工程測量01-第一章-緒論

2023/10/221第一章緒論2023/10/222第一章緒論

第一節(jié)概述

第二節(jié)地面上點位的確定第三節(jié)用水平面代替水準面的限度第四節(jié)測繪工作的基本原則第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展★2023/10/223第一節(jié)概述一、測繪學介紹（一）定義

測繪學是研究地球形狀和大小、確定地球表面（包括空中、地表、地下和海洋）物體的空間位置，以及對于這些空間位置信息進行處理、儲存、管理的科學。它包括測量和制圖兩項主要內(nèi)容。測繪學按照研究對象及采用技術(shù)的不同，又可分為下列學科：

1、大地測量學

2、攝影測量學

3、工程測量學

4、海洋測量學

5、地圖制圖學2023/10/224第一節(jié)概述一、測繪學介紹（二）應(yīng)用

主要應(yīng)用在：

1）城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃；

2）國土資源的合理利用；

3）農(nóng)林牧漁業(yè)的發(fā)展；

4）環(huán)境保護以及地籍管理等工作中所進行的土地測量；

5）測繪各種類型、各種比例尺的地圖；

6）控制測量、礦山測量和線路測量等

2023/10/225第一節(jié)概述二、工程測量學介紹

工程測量學是研究地球空間（地面、地下、水下、空中）中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設(shè)實現(xiàn)的理論方法和技術(shù)的一門應(yīng)用性學科。（一）發(fā)展歷史

中國漢代司馬遷的《史記》中關(guān)于夏禹治水(公元前21世紀)時的勘測情況的記載。1973年從長沙馬王堆漢墓出土的地圖是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最早的地圖。在國外，公元前二十七世紀建設(shè)的埃及大金字塔的精確建立說明當時就已有了放樣的工具和方法。公元前十四世紀，在幼發(fā)拉底河與尼羅河流域曾進行過土地邊界的劃分測量。二十世紀初，以核子、電子和空間技術(shù)為標志的第三次技術(shù)革命，使工程測量學獲得了迅速的發(fā)展。20世紀50年代，世界各國在建設(shè)大型水工建筑物、長隧道、城市地鐵中，對工程測量提出了一系列要求，形成了施工測量的內(nèi)容；20世紀60年代，空間技術(shù)的發(fā)展和導(dǎo)彈發(fā)射場建設(shè)促使工程測量進一步發(fā)展；20世紀70年代以來，高能物理、天體物理、人造衛(wèi)星、宇宙飛行、遠程武器發(fā)射等所需建設(shè)的各種巨型實驗室，就是高精度工程測量。二十世紀末，測量對象深入到地下、水域、空間和宇宙，如核電站、摩天大樓、海底隧道、跨海大橋、大型正負電子對撞機等。從工程測量學的發(fā)展歷史可以看出，它的發(fā)展經(jīng)歷了一條從簡單到復(fù)雜、從手工操作到測量自動化、從常規(guī)測量到精密測量的發(fā)展道路，它的發(fā)展始終與當時的生產(chǎn)力水平相同步，并且能夠滿足大型特種精密工程中對測量所提出的愈來愈高的需求。2023/10/226第一節(jié)概述二、工程測量學介紹（二）研究內(nèi)容

