工程测量学概述2

1、Engineering Surveying工程测量学1 工程测量学是测绘科学与技术的二级学科，是一门技术性、应用性很强的学科。该课程注重讲述学科的理论、方法与勘测技术，结合典型工程的测量实践，涵盖了经典理论到新技术应用，从工程建筑物的设计、施工放样到变形监测以及工业测量、精密工程测量等的内容。对于该课程的学习要注意理论与实践的结合。 课程概要：2本课程学习的内容主要如下：工程建设对地形图的要求与应用 水下地形及专题地图的测绘工程测量控制网布设的理论与方法施工放样方法和精度分析 线路工程测量 地下工程施工测量 建筑物变形观测3 第一章 工程测量学概述 第一节 工程测量学的研究对象及特点一、学科研

2、究及应用领域 （一）学科定义 定义二：工程测量学主要研究在工程、工业和城市建设以及资源开发各阶段所进行的地形和有关信息的采集和处理、施工放样、设备安装、变形监测分析和预报的理论、方法和技术，以及研究对测量和工程有关的信息 进行管理和使用的学科。 定义一：工程测量学是研究各种工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。4 定义三：工程测量学是研究地球空间(地面、地下、水下、空中)中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。 总的来说，工程测量学主要包括以工程建筑、水利、道路建设、矿山生产等为对象的工程测量和以机器设备为对象的工业测量（定

3、位测量、安装测量）两大部分，主要任务是为各种服务对象提供测绘保障，满足它们所提出的各种要求，可分普通工程测量和精密工程测量。5（二）研究领域 主要研究在工程与工业建设、城市建设与国土资源开发、水陆交通与环境工程和减灾救灾等工作中，进行地形和有关信息的采集与处理、施工放样、设备安装、变形监测与分析预报等方面的理论和技术，以及与之有关的信息管理与使用。6（三）工程测量学的内容 1、工程测量按工程进程和作业性质划分 工程建设的勘察设计阶段测量工作主要为工程提供各种比例尺地形图，地质、水文勘探等各种测量资料； 施工建设阶段测量工作主要是施工放样和设备安装。包括建立施工和安装测量控制网、点位放样； 运营

4、管理阶段测量工作主要是建筑物、构筑物的变形观测。7 2、工程测量按其服务对象划分 建筑、水利、铁路、公路、矿山、城市、国防等工程测量，以及精密工程测量、工程摄影测量等。（四） 研究的主要内容 1、建筑工程测量 （1）测图、用图 （2）施工放样 （3）变形观测2、矿山测量 从矿山的开发勘探、设计、建设、生产各个阶段 直到矿井报废为止。8 3、水利工程测量 在勘测设计阶段，测量工作主要是为水工建（构）筑物设计提供必要的地形资料和其他测量数据。 在水利枢纽工程的施工期间，测量工作的主要任务是按照设计的意图，将设计图纸上的建筑物以一定的精度要求测设于实地。 在水利枢纽工程的运营期间，要定期和不定期的对

5、其进行变形观测。9 4、线路工程测量 （1）勘测设计阶段初测、定测； （2）施工阶段中线测量、路基和路基边坡放样测量、竖曲线测设等。 （3）竣工阶段竣工测量（测定线路中心线纵断面图和路基横断面图）10 5、军事工程测量 在军事工程建设的勘测设计、施工建设和运营管理阶段所进行的测量工作。 主要内容：军用道路测量、地下军事工程（军用坑道、洞库等）测量、军港测量、机场测量、靶场工程测量及军事设施测量，以及军工建筑物变形观测等。 续11 军事工程测量的最新发展还包括为军事和国防部门提供应用测量服务，主要体现在如下三个方面： 一是为军事和国防的一切部门解决计量和基准问题，如测量距离、方向、速度、加速度及

6、三维坐标等； 二是为大容量器具（油罐、货舱）测算容积、体积以及为舰船、飞机等测绘外形； 三是为营房管理、军垦土地等部门建立信息服务和管理系统。12 6、精密工程测量 主要任务是解决各种大型特种精密工程所提出的高精度的测量课题。它的特点是：极高的测量精度要求（例如距离10-6以上相对精度或亚毫米级的绝对精度） ；非传统的测量方法和专用仪器设备；合理的数据处理方法和测量过程的自动化等。 精密工程和一般工程一样，包括规划设计、施工放样和运营管理三个阶段。其中大部分测量工作与一般工程的测量工作相近。 续13精密工程测量与一般工程测量不同之处： 大型精密工程的规划设计阶段，要研究地形变及局部重力场不均匀

