工程測量原理與方法

1、第二講 工程測量學(xué)的原理、方法和技術(shù) Theory,way,technology of engineering surveying 主要內(nèi)容：觀測量和測量定位原理、地面測量方法和技術(shù)、專用測量方法與 技術(shù)、空間測量方法與技術(shù)。 難 點(diǎn)：專用測量方法與技術(shù)、空間測量方法與技術(shù) 21 概述 工程測量學(xué)與大地測量學(xué)、攝影測量與遙感學(xué)、地圖制圖學(xué)海洋測繪和 測繪儀器學(xué)一樣，是現(xiàn)代測繪學(xué)的分支學(xué)科。它即遵循測繪學(xué)的基本原理、 方法和技術(shù)，又為了解決工程和工程建設(shè)中的測繪技術(shù)問題，工程測量學(xué)也 形成了具有自身特點(diǎn)的原理、 方法和技術(shù)， 以及各種專用和通用的測量儀器。 22 觀測量和測量定位原理 221 工

2、程測量中的觀測量 工程測量的實(shí)質(zhì)是： 1 通過各種觀測量確定客觀物體上的特征點(diǎn)在某一坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) （平 面位置與高程即X, 丫，H）及其隨時(shí)間的變化。 2根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)（X, Y, Z）通過各種觀測量將設(shè)計(jì)實(shí)體放樣到實(shí)地。 觀測量： 1 角度（方向）觀測量 角度觀測量又分水平角和垂直角 （高度角） 或天頂距 （觀測方向線與鉛垂 線間的夾角） 所用儀器：經(jīng)緯儀、全站儀 2 距離觀測量 兩點(diǎn)間的平距、斜距,一點(diǎn)到直線的距離,一點(diǎn)到平面的距離。 所用儀器：鋼尺、皮尺、銦瓦線尺（叫丈量法或機(jī)械法） 經(jīng)緯儀、視距儀（叫視距法或視差法） 測距儀、全站儀（叫物理測距法） GPS 全球定位系統(tǒng)（偽距法）

3、3 高差觀測量 兩點(diǎn)正常高程之差 所用儀器：鋼尺、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀、液體靜力水準(zhǔn)測量（用于工 程變形測量） 4 方位角觀測量 地面上某一方向線與真北方向的夾角（真方位角） 所用儀器：陀螺儀（用于礦山、鐵路與公路隧道及城市地鐵隧道中） 222 工程測量中測量定位原理 工程測量的任務(wù)：測量、測設(shè)或放樣 工程測量中所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)： 1 平面高斯克呂格平面直角坐標(biāo)系或獨(dú)立平面直角坐標(biāo)系 2 高程正常高系統(tǒng) 測量定位原理： 1 高差與高程的測定 不論進(jìn)行水準(zhǔn)測量還是利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程放樣,均是利用水平視線測定兩 Hab=a-b 如A點(diǎn)的高程已知，貝U B點(diǎn) 的高程為： H ab H AhAB 對(duì)

4、于三角高程測量中 的高差計(jì)算: habhi2So tan 2 . 12 CS ii v2 So :為兩點(diǎn)之間的實(shí)測水平距離, 12 :為P、N兩點(diǎn)間的垂直角, 分別為儀器高和站標(biāo)高，C為球氣差系數(shù)，有： 1 k C 其中K為大氣垂直折射系數(shù)，R為參考橢球面上弧 2R 率半徑。 AB，的曲 也可以將So化算為高斯投影面上的長度 d進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于對(duì)向觀測，還 可以用下式進(jìn)行計(jì)算: h 1(ii Vi) 1 . 22V2 )h12 y m 示)？h h12 式中： h d (R tan( 12 21) 2 Hm :為A、B兩點(diǎn)的平均大地高, ym :為a、B兩點(diǎn)到中央子午線的平均橫坐標(biāo)。 2點(diǎn)的平面

5、直角坐標(biāo)的測定 目前比較常用的確定點(diǎn)位的方法有極坐標(biāo)法、測角前方交會(huì)法。 極坐標(biāo)法的原理如下： B兩點(diǎn)，求P點(diǎn)的坐標(biāo) A、 已知: Xp Yp Xb Yb S COS BP S SIN BP BA Xp Yp Xb Yb S COS S SIN BA BA arcta n-B Xb Xa B為已知點(diǎn)，P點(diǎn)為待定點(diǎn), B和S分別為水平角和水平距離，加上 各種改正計(jì)算得到。 當(dāng)用于放樣時(shí)過程相反：P點(diǎn)的坐標(biāo)已知，通過坐標(biāo)反算可求取 AP的邊 長、AB和 AP的方位角，從而得到放樣元素a和 Sap : AB AP Sap(Xb Xa)2 (Yb Ya)2 通過放樣元素在實(shí)地上標(biāo)定出 P點(diǎn) 測角前方交

