工程测量绪论

1、工程测量 定义：研究地球的形状和大小，以及确定地面点（近地点、地定义：研究地球的形状和大小，以及确定地面点（近地点、地下点等）相对位置的科学。下点等）相对位置的科学。 任务：任务： 1.1.测定测定：地面的地物和地貌：地面的地物和地貌测量绘制成地形图测量绘制成地形图 使用测量仪器和工具，按照测量的原理和方法，将地球表面的地物和使用测量仪器和工具，按照测量的原理和方法，将地球表面的地物和 地貌绘制成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用地貌绘制成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用 2.2.测设（放样）：将图上设计建（构）筑物的图形和位测设（放样）：将图上设计建（构

2、）筑物的图形和位 置在实地标定，作为施工或定界的依据置在实地标定，作为施工或定界的依据 使用测量仪器和工具，按照测量的原理和方法，将图纸上规划设计好的使用测量仪器和工具，按照测量的原理和方法，将图纸上规划设计好的 建（构）筑物的平面位置和高程，在实地标定出来，作为施工的依据建（构）筑物的平面位置和高程，在实地标定出来，作为施工的依据 研究大范围地区的控制测量和地形测量。由于人造卫星科研究大范围地区的控制测量和地形测量。由于人造卫星科学技术的发展，大地测量学又分为学技术的发展，大地测量学又分为常规大地测量学常规大地测量学与与卫星大地卫星大地测量学，测量学，后者是研究观测卫星确定地面点位，即后者是

3、研究观测卫星确定地面点位，即GPSGPS全球定位。全球定位。 研究地球表面局部区域的测绘工作，主要包括小区域控制研究地球表面局部区域的测绘工作，主要包括小区域控制测量、地形图测绘和一般工程测设。通常称测量学就是指普通测量、地形图测绘和一般工程测设。通常称测量学就是指普通测量学。测量学。 研究各种工程在规划设计、施工放样和运营中测量的理论研究各种工程在规划设计、施工放样和运营中测量的理论和方法。和方法。 研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定物研究利用摄影或遥感技术获取被测物体的信息，以确定物体的形状、大小和空间位置等信息的理论和方法。体的形状、大小和空间位置等信息的理论和方法。1.在

4、工程规划设计阶段在工程规划设计阶段 首先需要规划区的地形图，有精确的地形图和测绘成果，首先需要规划区的地形图，有精确的地形图和测绘成果，才能保证工程的选址、选线、设计得出经济合理的方案。才能保证工程的选址、选线、设计得出经济合理的方案。（绘制大比例尺地形图）2.在工程施工阶段在工程施工阶段 工程的施工，主要目的是把工程的设计精确地在地面上标定工程的施工，主要目的是把工程的设计精确地在地面上标定出来，这就需要使用测量的仪器，按一定的方法进行施工测量。出来，这就需要使用测量的仪器，按一定的方法进行施工测量。（施工测量）3.在工程运营与管理阶段在工程运营与管理阶段 为了能够正常运营或日后改进与扩建的

5、需要，应进行竣工测为了能够正常运营或日后改进与扩建的需要，应进行竣工测量。对于大型或特殊的建筑物，还需进行周期性的重复观测，量。对于大型或特殊的建筑物，还需进行周期性的重复观测，观测建筑物的沉降、倾斜、位移等，即变形观测，从而判断建观测建筑物的沉降、倾斜、位移等，即变形观测，从而判断建筑物的稳定性，防止灾害事故的发生。筑物的稳定性，防止灾害事故的发生。1.1.2 1.1.2 测量在工程各阶段建设中的作用测量在工程各阶段建设中的作用大比例尺地形图的测绘 施工测量施工测量1.2 1.2 地面点位的测定地面点位的测定1.2.11.2.1测量的基准线与基准面测量的基准线与基准面地球上任一点都要受到离心

