工程测量原理与方法

1、.：.； 第二讲 工程丈量学的原理、方法和技术Theory,way,technology of engineering surveying主要内容：观丈量和丈量定位原理、地面丈量方法和技术、公用丈量方法与技术、空间丈量方法与技术。难 点：公用丈量方法与技术、空间丈量方法与技术总 课 时：4学时 讲 授：4学时21 概述工程丈量学与大地丈量学、摄影丈量与遥感学、地图制图学海洋测绘和测绘仪器学一样，是现代测绘学的分之学科。它即遵照测绘学的根本原理、方法和技术，又为理处理工程和工程建立中的测绘技术问题，工程丈量学也构成了具有本身特点的原理、方法和技术，以及各种公用和通用的丈量仪器。22 观丈量和丈量

2、定位原理221 工程丈量中的观丈量工程丈量的本质是：经过各种观丈量确定客观物体上的特征点在某一坐标系下的三维坐标平面位置与高程即X，Y，H及其随时间的变化。根据设计坐标X，Y，Z经过各种观丈量将设计实体放样到实地。观丈量：角度方向观丈量角度观丈量又分程度角和垂直角高度角或天顶距观测方向线与铅垂线间的夹角所用仪器：经纬仪、全站仪间隔 观丈量 两点间的平距、斜距，一点到直线的间隔 ，一点到平面的间隔 。所用仪器：钢尺、皮尺、铟瓦线尺叫丈量法或机械法 经纬仪、视距仪叫视距法或视差法 测距仪、全站仪叫物理测距法 GPS全球定位系统伪距法高差观丈量两点正常高程之差所用仪器：钢尺、水准仪、测距仪、全站仪、

3、液体静力水准丈量用于工程变形丈量方位角观丈量地面上某一方向线与真北方向的夹角真方位角所用仪器：陀螺仪用于矿山、铁路与公路隧道及城市地铁隧道中222 工程丈量中丈量定位原理工程丈量的义务：丈量、测设或放样工程丈量中所采用的坐标系统：平面高斯克吕格平面直角坐标系或独立平面直角坐标系高程正常高系统丈量定位原理：高差与高程的测定不论进展水准丈量还是利用水准仪进展高程放样，均是利用程度视野测定两点之间的高差如图2-1： Hab=a-b如A点的高程知，那么B点的高程为： 对于三角高程丈量中的高差计算： ：为两点之间的实测程度间隔 ， ：为P、N两点间的垂直角， ：分别为仪器高和站标高，C为球气差系数，有：

4、 其中K为大气垂直折射系数，R为参考椭球面上弧的曲率半径。也可以将化算为高斯投影面上的长度d进展计算，对于对向观测，还可以用下式进展计算：式中：为A、B两点的平均大地高，：为A、B两点到中央子午线的平均横坐标。2点的平面直角坐标的测定 目前比较常用确实定点位的方法有极坐标法、测角前方交会法。极坐标法的原理如下：知：A、B两点，求P点的坐标 A、B为知点，P点为待定点，和S分别为程度角和程度间隔 ，加上各种矫正计算得到。当用于放样时过程相反：P点的坐标知，经过坐标反算可求取AP的边长、AB和AP的方位角，从而得到放样元素和：经过放样元素在实地上标定出P点测角前方交会的原理：、为观测角，P点为待定

5、点 如图点的空间三维直角坐标的测定在工业丈量中，如下图的坐标系，待定点P的三维空间直角坐标采用前方交会法，按下式计算： 、和为在A、B两点上架设仪器所测的P点的程度角和垂直角，L为两台仪器间的程度间隔 ，为两台仪器间的垂直角。仪器实测的是方向值，设两台仪器间的方向值为那么有：我们把确定初始参数的值称为系统定向。设两台仪器间的高差为：其中：L：用基准尺进展丈量得到因此，系统定向主要为确定参数23 通用的地面丈量方法和技术231 经典的地面丈量方法与技术角度与方向丈量1、光学经纬仪测角 光学经纬仪是一种普通的测角仪器，在控制丈量中用于各种等级的测角网、边角网、导线网等，在工程丈量规范中按测角精度分

