[PPT]土木工程测量概述

1、第一章 绪 论土木工程测量教学课件1.1 土木工程测量学的任务测绘科学应用很广：在国民经济和社会发展规划中，测量信息是最重要的基础信息之一，各种规划及地籍管理，首先要有地形图和地籍图。另外，在各项工农业基本建设中，从勘测设计阶段到施工、竣工阶段，都需要进行大量的测绘工作。在国防建设中，军事测量和军用地图是现代大规模的诸兵种协同作战不可缺少的重要保障。至于远程导弹、空间武器、人造卫星或航天器的发射，要保证它精确入轨，随时校正轨道和命中目标，除了应测算出发射点和目标点的精确坐标、方位、距离外，还必须掌握地球形状、大小的精确数据和有关地域的重力场资料。在科学实验方面，诸如空间科学技术的研究，地壳的变

2、形、地震的预报等都要应用测绘资料。即使在国家的各级管理工作中，测量和地图资料也是不可缺少的重要工具。测绘科学在建筑类各专业的工作中有着广泛的应用。例如：在勘测设计的各个阶段，要求有各种比例尺的地形图，供城镇规划、选择厂址、管道及交通线路选线以及总平面图设计和竖向设计之用。在施工阶段，要将设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程测设于实地，以便进行施工。施工结束后，还要进行竣工测量，绘制竣工图，供日后扩建和维修之用。即使是竣工以后，对某些大型及重要的建筑物和构筑物还要进行变形、沉降观测，以保证建筑物的安全使用。1.1 土木工程测量学的任务测定是指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据

3、，或把地球表面的地形缩绘成地形图，供经济建设、规划设计、科学研究和国防建设使用。测绘(量)学研究地球的形状和大小以及确定地面(包括空中、地表、地下和海底)物体的空间位置，以及对于这些空间位置信息进行处理、储存、管理的科学。它的内容包括测定和测设两个部分。1.1 土木工程测量学的任务测设是指把图纸上规划设计好的建筑物、构筑物的位置在地面上标定出来，作为施工的依据。大地测量学研究整个地球的形状和大小，解决大地区控制测量和地球重力场问题。常规大地测量和卫星大地测量。1.1 土木工程测量学的任务测量学按照研究范围和对象的不同，产生了许多分支科学。普通测量学测量小范围地球表面形状时，不顾及地球曲率的影响

4、，把地球局部表面当作平面看待所进行的测量工作。摄影测量学利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置的工作，属于摄影测量学的范畴。由于获得像片的方式不同，可分为地面、航空、水下和航天摄影测量学。海洋测绘学以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作，属于海洋测绘学的范畴。工程测量学研究工程建设中所进行的各种测量工作，属于工程测量学的范畴。1.1 土木工程测量学的任务制图学利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印各种地图的工作，属于制图学的范畴。本课程主要介绍普通测量学和部分工程测量学的内容。学习本课程之后，要求达到掌握普通测量学的基本知识和基础理论，能正确使用工程水准仪、工程经纬仪等

5、仪器和工具；了解大比例尺地形图的成图原理和方法，在工程设计和施工中，具有正确应用地形图和有关测量资料的能力和进行一般工程施工测设的能力，以便能灵活应用所学的测量知识为其专业工作服务。1.1 土木工程测量学的任务工程测量学的主要任务：研究测绘地形图的理论和方法研究在地形图上进行规划、设计的基本原理和方法研究建(构)筑物施工放样、建筑质量检验的技术和 方法对大型建筑物的安全性进行位移和变形监测1.2 地球的形状和大小测量工作是在地球的表面进行的，而地球自然表面很不规则，有高山、丘陵、平原和海洋。其中最高的珠峰高出海水面达8848.13m，最低的马里亚纳海沟低于海水面达11022m。但是这样的高低起

6、伏，相对于地球半径6371km来说还是很小的。再顾及到海洋约占整个地球表面的71%，因此，人们把海水面所包围的地球形体看着地球的形状。由于地球的自转运动，地球上任一点都要受到离心力和地球引力的双重作用，这两个力的合力称为重力，重力的方向线称为铅垂线。铅垂线是测量工作的基准线。静止的水面称为水准面，水准面是受地球重力影响而形成的，是一个处处与重力方向垂直的连续曲面，并且是一个重力场的等位面。与水准面相切的平面称为水平面。水平面可高可低，因此符合上述特点的水准面有无数多个，其中与平均海水面吻合并向大陆、岛屿内延伸而形成的闭合曲面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。由大地水准面所包围的地