工程測量的主要內(nèi)容包括：

1）提供模擬或數(shù)字的地形資料；

2）進行測量及其有關(guān)信息的采集和處理；

3）建筑物的施工放樣；

4）大型精密設(shè)備的安裝和調(diào)試測量；

5）工業(yè)生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢測和控制；

6）各類工程建設(shè)物、礦山和地質(zhì)病害區(qū)域的變形監(jiān)測、機理解釋和預(yù)報；

7）工程測量專用儀器的研制與應(yīng)用；

8）與研究對象有關(guān)的信息系統(tǒng)的建立和應(yīng)用等。2023/10/227第一節(jié)概述

（1）地形圖測繪一般工程使用1:1萬至1:10萬的國家地形圖系列。大型工程：采用航空攝影測量，用模擬法、解析法或全數(shù)字化法測圖。

1:2000～1:5000的局部性或帶狀地形圖：采用地面測量方法用模擬的白紙成圖或數(shù)字化機助成圖法進行測繪。

（2）控制網(wǎng)布設(shè)建立平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，目的是為工程建筑物的施工放樣、驗收及其他測量工作提供依據(jù)。首級平面控制網(wǎng)布網(wǎng)形式：高精度測角網(wǎng)、邊角網(wǎng)或電磁波導(dǎo)線等，再以插網(wǎng)、插點或?qū)Ь€加密；或可采用GPS建立平面施工控制網(wǎng)以及施工放樣工作。高程控制網(wǎng)：高精度的水準網(wǎng)。

（3）建筑物施工放樣施工放樣：將設(shè)計的抽象的幾何實體放樣（或稱測設(shè)）到實地上去，成為具體幾何實體所采用的測量方法和技術(shù)。放樣方法：方向交會法、距離交會法、方向距離交會法、極坐標法、坐標法、偏角法、偏距法、投點法等。儀器：光學、電子經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀以及GPS技術(shù)等。

2023/10/228第一節(jié)概述（4）建筑物竣工測量竣工測量：工程建設(shè)項目竣工驗收時所進行的測量工作。目的：根據(jù)控制網(wǎng)點測定已有建筑物的實際位置以及部分建筑物的幾何形體，以檢驗施工質(zhì)量，為工程的驗收、決算、維護等工作提供依據(jù)。竣工測量的成果主要包括：竣工總平面圖、分類圖、輔助圖、斷面圖以及道路曲線元素、細部點坐標、高程明細表等。（5）建筑物變形監(jiān)測工程建筑物及與工程有關(guān)的變形的監(jiān)測、分析和預(yù)報是工程測量學的重要研究內(nèi)容。變形分析和預(yù)報除了需要對變形觀測數(shù)據(jù)進行處理外，還涉及到工程、地質(zhì)、水文、應(yīng)用數(shù)學、系統(tǒng)論和控制論等學科，屬于多學科的交叉領(lǐng)域。變形監(jiān)測技術(shù)幾乎包括了全部的工程測量技術(shù)，除常規(guī)的儀器和方法外，還大量的使用各種傳感器和專用儀器。2023/10/229第一章緒論

第一節(jié)概述

第二節(jié)地面上點位的確定第三節(jié)用水平面代替水準面的限度第四節(jié)測繪工作的基本原則第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展★2023/10/2210第二節(jié)地面上點位的確定

一、地球的形狀和大?。ㄒ唬┐蟮厮疁拭?/p>

假想有一個靜止的海水面，向陸地延伸形成一個封閉的曲面，這個曲面稱為水準面。平均高度的海水面，稱為大地水準面。大地水準面所包圍的形體稱為大地體，它代表地球的一般形狀。圖1-1大地水準面和參考橢球面

（二）參考橢球面

旋轉(zhuǎn)橢球面所包含的形體稱為旋轉(zhuǎn)橢球體，同大地水準面最為接近的橢球面稱為平均地球橢球面。旋轉(zhuǎn)橢球體是由橢球面NWSE繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的形體（見圖1-1），其形狀和大小取決于長半軸a、短半軸b和扁率α=(a-b)/a。如圖1-1所示，地面上選一點P，令P點的鉛垂線和橢球面上相應(yīng)點P0的法線重合，并使P0點的橢球面與大地水準面相切。這里的P點稱為大地原點，旋轉(zhuǎn)后的橢球面稱為參考橢球面，其包圍的形體稱為參考橢球體。大地水準面和鉛垂線是測量外業(yè)所依據(jù)的基準面和基準線，參考橢球面及其法線是測量計算所依據(jù)的基準面和基準線。2023/10/2211第二節(jié)地面上點位的確定橢球名稱