6、为DJ1、DJ2、DJ6几种型号，比较典型的仪器为T2、T3。2、陀螺经纬仪定向三北方向及其之间的关系图中： C表示仪器常数 子午线收敛角 精细导线边或三角网边的地理方位角 地面精细导线边或三角网边的坐标方位角 陀螺方位角 子午线收敛角 井下定向边的地理方位角 井下定向边的坐标方位角 陀螺方位角陀螺经纬仪的定向作业过程在地面知边上测定仪器常数仪器常数：通常陀螺经纬仪轴的稳定位置不与地理子午线重合，二者的夹角称为仪器常数。将仪器安顿在知边上经过测定陀螺方位角来求算仪器常数。在井下定向边上测定陀螺方位角井下定向边的长度应大于30米，将仪器安顿在测定仪器上井后重新测定仪器常数求算子午线收敛角普通地面

7、精细导线边或三角网边知的是坐标方位角，需求求算的井下定向边，也是要求出其坐标方位角，而不是地理方位角A，因此，需求求算子午线收敛角。 当仪器所在点在中央子午线以东为正，以西为负，其值可根据安顿仪器点的高斯平面坐标求算：式中： 以分为单位 K 系数，以纵坐标x(以公里计)为引数由表中查， Y 点的横坐标，KM求算井下定向边的坐标方位角井下定向边的坐标方位角为：因此： 为地面和井下安顿仪器地点的子午线收敛角的差数，可用下式计算：式中： 单位为秒； 为当地纬度，在地面和井下点的间隔 不超越10公里，纬度不超越60度是采用 是地面和井下定向点的横坐标。长度丈量机械法包括铟瓦线尺悬空丈量法、皮尺和钢尺量

8、距视距法利用视距安装由上下丝进展间接测距的方法。电磁波测距电磁波测距包括：脉冲式光波测距、相位式光波测距、微波测距三种。其中相位测距运用最广。其测距公式为： 式中：为真空中的光速，f为调制频率，n为大气折射率，为相位值，K为仪器常数。 测距误差分：固定误差与测距无关，比例误差与间隔 成比例。大气折射误差和相位测定误差是测距的主要误差。降低相位误差是提高伐制信号频率，降低大气折射误差是经过测定沿光路的气候元素温度、气压、湿度，所以对于一台仪器影响测距精度最大的是大气折射率误差。高程丈量光学几何水准丈量几何水准由于其劳动强度大，不易实现自动化，迄今仍是高程控制和高程传送的根本方法。在工程丈量中，主

9、要采用国家基准和等级水准点作为高程联测点。目前采用的仪器按每公里往返平均高差中误差大小分为：S05、S1、S3、S10。电磁波测距三角高程目前，在丘陵、山区电磁波测距三角高程可替代三、四等水准丈量。由于折射系数误差对高程测定影响随边长的平方增长，因此，测距边长应遭到相应的限制，当视野长200米时精度可到达一、二等，替代三、四等水准对应的视野长分别为700米和2100米。实践任务中为了提高精度除进展对向观测外有时有意抬高站标高。近景摄影丈量略232 现代地面丈量方法与技术电子全站仪略丈量机器人Georobot丈量机器人俗称自动寻标电子全站仪，丈量机器人系统包括：坐标参考系，操作系统，鼓励器，计算