7、性对工程稳定性的影响； 对于有统一工艺流程和结构的大型建筑物，除了建立高精度的施工测量控制网外，还要建立高精度的安装测量控制网。 精密工程测量要求在控制点上建立稳固的测量标志，并设立强制对中装置； 在精密工程测量中，各种外界影响都要考虑。14 7、工程摄影测量 利用摄影机或其他数据获取设备，对一定范围内的研究对象进行静态或动态摄影取得记录相片，根据相片上的图像进行量测、分析，从而求定研究对象上点的二维或三维坐标等数据或绘制对象的各种图解图的科学技术和工艺。 工程摄影在测量工作中广泛用于建筑物动态、瞬时变形，对于不宜到达的目标的观测、遥测等。 续15工程摄影测量的主要特点表现在：（1）相片信息丰

8、富、容量大，显示能力客观、影像逼真，适用于不规则物体的外形测量；（2）在工程摄影中，所涉及的目标大小、摄影距离、精度要求、静态或动态等各方面均有不同，但只要合理地选择摄影仪器、摄影方式与布设控制，就可以解决科研和生产中若干复杂问题；（3）对安全监测测量来说，可同时测定许多点，更便于对问题的分析；（4）摄影像片可长期保存，便于日后对成果的查核、比较和分析；（5）外业工作量小、劳动强度低、经济效益高。16 第二节 工程测量学的地位 及其与邻近学科的关系 一、工程测量学的地位 工程测量狭窄的概念主要面向土木工程范畴，现在已发展为广义的工程测量。正如苏黎世工业学院马西斯(Mathis)教授所说“一切不

9、属于地球测定，不属于有关国家地图集的陆地测量和不属于公务测量的实际测量课题，都属于工程测量”。 广义工程测量学是研究并提供地表上、下及周围空间建筑和非建筑工程几何物理信息和图形信息的应用技术学科。科学的发展可用来解决精密复杂的工程测量课题，反过来工程测量的应用又推动科学技术的不断进步。17二、工程测量学与邻近学科的关系 工程测量学与测绘学及其他学科之间有着密切的关系，见下图：18工程测量学与邻近学科的关系 工程测量学不是单一的学科，是许多学科之间互相渗透、互相补充、互相促进的技术学科。 一方面，现代大地测量、摄影与遥感、地图制图等各学科的新技术、新理论解决工程测量中的难题； 另一方面，通过工程

10、测量的应用使的这些新的科学更富有生命力。如GPS、GIS和RS的应用，CCD固态摄影机的应用，机器人技术，传感器技术和激光技术、计算机技术等对工程测量的促进。19三、我国工程测量的成就 在国防工业和军事工程建设方面，各种新型武器的试验；卫星、导弹和其他航天器的发射；各种军事设施的兴建等。 在冶金、建筑方面，从武钢、包钢到宝钢等大小钢铁企业的建设（从铁矿勘探与开采、运输线路建设、基础工程建设、机器设备安装、高炉施工）。08年北京奥运场馆鸟巢、水立方的建设（从设计、施工溶入世界最先进的技术，成为当代标志性建筑）鸟巢被英国建筑专业杂志建筑新闻评为“令人惊异的世界十大建筑工程”之一。迪拜哈利法塔高度8

11、28米（2,717英尺），是迄今为止世界上最高建筑物 。 续20 在交通运输方面，修筑无数条公路、铁路（青藏铁路）、高速公路，建造了数不清的长短隧道，架设了千百座桥梁。在这些工程中工程测量工作者进行了线路测量、曲线放样、桥梁测量、隧道控制测量和贯通测量等。杭州湾跨海大桥是全长36公里，是目前世界上最长的跨海大桥 在水利建设方面，兴建了无数座水库、水坝、引水隧洞、水电站等工程（如长江三峡工程、长江葛洲坝工程等）。 其他方面，如建筑物变形监测、精密工程设备的安装调试等。21 第三节 工程测量学的发展工程测量总的发展趋势为： 测量数据采集和处理向一体化、实时化、数字化方向发展； 测量仪器和技术向精密