7、球形体，称为大地体。1.2 地球的形状和大小通常用一个非常接近于大地水准面，并可用数学式表示的几何形体(即地球椭球)来代替地球的形状，作为测量计算工作的基准面。地球椭球是一个椭圆绕其短轴旋转而成的形体，故地球椭球又称旋转椭球。1.2 地球的形状和大小这个旋转椭球体称为参考椭球体，为一规则的曲面体。可用数学公式表示：1.2 地球的形状和大小(1-1)式中a、b为参考椭球体几何参数。a为长半径，b为短半径。参考椭球体扁率应满足下式：(1-2)我国目前采用的元素值为长半径a=6378140m扁 率 =1:298.275由于很小，在精度要求不高时，可近似将地球当作圆球体，其半径为平均值6371km。并

8、选择陕西泾阳县永乐镇某点为大地原点，进行了大地定位。由此而建立起来全国统一坐标系，这就是现在使用的“1980年国家大地坐标系”。由于地球椭球的扁率很小，因此当测区范围不大时，可近似地把地球椭球作为圆球，其半径为6371km1.2 地球的形状和大小地面点的空间位置都与一定的坐标系统相对应。在测量上常用的坐标系有空间直角坐标系、大地坐标系、高斯投影平面坐标系、平面独立直角坐标系等。地面点位常用三个量表示。基准线、基准面。1.3 测量常用的坐标系统1.3.1 大地坐标系以参考椭球体面为基准面。用大地经度L、纬度B、大地高H表示地面点的空间位置。基准线为法线。经度自零子午面向东为正、向西为负。纬度椭球

9、体面上的大地高为零。1.3 测量常用的坐标系统1.3.2 空间直角坐标系地面点位也可用空间直角坐标(x,y,z)表示。x轴z轴y轴右手坐标系1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐标系要将球面上的大地坐标按一定数学法则归算到平面上，即采用地图投影的理论绘制地形图，才能用于规划建设。地图投影有等角投影、等面积投影和任意投影三种。等角投影又称正形投影，它保证在椭球体面上的微分图形投影到平面后将保持相似。这是地形图的基本要求。正投影有两个基本条件：保角条件，即投影后角度大小不变。长度变形固定性，即长度投影后会变形，但在一点上各个方向的微分线段变形比m是个常数k: m=ds/dS=k式中：

10、ds投影后的长度 dS球面上的长度。1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐标系高斯投影的概念（正形投影）中央子午线是直线，其长度不变形，离开中央子午线的其他子午线是弧形，凹向中央.子午线。离开中央子午线越远，变形越大。投影后赤道是一直线，并与中央子午线正交。离开赤道的纬线是弧线，凸向赤道。在高斯投影平面上：1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐标系高斯投影可将椭球面变成平面，但离开中央子午线越远变形越大，这种变形将会影响测图和施工的精度。为对长度变形加以控制，测量中采用限制投影宽度的方法分带投影。投影带宽以相邻两子午线的径差l来划分。有6、3带等不同投影方法。6带

11、投影是从英格林尼治子午线开始，自西向东，每隔6投影一次。将椭球分成60个带，编号为160带。各带中央子午线经度(L06)按下式计算：6带(1-3)已知某点大地经度L，可按下式计算所属的带号： (的整数商)+1(有余数时) (1-4)1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐标系3带 是在6带基础上划分的，其中央子午线在奇数带时与6带中央子午线重合，每隔3为一带，共120带，各带中央子午线经度为：各带中央子午线经度(L03)按下式计算：3带(1-5)已知某点大地经度L，可按下式计算所属的带号： (的整数商)+1(有余数时) (1-5)1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐

12、标系高斯平面直角坐标的建立以赤道和中央的交点为坐标原点O，中央子午线方向为x轴，北方向为正。赤道投影线为y轴，东方向为正。象限按顺时针排列，同一投影带内y轴有正有负。为使y值都为正，将纵坐标轴西移500km,并在y坐标前面冠以带号，第20带，中央子午线以西P点：xp=4429757.075myp=-58269.593m 在20带中高斯直角坐标为：xp=4429757.075myp=20441730.407mxp=4429757.075myp=-58269.593m xp=4429757.075m yp=20441730.407m1.3 测量常用的坐标系统1.3.3 高斯平面直角坐标系高斯平面直

13、角坐标的建立高斯直角坐标系与数学中的笛卡尔坐标系不同。这样的做法是为了将数学上的三角和解析几何公式直接用至测量的计算上。1.3 测量常用的坐标系统1.3.4 平面直角坐标系当测区的范围较小时，可以把测区球面当作两面处理，直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，用平面直角坐标来表示。平面直角坐标原点一般选在测区西南方，以该测区子午线方向(真子午线或磁子午线)为x轴，北方向为正。y轴与x轴垂直，东方向为正。大地高：以参考椭球体面为高程基准面。大地高是地面点沿法线到椭球体面的距离，用H大表示。1.3 测量常用的坐标系统地面点的高程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离。1.3.5 高程系统测量上常用的高程