6、會(huì)的原理：a、B為觀測角，P點(diǎn)為待定點(diǎn)(如圖) X a COt Xb cot(Yb Ya) x p cot cot Yp Ya COtYb COt (Xb Xa) cot cot 2點(diǎn)的空間三維直角坐標(biāo)的測定 在工業(yè)測量中，如圖所示的坐標(biāo)系，待定點(diǎn) 方交會(huì)法，按下式計(jì)算： P的三維空間直角坐標(biāo)采用前 sin( i2) sin 2 sin 1 sin( i2) 乙Z2 2 Z2L sin sin( 1 sin 2 tan 1 sin( i 2) 2 tan 2 tan 12 2 ) 1、2和1、2為在A、B兩點(diǎn)上架設(shè)儀器所測的P點(diǎn)的水平角 和垂直角，L為兩臺(tái)儀器間的水平距離，12為兩臺(tái)儀器間的垂

7、直角 儀器實(shí)測的是方向值A(chǔ)P和rBp，設(shè)兩臺(tái)儀器間的方向值為AP和rBA 則有： 1 rABrAP 2 rBPrBA 我們把確定初始參數(shù) 呢、心、12和L的值稱為系統(tǒng)定向。設(shè)兩臺(tái) 儀器間的高差為：H12 L tan 12 其中：L:用基準(zhǔn)尺進(jìn)行丈量得到 因此，系統(tǒng)定向主要為確定參數(shù)：B、Sa 2. 3通用的地面測量方法和技術(shù) 2. 3. 1經(jīng)典的地面測量方法與技術(shù) 一、角度與方向測量 1、光學(xué)經(jīng)緯儀測角 光學(xué)經(jīng)緯儀是一種普通的測角儀器，在控制測量中用于各種等級(jí)的測角 網(wǎng)、邊角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)等，在工程測量規(guī)范中按測角精度分為DJ1、DJ2、DJ6 幾種型號(hào)，比較典型的儀器為T2、T3。 2、陀螺經(jīng)緯

8、儀定向 、三北方向及其之間的關(guān)系 圖中： C表示儀器常數(shù) 0子午線收斂角 Ao精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊的地理方位角 0地面精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊的坐標(biāo)方位角 T陀螺方位角 C子午線收斂角 A 井下定向邊的地理方位角 井下定向邊的坐標(biāo)方位角 T陀螺方位角 、陀螺經(jīng)緯儀的定向作業(yè)過程 、在地面已知邊上測定儀器常數(shù) 儀器常數(shù)：通常陀螺經(jīng)緯儀軸的穩(wěn)定位置不與地理子午線重合， 二者的夾角稱為儀器常數(shù)。 將儀器安置在已知邊上通 過測定陀螺方位角 T 來求算儀器常數(shù) A0T 、在井下定向邊上測定陀螺方位角 井下定向邊的長度應(yīng)大于 30米，將儀器安置在 C 測定 T 、儀器上井后重新測定儀器常數(shù) 、求算子午線收斂角

9、 般地面精密導(dǎo)線邊或三角網(wǎng)邊已知的是坐標(biāo)方位角 0 ，需 要求算的井下定向邊，也是要求出其坐標(biāo)方位角 ，而不是地理 方位角A,因此，需要求算子午線收斂角。 A0 00 0 當(dāng)儀器所在點(diǎn)在中央子午線以東為正，以西為負(fù)，其值 可根據(jù)安置儀器點(diǎn)的高斯平面坐標(biāo)求算： K y 式中： 以分為單位 K Y 系數(shù)，以縱坐標(biāo)x（以公里計(jì)）為引數(shù)由表中查, 點(diǎn)的橫坐標(biāo)， KM 、求算井下定向邊的坐標(biāo)方位角 A0 T 0 0 T 井下定向邊的坐標(biāo)方位角為： A T平 因此： 0TT 0 為地面和井下安置儀器地點(diǎn)的子午線收斂角的差 數(shù)，可用下式計(jì)算： y0 y 式中： 單位為秒； 32.23tg（為當(dāng)?shù)鼐暥龋诘孛?/p>