6、力和地球引力的双重作用，地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称重力，重力的方向线称为铅垂线。测量仪器这两个力的合力称重力，重力的方向线称为铅垂线。测量仪器悬挂垂球，指向重力方向，悬挂垂球，指向重力方向，铅垂线就是测量的基准线铅垂线就是测量的基准线。 O2. 2. 基准面：基准面： 空间任何一点都有水准面，处处和重力方向相垂直的曲面空间任何一点都有水准面，处处和重力方向相垂直的曲面均称均称水准面水准面，水准面就是测量的基准面，水准面就是测量的基准面，地球上自由静止的水地球上自由静止的水面。面。由于水准面的高度不同，水准面有无穷多个，其中一个和平均由于水准面的高度不同，水

7、准面有无穷多个，其中一个和平均的海水面重合，我们称之为的海水面重合，我们称之为大地水准面大地水准面，它是高程测量的基准，它是高程测量的基准面。面。大地水准面地球表面水准面(平均海水面)铅垂线 大地水准面是有微小起伏的复杂曲面，其原因是地大地水准面是有微小起伏的复杂曲面，其原因是地球内部质量分布不均匀，看下图：球内部质量分布不均匀，看下图：ZYXO地球椭球面大地水准面大地水准面面地球椭球地面低密度矿体高密度矿体 地球表面上的图形投影到不规则的大地水准面曲面上计算很地球表面上的图形投影到不规则的大地水准面曲面上计算很困难。为此，选用一个非常接近于大地水准面、并可用数学式表困难。为此，选用一个非常接

8、近于大地水准面、并可用数学式表示的几何形体来代替大地水准面，这个规则曲面就是旋转椭球面。示的几何形体来代替大地水准面，这个规则曲面就是旋转椭球面。 如下图红色表示如下图红色表示旋转椭球面旋转椭球面（由椭圆（由椭圆NWSENWSE绕短轴绕短轴NSNS旋转而旋转而得）得） ，它所包围的球体称为，它所包围的球体称为地球椭球体地球椭球体。大地水准面它所包围的。大地水准面它所包围的形体称为形体称为大地体。大地体。ZYXO大地水准面地球椭球面 地球椭球的参数可用地球椭球的参数可用a(长半径长半径)、b（短半径）及（短半径）及（扁率）表示。扁率（扁率）表示。扁率为为 aba 1979年国际大地测量与地球物理

9、联合会推荐的地球椭球参数年国际大地测量与地球物理联合会推荐的地球椭球参数a=6378140m=6378140m，b=6356755.3m,=6356755.3m, =1:298.257。 旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式表示：旋转椭球面是数学表面，可用如下的公式表示： 1222bzayax 按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作按一定的规则将旋转椭球与大地体套合在一起，这项工作称称椭球定位椭球定位。定位时采用椭球中心与地球质心重合，椭球短轴。定位时采用椭球中心与地球质心重合，椭球短轴与地球短轴重合，椭球与全球大地水准面差距的平方和最小，与地球短轴重合，椭球与全球大地水准面差距的

10、平方和最小，这样的椭球称这样的椭球称总地球椭球总地球椭球。 地面上选一点地面上选一点P P，由，由P P点投影到大地水准面点投影到大地水准面P P0 0点点, ,使使P P0 0上的椭球面与大地上的椭球面与大地水准面相切，水准面相切， 此时过此时过P P0 0点的铅垂线与点的铅垂线与P P0 0点的椭球面法线重合，切点点的椭球面法线重合，切点P P0 0称为称为大地原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达大地原点。同时要使旋转椭球短轴与地球短轴相平行（不要求重合），达到本国范围内的大地水准面与椭球面十分接近，到本国范围内的大地水准面与椭球面十分接近，该椭球面称为该椭球面称为

