工程測量的任務(wù)及作用

1、工程測量的任務(wù)及作用一、工程測量的定義工程測量是研究地球的形狀、大小以及地表(包括地面、地下、海底和空間物體）的幾何形狀及其空間位置的科學(xué)。為人類了解自然、認(rèn)識(shí)自然和能動(dòng)地改造自然服務(wù)2、 工程測量的內(nèi)容(任務(wù)) 測定(location)：是指按照一定方法，使用測量儀器和工具，通過測量和計(jì)算確定地面點(diǎn)的位置（三維坐標(biāo)），或把地球表面的形狀測繪成地形圖（數(shù)字或紙質(zhì)地形圖）。 這些資料可供經(jīng)濟(jì)建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和國防建設(shè)使用，是認(rèn)識(shí)自然的過程。 測設(shè)(setting-out)（又稱放樣）是指通過測量把圖紙上設(shè)計(jì)好的建筑物或構(gòu)筑物（數(shù)據(jù)）標(biāo)定于實(shí)地。作為施工的依據(jù);這是改造自然的過程。三、工程

2、測量分類主要分支學(xué)科 大地工程測量:Geodesy(GeodeticSurveying)地形工程測量(普通工程測量):Topographicsurveying攝影工程測量:Photogrammetry海洋工程測量：MarineSurveying工程測量:EngineeringSurveying地圖制圖學(xué):Cartography測量在工程建設(shè)中的作用工程測量是運(yùn)用工程測量的基本原理和方法為各類建筑工程服務(wù)。白紙測圖數(shù)字測圖 現(xiàn)代科技條件下的測量科學(xué) 主要貢獻(xiàn)有激光紅外測 距、衛(wèi)星全天候定位（GPSGlobalPositioningSystem）、攝影與遙感、數(shù)字化測量技術(shù)及現(xiàn)代平差等。 現(xiàn)代科技

3、條件下的測繪學(xué)，是對(duì)地球整體及其表面和外層空間的物體與地理分布有關(guān)信息的采集，并賦予處理、管理、更新等過程的科學(xué)技術(shù)。 測繪學(xué)獲得的數(shù)據(jù)或圖象成為可以儲(chǔ)備、傳播、應(yīng)用的地球空間信息地球空間信息工程學(xué)。第二節(jié)地面點(diǎn)位的表示方法1、 地球的形狀與大小(一)地表狀況： (二)測量工作的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面二、確定地面點(diǎn)位的方法1、地面點(diǎn)的高程2、地面點(diǎn)的坐標(biāo)一、地球的形狀與大小(一)地表狀況：1、地球 (1) 地球是南北極稍扁，赤道稍長，平均半徑約為6371km的橢球. (2) 地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈現(xiàn)高低起伏的形態(tài)， (3) 珠峰8844.43m，馬里亞那海溝11

4、022m其中海洋面積約占71%，陸地面積約占29%. 地球自然形體：是一個(gè)不規(guī)則的幾何體，海洋面積約占地球表面的71%,陸地面積約占29%。2、地球的物理特性(1) 重力與鉛垂線 重力地球上質(zhì)點(diǎn)所受萬有引力與離心力的合力。鉛垂線方向重力方向。(2) 水準(zhǔn)面 自由靜止的水面，稱為水準(zhǔn)面。理想的靜止的封閉曲面即：受重力作用的海水分子呈靜止?fàn)顟B(tài)而形成的重力等位面,重力等位面：物體沿該面運(yùn)動(dòng)時(shí),重力不做功(如水在這個(gè)面上不會(huì)流動(dòng))水準(zhǔn)面的性質(zhì)： 水準(zhǔn)面處處與其相應(yīng)的垂線垂直。潮汐影響，時(shí)刻不同水準(zhǔn)面高度不同。水準(zhǔn)面有無窮個(gè)。 同一水準(zhǔn)面上各點(diǎn)重力位能相等。水平面:與水準(zhǔn)面相切的平面 3）大地水準(zhǔn)面：（

5、是測量工作的基準(zhǔn)面）將平均靜止的海水面穿過島嶼、陸地所形成的閉合曲面。它是特定的重力等位面，它是唯一的。 由于地表起伏以及地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻，使鉛垂線方向產(chǎn)生不規(guī)則變化，故大地水準(zhǔn)面是一個(gè)復(fù)雜的曲面（全球有100多米的高低起伏）4） 大地體： 大地水準(zhǔn)面所包圍的地球?qū)嶓w。代表了地球的形狀和大小。由于其不規(guī)則，無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)。 提出問題：可否用一個(gè)形狀和大小非常接近于大地體，并可用數(shù)學(xué)公式表示的幾何形體來代替地球的形狀3、參考橢球體： 非常接近于大地體，并可用數(shù)學(xué)公式表示的幾何形體（即旋轉(zhuǎn)橢球）來代替地球的形狀。 旋轉(zhuǎn)橢球：它由一個(gè)橢圓NESW繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的形體。在圖1-2中，O