長半軸a(m)

短半軸b(m)扁率α推算年代和國家白塞爾637739763565641:299.21841年德國克拉克637824963565151:293.51880年英國德福特637838863569121:297.01909年美國克拉索夫斯基637824563568631:298.31940年前蘇聯(lián)IUGG-7563781406356755.31:298.2571979年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會WGS-84637813763567521:298.2572235631984年美國

表1-1地球橢球參數(shù)2023/10/2212第二節(jié)地面上點位的確定圖1-2大地坐標系圖1-3WGS-84坐標系二、地面點位置的確定

在測繪工作中，常用的坐標系統(tǒng)有大地坐標系、高斯投影平面直角坐標系、獨立平面直角坐標系等。（一）大地坐標系如圖1-2所示，地心空間直角坐標系(X，Y，Z)的Z軸與地球平均自轉(zhuǎn)軸重合，與Z軸垂直的平赤道面構(gòu)成XY平面；XZ平面是包含平均自轉(zhuǎn)軸和格林威治平均天文臺的平面；Y軸的指向使該坐標系成為右手坐標系。橢球的短軸與地心空間直角坐標系的Z軸重合，起始子午面和赤道面分別與該坐標系的XZ平面和XY平面重合。P點沿橢球面法線到橢球面上的投影是Q，PQ=H，稱為P點的大地高程，過P點的大地子午面和首子午面所夾的兩面角稱P點的大地經(jīng)度L；過P點的法線與赤道面的夾角稱P點的大地緯度B。P點的大地坐標（L，B，H）和地心空間直角坐標(X，Y，Z)之間存在著嚴密的數(shù)字關(guān)系，可以互相換算。目前，我國常用的大地坐標系統(tǒng)有：（1）1954年北京坐標系（2）

1980年國家大地坐標系（3）

WGS-84坐標系(圖1-3WGS-84坐標系)2023/10/2213第二節(jié)地面上點位的確定（二）高斯平面直角坐標系

根據(jù)高斯-克呂格爾投影所建立的平面坐標系稱高斯平面直角坐標系。高斯－克呂格爾投影屬于橫軸切圓柱正形投影?？梢栽O(shè)想將截面為橢圓的一個圓柱體面套在地球橢球的外面（見圖1-4），圓柱的中心軸EE1在赤道面內(nèi)，圓柱面同橢球面相切在中央子午線上。按正形條件將中央子午線東、西各一定經(jīng)度范圍內(nèi)的地區(qū)投影到圓柱面上，然后將該圓柱面展開成一平面，就得出中央子午線兩側(cè)的一部分地區(qū)在平面上的投影（見圖1-5）。地球橢球赤道的投影也是直線，且與中央子午線正交，以前者為橫軸，即y軸，東向為正；后者為縱軸，即x軸，北向為正；兩者的交點O為原點，這就形成了高斯平面直角坐標系。圖1-4高斯－克呂格爾投影圖1-5高斯－克呂格爾投影展開2023/10/2214第二節(jié)地面上點位的確定

高斯－克呂格爾將地球橢球面按子午線劃分成適當個數(shù)的投影帶，帶寬一般分為6°、3°和1.5°等3種。每一投影帶采用各自獨立的高斯平面坐標系(見圖1-6)，并規(guī)定y坐標加上500公里，以避免出現(xiàn)負值。為了表示任一點所在的投影帶，又規(guī)定y坐標值前加上二位數(shù)，以表示投影帶號。x坐標值無論在哪一投影帶內(nèi)都是由赤道起算的實際值。

