交通工程测量学

1、1 交通工程测量学交通工程测量学 西华大学 交通与汽车工程学院2参考书籍参考书籍推荐教材：推荐教材：曹智翔，邓明镜，交通土建工程测量，西南交通大学出版社，曹智翔，邓明镜，交通土建工程测量，西南交通大学出版社，20082008张正禄，主编，张正禄，主编，工程测量学工程测量学，武汉大学出版社，武汉大学出版社，20052005年年1010月第月第1 1版版参考书：参考书：土木工程测量土木工程测量邹永廉主编邹永廉主编 高等教育出版社高等教育出版社 20042004年年测量学测量学（第四版），合肥工业大学出版社，（第四版），合肥工业大学出版社，20002000桥梁实用工程测量桥梁实用工程测量中国铁道出版

2、社，北京，中国铁道出版社，北京，20002000公路施工测量技术公路施工测量技术刘培文主编，人民交通出版社刘培文主编，人民交通出版社 20032003交通土木工程测量学交通土木工程测量学张坤宜主编，人民交通出版社，张坤宜主编，人民交通出版社，20032003 3课程性质课程性质课程性质：课程性质： 交通工程测量学课程是交通工程专业的一门必不交通工程测量学课程是交通工程专业的一门必不可少的专业必修核心课程，使学生掌握工程测量可少的专业必修核心课程，使学生掌握工程测量的基本知识和基础理论，在基本测量方法，仪器的基本知识和基础理论，在基本测量方法，仪器操作技能，测量计算等方面得到训练，为今后分操作技

3、能，测量计算等方面得到训练，为今后分析和解决专业中有关测量方面的问题打下基础析和解决专业中有关测量方面的问题打下基础4课程内容设置课程内容设置交通工程测量学交通工程测量学水准测量水准测量 绪论绪论角度测量角度测量 距离测量直线定向距离测量直线定向 测量误差基本知识测量误差基本知识 小区域控制测量小区域控制测量 测设的基本工作测设的基本工作 线路工程测量线路工程测量 桥梁隧道测量桥梁隧道测量 测量的测量的基本原基本原理、方理、方法、数法、数据处理据处理GPSGPS测量测量 5第一章第一章 绪绪 论论 一、测绘学研究的对象和内容一、测绘学研究的对象和内容 测绘学研究的测绘学研究的对象对象是地球及其

4、表面和外层空间是地球及其表面和外层空间中的各种自然物体和人造物体的有关信息。中的各种自然物体和人造物体的有关信息。 它研究的它研究的内容内容是测定空间点的几何位置、地球是测定空间点的几何位置、地球形状和大小、地球重力场及各种动力现象，研究采集形状和大小、地球重力场及各种动力现象，研究采集和处理地球表面各种形态及其变化信息并绘制成图的和处理地球表面各种形态及其变化信息并绘制成图的理论、技术和方法以及各种工程建设中的测量工作的理论、技术和方法以及各种工程建设中的测量工作的理论、技术和方法。理论、技术和方法。 6二、测绘学的分类二、测绘学的分类 普通测量学：普通测量学：是研究是研究小区域小区域地球表

5、面的各类物体形状地球表面的各类物体形状和大小的测绘科学。和大小的测绘科学。 大地测量学：大地测量学：是把地表上一个是把地表上一个较大区域或整较大区域或整 个地球个地球作作为研究对象的测绘科学（常规大地测量和卫星大地测量）。为研究对象的测绘科学（常规大地测量和卫星大地测量）。 摄影测量学：摄影测量学：是利用摄影或遥感技术来研究地表形状是利用摄影或遥感技术来研究地表形状和大小的测绘科学（地面摄影测量学、航空摄影测量学和和大小的测绘科学（地面摄影测量学、航空摄影测量学和卫星摄影测量学）。卫星摄影测量学）。 工程测量学工程测量学（勘测、设计、施工和运营管理勘测、设计、施工和运营管理） 地图制图学：地图

6、制图学：研究地图投影、变换及成图技术和制图研究地图投影、变换及成图技术和制图工艺等方面的科学。工艺等方面的科学。 海洋测绘学：海洋测绘学：是研究测绘海岸、水面及海底自然与人是研究测绘海岸、水面及海底自然与人工形态及其变化的理论、方法和技术的综合性学科。工形态及其变化的理论、方法和技术的综合性学科。 7三、测绘学的任务三、测绘学的任务 1 1、建立控制网；、建立控制网； 2 2、提供地形图、点位坐标；、提供地形图、点位坐标； 3 3、施工放样、设备安装、竣工测量等。、施工放样、设备安装、竣工测量等。四、测绘学的作用四、测绘学的作用 在国民经济建设（城市规划、在国民经济建设（城市规划、道路建设道路