6、是橢球中心，NS是橢球的旋轉(zhuǎn)軸，a是長半軸，b是短半軸。橢球體的形狀和大小：橢球長半軸：a橢球短半軸：b橢球扁率:=a-b/2 參考橢球面：旋轉(zhuǎn)橢球的表面，測量的投影面之一。旋轉(zhuǎn)橢球元素：長半徑a（或短半徑b）和扁率。 我國目前采用的元素值為：長半徑a=6378137m；短半徑b=6356752m，扁率=1:298.257。4、 圓球：當(dāng)測區(qū)范圍不大時(shí)，可近似地把地球橢球作為圓球，其半徑R按下式計(jì)算： R=（2a+b）/3，其近似值為6371km。(2) 測量工作的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面測量工作的基準(zhǔn)線鉛垂線。測量工作的基準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)線法線。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)面參考橢球面。2、

7、確定地面點(diǎn)位的方法 測量工作的中心任務(wù)是：確定地面點(diǎn)的空間位置。（測量工作的實(shí)質(zhì)）點(diǎn)的空間位置：也可用地心空間三維坐標(biāo)表示（地心坐標(biāo)系GPS坐標(biāo)系統(tǒng)）。3、 地面點(diǎn)的空間位置: 可以用點(diǎn)在水準(zhǔn)面或水平面上的位置（X，Y）及點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離高程（H）來確定。如地面點(diǎn)：A（X，Y，H） 測量工作的基本任務(wù)：確定地面點(diǎn)在規(guī)定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（X，Y，H）。 1、 地面點(diǎn)的高程地面點(diǎn)的高程：地面點(diǎn)沿鉛垂方向到基準(zhǔn)面的距離。注：地面點(diǎn)在基準(zhǔn)面以上，H為正；地面點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面以下，H為負(fù)。 如圖： 絕對(duì)高程（海拔）：某點(diǎn)沿鉛垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離。如：相對(duì)高程：某點(diǎn)沿鉛垂線方向到任意水準(zhǔn)面Ha

8、Hc 的距離。如：(1-328.2)高差：地面上兩點(diǎn)高程之差。如：(1-328.3)(1-328.4)當(dāng)hCA為正時(shí)，C點(diǎn)低于A點(diǎn)；當(dāng)hCA為負(fù)時(shí)，C 點(diǎn)高于A點(diǎn)； 兩點(diǎn)的絕對(duì)高程之差與相對(duì)高程之差相等。 國家高程基準(zhǔn)1.1956年黃海高程系統(tǒng)（1959年全國統(tǒng)一采用） 我國以青島驗(yàn)潮站1950年至1956年7年間的驗(yàn)潮資料推求的黃海平均海水面作為我國的高程基準(zhǔn)面叫“1956年黃海平均高程面”。以此建立的高程系叫“1956黃海高程系”。其水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為：72.289m； 2.1985國家高程基準(zhǔn)：88年開始采用(目前我國統(tǒng)一采用) 海洋潮汐長期變化周期為18.6年，根 據(jù)青島驗(yàn)潮站195219

9、79年中取19年的驗(yàn)潮資料推求的黃海平均海水面作為全國高程基準(zhǔn)面稱為1985國家高程基準(zhǔn)。水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程為：72.260m。水準(zhǔn)原點(diǎn)：為了維護(hù)平均海水面的高程，必須設(shè)立與驗(yàn)潮站相聯(lián)系的水準(zhǔn)點(diǎn)作為高程起算點(diǎn)，這個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)叫水準(zhǔn)原點(diǎn)。水準(zhǔn)原點(diǎn)是全國高程的起算點(diǎn);建在青島市觀象山.珠穆朗瑪峰的高程測量 2005年5月我國再次對(duì)珠穆朗瑪峰的高程進(jìn)行了精確測定,算得從我國以1985 年黃海平均海面起算的珠峰峰頂巖石面的高程為：8844.43米,誤差正負(fù)0.21米,雪層厚度3.51米。2、 地面點(diǎn)的坐標(biāo) 地面點(diǎn)的坐標(biāo)常用地理坐標(biāo)、平面直角坐標(biāo)或空間直角坐標(biāo)表示。1.地理坐標(biāo) (球面坐標(biāo);在地球橢球面上確定點(diǎn)

