北北極極的的母母線線切切開開橢橢圓圓柱柱體體，，展展開開成成平平面面，，定義義平平面面直直角角坐坐標標系系。。按投投影影經(jīng)經(jīng)度度范范圍圍劃劃分分①統(tǒng)一一6°°帶帶高高斯斯投投影影首子子午午線線起起，，每每隔隔經(jīng)經(jīng)度度6°°劃劃分分為為一一帶帶(稱稱統(tǒng)統(tǒng)一一6°°帶帶)西→→東東劃分分地地球球為為————60個個帶帶。。帶號號N從首首子子午午線線開開始始，，用用阿阿拉拉伯伯數(shù)數(shù)字字表表示示。。第一一個個6°°帶帶中中央央子子午午線線的的經(jīng)經(jīng)度度為為3°°。。帶號號N與中中央央子子午午線線經(jīng)經(jīng)度度L0的關關系系————L0=6N－3已知知任任意意點點經(jīng)經(jīng)度度L，計算算所所在在6°°帶帶的的帶帶號號公公式式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)北京京天天安安門門：東東經(jīng)經(jīng)116°°23′′26″″，北北緯緯39°°54′′27″″香港港會會展展中中心心：東東經(jīng)經(jīng)114°°10′′22″″，，北北緯緯22°°17′′05″″澳門門大大三三吧吧牌牌坊坊：東東經(jīng)經(jīng)113°°32′′31″″，，北北緯緯22°°11′′49″″臺北北中中山山紀紀念念堂堂：東東經(jīng)經(jīng)121°°31′′18″″，，北北緯緯25°°02′′04″″保角角投投影影———球球面面上上的的角度度投影影到到橫橫橢橢圓圓柱柱面面上上保持持不不變變，但長度度變長長。只有有中中央央子子午午線線與與赤赤道道投投影影后后長度度不變變，，并并相相互互垂垂直直。。建立立的的直直角角坐坐標標系系————高高斯斯平平面面直直角角坐坐標標系系。。與數(shù)學笛笛卡爾坐坐標系的的差異，，x軸與y軸互換位位置，象象限順時時針編號號，我國位于于北半球球，x坐標值恒恒為正，，y坐標值則則有正有有負，最大y坐標負值值約為-334km。為保證y坐標恒為為正，我我國統(tǒng)一一規(guī)定將將每帶的的坐標原原點向西西移500km，既給每個個點的y坐標值加加500km。為確定投投影帶位位置，y坐標前冠冠帶號。。高斯投影影長度變變形———離中央央子午線線越遠，，長度變變形越大大；減小長度度變形的的方法之之一———縮小投影影帶寬，，經(jīng)差。②統(tǒng)一一3°帶帶高斯投投影帶號n與中央子子午線經(jīng)經(jīng)度L’0的關系———L’0=3n已知經(jīng)度度L，計算所在在3°帶帶帶號公式式n=Int(L÷6+0.5)我國大陸陸經(jīng)度范范圍———東經(jīng)73°27′~東經(jīng)135°°09′′用公式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)求出統(tǒng)一6°°帶投影影帶號范范圍———13~23用公式n=Int(L÷3+0.5)求出統(tǒng)一3°°帶投影影帶號范范圍———25~45兩種投影影帶的帶帶號不重重復根據(jù)y坐標前的的帶號可可以判斷斷屬于何何種投影影帶。③任意帶高高斯投影影《城市測測量規(guī)范范》規(guī)定定——長度變形形值>2.5cm/km(1/40000)可采用高高斯投影影任意帶帶平面直直角坐標標系統(tǒng)，，案例——廣東東江門中中心經(jīng)度度——東東經(jīng)113°10′，位于統(tǒng)一3°帶的38號帶(中央子子午線經(jīng)經(jīng)度為114°)中央子午午線以西西98km。長度變形形為1/8329>1/40000。為使長度度變形<1/40000，選擇中央央子午線線經(jīng)度=113°10′進行高斯斯投影；；建立江門門市獨立坐標標系；江門市區(qū)最邊邊緣距離離中央子午午線23km，長度變形形縮小為為1/150000<1/40000。2)大大地地理理坐標與與高斯平平面坐標標的相互互變換由L,B→x,y———高斯投影影正算。