10、机和控制器，闭路控制传感器，决议制造，目的捕获和集成传感器。实现了地面丈量的作业自动化，替代了人照准和读数。其作业方式有自动式和被动式两种。自动式作业方式：从镜站发射信号用以遥控指挥仪器进展照准读数。丈量数据经过无线电线通讯在镜站显示，可用于大比例尺测图和施工放样，其测程在数百米以内。被动式作业方式：在镜站发射信号，需求在测站上进展一次初始丈量，机器人具有自学功能，自后的反复丈量由完全仪器自动完成，这种方式主要用于具有许多目的的变形监测及大型工程的施工放样丈量。自动跟踪功能：用于水下地形丈量中的平面位置丈量，三维工业丈量。电子水准仪电子水准仪是经过对标尺的图象经过一段空气在望远镜像平面处CCD

11、阵列上编码经过运算得到数字读数，同时具有记录、检核、传输、计算、数据处置功能。24 公用丈量方法工程丈量的公用丈量方法和技术集中反映在仪器上，主要用于精细工程丈量、三维工业丈量和工程建筑物的变形监测。包括精细测角、间隔 、高程、倾斜、基准线偏距、定位丈量、精细投点。主要特点是高精度、自动化、遥测、继续观测。精细角度丈量精细角度丈量主要采用的是精细光学经纬仪、精细电子经纬仪和精细陀螺经纬仪测定某一方向线与真北方向之间的程度角。目前电子经纬仪的测角精度已到达测角的极限精度0。5秒。电子经纬仪采用光电侧角法，又分编码法、动态法和增量法，前两种属于绝对法，后一种属于相对法。测角分粗测和精测两步，由于，

12、光电测角消除了读数误差、度盘偏心误差和刻划误差，所以，其测角精度主要由对中误差、照准误差和外界大气条件的影响。常见的有：用于飞机、轮船、汽车外形丈量两台仪器空间交会 用于滑坡监测 用于大型特种工程施工丈量精细间隔 丈量主要采用机械法和光电法。机械法包括各种定长杆尺和定长铟瓦线尺配合测微安装组成的量测仪和丈量间隔 变化的应变仪、伸缩仪。光电法分为干涉法和相位法。精细测距按测程分为中长间隔 数十公里、短间隔 10米和微间隔 毫米至米。精细水准丈量精细水准丈量的公用丈量方法和技术主要是微水准丈量、激光扫平水准丈量和液体静力水准丈量。前两种采用公用的微型水准尺和激光水准仪，后者采用连通管原理，经过传感

13、器丈量液面密度来获取测点高程。微水准丈量微水准丈量：采用短视野的观测方法。缘由：精细水准丈量的主要误差来源有：照准误差和读数误差，仪器检校后的剩余误差，温度变化对仪器和标尺的影响，标尺分化划误差和标尺弯曲，标尺底面不程度，在观测过程中仪器和标尺下沉、视场影象跳动和折光影响，对大范围水准丈量，重力、潮汐和地壳运动的影响，对于自动安平水准仪，还应顾及磁场的影响。减短视野是抑制上述误差的有效途径。液体静力水准丈量根据连通原理，将两个或多个容器衔接起来，液面形状可由贝努利方程描画：或 式中：P为作用在液面上的大气压力，为液体的密度，g为 重力加速度，H为液面高度，C为常数。如图：将C1、C2置于A、B

14、两点上，容器分别用水管和气管衔接，当容器处于封锁形状时，P不变。当采用同一种液体，、g相等，当各容器液面处于平衡形状时，有：b为液面读数，h为零点间的高差，即 目前测定液面高度的方法：目视法 电子传感器法精度能到达0.01mm的瞬时变化倾斜丈量倾斜丈量又称挠度曲线丈量，是确定被测对象如桥、塔在竖直平面内相对于程度基准线面或铅直基准线面的挠度曲线。精细基准丈量精细基准丈量又称精细准直丈量，是直线型设备精细安装或程度位移精细丈量的一种方法。根本原理是在两个基准点之间经过光学视准线或机械引张线或激光束建立一条基准线，测出设备上的观测点偏离该基准线的偏离值，从而把设备调整安装到该基准线上或测出程度位移观测值