第1章工程测量介绍

1、中南大学土木建筑学院道路工程系中南大学土木建筑学院道路工程系Copyright Yipu Peng彭仪普（博士、副教授）Email: 简历:Copyright Yipu Peng课本王兆祥主编，铁道工程测量，高等学校教材，中国铁道出版社，1998年其它实验手簿实习指导书参考教材张坤宜主编，交通土木工程测量，高等学校教材，武汉大学出版社Copyright Yipu Peng部分英文资料，选自Uren J. and W.F. Price, Surveying for Engineers (Third Edition), London: Antony Rowe Ltd, Chippenham, Wi

2、ltshire, 1994URL: /surveyCopyright Yipu PengClass starts on timeDont chat with others during lecturesIf you come to class, participateIf you dont want to participate, dont comeIf I go too fast, tell meIf you have a question, ask itIf you have difficulty, ask for helpFind some enjoy

3、mentCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng测量学的定义与任务测量学的重要性测量学科组成测量实质地面点位表示方法工程测量的基本工作和要求附录：度量单位Copyright Yipu Peng定义定义测量学是研究对地球整体及其表面和外层空间中的各种自然和人造物体上与地理空间分布有关的信息进行采集、处理、管理、更新和利用的科学和技术。传统上来说传统上来说, ,测量学科也称为测量学科也称为“测绘学科测绘学科” (surveying and mapping), ,因为它包括因为它包括量测绘图Copyright Yipu Pen

4、g测量学的任务测量学的任务(从狭义上来看)研究并确定地球的形状和大小，为地球科学提供必要的数据和资料；将地球表面的地物(objects)和地貌(terrain relief)测绘成图；将图纸上的设计成果测设(setting out)至现场。Copyright Yipu Peng测量学发展具有渊远流长的历史，例如测量学发展具有渊远流长的历史，例如公元前二十七世纪的埃及金字塔2000多年前的夏商时代，为治水进行水利工程测量秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程北宋时沈括已开始水准测量水准测量1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图包括了地形图、驻地形图、驻军图和城邑图军图和城邑图三种，是目前世界上发

5、现的最早的地图Copyright Yipu Peng测量学的重要性和发展原因测量学的重要性和发展原因是地理基础信息(geomatics)获取的关键途径测绘在诸多方面具有举足轻重的作用土木工程如铁路、公路建设；交通运输规划与管理环境保护、旅游资源开发、海洋开发国防建设等等强烈依赖且促进现代科技的充分发展地面光学电子测绘仪器(instrument)航空/航天影像获取传感器(imaging sensor)计算机硬件技术计算机软件技术Copyright Yipu Peng从研究内容来看，测量学可分为从研究内容来看，测量学可分为大地测量学，可细分为：经典大地测量、卫星大地测量(如全球定位系统，Globa

6、l Positioning System, GPS)、和物理大地测量(Physical Geodesy)地图制图学摄影测量与遥感学，可细分为地面摄影测量学、航空摄影测量学、和航天遥感学Copyright Yipu Peng定义定义研究和确定地球形状、大小、重力场、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的学科。基本任务基本任务测定地球形状、大小和重力场(gravity field)建立国家大地控制网(national geodetic control network)为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料Copyr

7、ight Yipu PengCopyright Yipu PengGPS ReceiverCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng定义定义研究模拟(analogous)和数字(digital)地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术和方法的学科。基本任务基本任务利用各种测量成果编制(compile)各类地图工作内容一般包括地图投影 (map projection)地图编制 (map compilation)地图整饰 (map grooming)地图制印 (map printing)Copyright Yipu Peng定义

8、定义研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。基本任务基本任务通过对摄影像片或遥感图像进行处理(processing)、量测(measurement)和解译(interpretation)测定物体的形状(shape)、大小(size)和位置(position)进而制作成图Copyright Yipu Peng传感器()Copyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu

9、 PengCopyright Yipu Peng SPOT热红外影像纽约曼哈顿世贸大厦倒塌三小时后所获取的影像(2001年9月11日当地上午11:55)Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng神州五号发射11天前的“酒泉卫星发射中心”影像Copyright Yipu Peng神州五号发射3小时之后的“酒泉卫星发射中心”影像Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng定义定义工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。工程项目工程项目：铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线(输

10、电线、输油管)工程、矿山和城市建设等基本任务基本任务各个阶段所进行的地形和有关信息的采集、处理和成图工程建筑物或设备安装的施工放样变形监测、分析和预报对测量和工程有关的信息进行管理和使用Copyright Yipu Penghttp:/Copyright Yipu Penghttp:/ Yipu PengCopyright Yipu Peng地理信息系统（地理信息系统（Geographic information system）Copyright Yipu Peng测量原则(principle)从整体到局部，从控制到碎部测量工作实质测量或测设点位的工作投影方法正射投影Orthographic

