工程测量教程课件附表格二五

§1.1测量学简介测量学是研究地球的形状、大小确定地球表面各种物体的形状、大小、空间位置的科学。(1)地物和地貌1)地物——地面上天然或人工形成的物体，包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路与桥梁等。2)地貌：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵与平原等。地形——地物和地貌的总称。第1章绪论(2)测量学的任务测定与测设1)测定——使用测量仪器和工具，通过测量和计算，将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定符号缩小绘制成地形图。2)测设将地形图上设计的建筑物、构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。(3)测量在国民经济建设中的应用1)城市规划、给排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设①设计阶段——测绘各种比例尺地形图，供结构物平面及竖向设计使用；②施工阶段——将设计建构物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据；③工程完工后——测绘竣工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理用；对某些重要建构筑物在建设中和建成后进行变形观测，保证建筑物安全。2)铁路、公路建设的测量工作①测绘路线附近地形图，在地形图上设计路线，将设计路线位置标定到地面。②建桥前，测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、流速、流量与河床地形图、桥梁轴线长度，为桥梁设计提供资料，将设计桥台、桥墩位置标定到实地。③开挖隧道前，在地形图上确定隧道位置，计算隧道长度与方向，指示隧道开挖方向，保证隧道正确贯通。§1.2地球的形状和大小(1)、地球1)南北极稍扁，赤道稍长，平均半径为6371km的椭球。2)表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈现高低起伏的形态。最高处——中国珠穆朗玛峰，8844.43m2005年中国测得。最低处——马里亚纳海沟，-10911m1995年日本探测艇海沟号(Kaiko)测得。3)海洋面积——71%，陆地面积——29%。(2)地球的物理特性1)重力与铅垂线①重力——地球质点受万有引力与离心力的合力。②铅垂线方向——重力方向。2)水准面水准面——静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成的封闭曲面。处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。因高度可变，水准面不唯一。3)大地水准面与平均海水面吻合的水准面。静止海水面向大陆延伸，形成的不规则的封闭曲面。大地水准面——唯一。(3)、参参考椭球1)大地水准面有有微小起伏、、不规则、很难用数学方方程表示。2)将地表地形投投影到大地水水准面上计算非常困困难。3)选择一个与大大地水准面非非常接近、能用数学方程程表示的椭球球面作为投影基准准面，由椭圆NESW绕其短轴NS旋转而成的旋旋转椭球，——参考椭球，表面——参考椭球面。4)法线——由地地表任一点向向参考椭球面面作垂线。5)参考椭球元素素——椭圆的的长半轴a和扁率f，6)参考椭椭球定定位———参参考椭椭球相相对于于大地地水准准面的的位置置大地原原点———参参考椭椭球面面与大大地水水准面面相切切的点点在大地地原点点处，，铅垂线线与法线重合。。(4)我我国国现用用的几几个参参考椭椭球元元素值值§1.3测量坐坐标系系与地地面点点位的的确定定(1)参参心心坐标标系与与地心心坐标标系物理空空间———三三维空空间。。表示地地面点点在某某空间间坐标标系的的位置置需三三个参参数；；确定地地面点点位———确确定其其在某某个空空间坐坐标系系的三维坐坐标。。空间坐坐标系系———地心心坐标标系和和参心心坐标标系。。“地心心”——地地球质质心，，WGS-84为地心心坐标标系。“参心心”——参参考椭椭球中中心，，参心心与地地心一一般不不重合合。1954北北京坐坐标系系与1980西西安坐坐标系系属参心心坐标标系。。工程测测量使使用参参心坐坐标系系，地心坐坐标系系与参参心坐坐标系系可以以相互互转换换。测量三维坐标系系———确定点点球面面位置置的二维坐标系系确定点点高度度的一维高程系系。(2)确确定定点球球面位位置的的二维维坐标标系地理坐坐标系系，平平面直直角坐坐标系系。1)地理坐标系系天文地理坐标系，，大地地理坐标系系。①天文地理坐标标系地面点在大地水准准面上的位置。基准——铅垂线，，大地水准面。球面坐标——天文经度λ，天文纬度φ。