11、参考椭球面参考椭球面。我国大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。我国大地原点选在我国中部陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球面与我国大地原点参考椭球面与我国大地原点总地球椭球与参考椭球的区别总地球椭球与参考椭球的区别PPPPababM铅垂线法线(大地原点）大地水准面总地球椭球体面参考椭球体面地面总地球椭球体参考椭球体赤道赤道（北极）（南极）总地球椭球定位方法：椭球中心与地球中心重合，椭球短轴与地球自转轴重合等条件。参考椭球定位方法：椭球中心与地球中心不要求重合，要求椭球短轴与地球自转轴平行，使大地起始子午面与天文起始子午面平行，使椭球面与本国大地水准面充分接近。上述两种椭球大小相同：长半径a=637

12、8140m，短半径b=6356755.3m，扁率=1:298.257用途：全球测图用途：国家测图1.2.2 1.2.2 地面点位的确定地面点位的确定需需3 3个参数：个参数：X X（纵坐标）（纵坐标）,Y,Y（横坐标）（横坐标）,H ,H （高程）或（高程）或 ,H ,H （高程）（高程） 从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。用经纬从整个地球考虑点的位置，通常是用经纬度表示。用经纬度表示点的位置，称为地理坐标（大地坐标）。度表示点的位置，称为地理坐标（大地坐标）。PP1EE1首子午线赤道GGMMO M点的子午面点的子午面PMMP1 与首子午面所组成的二面角。与首子午面所组成的二面角。过

13、过M M点的铅垂线与赤道面点的铅垂线与赤道面 EGMEEGME1 1的夹角的夹角 1.1.地面点在投影面上的坐标地面点在投影面上的坐标 (1)(1)独立平面直角坐标系（假定平面直角坐标系）独立平面直角坐标系（假定平面直角坐标系） m(x,y)X轴为南北方向，轴为南北方向，Y轴为垂直于南北的东西方向，坐标原点在测轴为垂直于南北的东西方向，坐标原点在测区西南角区西南角 X轴可采用：轴可采用：(1)真子午线方向；真子午线方向； (2)建筑物主轴线方向。建筑物主轴线方向。 测量上数学上OYXx y测区OXYXYm(x,y)测量直角坐标系与数学直角坐标系不同点有：测量直角坐标系与数学直角坐标系不同点有：

14、(1)(1)过坐标原点的南北方向为纵轴，即过坐标原点的南北方向为纵轴，即X X轴，垂直于南北方轴，垂直于南北方向（东西方向）为横轴，即向（东西方向）为横轴，即Y Y轴。数学直角坐标系横坐轴。数学直角坐标系横坐标为标为X X轴，纵坐标为轴，纵坐标为Y Y轴。轴。(2) (2) 以纵坐标以纵坐标X X轴正向为起始边，顺时针量算角度，象限轴正向为起始边，顺时针量算角度，象限、顺时针排列。数学直角坐标以横坐标顺时针排列。数学直角坐标以横坐标X X正向正向为起始边，逆时针量算角度，象限逆时针排列。为起始边，逆时针量算角度，象限逆时针排列。(3) (3) 数学上坐标原点数学上坐标原点x x0 0、y y0

15、 0均为均为0 0。测量上，为使地面各点。测量上，为使地面各点坐标均为正数，坐标原点选在测区的西南角或假定一对坐标均为正数，坐标原点选在测区的西南角或假定一对较大的正整数。较大的正整数。(2)(2)高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 (a)高斯投影的原理高斯投影的原理 把地球椭球面上的图形展绘到平面上，必然产生变形。为把地球椭球面上的图形展绘到平面上，必然产生变形。为了减少变形误差，采用一种适当的投影方法，这就是高斯投影。了减少变形误差，采用一种适当的投影方法，这就是高斯投影。 高斯投影是将地球划分为若干个带，先将每个带投影到圆高斯投影是将地球划分为若干个带，先将每个带投影到圆柱面上。然后展