圖1-6高斯－克呂格爾投影分帶2023/10/2215第二節(jié)地面上點位的確定

地球表面上一點所在分帶的中央子午線的經(jīng)度值可用下式計算：

6°分帶：（1-1）

3°分帶：

（1-2）式中

N——投影帶帶號。（三）高程系統(tǒng)地面點到某一高程基準面的垂直距離稱為地面點的高程。常用的高程基準面有參考橢球體面和大地水準面，其相應(yīng)的高稱為大地高和海拔高。地面上任意兩點之間的高程之差稱為高差。

1980年以前，我國主要采用“1956年黃海高程系”，它利用青島驗潮站1950~1956年觀測的潮位成果求得的黃海平均海水面作為高程的零點，因觀測時間短，準確性較差。后改用1953~1979年的觀測資料重新進行計算，并將計算結(jié)果命名為“1985年國家高程系統(tǒng)”（1987年5月26日正式公布使用）。由于高程基準面發(fā)生了變化，因此，這兩個高程系統(tǒng)存在一定的差異，它們的關(guān)系如下：

H85=H56-0.029（1-3）2023/10/2216第一章緒論

第一節(jié):概述第二節(jié):地面上點位的確定

第三節(jié)用水平面代替水準面的限度

第四節(jié)測繪工作的基本原則第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展★2023/10/2217第三節(jié)用水平面代替水準面的限度

用水平面代替水準面的限度即在該限度內(nèi)，將橢球面作為平面所產(chǎn)生的誤差不能超過工程地形圖和施工放樣的精度要求。

一、地球曲率對水平距離的影響如圖1-7所示，設(shè)地面上有A′、B′兩點，在水準面上的投影分別為A、B，在水平面上的投影為A、C。若以平面上的距離AC（設(shè)為t）代替水準面上的距離（設(shè)為d），其誤差為：

（1-4）

圖1-7用水平面代替水準面式中R——地球半徑，R=6371km；α——弧長d所對的圓心角。將tgα用級數(shù)展開，并取其前兩項可得：因為，所以可得：2023/10/2218第三節(jié)用水平面代替水準面的限度

以不同的d值代入上式，求得相應(yīng)的Δd列于表1-2。從表中可以看出，當距離為10km時，用水平面代替水準面產(chǎn)生的距離相對誤差為1/120萬，這個誤差小于目前精密量距的允許誤差（1/100萬）。因此，在半徑小于10km的區(qū)域內(nèi)，地球曲率對水平距離的影響可以忽略不計，可以用水平面代替水準面。

距離d距離誤差Δd（mm）距離相對誤差Δd/d高程誤差Δh（mm）100m0.0000081/1250000萬0.81km0.0081/12500萬78.510km8.21/120萬7850.025km128.31/19萬49050.0表1-2地球曲率對水平距離和高程的影響2023/10/2219第三節(jié)用水平面代替水準面的限度二、地球曲率對高程的影響如圖1-7所示，地面點B′在球面和水平面上的投影分別為B和C，并設(shè)這兩點的高差為Δh，從圖中可以看出，∠CAB=α/2，因該角很小，若以弧度表示，則有：因為,所以得：

（1-6）以不同的d代入上式，算得相應(yīng)的Δh列于表1-2中。由表中數(shù)據(jù)可知，對高程測量來說，即使距離很短，也不能忽視地球曲率對高程的影響。2023/10/2220第一章緒論

第一節(jié):概述第二節(jié):地面上點位的確定第三節(jié)用水平面代替水準面的限度

第四節(jié)測繪工作的基本原則第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展★2023/10/2221第四節(jié)測繪工作的基本原則圖1-8測繪工作和原則示意圖一、測繪的基本工作

測繪工作的主要任務(wù)是確定地面點與點之間的平面和高程位置的關(guān)系，也可將其分成測定和測設(shè)兩大部份。測定是將地物和地貌按一定的比例尺縮小繪制成地形圖，測設(shè)是將在圖紙上設(shè)計好的建筑物和構(gòu)筑物的位置在實地標定出來。

