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高丈斯平跟面直铺角坐污标的锤建立高斯撞直角肾坐标糖系与慎数学束中的妥笛卡叔尔坐股标系应不同餐。这样偶的做炊法是店为了嫩将数抹学上畜的三模角和云解析餐几何捎公式榜直接测用至膜测量贯的计赛算上吃。§1.3测量常用的坐标系统1.3.4平面直角坐标系当测杨区的背范围幅较小呼时，倦可以缴把测玻区球谁面当编作两船面处导理，牌直接携将地且面点之沿铅换垂线毯投影艘到水台平面蚕上，壮用平化面直怜角坐骆标来聚表示替。平罩面直盟角坐侍标原点一般勾选在斯测区除西南核方，以该静测区茂子午依线方斩向(真皮子午叮线或斯磁子圾午线径)为x判轴，闷北方胃向为复正。移y轴才与x寻轴垂材直，弊东方宴向为热正。大地市高：以参考研椭球喘体面为高屑程基止准面摩。大踢地高贷是地疗面点绞沿法线到椭显球体拌面的庙距离疾，用薯H大表示交。§1.3测量常用的坐标系统地面未点的高程是指筹地面仓点到坚某一毛高程暗基准租面的胡垂直敢距离名。1.3.5高程系统测量祝上常蛛用的片高程北基准喉面有参考宇椭球桂体面和大地堆水准辜面。大地串高海拔某高：以大地忆水准亦面为高芽程基粪准面横。即五地面场点沿垂线到大黄地水欢准面成的距青离，伍也称馆为绝对草高程，用随H海表示械。海拔哨高在局贺部地屋区特誉殊条念件下迟，不床需要制和国肤家高暖程系驴统联日系，好可采笋用一宁个假设押水准电面为高较程起似算面捕。所染得到亩的地肥面高篇程称匀为假它设高方程或笨相对踏高程闪。§1.3测量常用的坐标系统“1膛95浪6年蔬黄海灵高程幼系”煌，青水岛市芹观家哗山水眨准原建点高抢程为72粪.2肯89援m。1.3.5高程系统假设耍高程“1戏98居5年哨国家烛高程巩基准益”，沈青岛旱市观按家山椒水准节原点考高程触为72蛇.2讯60溪m。1歌98裙7年庙后启娃用此蜻基准悲。相对都高程地面礼两点灯的高怕程差尘称为绸高差唉，用特h表掌示，馆图1扎-9采。A剑、B辜两点职的高际差为济：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb海-Ha海由此邀可见两点肝间的寒高差铺与高捧程起径算面饼无关。测量篇中将轻地物亭和地亲貌统认称为旧地才形。测定督地物摩和地竿貌的达三维战坐标津，并挖用平牙面图娇形表柏示，疏称为孩地形必图地貌姥——络指地寨球表洽面高凤低起捉伏的放形态申，如溉山峰详、河模谷、打台地且、悬气崖等地物叹——监包括变地面渗上人冷造或测天然封固定胸物体核，如涨房屋蹈、道尺路、指河流屿、湖让泊等§1.4地面点位的确定地物地貌地形地形澡图地形汇测量做是在开地物含和地艇貌上奥选择微一些雅有代表呼性的冷点进行具测量瓦，将伍测量键点投足影到差平面误上，以然后瞒用点费、折讨线、搜曲线糠连接振起来宰表示道地物两和地睬貌。记这些和能表爆现地铁物和廉地貌始特征牌的点添称为特征够点。所宴以测逮量实塞际是物测定述这些质特征柳点的顷三维绢坐标恢。代表萍性的贴点特征舍点§1.4地面点位的确定特征浩点的摆测定善方法惰：§1.4地面点位的确定卫星疑定位几何爱测量贴定位利用璃卫星均信号惩接收底机，寒同时判接收特多颗牵定位阀卫星萄发射批的信逮号进于行定讲位，劫称为卫星坛定位。若在挪待测觉点P盐安置掉卫星纷接收腰机，镜在某赞时刻榜同时层接收角三颗路卫星纹信号钩，测绣定卫砌星至血接收截的距弓离Rip。已面知该只时卫筒星空夸间三雷维坐废标，筛即可昂用下紧式求图出待扩测点终三维硬坐标崭：(1-7)几何鹊测量填定位：§1.4地面点位的确定如地捕面上滑有三某个点锣A、辆B、棵C，皮其中机A点川坐标鸟已知评，待揭求点虫为B亿、C惠，见雁图1鲁-1签2。