16、成平面。我们可以设想将一个空心的椭圆柱横柱面上。然后展成平面。我们可以设想将一个空心的椭圆柱横套地球，使椭圆柱的中心轴线位于赤道面内并通过球心。将地套地球，使椭圆柱的中心轴线位于赤道面内并通过球心。将地球按球按6分带分带, 从从0起算往东划分起算往东划分, 06为第为第1带带, 612为第为第2带，带， ，174180为第为第30带带,东半球共分东半球共分30个投影，按带进行投影。进行第个投影，按带进行投影。进行第1带投影时，使地球带投影时，使地球3经线与经线与圆柱面相切，圆柱面相切，3经线长不变形。经线长不变形。 036YY1296XX036YXXY1296高斯投影分带高斯投影分带12313

17、14151617181920212223123452425262728293031323334353637383940414244454606121872788490961021081141201261321381 306带3带图中上半部为图中上半部为6度带分带情况：度带分带情况：将地球按将地球按6分带分带, 从从0起算往东划分起算往东划分, 06（第（第1带）带）, 612（第（第2带），带）， ，174180（第（第30带）带）,东半东半球共分球共分30个投影，我国领土从个投影，我国领土从1323带。带。图中下半部为图中下半部为3带分带情况：带分带情况：1 304 30 （第（第1带），带

18、），4 30 （第（第2带）带） ，我国，我国领土领土3带从带从2446带。带。(b)高斯投影特点：高斯投影特点： 等角等角:即椭球面上图形投影到即椭球面上图形投影到平面之后，其角度相等，无角度平面之后，其角度相等，无角度变形，但距离与面积稍有变形。变形，但距离与面积稍有变形。 中央子午线投影后仍直线，中央子午线投影后仍直线，且长度不变形，见右图。且长度不变形，见右图。 因此因此用用这条直线作为平面直角坐标系的这条直线作为平面直角坐标系的纵轴纵轴x轴轴。而两侧其他经线投影而两侧其他经线投影后呈向两极收敛的曲线，并与中后呈向两极收敛的曲线，并与中央经线对称，距中央经线越远长央经线对称，距中央经线

19、越远长度变形越大。度变形越大。 赤道投影也为直线。因此赤道投影也为直线。因此,这条直线作为平面直角坐标的横轴这条直线作为平面直角坐标的横轴y轴轴。南北纬线投影后呈凹向两极的曲线，且与赤道投影对称。南北纬线投影后呈凹向两极的曲线，且与赤道投影对称。 NSNS0606圆桩面Y轴X轴赤道投影投影带中央子午线(c)高斯平面直角坐标系定义：高斯平面直角坐标系定义：高斯投影各带构成独立的坐标高斯投影各带构成独立的坐标系，中央子午线为系，中央子午线为x轴，赤道投影为轴，赤道投影为y轴，两轴的交点为坐标轴，两轴的交点为坐标原点。原点。 按高斯直角坐标定义可知：按高斯直角坐标定义可知：X轴轴西边各点的西边各点的

20、Y值均为负。为使值均为负。为使Y值为值为正值，将正值，将Y实际实际 均加均加500km，称，称Y的通的通用横坐标用横坐标, 即即 Y通用通用= 带号带号+Y实际实际+500km高斯平面直角坐标系的通用横坐标高斯平面直角坐标系的通用横坐标例：例：n点在点在20带，其实际坐标带，其实际坐标 Y实际实际=-113424.690mY通用通用=20（ -113424.690m +500000） =20 (386575.310) m =20386575.310 m XmY中央子午线中央子午线作作X轴轴赤道投影作Y轴XYm500k omXno由由通用横坐标通用横坐标换算换算实际横坐标实际横坐标公式如下：公式

21、如下： Y实际实际= Y通用通用（去掉小数点向左数第（去掉小数点向左数第7、8两位为带两位为带号）号）-500000m 注：我国领土从注：我国领土从1323带，带号占两位，直接去掉头两位即带，带号占两位，直接去掉头两位即可。可。例如：某点通用横坐标例如：某点通用横坐标Y通用通用=20386575.310m，求该，求该 点实际横点实际横坐标。坐标。 首先，将首先，将 20386575.310m中中20去掉（第去掉（第7位为位为0，第，第8位为位为2） 则则 Y实际实际= 386575.310-500000 =-113424.690m2 2、地面点的高程、地面点的高程 地面上任意点至大地水准面的垂

