土木工程测量概述

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，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，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：⑴研究测绘地形图的理论和方法⑵研究在地形图上进行规划、设计的基本原理和方法⑶研究建(构)筑物施工放样、建筑质量检验的技术和方法⑷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α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α=1:298.275由于α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6371km§1.2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：①保角条件，即投影后角度大小不变。②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：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⑴高斯投影的概念（正形投影）①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。②投影后赤道是一直线，并与中央子午线正交。③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1～60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高斯平面直角坐标系⑵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：x’p=4429757.075my’p=-58269.593m在20带中高斯直角坐标为：xp=4429757.075myp=20441730.407mx’p=4429757.075my’p=-58269.593m

xp=4429757.075myp=20441730.407m§1.3测量常用的坐标系统1.3.3高斯平面直角坐标系⑵高斯平面直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她范围较小双时，可以挣把测区球狐面当作两莫面处理，莲直接将地种面点沿铅展垂线投影浅到水平面屈上，用平铜面直角坐出标来表示竖。平面直水角坐标原点一般选在概测区西南梢方，以该测区脾子午线方皮向(真子午趟线或磁子候午线)为x轴斯，北方姥向为正萍。y轴示与x轴袄垂直，悼东方向廉为正。大地高：以参考椭搂球体面为高程基昌准面。大岂地高是地菜面点沿法线到椭球宾体面的微距离，芹用H大表示。§1.3测量常用的坐标系统地面点盏的高程是指地面捐点到某一针高程基准邻面的垂直轰距离。1.3.5高程系统测量上糟常用的悦高程基筒准面有参考椭球毙体面和大地水状准面。大地高海拔高：以大地水准样面为高程晚基准面倦。即地父面点沿垂线到大地夕水准面竹的距离妥，也称坝为绝对高程，用H海表示。海拔高在局部晨地区特修殊条件散下，不辰需要和掉国家高虏程系统祥联系，截可采用协一个假设水准筹面为高程起仇算面。所讽得到的地阔面高程称傍为假设高桐程或相对衫高程。§1.3测量常用的坐标系统“195隐6年黄海趣高程系”茶，青岛市育观家山水猜准原点高智程为72.2放89m。1.3.5高程系统假设高程“19倒85年收国家高傲程基准尽”，青惯岛市观绕家山水诊准原点础高程为72.2皱60m。198西7年后启布用此基准扁。相对高程地面两为点的高替程差称序为高差藏，用h型表示，潜图1-考9。A督、B两薯点的高伞差为：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb海-Ha海由此可什见两点间猪的高差陈与高程丽起算面鱼无关。测量中朋将地物效和地貌炒统称为知地形串。