12、、自动化、智能化、信息化方向发展； 工程测量产品向多样化、网络化、社会化方向发展。具体表现在以下几个方面： 一、大比例尺工程测（成）图数字化； 野外数据采集（全站仪、GPS、数字摄影、遥感等技术）、数据处理（软件）、绘图（绘图软件）。22二、数字三维城市与建筑测绘 随着我国国民经济与社会信息化的快速发展，以三维城市建模为标志的“数字城市”建设正如雨后春笋般在各地出现。 三维空间环境的获得得益于测绘遥感、地理信息系统和三维可视化有关技术手段的迅速发展，而虚拟环境技术和三维地理信息系统正是其核心内容。 建筑测绘通过对实际建筑对象的现场调查、测量，用建筑平面图、立体图、剖面图的形成原理，将实测对象及

13、其数据加以分析整理后，用平面图、立体图、剖面图表达出来。23三、城市地下管线探测 地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是一个城市的“生命线”。随着城市建设的迅速发展，地下管线种类越来越多，埋于地下的各种管线密如蛛网。由于种种原因，许多城市管线资料不全、不准，许多工程项目在施工过程中损坏地下管线的事故时有发生，造成重大的经济损失和不良的政治影响。因此，开展城市地下管线普查、建档与动态管理具有现实意义和历史意义。24四、工业测量系统的最新进展 工业测量系统是指以电子经纬仪、全站仪、数字相机等为传感器，在计算机的控制下，完成工件的非接触和实时三维坐标测量，并在现场进行测量数据处理、分析和管理的系统

14、。工业测量在国内是近几年发展起来的一种对工业产品进行测量的技术, 例如飞机、汽车、轮船的测量与建模。这些测量必须是三维测量。 1、经纬仪测量系统 是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统。如Leica的ManCAT系统和ECDS3系统，测量精度可达到0.020.05mm。 252、全站仪极坐标测量系统 是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器三维坐标测量系统（STS）。有的具有自动跟踪和自动瞄准目标的功能。3、数字摄影测量系统 V-STARS是数字摄影测量系统的典型产品。采用数字近景摄影测量原理，通过2台高分辨率的柯达数字相机对被测物体同时拍摄，得到物体的数字影像，经计算机

15、图像处理后得到精确的X、Y、Z坐标。 V-STARS特别适合于动态物体的快速坐标测量，操作方便，精度可达到0.010.03mm。26 4、激光跟踪测量系统 激光跟踪仪出现于20世纪80年代末,其精度非常高,可达5m + 5 10-6D。以前主要用于高精度的工业测量,如飞机、汽车、机械零件等,现在由于其测量半径可达到60 m,可方便地用于精密工程测量。该仪器不依赖于水准面,不受大地水准面精度的影响。 代表产品为SMART310，可自动跟踪反射装置，测量速度极快（500次/秒读数），重复测量精度高（达到5ppm），特别适用于动态目标的监测。275、三维激光扫描仪 三维激光扫描仪是近几年发展起来的一

16、种三维测量仪器, 由于其扫描速度快、点位精度高、点密度高, 应用普及速度非常快。该仪器不依赖于水准面, 不受大地水准面精度的影响。6、卫星定位测量系统 卫星定位系统所获得的点位坐标是地心直角坐标系中的三维坐标, 是真正的三维测量系统。其测量精度非常高, 双频GPS 的点差分测量精度可到亚毫米级。287、关节臂三坐标量测仪 关节臂三坐标量测仪也称机械臂三坐标量测仪, 是工业和机械测量中的常用测量设备。该仪器不依赖于水准面, 不受大地水准面精度的影响。由于其测量范围有限, 适合于工业测量。 多关节机械臂式三维坐标采集系统是应用传感器技术的接触式三维测量装置。 其特点在于操作方便、精度高、成本低廉且

17、不受物体表面反射情况的影响。它通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角和杆件转角,再结合机械臂的机械参数(各臂长,关节厚度等) ,应用坐标模型计算出被测点的三维坐标。2930五、施工测量自动化和智能化的进展 在施工放样中采用自动寻标全站仪、在隧道施 工中采用自动导向系统。六、工程测量仪器和专用仪器向自动化方向发展 1、精密角度测量仪器 光电测角代替光学测角、光电测角能够实现数据的自动获取、改正、显示、存储和传输，精度与光学测角相当可达到0.5、有马达驱动的电子经纬仪可实现目标自动照准等。312、精密距离测量仪器 在距离测量方面，包括中长距离(数十米至数公里)、短距离(数米至数十