22、直距离，称为该点的高程。地面上任意点至大地水准面的垂直距离，称为该点的高程。某点至大地水准面的垂直距离称该点的某点至大地水准面的垂直距离称该点的绝对高程绝对高程（海拔）。（海拔）。 我国规定青岛验潮站我国规定青岛验潮站19501950年至年至19561956年年7 7年统计资料所确年统计资料所确定的黄海平均海水面作为统一全国基准面。并在青岛观象山建定的黄海平均海水面作为统一全国基准面。并在青岛观象山建了水准原点。水准原点至黄海平均海水面的高程为了水准原点。水准原点至黄海平均海水面的高程为, , 这个高程系统称为这个高程系统称为“”。 2020世纪世纪 8080年代初，国家又根据年代初，国家又根

23、据19521952年至年至19791979年年2828年青岛年青岛验潮站观测资料，算得水准原点高程为验潮站观测资料，算得水准原点高程为, , 该高程系统该高程系统称为称为“”。从。从19851985年年1 1月月1 1 日起执行新的日起执行新的高程基准。高程基准。中国黄海高程系统示意图中国黄海高程系统示意图我国两个高程系统我国两个高程系统 (1)(1)19561956黄海高程系黄海高程系 (2)1985(2)1985国家高程基准国家高程基准水准原点水准原点水准原点设在青岛市，高程为水准原点设在青岛市，高程为72.260m（1985国家高国家高程基准）程基准） （注：（注：1956黄海高程系为黄

24、海高程系为72.289m)AB大 地 水 准 面假 定 水 准 面B相对高程HAHBHAH绝对高程hAB：从地面某点沿铅垂线到大地水准面的垂直距离，如从地面某点沿铅垂线到大地水准面的垂直距离，如H HA A、H HB B。：从地面某点沿铅垂线到假定水准面的垂直距离，如从地面某点沿铅垂线到假定水准面的垂直距离，如H HA A 、H HB B 。两点之间高程之差两点之间高程之差 h hABAB= H= HB B- H- HA A= H= HB B -H -HA A h hABAB有正负有正负 B B点高于点高于A A点时，点时，h hABAB为（），表示上坡。为（），表示上坡。 B B点低于点低于

25、A A点时，点时，h hABAB为（），表示下坡。为（），表示下坡。1. 采用前苏联克拉索夫斯基参采用前苏联克拉索夫斯基参 考椭球体参考椭球体参数（数（ a=6378245m ，=1:298.3）。大地原点实际上是在前苏联）。大地原点实际上是在前苏联普尔科沃。该系统所对应的参考椭球面与我国大地水准面差异，普尔科沃。该系统所对应的参考椭球面与我国大地水准面差异，可达到可达到+65m（东部），全国平均达（东部），全国平均达29m。 2. 采用国际大地测采用国际大地测 量协会与地球物理量协会与地球物理联合会在联合会在1975年推荐的年推荐的IUGG-75地球椭球参数（地球椭球参数（a=6378140m ，=1：298.257）。大地原点是在）。大地原点是在陕西省泾阳县永乐镇。陕西省泾阳县永乐镇。1980年年坐标系还采用了我国大地网整体平差的数据，椭球面与大地水坐标系还采用了我国大地网整体平差的数据，椭球面与大地水准面平均差仅为准面平均差仅为10m左右。左右。国家大地坐标系国家大地坐标系1.3 1.3 用水平面代替水准面的限度用水平面代替水准面的限度1.4 1.4 测量工作概述测量工作概述 2.2.测量工作组织原则测量工作组织原则 布局：从整体到局部布局：从整体到局部 程序：从控制到碎部程序：从控制到碎部 精度：从高级到低级精度：从高