测定地酱物和地霸貌的三也维坐标聋，并用己平面图塘形表示规，称为锣地形图地貌——中指地球表亦面高低起吐伏的形态缝，如山峰伸、河谷、华台地、悬做崖等地物——急包括地面英上人造或煌天然固定秘物体，如纺房屋、道聋路、河流子、湖泊等§1.4地面点位的确定地物地貌地形地形图地形测险量是在丝式地物和膊地貌上帝选择一歪些有代表性的承点进行测惩量，将膊测量点望投影到咱平面上反，然后戒用点、鸦折线、激曲线连奸接起来敞表示地母物和地洗貌。这填些能表毅现地物丽和地貌同特征的育点称为特征点。所以渠测量实织际是测裂定这些吗特征点宇的三维趋坐标。代表性的鼓点特征点§1.4地面点位的确定特征点批的测定定方法：§1.4地面点位的确定卫星定位几何测仓量定位利用卫星顿信号接收讨机，同时项接收多颗拒定位卫星党发射的信嘴号进行定泄位，称为卫星定位。若在待测絮点P安置隆卫星接收庆机，在某茶时刻同时须接收三颗黎卫星信号待，测定卫祝星至接收葡的距离Rip。已知该冈时卫星空岭间三维坐替标，即可副用下式求铃出待测点卷三维坐标滴：(1-7)几何测量迁定位：§1.4地面点位的确定如地面秋上有三选个点A音、B、花C，其纽奉中A点因坐标已却知，待贵求点为友B、C与，见图壳1-1谨2。测侍定a、作b间平裹距Dab,及x方纵坐标姓北方向优与ab帜边的夹拨角αab(称为方哈位角)，运即可求定虽b点平面唤坐标：若已知A株、B坐标藏，只要测慰定β角和蚀距离Dbc,即可确归定C点位至置。(1-8)常规测盈量中，量距、测根角和测高孝差是确定眨地面点尝位的基本测民量工作。测量工体作遵循墓的原则§1.4地面点位的确定不论地物株或地貌，突它们的形搂状和大小仅都是由一丙些特征点的位置饿所决定盛。这些竹特征点大也称为碎部点。测图里时，主播要是测定这些碎绑部点的垃平面位疾置和高键程。测定碎部俯点的位置布，其程序丸通常分为摘两步：①控制测量，图1-唤10。先深在测区内斥选择若干爆具有控制侵意义的点撤作为控制仍点，以较栗精确的仪口器和方法伙测定各控漠制点的距灭离D、各控制边挂之间的水紧平夹角β、某一条午边的方皂位角α，设点2批的坐标冒已知，豪则可计昌算出其武它控制营点的坐煮标，以箱确定其平面位企置。同时董还要测脖出各控回制点之绕间的高差。②碎部测驻量，是根据尺控制点测融定碎部点焰的位置(平面位置奋和高程)。碎部点控制测量碎部测及量测量工作董遵循的原躬则§1.4地面点位的确定这种“从整体别到局部”、“先控制后拒碎部”的方法稿是组织测驻量工作应江遵循的原冷则，它可梁以减少误恼差累积，姐保证测图助精度，而激且可以分栗幅测绘，渐加快测图粗进度。从上述健可知，改当测定番控制点巧的相对弯位置有防错误时卵，以其覆为基础科所测定诉的碎部未点位也颂就有错必误，碎旱部测量未中有错弹误时，档以此资科料绘制济的地形矮图也就搜有错误兽。因此穷，测量沉工作必僵须严格历进行工法作，故个“前一步皂测量工犁作未作扑检核不报进行下仿一步测劝量工作”是组织运测量工作秆应遵循的辞又一个原陆则，它可语以防止错锯漏发生，异保证测量流成果的正惭确性。综上所震述，无挎论控制辱测量、半碎部测脾量和施劈燕工测设代，其实拌质都是凑确定地蚊面点的看位置，悠但控制测量是碎部时测量和赤测设工任作的基创础。碎部测量是把地面抚上各点测卧绘到图纸绩上并绘制普成地形图担，而测设工作是疮将图设职计的建六筑物和盲构筑物吴的位置讽放样到惑地面上仪，作为融施工的祝依据。互而地面命点间的帖相互位衔置关系蕉，是以羡水平角秤(方向易)、距烂离和高商差来确损定的，仔因此，高程、水惑平角和距事离测量是侮测量学的帽基本内容，测高程叹、测角情和量距艰是测量穿的基本吹工作，观测、计柳算和绘图吨是测量工祝作的基本毒技能。§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园代替水准仪面，使测猪量和绘图闸工作大为尤减化，下你面来讨论戚由此引起马的影响。1.5.1对距离的影响如图，葡由平面锻代替曲嚷面产生本的误差泡为ΔD安。ΔD=ab’-ab=D-S=Rtanθ-Rθ=R(tanθ-θ)(1-10)在小范围过测区θ角抛很小。t句anθ用蔬级数展开幼，略去五峡次方项，事则(1-11))用θ=D悉/R代入犹，则(1-12)§1.5用水平面代替水准面的限度1.5.1对距离的影响取地球半溪径R=6动371k宋m。D用眼不同距离骂代入，计长算结果如如下：(1-12)1/19万12.83251/30万6.57201/54万2.77151/120万0.8210-----0.001ΔD/DΔD(cm)D(km)结论：当D=10脆k