18、米)和微距离(毫米至数米)及其变化量的精密测量。以ME5000为代表的精密激光测距仪和LDM2双频激光测距仪，中长距离测量精度可达亚毫米级；采用多谱勒效应的双频激光干涉仪，能在数十米范围内达到0.01m的计量精度，成为重要的长度检校和精密测量设备；采用CCD线列传感器测量微距离可达到百分之几微米的精度，它们使距离测量精度从毫米、微米级进入到纳米级世界。3、精密工程安装、放样仪器（以全站仪为代表）32 4、高精度定向仪器（陀螺经纬仪、新型3 ） 5、精密高程测量仪器（数字水准 0.4mm、液体静力水准测量系统可同时获取数十乃至数百个监测点的高程，具有高精度、遥测、自动化、可移动和持续测量等特点）

19、 。 6、工程测量专用仪器 主要指用于应变测量、准直测量和倾斜测量的测量仪器。 专用仪器具有高精度(亚毫米、微米乃至纳米)、快速、遥测、无接触、可移动、连续、自动记录、微机控制等特点，可作精密定位和准直测量，可测量倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度，还可测振动频率以及物体的动态行为。 33七、特种精密工程测量的发展 大型精密工程对测量的精度要求很高，包括角度、距离、高差、定位、准直等测量工作。如高能粒子加速器工程中要求两相邻电磁铁安装的相对径向误差不超过0.10.2mm，直线加速器中漂移管的横向精度为0.050.3mm等等。要解决这样高的精度问题，就需要从测量布网方案、测量标志及埋设、专用仪器工

20、具研制、测量方法的选择、数据处理等进行一系列研究工作。 续34 北京正负电子对撞机的精密控制网，精度达0.3mm。设备定位精度优于0.2mm，200m直线段漂移管直线精度达0.1mm。 大亚湾核电站控制网精度达2mm， 秦山核电站的环型安装测量控制网精度达0.1mm。 上海杨浦大桥控制网的最弱点精度达0.2mm，桥墩点位标定精度达0.1mm。 北京奥运会、残奥会比赛场馆水立方泳池的长度误差在1毫米之内，鸟巢跑道的长度误差在3毫米之内。35 鸟巢施工测量可以说应用了目前最先进的技术、最先进的仪器设备。 应用卫星定位系统、全站仪及数字水准仪，快速建立了高精度三维工程控制网，大大提高了控制测量的质量

21、与效率； 应用智能化全站仪，实现了大型复杂工程设施快速、准确的空间放样测设； 采用工业测量技术，进行了复杂钢构件的组装测量； 应用激光扫描等技术，对大型及特殊钢结构的空间形态进行了精确测量，并对测量数据进行实时处理、分析与可视化表现，实现了信息化施工； 建立了大型及特殊工程测量项目的管理体系和制度，确保测量成果的可靠性与完整性。 36八、工程测量数据处理自动化和数据库 随着测量仪器的发展，一方面精度提高（工作变简单），另一方面所获信息量大（数据处理和解释要求高），从而对结果的可靠性和精度要求也大大提高。研究和制订恰当的数据处理、管理方法是非常必要的。实际上工程测量数据处理正在逐步走向自动化。主

22、要表现在对各种控制网的整体平差、控制网的最优化设计和变形观测的数据处理和分析等方面。 37九、工程摄影测量和遥感技术的广泛应用 工程摄影测量是用量测机或非量测机对目标摄影，解析出空间坐标，它是通过直接线性变换法而获得的，不必进行常规的像片内、外方位定向。 摄影测量系统的基本原理就是: 从不同站上拍摄物体的照片, 利用在各相片上的同名像点, 在一定数量的物方控制点下解求相机的内外方位元素, 进而求得物方点的三维坐标。 工程摄影测量和遥感技术在文物保护、考古工作、园林、环境保护、医学、设备安装、动态变形观测等有着广泛应用。38十、GPS在工程测量中的应用 GPS定位技术是近代迅速发展起来的卫星定位

23、新技术，该技术发展一改常规的测量方式，给测量工作带来革命性变化，大大降低测量工作者的劳动强度，大大提高劳动效率和社会效益。具有精度高（可提供12ppm的相对定位精度），作业时间短，不受时间、气候条件和两点间通视的限制。 GPS定位技术在工程测量中有着极广的应用前景。如从一般的控制测量（各种控制网的建立），到精密工程测量、石油勘探、高速公路兴建、通讯线路工程、地下铁路工程、隧道贯通、建筑变形观测、大坝监测、山体滑坡检测、地壳形变监测等方面有着广泛应用。 续39 随着差分GPS技术（DGPS）和实时动态GPS技术（RTK）的发展，出现了GPS全站仪。GPS与其他传感器或测量系统的组合解决了定位、测量和通信的一体化问题，甚至用于快速地形测绘。 总之，GPS技术在