天文子午面——过过地面P点的铅垂线与地球球旋转轴NS平行的平面。天文子午线——天天文子午面与大地地水准面的交线。。首子午面——过英英国格林尼治天文文台G的天文子午面。P点天文经度λ——P点天文子午面与首首子午面的两面角角从首子午面向东或或向西计算，取值值范围是0°～180°，在首子午线以东为为东经，以西为西西经。P点天文纬度φ——P点铅垂线与赤道面面的夹角，自赤道起向南或向向北计算，取值范范围为0°～90°。在赤道以北为北纬纬，以南为南纬。。可用天文测量方法法测定地面点的天文经度和天文纬纬度。格林尼治天文台，，始建于1675年，位于英国首都伦敦敦的格林威治，二战后迁往新址———苏塞克郡的赫斯特特蒙苏堡，但保留了“格林威治皇家天文文台”的名称。1884年，经过过这个天文台的子子午线被确定为全球时间间和经度计量标准准参考子午线，也称为本初子午线线，即零度经线。。初建之时，目的是是精确地观测月球球和恒星，帮助航海家确定经经度。现它已发展为英国国的一个综合性光光学天文台。1999年12月月28日，新时间间系统——格林威治电子时间间(GET)正式诞生，为全球电子商务提提供时间标准。原格林威治时间(GMT)仍保留作为21世世纪世界标准时间间。②大地地理坐标标系表示地面点在参考考椭球面上的位置置。基准——参考椭球球面和法线。用大地经度L，大地纬度B表示。P点大地经度L——P点大地子午面与首首子午面的两面角角P点大地纬度B——P点的法线与赤道面面的夹角。大地经、纬度是根根据起始大地点的的大地坐标，按大地测量所得数数据推算得到。起始大地点——大大地原点，该点大地经纬度与与天文经纬度一致致。我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-石际寺村大地原点建立的大地坐标系系——1980西安坐标标系。大地原点的地理坐坐标约为东经108°55′，北纬34°°32′，海拔417.2m。大地原点结构大地原点中心标石石结构投影台投影原理投影台投影原理投影台投影原理投影台模型在投影台安置经纬纬仪进行投影观测测与前苏联1942年普尔科沃坐标标系联测，经苏联西伯尼亚从从我国东北入境，，传算过来的坐标系系——1954北京坐标标系。大地原点——前苏苏联列宁格勒普尔尔科沃天文台中央央(3)平面直角角坐标系球面坐标对局部测测量不方便，工程测量一般在平平面直角坐标系进进行。地球是一个不可展展的曲面，通过投影将地球表表面物体化算到平平面上，一定存在变形。案例——切橙子。地球是一个不可展展曲面演示1)高斯平面坐标系高斯投影——保持持球面上的角度不不变，边长存在变形，保角投影。德国科学家高斯在在1820~1830年间，为解决德国汉诺威威地区大地测量投投影问题，提出的一种投影方方法；1912年起，德德国学者克吕格将将高斯投影公式加加以整理扩充并推导出了实实用计算公式。使用高斯投影的国国家——德国、中国、前苏联。地球按经线划分为为带——投影带；用空心椭圆柱横套套在参考椭球外面面；椭圆柱与某一子午午线相切——中央子午午线，椭球面上上图形按按保角投投影原理理投影到到椭圆柱柱体面上上；沿过南北北极的母母线切开开椭圆柱柱体，展展开成平平面，定义平面面直角坐坐标系。。按投影经经度范围围划分①统一6°°带高斯斯投影首子午线线起，每每隔经度度6°划划分为一一带(称称统一6°带)西→东划分地球球为———60个个带。带号N从首子午午线开始始，用阿阿拉伯数数字表示示。第一个6°带带中央子子午线的的经度为为3°。。带号N与中央子子午线经经度L0的关系———L0=6N－3已知任意意点经度度L，计算所在在6°带的的带号公公式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)北京天安安门：东经116°°23′′26″″，北纬39°54′27″香港会展展中心：东经114°°10′′22″″，北纬纬22°°17′′05″″澳门大三三吧牌坊坊：东经113°°32′′31″″，北纬纬22°°11′′49″″台北中山山纪念堂堂：东经121°°31′′18″″，北纬纬25°°02′′04″″保角投影影——球面面上的角度投影到横横椭圆柱柱面上保持不变变，但长度变长。只有中央央子午线线与赤道道投影后后长度不变，并并相互垂垂直。建立的直直角坐标标系———高斯平平面直角角坐标系系。与数学笛笛卡尔坐坐标系的的差异，，x轴与y轴互换位位置，象象限顺时时针编号号，我国位于于北半球球，x坐标值恒恒为正，，y坐标值则则有正有有负，最大y坐标负负值约约为-334km。。为保证证y坐标恒恒为正正，我我国统统一规规定将将每带带的坐坐标原原点向向西移移500km，既给每个点点的y坐标值加500km。为确定投影影带位置，，y坐标前冠带带号。高斯投影长长度变形———离中央央子午线越越远，长度度变形越大大；减小长度变变形的方法法之一———缩小投影带带宽，经差。