7、建设、土地规划与管、土地规划与管理、水利建设等）、国防建设、地震预测预报、资源勘测、理、水利建设等）、国防建设、地震预测预报、资源勘测、地下电缆埋设、宇宙空间技术、灾情监视与调查等其它科学地下电缆埋设、宇宙空间技术、灾情监视与调查等其它科学研究方面有着极其重要的作用。研究方面有着极其重要的作用。 例如，一项工程从勘测、设计、施工和运营管理。例如，一项工程从勘测、设计、施工和运营管理。 8五、现代测绘学的发展现状五、现代测绘学的发展现状 （1）l 望远镜的发明，推动了光学测量仪器（如望远镜的发明，推动了光学测量仪器（如光学水准仪、光学水准仪、经纬仪经纬仪）的发展和广泛使用）的发展和广泛使用l 1

8、8591859年第一台地形摄影机在法国制造，洛斯达开创了年第一台地形摄影机在法国制造，洛斯达开创了地面摄影测量地面摄影测量方法方法l 19031903年飞机的发明，年飞机的发明，19151915年第一台自动连续航空摄影年第一台自动连续航空摄影机在德国蔡司测绘仪器厂研制成功，使机在德国蔡司测绘仪器厂研制成功，使航空摄影测量航空摄影测量成为现实成为现实l 19471947年瑞典生产第一台年瑞典生产第一台光电测距仪光电测距仪，世界从此进入电，世界从此进入电子测量时代。随后相继出现了微波测距仪、激光测距子测量时代。随后相继出现了微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪等仪、红外测距仪等l 电子经纬仪电子经纬

9、仪+ +光电测距仪光电测距仪+ +计算机计算机= =电子全站仪电子全站仪9二、现代测绘学的发展现状二、现代测绘学的发展现状（2 2）l 从游标经纬仪 光学经纬仪 电子经纬仪 电子全站仪数字智能型全站仪l 从光学水准仪自动安平水准仪电子水准仪数字水准仪l 从地面摄影测量航空摄影测量数字摄影测量卫星遥感（RS）图像处理三维激光扫描系统l 从野外白纸测图计算机机助制图数字化自动成图地理信息系统（GIS）l 从全球卫星定位系统（GPS）“3S”集成技术10电子全站仪与工程测量电子全站仪与工程测量11光学自动安平水准仪与水准测量光学自动安平水准仪与水准测量12数字水准仪数字水准仪132 2、德国蔡司、德

10、国蔡司ZeissZeiss DiNiDiNi 12 12数字水准仪数字水准仪( (美国天宝美国天宝Trimble)Trimble)1 1、瑞士徕卡、瑞士徕卡LeicaLeicaDNADNA中文数字水准仪中文数字水准仪数字水准仪数字水准仪14航空摄影测量航空摄影测量15卫星遥感图像处理卫星遥感图像处理16三维激光扫描系统三维激光扫描系统17地理信息系统地理信息系统GIS建库建库18GPS用于大地测量用于大地测量19GISDTM正射影像正射影像制图制图修测修测可视化可视化影像分析影像分析分类分类地面处理地面处理GPS、GIS、RS“3S”集成集成彩色多光谱20六、我国现代测绘事业的发展六、我国现代

11、测绘事业的发展l 建立和统一了全国坐标系统和高程系统l 建立了全国的大地控制网、国家水准网、完成了大地网和水准网的整体平差；完成了国家基本图的测绘工作l 进行了珠穆朗玛峰和南极长城站的地理位置和高程的测量l 进行了如长江大桥、葛洲坝和三峡水电枢纽、宝山钢铁厂、正负电子对撞机和同步辐射加速器、核电站等大型和特殊工程的测量工作l 能够生产各类测绘仪器如水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪、GPS接收机等l 已完成全国GPS 大地控制网和GIS基础框架21 1-2 1-2 地球的形状及其地面点位置的确定地球的形状及其地面点位置的确定22 1. 1. 地球是一个表面起伏较大的椭球地球是一个表面起伏较大的椭球