水平角、水平距離和高差是確定地面點位置關(guān)系的三個基本幾何要素，測量地面點的水平角、水平距離和高差是測量的基本工作2023/10/2222第四節(jié)測繪工作的基本原則二、測繪的基本原則由于一般測量工作的范圍都比較大，測量工作在一個控制點上通常是難以完成的，如圖1-8中工廠區(qū)在控制點A上就無法測到。以及圖1-9中，由于建筑物多且通視條件限制，在點A上也不能完成所有控制工作，所以需再增加點。這就是“從整體到局部”的原則。圖1-9建筑物測設(shè)示意圖2023/10/2223第一章緒論

第一節(jié):概述第二節(jié):地面上點位的確定第三節(jié)用水平面代替水準面的限度第四節(jié)測繪工作的基本原則

第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展★2023/10/2224第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展

“廣義工程測量學”，即“一切不屬于地球測量，不屬于國家地圖集的陸地測量和不屬于公務(wù)測量的應(yīng)用測量，都屬于工程測量”。工程測量的發(fā)展可概括為“四化”和“十六字”，前者即工程測量內(nèi)外業(yè)一體化；數(shù)據(jù)獲取及處理自動化；測量過程控制和系統(tǒng)行為的智能化；測量成果和產(chǎn)品的數(shù)字化。后者為連續(xù)、動態(tài)、遙測、實時、精確、可靠、快速、簡便。2023/10/2225第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展一、現(xiàn)代工程測量技術(shù)

（一）GPS應(yīng)用技術(shù)

在工程測量中，應(yīng)用GPS單點定位的情形較少，相對定位是其主要模式。包括靜態(tài)、快速靜態(tài)、往返式重復(fù)設(shè)站、準動態(tài)、動態(tài)、實時動態(tài)（RTK）、主動控制模式等。由GPS、GIS、RS技術(shù)集成或綜合的“3S”技術(shù)，拓寬了信息采集與處理功能，保持了信息的現(xiàn)勢性與可靠性。

GPS實時動態(tài)測量(RTK)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于石油勘探、數(shù)字測圖、施工放樣、管線測量等領(lǐng)域。

2023/10/2226第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展一、現(xiàn)代工程測量技術(shù)（二）全站儀應(yīng)用技術(shù)

全站儀是一種集光電、計算機、微電子通訊、精密機械加工等高精尖技術(shù)于一體的先進測量儀器。特點：同時具備電子經(jīng)緯儀測角和測距兩種功能；由電子計算機控制、采集、處理和儲存觀測數(shù)據(jù)，使測圖數(shù)字化、后處理全自動化。應(yīng)用：常規(guī)的控制測量、地形測量和工程測量，地表與地表構(gòu)筑物的變形測量，如地面沉降、深基坑開挖引起的環(huán)境變形、大壩變形以及工業(yè)目標的定位與變形測量等方面。免棱鏡全站儀是高性能全站儀的典型代表之一，它把免棱鏡測距技術(shù)與傳統(tǒng)的全站儀結(jié)合在一起，給測量工作帶來了很大方便。

圖1-10LeicaTCA2003全站儀2023/10/2227第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展一、現(xiàn)代工程測量技術(shù)

（三）電子水準儀應(yīng)用技術(shù)

電子數(shù)字水準儀是集電子光學、圖像處理、計算機技術(shù)于一體的當代最先進的水準測量儀器,它具有速度快、精度高、使用方便、勞動強度低及便于用電子手簿實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化的優(yōu)點,代表了當代水準儀的發(fā)展方向。目前，世界上僅有少數(shù)廠家生產(chǎn)電子數(shù)字水準儀。常見的有以下幾種，如圖1-11所示。徠卡DNA03/10

蔡司DINI10拓普康DL101/102索佳SDL2圖1-11電子水準儀2023/10/2228第五節(jié)工程測量現(xiàn)代進展一、現(xiàn)代工程測量技術(shù)

（四）激光三維掃描測量系統(tǒng)