②统一3°带高斯斯投影带号n与中央子午午线经度L’0的关系———L’0=3n已知经度L，计算所在3°带带号号公式n=Int(L÷6+0.5)我国大陆经经度范围———东经73°27′~东经经135°°09′用公式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)求出统一6°带带投影带号号范围———13~23用公式n=Int(L÷3+0.5)求出统一3°带带投影带号号范围———25~45两种投影带带的带号不不重复根据y坐标前的带带号可以判判断属于何何种投影带带。③任意带高斯斯投影《城市测量量规范》规规定——长度变形值值>2.5cm/km(1/40000)可采用高斯斯投影任意意带平面直直角坐标系系统，案例——广东江江门中心经经度——东东经113°10′，位于统一3°带的38号带(中央子午午线经度为为114°)中央子午线线以西98km。长度变形为为1/8329>1/40000。为使长度变变形<1/40000，选择中央子子午线经度度=113°10′进行高斯投投影；建立江门市独立坐标系系；江门市区最边缘缘距离中央子午线线23km，长度变形缩缩小为1/150000<1/40000。2)大地地地理坐标标与高斯平平面坐标的的相互变换换由L,B→x,y———高斯投影正正算。由x,y→L,B——高斯投影反算。将某带x,y→相临带x,y——高斯投影换带计计算。计算公式较复复杂，用光盘盘程序PG2-1.exe计算。先用Windows的记事本编写写一个文本数数据文件。存盘文件名的的前两个字符符应为da。从Google地球卫星图片片上获取经纬纬度，用PG2-1.exe正算出高斯平平面坐标案例例§1.3.2一维高程系(1)高高程定义A点高程——A点到大地水准准面的垂直距距离，HA表示。大地水准面的的确定——在在海边设立验验潮站，长期观测，求得海水面的的平均高度作作为高程零点点，以通过该点的的大地水准面面为高程基准准面。(2)国国家高程系统统我国有两个国国家高程系统统。1)1956年黄海高高程系1954年在在青岛市观象象山建立水准准原点，采用青岛大港港验潮站一号号军用码头1950年~1956年年7年的潮汐记录资资料推算出的大地地水准面为基基准引测出水准原原点的高程为为72.289m。以该大地水准准面为高程基基准建立的高程系系——1956年黄海高高程系。青岛观象山青岛大港1号号码头验潮站站青岛大港1号号码头验潮站站青岛大港1号号码头验潮站站青岛大港1号号码头验潮站站标牌验潮站内的潮潮汐自动记录录仪验潮站内的潮潮汐自动记录录仪验潮站内的潮潮汐自动记录录仪验潮站内的潮潮汐自动记录录仪验潮站内的潮潮汐自动记录录仪青岛观象山水水准原点打开水准原点点旱井盖打开水准原点点旱井盖水准原点旱井井水准原点旱井井水准原点玛瑙瑙石标志水准原点标牌牌备用水准原点点备用水准原点点备用水准原点点精密水准测量量观测水准原原点的稳定性性水准原点至1956年黄黄海高程系0海平面的高高程水准原点至1985国家家高程基准0海平面的高高程精密水准测量量观测用德国蔡司Ni002精密水准仪观观测精密水准测量量观测精密水准测量量观测青岛水准零点点青岛水准零点点2001台湾湾高程基准———基隆水准准原点2001台湾湾高程基准———基隆水准准原点2001台湾湾高程基准———基隆水准准原点2)1985国家高程程基准80年代，用青岛验潮站站1953年~1977年年25年的潮汐记录资资料推算出的大地地水准面为基基准引测出水准原原点的高程为为72.260m。以该大地水准准面为高程基基准建立的高程系系——1985国家家高程基准。在水准原点，，85高程基准准大地水准面面比56黄海系大大地水准面高高出0.029m。2005年10月9日日发布的珠穆朗玛峰峰峰顶岩石面海拔高程为8844.43m，属于85高程程基准。3)珠江基面高程程系(珠江高程系系)1908年由由两广督练公公所参谋处测绘科科建立，原点：广州粤粤海关前。广东，广西珠珠江流域水利系统使用用。珠江基面零点点比1956年年黄海高程系系高广州高0.586m，粤西北高0.722m，粤东北高0.377m。(3)城市高程系统统的选择《城市测量规规范》规定一个城市只应应采用一个统统一的高程系系统。应采用1985国家高程程基准或沿用1956年黄海高高程系。§1.3.3WGS-84坐标系WGS——WorldGeodeticSystem(世界大地坐标标系)，美国国防局为为进行GPS导航定位，于1984年年建立的地心心坐标系，1985年投投入使用。属地心坐标系系。WGS-84坐标系——原原点位于地球球质心，z轴指向BIH1984.0定义的协议地地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面面和CTP赤道的交点，，y轴通过右手规规则确定。§1.4地球曲率率对测量量工作的的影响测区范围围较小，，大地水准准面近似似为水平平面时对水平平距离离和高高程的的影响响(1)、对对水平平距离离的影影响结论：：半径10km圆内范范围，，可用用切平平面代代替大大地水