12、 地球表面最高峰地球表面最高峰珠穆琅玛峰珠穆琅玛峰： 8844.43m8844.43m 海洋底部最深处海洋底部最深处太平洋西部的马里亚纳海沟太平洋西部的马里亚纳海沟: 11022.00m: 11022.00m 地球表面最大高差近地球表面最大高差近20km20km 2. 2. 地球又是一个近似光滑的水球地球又是一个近似光滑的水球 大陆面积大陆面积: : 占占29%29% 海洋面积海洋面积: : 占占71 %71 % 3. 3. 地球平均半径地球平均半径: 6371km: 6371km测量工作是在地球表面进行的。地球表面虽测量工作是在地球表面进行的。地球表面虽然很不规则，有高山、平原、丘陵、海洋等

13、。但这然很不规则，有高山、平原、丘陵、海洋等。但这些起伏相对于地球本身十分微小。些起伏相对于地球本身十分微小。23地球的形状地球的形状2425因此，人们把地球总的形状看因此，人们把地球总的形状看作是被海水包围的球体，设想作是被海水包围的球体，设想有一个静止的海水面，向陆地有一个静止的海水面，向陆地延伸形成一个封闭的曲面，这延伸形成一个封闭的曲面，这个曲面称个曲面称水准面水准面。平均海水面。平均海水面称为称为大地水准面大地水准面。 水准面是一个重力等位面，水准面是一个重力等位面，水准面的特性是它处处与铅垂水准面的特性是它处处与铅垂线成正交。静止的水面就是一线成正交。静止的水面就是一个水准面。个水

14、准面。 重力是地球自转产生的离心重力是地球自转产生的离心力和地球引力的合力，重力的力和地球引力的合力，重力的作用线又称铅垂线，作用线又称铅垂线，铅垂线是铅垂线是测量工作的基准线。测量工作的基准线。地心地心O O离心力离心力地心引力地心引力重力重力G G重力的方向线称为铅垂线重力的方向线称为铅垂线26 1-2 1-2 地球的形状及其地面点位置的确定地球的形状及其地面点位置的确定27 大地水准面大地水准面：平均海水面是海水：平均海水面是海水 静止时的水面，静止时的水面，是一个特定重力位的水准面，称为是一个特定重力位的水准面，称为大地水准面。（由由于地球内部的质量分布不均匀，使得地面上各点得铅垂线方

15、向于地球内部的质量分布不均匀，使得地面上各点得铅垂线方向产生不规则变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏产生不规则变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。的不规则曲面。）是测量工作的基准面。是测量工作的基准面。 旋转椭球面旋转椭球面： 旋转椭球体：旋转椭球体： 长半轴：长半轴：a=6378.140km, 短半轴短半轴：b=6356.755km, 扁率：扁率： 298.2571aba28 参考椭球体的定位：参考椭球体的定位： 大地水准面与参考椭球面的关系及参考椭球体的大地水准面与参考椭球面的关系及参考椭球体的定位见下图：定位见下图：法线p地球表面铅垂线p大地水准面椭球面29

16、参考椭球体的几何元素参考椭球体的几何元素 长半轴长半轴a a；短半轴短半轴 b b; ;扁率扁率几种参考椭球的元素值见下表几种参考椭球的元素值见下表：aba参考椭球参考椭球a ab b 年代和国家年代和国家德兰布尔德兰布尔63756536375653635656463565641:3341:33418001800法国法国白白 塞塞 尔尔63773976377397635607963560791:299.21:299.218411841德国德国克克 拉拉 克克63782496378249635651563565151:293.51:293.518801880英国英国海海 福福 特特6378388

17、6378388635691263569121:297.01:297.019091909美国美国克拉索夫斯基克拉索夫斯基63782456378245635686363568631:298.31:298.319401940苏联苏联19751975年国际椭球年国际椭球637814063781406356755.36356755.31:298.2571:298.25719751975国际国际公里637131baaR30（一）、几个基本概念（一）、几个基本概念 二、二、 地面点位的确定地面点位的确定（1 1）子午线）子午线: :通过地球自转轴的平面与地球表面的交线通过地球自转轴的平面与地球表面的交线（2