10、和井下點(diǎn)的距離不 超過10公里，緯度不超過60度是采用） y。和y是地面和井下定向點(diǎn)的橫坐標(biāo)。 、長度測量 1、機(jī)械法 包括銦瓦線尺懸空丈量法、皮尺和鋼尺量距 2、視距法 利用視距裝置由上下絲進(jìn)行間接測距的方法。 3、電磁波測距 電磁波測距包括：脈沖式光波測距、相位式光波測距、微波測距三種。 其中相位測距使用最廣。其測距公式為： 1 Co 4 f n 式中：Co為真空中的光速，f 為調(diào)制頻率，n為大氣折射率，為相位值，K為儀 器常數(shù)。 測距誤差分：固定誤差（與測距無關(guān)），比例誤差（與距離成比例）。 大氣折射誤差和相位測定誤差是測距的主要誤差。降 低相位誤差是提高調(diào)制信號(hào)頻率，降低大氣折射誤差

11、是通過測定沿光路的氣象元素（溫度、氣壓、濕度）， 所以對(duì)于一臺(tái)儀器影響測距精度最大的是大氣折射率 誤差。 三、高程測量 1、光學(xué)幾何水準(zhǔn)測量 幾何水準(zhǔn)由于其勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，迄今仍是高程控 制和高程傳遞的基本方法。在工程測量中，主要采用國家基準(zhǔn)和等級(jí) 水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程聯(lián)測點(diǎn)。目前采用的儀器按每公里往返平均高差中誤 差大小分為：S05 S1、S3 S10。 2、電磁波測距三角高程 目前，在丘陵、山區(qū)電磁波測距三角高程可代替三、四等水準(zhǔn)測 量。由于折射系數(shù)誤差對(duì)高程測定影響隨邊長的平方增長，因此， 測距邊長應(yīng)受到相應(yīng)的限制，當(dāng)視線長 200米時(shí)精度可達(dá)到一、二 等，代替三、四等水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的視

12、線長分別為 700米和2100米。實(shí)際 工作中為了提咼精度除進(jìn)行對(duì)向觀測外有時(shí)有意抬咼站標(biāo)咼。 四、近景攝影測量 （略） 2. 3. 2現(xiàn)代地面測量方法與技術(shù) 二、電子全站儀 （略） 三、測量機(jī)器人（Georobot） 測量機(jī)器人俗稱自動(dòng)尋標(biāo)電子全站儀， 測量機(jī)器人系統(tǒng)包括：坐標(biāo)參 考系，操作系統(tǒng)，激勵(lì)器，計(jì)算機(jī)和控制器，閉路控制傳感器，決定 制作，目標(biāo)捕獲和集成傳感器。 實(shí)現(xiàn)了地面測量的作業(yè)自動(dòng)化， 代替 了人照準(zhǔn)和讀數(shù)。其作業(yè)方式有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。 主動(dòng)式作業(yè)方式：從鏡站發(fā)射信號(hào)用以遙控指揮儀器進(jìn)行照準(zhǔn)讀數(shù)。 測量數(shù)據(jù)通過無線電線通信在鏡站顯示， 可用于大 比例尺測圖和施工放樣，其測程

13、在數(shù)百米以內(nèi)。 被動(dòng)式作業(yè)方式：在鏡站發(fā)射信號(hào)，需要在測站上進(jìn)行一次初始測量， 機(jī)器人具有自學(xué)功能， 自后的重復(fù)測量由完全儀器 自動(dòng)完成，這種模式主要用于具有許多目標(biāo)的變形 監(jiān)測及大型工程的施工放樣測量。 自動(dòng)跟蹤功能：用于水下地形測量中的平面位置測量， 三維工業(yè)測量。 四、電子水準(zhǔn)儀 電子水準(zhǔn)儀是通過對(duì)標(biāo)尺的圖象經(jīng)過一段空氣在望遠(yuǎn)鏡像平面 處CCD車列上編碼經(jīng)過運(yùn)算得到數(shù)字讀數(shù)，同時(shí)具有記錄、檢核、傳 輸、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理功能。 24 專用測量方法 工程測量的專用測量方法和技術(shù)集中反映在儀器上，主要用于精密工程 測量、三維工業(yè)測量和工程建筑物的變形監(jiān)測。包括精密測角、距離、高程、 傾斜、基準(zhǔn)線