11、projectionPerspective projectionCamera photographyCopyright Yipu Peng3D Real world2D topographic MapCopyright Yipu Peng任一地面点的点位均如下表示坐标(coordinates)高程(elevation/height/altitude)测量基准(datum)参考面(reference surface)水准面(geoid surface)：物理模型、测量的基准面高程参考面水准高(leveling height)椭球面(ellipsoid surface)：数学模型、计算的基准面笛卡

12、尔三维坐标 (Cartesian 3D coordinates)大地坐标(大地经度、纬度、大地高)平面直角坐标(Rectangular coordinates)Copyright Yipu Peng不规则曲面，陆地29%，海洋71%平均半径6371km 最高：珠峰8848.13m最低：马里亚那海沟11022mCopyright Yipu PengDefinitionImagine that the earth were completely covered by water, and that the ocean waters were permitted to flow freely und

13、er gravity not subject to external forces such as tidal forces, wind currents. This smooth surface is the geoid surface. This surface covering the whole earth is the geoid. Natural surface of the earthEllipsoid surfaceGeoid surfaceCopyright Yipu PengGeoid is smooth but irregular, therefore not suita

14、ble for horizontal position definition and computation.Geoid surface is chosen as a datum for heighting.The reduced level or elevation of a point is the height above or below the geoid in the direction of the gravity vector.The gravity vector is the plumb line that is perpendicular to the horizontal

15、 plane of a properly set up instrument.Surveying instruments are set up under gravity relative to the geoid systemCopyright Yipu PengMean sea level (MSL) surface is adopted as the height datum.Since 1989, the national height datum has been referenced to the MSL computed using 1952-1979 sea-level obs

16、ervations collected at Qingdao tide gauge station. H0=72.260 m Copyright Yipu PengCartesian coordinate systemGround pointGeocenterabSemi-minor axisSemi-major axisSouth poleNorth poleDefinition of ellipsoidCopyright Yipu PengDifferent countries/regions use different ellipsoids with definite parameter

17、s (a, b) In China, the following ellipsoidal parameters are adopteda=6378140 mb=6356755 mf=1/298.257 Recommended by 1975 International Geodesy Association地球扁率(flattening)Copyright Yipu PengNormal direction三维坐标(大地经度，大地纬度, 大地高)Copyright Yipu PengfWGS84 6378137 298.257 American GPSCopyright Yipu PengTh

18、e Cartesian/geodetic coordinates of any point may be transformed into the rectangular coordinates by the rigorous mathematical formulae such as Gaussian Projection, and vice versa.This is involved in map projection.Such rectangular coordinate system is normally adopted for a small-area surveying wor

19、k.X (Northing)Y (Easting)PXpYpCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng高斯投影：等角等角横切椭圆柱投影Copyright Yipu PengPosition referenced to ellipsoid Height referenced to MSL (geoid)Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng绝对高程(海拔)地面点到大地水准面(实用上为MSL)的铅垂距离假定高程 (相对高程)地面点到假定水准面的铅垂距离高差两点间的高程之差Assumed geoidMSL (geoid)hABA

20、BABABHHHHhCopyright Yipu PengDistance affected by the earth curvatureRRSDStan5315231tan233333313131RSRSRRRS223RSSSBACBACBCRDOSRSCopyright Yipu PengElevation affected by the earth curvature) 1(sec ROBOBh42245211sec22221211211RSRRhRSh22BACBACBCRORShCopyright Yipu PengDistance S (km)Distance error S (m

21、m)S/S108.21/1 220 00025128.31/200 000501026.51/50 000Distance S (km)Elevation error h (mm)0.10.780.520.01.078.5Curvature effects on distanceCurvature effects on elevationCopyright Yipu Peng原则和要求先控制后碎部，从整体到局部前一步工作经检核不合格，绝不能进行后一步工作从工作性质来看，工程测量的范畴包括测绘：从地面到图上测设：从图上到地面从工程测量本身不同阶段来看，其范畴包括控制测量(Control surv

22、ey)地形测量(Topographic survey)施工放样(Setting out)Copyright Yipu Peng基本测量工作距离测量(水平距离或斜距, horizontal or slope distance)角度测量(水平角和垂直角, horizontal and vertical angles)直线方向(bearing)的确定高程测量hABABaSxyxyCopyright Yipu Peng测量距离(distance measurement)尺(Tape)塑胶尺(Plastic)、钢尺(steel)、铟瓦线尺(invar)测距仪(distance meter) 电磁波测距仪(electromagnetic)、激光测距仪器(laser)测量水平/垂直角度(a