14、基准面有参考椭球体面和大地水准面。大地高海拔高：以大地水准面为高程基准面。即地面点沿垂线到大地水准面的距离，也称为绝对高程，用H海表示。海拔高在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个假设水准面为高程起算面。所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。1.3 测量常用的坐标系统“1956年黄海高程系”，青岛市观家山水准原点高程为72.289m。1.3.5 高程系统假设高程“1985年国家高程基准”，青岛市观家山水准原点高程为72.260m。1987年后启用此基准。相对高程地面两点的高程差称为高差，用h表示，图1-9。A、B两点的高差为：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb

15、海-Ha海由此可见两点间的高差与高程起算面无关。测量中将地物和地貌统称为 地形。测定地物和地貌的三维坐标，并用平面图形表示，称为地形图地貌指地球表面高低起伏的形态，如山峰、河谷、台地、悬崖等地物包括地面上人造或天然固定物体，如房屋、道路、河流、湖泊等1.4 地面点位的确定地物地貌地形地形图地形测量是在地物和地貌上选择一些有代表性的点进行测量，将测量点投影到平面上，然后用点、折线、曲线连接起来表示地物和地貌。这些能表现地物和地貌特征的点称为特征点。所以测量实际是测定这些特征点的三维坐标。代表性的点特征点1.4 地面点位的确定特征点的测定方法：1.4 地面点位的确定卫星定位几何测量定位利用卫星信号

16、接收机，同时接收多颗定位卫星发射的信号进行定位，称为卫星定位。若在待测点P安置卫星接收机，在某时刻同时接收三颗卫星信号，测定卫星至接收的距离Rip。已知该时卫星空间三维坐标，即可用下式求出待测点三维坐标：(1-7)几何测量定位：1.4 地面点位的确定如地面上有三个点A、B、C，其中A点坐标已知，待求点为B、C，见图1-12。测定a、b间平距Dab,及x纵坐标北方向与ab边的夹角ab(称为方位角)，即可求定b点平面坐标：若已知A、B坐标，只要测定角和距离Dbc,即可确定C点位置。(1-8)常规测量中，量距、测角和测高差是确定地面点位的基本测量工作。测量工作遵循的原则1.4 地面点位的确定不论地物

17、或地貌，它们的形状和大小都是由一些特征点的位置所决定。这些特征点也称为碎部点。测图时，主要是测定这些碎部点的平面位置和高程。测定碎部点的位置，其程序通常分为两步：控制测量，图1-10。先在测区内选择若干具有控制意义的点作为控制点，以较精确的仪器和方法测定各控制点的距离D、各控制边之间的水平夹角、某一条边的方位角，设点2的坐标已知，则可计算出其它控制点的坐标，以确定其平面位置。同时还要测出各控制点之间的高差。碎部测量，是根据控制点测定碎部点的位置(平面位置和高程)。碎部点控制测量碎部测量测量工作遵循的原则1.4 地面点位的确定这种“从整体到局部”、“先控制后碎部”的方法是组织测量工作应遵循的原则

18、，它可以减少误差累积，保证测图精度，而且可以分幅测绘，加快测图进度。从上述可知，当测定控制点的相对位置有错误时，以其为基础所测定的碎部点位也就有错误，碎部测量中有错误时，以此资料绘制的地形图也就有错误。因此，测量工作必须严格进行工作，故“前一步测量工作未作检核不进行下一步测量工作”是组织测量工作应遵循的又一个原则，它可以防止错漏发生，保证测量成果的正确性。综上所述，无论控制测量、碎部测量和施工测设，其实质都是确定地面点的位置，但控制测量是碎部测量和测设工作的基础。碎部测量是把地面上各点测绘到图纸上并绘制成地形图，而测设工作是将图设计的建筑物和构筑物的位置放样到地面上，作为施工的依据。而地面点间的相互位置关系，是以水平角(方向)、距离和高差来确定的，因此，高程、水平角和距离测量是测量学的基本内容，测高程、测角和量距是测量的基本工作，观测、计算和绘图是测量工作的基本技能。1.4 地面点位的确定1.5 用水平面代替水准面的限度用水平面代替水准面，使测量和绘图工作大为减化，下面来讨论由此引起的影响。1.5.1 对距离的影响如图，由平面代替曲面产生的误差为D。D=ab-ab=D-S=Rtan-R=R(tan-) (1-10)在小范围测区角很小。tan用级数展开，略去五次方项，则(1-11)用=D/R代入，则(1-12)1.5 用水平