乱测定赏a、廊b间组平距Dab,及冷x纵而坐标副北方哄向与闻ab挂边的详夹角αab(称斥为方瓣位角桂)，狂即可般求定睡b点愤平面刺坐标岸：若已奏知A棋、B晌坐标现，只段要测足定β练角和险距离嗓Dbc,即桃可确粪定C她点位限置。(1-8)常规进测量扫中，量距破、测筐角和耐测高孝差是确挖定地币面点塘位的基本酷测量盐工作。测量玻工作帆遵循延的原赖则§1.4地面点位的确定不论摩地物晨或地匙貌，妥它们肯的形事状和绑大小世都是汽由一射些特征驶点的位调置所园决定圣。这城些特赢征点掀也称叹为碎部头点。测喜图时歌，主林要是测定这些辛碎部估点的交平面汁位置质和高释程。测定元碎部臣点的建位置共，其芦程序耻通常震分为灰两步污：①控制煮测量，图吨1-炸10独。先百在测货区内快选择妹若干赵具有禁控制么意义番的点挪作为谈控制摩点，馅以较惑精确维的仪锁器和沫方法棕测定扒各控铅制点嘱的距雁离D、各控塘制边先之间姜的水辩平夹转角β、某一旱条边打的方构位角α，设点盗2的夺坐标顾已知南，则去可计轿算出娃其它授控制述点的顷坐标秘，以荷确定常其平面且位置。同炼时还大要测宜出各讽控制毙点之滚间的高差。②碎部灾测量，是千根据况控制油点测怪定碎曾部点蜂的位局置(平面写位置累和高抓程)。碎部涨点控制匙测量碎部般测量测量奇工作专遵循甩的原钳则§1.4地面点位的确定这种潜“从整默体到惕局部”、害“先控腥制后伞碎部”的解方法兰是组胞织测诞量工落作应饥遵循万的原妖则，跃它可狸以减币少误宽差累摊积，汉保证推测图佩精度膛，而掘且可吓以分础幅测斤绘，漆加快声测图薯进度匠。从上醉述可拌知，拿当测钳定控给制点细的相伐对位卡置有基错误同时，福以其枕为基僻础所铸测定桥的碎喇部点执位也壤就有拣错误已，碎蚁部测辉量中略有错半误时为，以愚此资边料绘任制的勾地形悬图也寸就有漠错误俘。因第此，鼻测量豆工作会必须青严格斧进行畏工作喇，故获“前一超步测倒量工剖作未颈作检营核不伐进行景下一勇步测帖量工欺作”是巩组织罚测量膨工作啄应遵倾循的鸟又一课个原蓝则，松它可议以防猫止错繁漏发公生，磁保证堆测量该成果事的正失确性广。综上屈所述见，无锦论控捕制测徐量、策碎部降测量首和施俱工测尺设，深其实顺质都惠是确净定地欠面点并的位杯置，匀但控制姐测量是碎益部测陕量和备测设邮工作吉的基膨础。碎部兔测量是把饲地面送上各迈点测朋绘到订图纸扎上并吨绘制肺成地矮形图凤，而测设工作伍是将皂图设脸计的验建筑饿物和蛋构筑漂物的酱位置陕放样猎到地造面上柳，作币为施姜工的沟依据选。而蔑地面璃点间错的相误互位残置关牵系，从是以乐水平沃角(辆方向友)、字距离鉴和高痰差来裤确定技的，新因此秀，高程压、水西平角远和距饲离测讨量是灰测量恋学的火基本心内容，测高禁程、雨测角芳和量祸距是肆测量冶的基专本工稀作，观测嚼、计民算和面绘图颠是测骗量工方作的挽基本袄技能军。§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攻平面蚁代替众水准嘉面，姑使测归量和殊绘图灶工作摧大为到减化懒，下某面来以讨论愿由此扯引起掘的影蝴响。1.5.1对距离的影响如图雄，由乔平面药代替研曲面旬产生仿的误承差为胁ΔD帝。ΔD=ab’-ab=D-S=Rtanθ-Rθ=R(tanθ-θ)(1-10)在小袍范围传测区匀θ角功很小暗。t夕an宅θ用捧级数券展开布，略牌去五性次方停项，砖则(1-11))用θ截=D悬/R蛇代入笛，则(1-12)§1.5用水平面代替水准面的限度1.5.1对距离的影响取地叹球半体径R族=6拌37扁1k命m。券D用赤不同均距离拣代入跪，计头算结蛛果如眯下：(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)结论吊：当D=胳10幅km时，魄所产头生的盟相对脖误差子为1索:1侄20茅万，冠这样补小的揉误差弄，对烦精密罩量距递来说恐也是允许的。捷因此擦，在胖