18、 2） 首子午线：首子午线：通过格林威治天文台的子午线通过格林威治天文台的子午线（3 3）子午面：）子午面：子午线与地球自转轴构成的面子午线与地球自转轴构成的面（4 4）首子午面：）首子午面：通过格林威治天文台的子午面通过格林威治天文台的子午面31（二）、地面点的坐标（二）、地面点的坐标 二、二、 地面点位的确定地面点位的确定空间点位用点的空间点位用点的球面位置球面位置( (二维二维) )及及高程高程( (一维一维) ) 来表示来表示 点的球面位置的地理坐标表示点的球面位置的地理坐标表示（1 1）经度）经度: :地面上某一点子午面与首子午面的夹角地面上某一点子午面与首子午面的夹角 东经东经:

19、:首子午面以东首子午面以东01800180度度 西经西经: :首子午面以西首子午面以西01800180度度（2 2）纬度：）纬度：地面上某点的铅垂线与赤道面的夹角地面上某点的铅垂线与赤道面的夹角 北纬：北纬：赤道以北赤道以北090090度度 南纬：南纬：赤道以南赤道以南090090度度32 参考椭球面是不可展开的面，如何投影到平面上参考椭球面是不可展开的面，如何投影到平面上? ? 方法：方法：在参考椭球上横套一个椭圆柱面，让参考椭球上在参考椭球上横套一个椭圆柱面，让参考椭球上的某一子午线与之相切，将中央子午线两側范围内的地区投的某一子午线与之相切，将中央子午线两側范围内的地区投影到椭圆柱上，然

20、后沿某一棱线展开，构成高斯平面坐标系。影到椭圆柱上，然后沿某一棱线展开，构成高斯平面坐标系。NSWEO高斯投影方法 中央子午线投影带33 从零子午线开始每隔6为一个投影带，第一个6带的中央子午线的经度为3，第二个6带的中央子午线的经度为9，依次类推。第N带的中央子午线经度为： 从东经130的子午线开始经差每隔3划分一个投影带，其第一带的中央子午线是东经3，第二带中央子午线是东经6,依次类推。第N带的中央子午线经度为：360 NN30PP1首子午线中央子午线赤道123N60612 18 24108114 1201261234619202136 37 38 39 40 4142 66高斯投影分带6

21、带、3带中央子午线及带号132654876带3带34高斯平面直角坐标系的建立高斯平面直角坐标系的建立以各带的中央子午线为以各带的中央子午线为X X轴（纵坐标），赤道以北为正；轴（纵坐标），赤道以北为正；以赤道方向为以赤道方向为Y Y轴（横坐标），交点（原点）以东为正。轴（横坐标），交点（原点）以东为正。注意以下问题：注意以下问题： 1、与数学上的平面直角系有区别； 2、为保证y为正y 加500km； 3、为区分各带，y前加带号。 4、地面的点位用（x,y,H)来表示。 国家地理范围国家地理范围：约从东经：约从东经: 72138，北纬：，北纬：254 6带（带（12 23）；）；3 带（带（24

22、 44）XA=42345678.87 m XA=42345678.87 m YA=-265 214 mYA=-265 214 m HA= 32.456 mHA= 32.456 m 如某点的高斯平面坐标为：XA=42345678.87 m XA=42345678.87 m YA=19 234 786 mYA=19 234 786 m HA= 32.456 mHA= 32.456 m35XXYYBYaXbybXaA(b)(a)OOYXbAByaXbaO500km高斯平面直角坐标36当测区面积不大时，可不考虑地球曲率的影响、不必进行复杂的投影计当测区面积不大时，可不考虑地球曲率的影响、不必进行复杂的

23、投影计算，可以直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，由平面直角坐标表示算，可以直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，由平面直角坐标表示其投影位置。坐标象限的顺序按顺时针方向旋转。上下为其投影位置。坐标象限的顺序按顺时针方向旋转。上下为X X轴，轴， 左右为左右为Y Y轴，上为正，轴，上为正， 东为正。这是土木工程测量经常采用的坐标系统之一。东为正。这是土木工程测量经常采用的坐标系统之一。37 空间大地直角坐标系分为参心直角坐标系与地心直角坐标空间大地直角坐标系分为参心直角坐标系与地心直角坐标系。前者在坐标系的转换中起作用；后者是卫星大地测量中的系。前者在坐标系的转换中起作用；后者是卫星大地测量中的

