工程测量学课件

工程测量学

工程测量学

教材

培养计划

绪论

:程测量的概念（重点）

定义1:

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。

定义2：

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个阶段所进行的地形

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等的理论、

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，它是测绘

学在国民经济和国防建设中的直接应用。

定义3：

工程测量学是研究地球空间（包括地面、

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。

评价：

■定义一比较大众化，易于理解。

■定义二较定义一更具体、准确，且范围更大

・定义三更加概括、抽象和科学。

定义二、三除建筑工程外，机器设备乃至其它

几何实体都是工程测量学的研究对象，且都上

升到了理论、方法和技术，强调工程测量学所

研究的是与几何实体相联系的测量、测设的理

论、方法和技术，而不是研究各种测量工作。

学科地位

发展历史

公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔，其形状与方向都很准确，说明当时

已有放样的工具和方法。

我国二千多年前的夏商时代，为了治水开始了水利工程测量工作。司马迁在

《史记》中对夏禹治水有这样的描述：”陆行乘车，水行乘船，泥行乘撬，山行

乘撵（W）,左准绳，右规矩、载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山。”

所记录的是当时的工程勘测情景，准绳和规矩就是当时所用的测量工具，绳是丈

量距离的工具，规是画圆的器具，矩则是一种可定平、测长度、高度、深度和画

圆画矩形的通用测量仪器。早期的水利工程多为河道的疏导，以利防洪和灌溉，

其主要的测量工作是确定水位和堤坝的高度。

公元前十四世纪，在幼发拉底河与尼罗河流域曾进行过土地边界的划分测量。我

国的地籍管理和土地测量最早出现在殷周时期，秦、汉过渡到私田制。隋唐实行

均田制，建立户籍册。宋朝按乡登记和清丈土地，出现地块图。到了明朝洪武四

年，全国进行土地大清查和勘丈，编制的鱼鳞图册，是世界最早的地籍图册。

秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程。

・北宋时沈括为了治理汴渠，测得“京师之地比泗州凡高十九丈四尺八寸六分”，

是水准测量的结果。

・长沙马王堆汉墓出土的地图包括地形图、驻军图和城邑图三种，是目前世界上

发现的最早的地图。

发展历史

・军事、交通运输的需要一■旅行、航海等

■工程测量学的发展也受到了战争的促进。中国战国时期修

筑的午道，公元前210年秦始皇修建的“堑山埋谷，千八百

里”直道，古罗马构筑的兵道，以及公元前218年欧洲修建

的通向意大利的“汉尼拨通道”等，都是著名的军用道路。

修建中应用了测量工具进行地形勘测、定线测量和隧道定

向开挖测量。

・唐代李筌指出“以水佐攻者强，……，先设水平测其高下，

可以漂城，灌军，浸营，败将也”，说明了测量地势高低

对军事成败的作用。中华民族伟大象征的万里长城修建于

秦汉时期，这一规模巨大的防御工程，从整体布局到修筑,

都进行了详细的勘察测量和施工放样工作。

发展历史

■这样随着历史文化的发展，科学技术的进步，工

程建设的项目越来越多，规模也越来越大，内容

也越来越复杂，对测量工作的要求也就越来越高,

这就在测绘科学这个领域内渐渐地形成了“工程测

量学”这门学科。目前国内外测绘专业都有工程测

堇学这门课程，大都是以培养工程测量人才为目

标。

・国际测量师联合会（FIG）中设有工程测量专业的

委员会，以便在世界范围内交流这门学科的成就,

探讨它的发展方向。

四个工作组:

1）测量方法和限差;

2）土石方计算；

3）变形测量；

4）地下工程测量。

一个特别组：

变形分析与解释

60余所高校

工程测量国际学术讨论会

・1988年前的专题：

・1.测量仪器和数据获取；

-2.数据解释、处理和应用；

-3.高层建筑物和设备安装测量;

,4.地下和深层建筑物测量；

-5.环境和工程建筑物变形监测。

・1992年的专题是：

-1.测量理论与测量方案；

・2.测量技术和测量系统；

-3.信息系统和CAD；

-4.在建筑工程和工业中的应用。

工程测量国际学术讨论会

1996年的专题：

1.测量和数据处理系统；

2.监测和控制；

3.在工业和建筑工程中的质量问题;

4,数据模型和信息系统；

5,交叉学科的大型工程项目。

2004年的专题：

1.大型工程测量项目；

2.测量和数据处理技术；

3.监测和风险管理；

4,瑞士阿尔卑斯山特长隧道

工程测量的内容，按照其服务的对象分:

(1)工业建设测量

(2)铁路公路测量

(3)桥梁测量

(4)隧道及地下工程测量

(5)水利工程建设测量

(6)输电线路与输油管道测量

(7)城市建设测量

工程测量学的内容

主要内容:

模拟或数字的地形资料的获取与表达；工程控制

测量及数据处理；建筑物的施工放样；大型精密

设备的安装和调试测量；工业生产过程的质量检

测和控制；工程变形及与工程有关的各种灾害的

监测分析与预报；工程测量专用仪器的研制与应

用；工程信息系统的建立与应用等。

工程测量学的内容

1）工程地形图的测量

,直接使用1:1万至1:10万比例尺的国家基本地形图。

・对于一些大型工程，往往还需要专门测绘1：2000到1：

5000比例尺的区域性或带状性地形图。

•在施工建设和运营管理阶段，往往需要用数字成图法测绘

1:1000,1:500乃至更大比例尺的地形图或专题图。

工程测量学的内容

・水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各

种纵横断面图测绘。

・各种比例尺的地形图是工程信息系统的基础地理

信息。

■城市1:500或1:1000的基本地形图和城乡地籍图测

绘属于国家基本测绘范畴，与工程测量的关系密

切。

工程测量学的内容

2）工程控制网布设

•分为测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网。

,网的精度、可靠性、灵敏度和建网费用等质量准则问题。

・绝大多数首级工程控制网都可采用GPS定位技术来建立。

・将现代卫星与地面测量技术相结合、取长补短。

,无加密控制网的控制测量将走进工程测量领域。

,精密工程控制网须进行网的优化设计。

工程测量学的内容

3）施工放样技术和方法

・放样（或称测设）。

,点、线、面、体的放样。

,方法：方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、

极坐标法、坐标法、偏角法、偏距法、投点法等。仪

器：常规的光学、电子经纬仪、水准仪、全站仪，GPS

技术、专用的测量仪器和工具。

,施工放样一体化、自动化

工程测量学的内容

4）工程的变形监测分析和预报

■工程建筑物的变形及与工程有关的灾害监测是

工程测量学的重要内容。

・变形分析和预报属于多学科的交叉领域。

・变形监测网的布设；

・变形监测技术，除常规的仪器和方法外，大量

地使用各种传感器和专用仪器。

・变形观测数据处理的内容和方法：监测网处理:

参考点稳定性分析，目标点位移量计算。

・监测点上的时间序列观测数据处理方法。

,变形体的静态、准静态、运动态和动态模型。

工程测量学的内容

5）工程测量的仪器

■经纬仪、水准仪、全站仪和GPS接收机是工程测量的通用仪

器

・专用仪器包括机械式、光电式及光机电（子）多传感器集成

式仪器或测量系统。

・基维线测量或准直测量仪器：有正锤、倒锤及垂线观测仪、

引张线仪、各种激光准直仪、铅直仪（向下、向上）、自准

直仪以及尼龙丝或金属丝准直测量系统等。

,在距离测量仪器：中长距离、短距离和微距离测量。ME5000、

锢瓦线尺测距仪DISTINVAR、应变仪DISTERMETER、双频激光

干涉仪、CCD线列传感器测量，距离测量精度从毫米、微米级

进入到纳米级。

工程测量学的内容

・高程测量：液体静力水准测量系统。

・倾斜测量（又称挠度曲线测量）。

・三维激光扫瞄仪：图象工程测量。

・混合测量系统。

・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，可作精密定位测量、准直测量，可测量坐

标、偏距、倾斜度、厚度、表面粗糙度和平直度,

还可测量振动频度以及物体的动态变化等。

工程测量学的内容

6）工程测量学中的误差及测量平差理论

・最小二乘法：经典最小二乘法、模型误差、自由网、

和拟稳平差。

•非最小二乘估计：稳健估计和有偏估计。

・参数估计、非参数估计、半参数估计；线性估计、

非线性估计。

工程测量学的内容

规划设计阶段

建筑施工阶段

运营管理阶段

工程测量学的内容

■工程建设规划设计阶段的测量工作：

・每一项工程建设都必须按照自然条件和预期目的

,进行规划设计，在这个阶段中测量工作主要是提

■供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质勘

■探，水文地质勘探以及水文测验等进行测量。对

・于重要的工程还要对地层的稳定性进行观测。

工程测量学的内容

,工程建设施工阶段的测量工作:

・每项工程建设的设计都要有专家讨论，审查和领

导的批准后才能进入施工阶段。

■首先根据工地的地形、工程的性质以及施工的组

织与计划，建立不同形式的施工控制网作为放样

的基础，然后将所设计的工程建筑物，按照施工

的要求在现场标定出来，这也就是放样或叫测设。

・所以建设施工阶段的测量工作就包括施工控制网

的建立和定线放样两大部分。

工程测量学的内容

,工程建设运营管理阶段的测量工作:

•目的是为了监视工程建筑物的安全和稳定的情况,

了解其设计是否合理，验证设计理论是否正确，

需要定期地对其位移、沉陷、倾斜以及摆动等进

行观测。

•对于大型的工业设备，还要进行经常性的检测和

调校，以保证其按设计安全运行。

工程测量学与其他学科的联系

例如，工程测量学进行施工测量时需要测量学的

知识，也需要控制测量学的知识。

止匕外，用摄影测量方法测绘地形图，现在已广泛

地应用于工程建设的规划设计阶段中。

还有，用全球定位系统进行工程测量，涉及到空

间大地测量和重力测量等学科。

・工程测量学是测绘学在国民经济和国防建设中的

直接应用，直接为工程建设服务的，所以要求工

程测量的工作者还应该具有一定的工程建设方面

的知识。目的就是为了使测量工作有针对性，避

免盲目性，从而合理地解决工程建设中的测量问

题。一飞〜

,工程测量的发展的推动因素:

■(1)科学技术的发展，包括测绘学及其它

学科的成就为工程测量的发展提供了新的

工具和手段。

,(2)社会的发展为工程测量提出了新任务

和新的要求，使工程测量的应用领域不断

扩大。

,空间技术在工程测量中的应用与发展

・GPS的出现使定位、导航发生了革命性的变革，在

工程控制测量、地形测绘、施工放样、竣工测量、

变形监测、机械控制中都得到广泛使用。

（一）卫星定位技术使控制测量发生了显著的变化

（二）RTK技术提高了施工放样和细部测量的速度和精度

（三）城市连续运行参考站网向一网多用的方向发展

（四）空间技术开始在变形监测中应用

・数字测绘与空间信息系统技术的应用和发展

•（一）数字测绘技术

•1.全站仪技术

•2.GPSRTK技术

•3.摄影测量技术

长江三峡工程鸟撒图

Bird's-eyeviewoftheTGP

（二）数字三维（虚拟）城市与建筑测绘

■三维规划和三维设计就是更加直观表现其成果

■建筑测绘目前多采用地面摄影与地面激光扫描系

统综合使用。

・激光扫描提供点阵数字信息。

■摄影测量提供数理信息。

（三）城市地下管线探测

■地下管线探测、检测与评估是为摸清城市已有地

下管线的现状，以及评估地下管线的风险服务的。

・随着城市建设的快速发展，城市地下管线信息的

重要性以及地下管线的安全问题日益被城市各级

政府部门所重视。

传统的地下管线探测仪

・地下管道金属探测仪的发射机将输出有

一定功率的电磁波有效的输送到地下的金属管道

上，于是管道上便有感应的信号电流沿管道流动。

此信号电流沿着管道流动的同时，产生一个以管

道为中心的圆形电磁场向四周辐射，其强度为管道

正中上方最强。当地下管道金属探测仪的接收机的

磁性探头在地面上来回移动探测时接收到该信号，

就能找到电磁场的中心最强的位置，也就是管道的

正上方，地下管线的位置也就被地下管道金属探测

仪找到了。

探地雷达

・探地雷达是通过发射高频宽频带电磁波，并接收

来自地下介质面的反射波，根据接收到的反射波

的旅行时间、幅度与波形资料，解释推断地下介

质结构的。

■只要地下管线目标与周围介质之间存在足够的物

性差异，就能通过探地雷达来进行探测。

电子标识器

・电子标识器的使用为探测非金属地下管线提供了

另一种新的方法。

■地下管线敷设时，根据地下管线的类型，在管线

特征点处预埋相应种类的电子标识器，之后在地

面通过便携式探测仪先向地下发出一定频率的电

磁波信号，当靠近标识器时，标识器会反射探测

仪发出的信号，从而被探测仪发现接收，根据仪

器音频和读数可准确获得管线平面位置和埋深的

准确信息。

（四）城市信息系统和应用

基于城市基础地理信息系统而发展起来的专题信

息系统与定位和通信功能组合在一起是今后发展

的重点，有很大的城市潜力。今后的发展应该是

各政府部门系统信息的共享和兼容，以避免重复

采集信息，浪费资源，还要定期更新数据以保证

信息的现势性。

L变形监测理论和方法的发展

・变形监测是一项跨学科的研究，它是研究变形信

息的获取、分析和解释，以及预报变形的理论和

方法。

・变形观测的特点是变形观测量小，且数据带有误

差。

・变形分析包括