14、（偏距） 、定位測量、精密投點(diǎn)。主要特點(diǎn)是高精度、自動(dòng)化、 遙測、持續(xù)觀測。 一、精密角度測量 精密角度測量主要采用的是精密光學(xué)經(jīng)緯儀、精密電子經(jīng)緯儀和精 密陀螺經(jīng)緯儀（測定某一方向線與真北方向之間的水平角） 。目前電子經(jīng) 緯儀的測角精度已達(dá)到測角的極限精度 0。5 秒。電子經(jīng)緯儀采用光電側(cè) 角法，又分編碼法、動(dòng)態(tài)法和增量法，前兩種屬于絕對(duì)法，后一種屬于 相對(duì)法。測角分粗測和精測兩步，因?yàn)?，光電測角消除了讀數(shù)誤差、度 盤偏心誤差和刻劃誤差，所以，其測角精度主要由對(duì)中誤差、照準(zhǔn)誤差 和外界大氣條件的影響。 常見的有：用于飛機(jī)、輪船、汽車外形測量（兩臺(tái)儀器空間交會(huì)） 用于滑坡監(jiān)測 用于大型特種工程

15、施工測量 二、精密距離測量 主要采用機(jī)械法和光電法。機(jī)械法包括各種定長桿尺和定長銦瓦線 尺配合測微裝置組成的量測儀和測量距離變化的應(yīng)變儀、伸縮儀。光電 法分為干涉法和相位法。 精密測距按測程分為中長距離（數(shù)十公里） 、短距離（ 10 米）和微距 離（毫米至米）。 三、精密水準(zhǔn)測量 精密水準(zhǔn)測量的專用測量方法和技術(shù)主要是微水準(zhǔn)測量、激光掃平 水準(zhǔn)測量和液體靜力水準(zhǔn)測量。前兩種采用專用的微型水準(zhǔn)尺和激光水 準(zhǔn)儀，后者采用連通管原理，通過傳感器測量液面密度來獲取測點(diǎn)高程。 1、微水準(zhǔn)測量 微水準(zhǔn)測量：采用短視線的觀測方法。 原因：精密水準(zhǔn)測量的主要誤差來源有： 照準(zhǔn)誤差和讀數(shù)誤差，儀器 檢校后的剩余

16、誤差，溫度變化對(duì)儀器和標(biāo)尺的影響，標(biāo)尺分化劃誤差 和標(biāo)尺彎曲，標(biāo)尺底面不水平，在觀測過程中儀器和標(biāo)尺下沉、 視場 影象跳動(dòng)和折光影響，對(duì)大范圍水準(zhǔn)測量，重力、潮汐和地殼運(yùn)動(dòng)的 影響，對(duì)于自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，還應(yīng)顧及磁場的影響。減短視線是克服 上述誤差的有效途徑。 2、液體靜力水準(zhǔn)測量 根據(jù)連通原理，將兩個(gè)或多個(gè)容器連接起來，液面狀態(tài)可由貝努 利方程描述： P gH c 或 R1g1H1P2 2 g2 H 2 式中：P為作用在液面上的大氣壓力，p為液體的密度，g為 重力加速度，H為液面高度，C為常數(shù) 如圖: 將C1、C2置于A、B兩點(diǎn)上，容器分別用水管和氣管連接，當(dāng)容器 處于封閉狀態(tài)時(shí)，P不變。當(dāng)采用同一種液體，p、 g相等，當(dāng)各容器液 面處于平衡狀態(tài)時(shí)，有：ga g b h b為液面讀數(shù)，h為零點(diǎn)間的高差，即 h a b 目前測定液面高度的方法： 、目視法 、電子傳感器法（精度能達(dá)到 0.01m m的瞬時(shí)變化） 四、傾斜測量 傾斜測量又稱撓度曲線測量，是確定被測對(duì)象（如橋、塔）在豎直 平面內(nèi)相對(duì)于水平基準(zhǔn)線（面）或鉛直基準(zhǔn)線（面）的撓度曲線。 五、精密基準(zhǔn)測量 精密基準(zhǔn)測量又稱精密準(zhǔn)直測量，是直線型設(shè)備精密安裝或水平位 移精密測量的一種方法。基本原理是在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間通過光學(xué)視準(zhǔn)線 或機(jī)械引張線或激光束建立一條基準(zhǔn)線，測出設(shè)備上的觀測點(diǎn)偏離該基 準(zhǔn)線的