24、一种常用坐标系。一种常用坐标系。XA地心坐标系SA首线子午OyZNAxAzY C80C80坐标系是参心坐标系，坐标系是参心坐标系，椭球短轴椭球短轴 Z Z 轴平行于地球质心指轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子面平行于格林尼治平均天文台子午面；午面；X X 轴在大地起始子午面内轴在大地起始子午面内与与 Z Z 轴垂直指向轴垂直指向0 0经度方向；经度方向；Y Y轴轴与与 Z Z、X X 轴成右手坐标系。轴成右手坐标系。38 WGS84地心坐标系，该坐标系是美国国防部研制确定地心坐标系，该坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系。其

25、坐标系的几何定义是：原点在地球质心的大地坐标系。其坐标系的几何定义是：原点在地球质心,z轴轴指向指向 BIH 19840定义的协议地球极定义的协议地球极(CTP）方向，方向，X轴指向轴指向 BIH 1984.0 的零子午面和的零子午面和 CTP赤道的交点。赤道的交点。Y轴与轴与 Z、X轴构轴构成右手坐标系。成右手坐标系。S首子午线AO地心坐标系YXyAxAzANZWGS84（World Geodetic System1984年） CTP是协议地球极(Conventional Terrestrial Pole)的简称； BIH是国际时间局(Bureau InternationaldeI Heur

26、e)的简称； 除上述几何定义外，WGS84还有它严格的物理定义，它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS84椭球的大地水准面差距。 39三、地面点的高程三、地面点的高程 1 1、高程系统的一般概念、高程系统的一般概念 大地高系统大地高系统：大地高表示地面点参考椭球面的垂直距离。大地高表示地面点参考椭球面的垂直距离。 正高系统：正高表示地面点大地水准面的垂直距离。正高系统：正高表示地面点大地水准面的垂直距离。 正常高系统正常高系统：正常高表示地面点似大地水准面的垂直距离。正常高表示地面点似大地水准面的垂直距离。H2H1H3似大地水准面参考椭球面大地水准面地球自然表面似大地水准面

27、似大地水准面是指从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭是指从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面曲面 。严格说不是水准面，但接近于水准面，只是用于计算的辅助面。它。严格说不是水准面，但接近于水准面，只是用于计算的辅助面。它与大地水准面不完全吻合，差值为正常高与正高之差。与大地水准面不完全吻合，差值为正常高与正高之差。 40三、地面点的高程三、地面点的高程铅垂线假定水准面大地水准面高程和高差ABhABHAHHHABB2 2、实际应用中的地面点、实际应用中的地面点 高程的概念高程的概念绝对高程：绝对高程：H HA A 、H HB B，相对高程：相对高程：H HA A、H H

28、B B高差：高差： h hABAB=H=HB B-H-HA A =H =HB B- H- HA A41 1、1954年北京坐标系年北京坐标系 建国初期，一方面废除了南京大地原点，又由于当时建国初期，一方面废除了南京大地原点，又由于当时工作的急需和历史原因，从前苏联原点传算过来的北京地工作的急需和历史原因，从前苏联原点传算过来的北京地区某大地点的坐标作为我国的大地测量的起算数据，既所区某大地点的坐标作为我国的大地测量的起算数据，既所谓的谓的1954年北京坐标系实际上它是以原苏联当时采用的年北京坐标系实际上它是以原苏联当时采用的1942年普尔科沃坐标系为基础建立起来的。采用克氏椭球，年普尔科沃坐标

29、系为基础建立起来的。采用克氏椭球，大地原点在现在俄罗斯的普尔科沃。大地原点在现在俄罗斯的普尔科沃。 2、1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 鉴于鉴于1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准拟合不好等缺点。建立我国新的大考椭球与我国大地水准拟合不好等缺点。建立我国新的大地坐标系是必要的。地坐标系是必要的。1980年国家大地坐标系采用年国家大地坐标系采用IGA-75椭椭球，大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，按局部密切条件重球，大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，按局部密切条件重新定位。新定位。42 1、1956年黄海高程系年黄海高程系 根

30、据青岛验潮站根据青岛验潮站1950-1956年的验潮资料确定的年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。由此建立的水准原点平均海平面作为高程基准面。由此建立的水准原点其高程为其高程为72.289m。 2、1985年国家高程基准年国家高程基准 由于由于1956年黄海高程系采用的资料较短，不到年黄海高程系采用的资料较短，不到一个潮汐周期（一个潮汐周期（18.61)。根据青岛验潮站。根据青岛验潮站1952-1979年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。水准原点的高程为水准原点的高程为72.260m。43国家大地原点外貌 中华人民共和国大地原点，占地570平方米，主体建筑面积500平方米。大地原点的整个