由x,y→L,B———高斯投影影反算。將某帶x,y→相臨帶x,y———高斯投影影換帶計計算。計算公式式較復雜雜，用光光盤程序序PG2-1.exe計算。先用Windows的記事本本編寫一一個文本本數(shù)據(jù)文文件。存盤文件件名的前前兩個字字符應為為da。從Google地球衛(wèi)衛(wèi)星圖圖片上上獲取取經(jīng)緯緯度，，用PG2-1.exe正算出出高斯斯平面面坐標標案例例§1.3.2一維高高程系系(1)高高程程定義義A點高程程———A點到大大地水水準面面的垂垂直距距離，，HA表示。。大地水水準面面的確確定———在在海邊邊設立立驗潮潮站，長期觀觀測，，求得海海水面面的平平均高高度作作為高高程零零點，，以通過過該點點的大大地水水準面面為高高程基基準面面。(2)國國家家高程程系統(tǒng)統(tǒng)我國有兩個個國家高程程系統(tǒng)。1)1956年黃黃海高程系系1954年年在青島市市觀象山建建立水準原原點，采用青島大大港驗潮站站一號軍用用碼頭1950年年~1956年7年年的潮汐記錄錄資料推算出的大大地水準面面為基準引測出水準準原點的高高程為72.289m。以該大地水水準面為高高程基準建立的高程程系——1956年年黃海高程程系。青島觀象山山青島大港1號碼頭驗驗潮站青島大港1號碼頭驗驗潮站青島大港1號碼頭驗驗潮站青島大港1號碼頭驗驗潮站標牌牌驗潮站內(nèi)的的潮汐自動動記錄儀驗潮站內(nèi)的的潮汐自動動記錄儀驗潮站內(nèi)的的潮汐自動動記錄儀驗潮站內(nèi)的的潮汐自動動記錄儀驗潮站內(nèi)的的潮汐自動動記錄儀青島觀象山山水準原點點打開水準原原點旱井蓋蓋打開水準原原點旱井蓋蓋水準原點旱旱井水準原點旱旱井水準原點瑪瑪瑙石標志志水準原點標標牌備用水準原原點備用水準原原點備用水準原原點精密水準測測量觀測水水準原點的的穩(wěn)定性水準原點至至1956年黃海高高程系0海海平面的高高程水準原點至至1985國家高程程基準0海海平面的高高程精密水準測測量觀測用德國蔡司司Ni002精密水準儀儀觀測精密水準測測量觀測精密水準測測量觀測青島水準零零點青島水準零零點2001臺臺灣高程基基準——基基隆水準原原點2001臺臺灣高程基基準——基基隆水準原原點2001臺臺灣高程基基準——基基隆水準原原點2)1985國家家高程基準準80年代，用青島驗潮潮站1953年年~1977年25年的潮汐記錄錄資料推算出的大大地水準面面為基準引測出水準準原點的高高程為72.260m。以該大地水水準面為高高程基準建立的高程程系——1985國國家高程基基準。在水準原點點，85高程基基準大地水水準面比56黃海系系大地水準準面高出0.029m。2005年10月9日發(fā)布的的珠穆朗瑪峰峰峰頂巖石石面海拔高程為8844.43m，屬于85高高程基準。。3)珠江基面高高程系(珠江高程程系)1908年年由兩廣督督練公所參謀處測繪繪科建立，，原點：廣州州粵海關前前。廣東，廣西西珠江流域域水利系統(tǒng)使使用。珠江基面零零點比1956年黃海高高程系高廣州高0.586m，粵西北高0.722m，粵東北高0.377m。(3)城市高程系系統(tǒng)的選擇擇《城市測量量規(guī)范》規(guī)規(guī)定一個城市只只應采用一一個統(tǒng)一的的高程系統(tǒng)統(tǒng)。應采用1985國家家高程基準準或沿用1956年黃黃海高程系系?！?.3.3WGS-84坐標系WGS———WorldGeodeticSystem(世界大地坐坐標系)，，美國國防局局為進行GPS導航定位，，于1984年建立的的地心坐標標系，1985年投投入使用。。屬地心坐標標系。WGS-84坐標系———原點位于于地球質(zhì)心心，z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議議地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午午面和CTP赤道的交點點，y軸通過右手手規(guī)則確定定?！?.4地球曲率對對測量工作作的影響測區(qū)范圍較較小，大地水準面面近似為水水平面時