10、位) 以參考橢球面為基準(zhǔn)面，以橢球面法線為基準(zhǔn)線建立的坐標(biāo)系。地球表面任意一點(diǎn)的經(jīng)度和緯度，稱為該點(diǎn)的地理坐標(biāo)，可表示為A(L,B) 。如： 橢球上的基本概念 地軸：地球的自轉(zhuǎn)軸(NS)，N為北極，S為南極。子午面：過地球某點(diǎn)與地軸所組成的平面。起始子午面：通過英國格林尼治天文臺(tái)的子午面NGS。 子午線：子午面與地球面的交線，又叫經(jīng)線。緯線：垂直于地軸的平面與地球面的交線。赤道平面：垂直于地軸并通過地球中心的平面WME。 赤道：赤道平面與地球面的交線。 大地經(jīng)度：過P點(diǎn)的子午面NPS與首子午面NMS所構(gòu)成的二面角叫做P點(diǎn)的大地經(jīng)度，用L表示。大地緯度：過P點(diǎn)的法線Pn與赤道面的夾角叫做P點(diǎn)的大

11、地緯度，用B表示。 L 取值范圍： B 取值范圍： 大地原點(diǎn)：全國統(tǒng)一坐標(biāo)的起算點(diǎn)。我國大地原點(diǎn):位于陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。 我國統(tǒng)一采用的坐標(biāo)系為“1980年國家坐標(biāo)系”。1980年國家大地坐標(biāo)系： 選擇陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)某點(diǎn)為大地原點(diǎn)，進(jìn)行了大地定位。由此而建立起來全國統(tǒng)一坐標(biāo)系。2.平面直角坐標(biāo) 由于地理坐標(biāo)是球面坐標(biāo)，在工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、 施工中，測量和計(jì)算十分不便。 投影：將球面坐標(biāo)按一定的數(shù)學(xué)法則歸算到平面上 即 我國采用高斯平面直角坐標(biāo)，小地區(qū)范圍內(nèi)也可采用獨(dú)立平面直角坐標(biāo)。高斯平面直角坐標(biāo)系適用于：測區(qū)范圍較大，不能將測區(qū)曲面當(dāng)作平面看待。1、高斯投影的概念高斯投影是一種等角投影

12、。它是由德國數(shù)學(xué)家高斯(Gauss，17771855)提出， 后經(jīng)德國大地工程測量家克呂格(Kruger，18571923)加以補(bǔ)充完善，故又稱“高斯克呂格投影”，簡稱“高斯投影”。測量對(duì)地圖投影的要求： 測量中大量的角度觀測元素，在投影前后保持不變，這樣免除了大量投影計(jì)算工作；保證在有限范圍內(nèi)使得地圖上圖形同橢球上原形保持相似，給識(shí)圖用圖帶來很大方便。 投影能方便的按分帶進(jìn)行，并能用簡單的、統(tǒng)一的計(jì)算公式把各帶連成整體。2、高斯投影的原理 按經(jīng)差?L分帶（、）邊緣子午線（NAS、NCS）中央子午線（NBS） 高斯投影采用分帶投影。將橢球面按一定經(jīng)差分帶，分別進(jìn)行投影。 3、 高斯投影的特性

13、（1）中央子午線投影后為直線,且長度不變. （2）除中央子午線外,其余子午線的投影均為凹向中央子午線的曲線,并以中央子午線為對(duì)稱軸,投影后有長度變形.（3）赤道線投影后為直線,但有長度變形 （4）除赤道外的其余緯線，投影后為凸向赤道的曲線，并以赤道為對(duì)稱軸。（5）經(jīng)線與緯線投影后仍然保持正交。 （6）所有長度變形的線段，其長度變形比均大于l。（7）離中央子午線愈遠(yuǎn)，長度變形愈大。 4、 投影帶的劃分 我國規(guī)定按經(jīng)差6度和3度進(jìn)行投影分帶。 6度帶自首子午線開始，按6度的經(jīng)差自西向東分成60個(gè)帶。3度帶自1.5度開始，按3度的經(jīng)差自西向東分成120個(gè)帶。60帶與30帶中央子午線之間的關(guān)系: 33

14、0帶的中央子午線與60帶中央子午線及分帶子午線重合，減少了換帶計(jì)算。 工程測量采用30帶，特殊工程可采用1.50帶或任意帶。 2）已知帶號(hào)求中央子午線經(jīng)度：60帶：各帶中央子午線經(jīng)度與帶號(hào)的關(guān)系是：L0=6oN3o（N為6o帶的帶號(hào)）例：20帶中央子午線的經(jīng)度為：L。6o×203o117o 3o帶：各帶中央子午線經(jīng)度與帶號(hào)的關(guān)系是： L。=3on（n為3o帶的帶號(hào)） 例：120帶中央子午線的經(jīng)度為：L。3o×120360o3）已知某點(diǎn)的經(jīng)度求帶號(hào)： 若已知某點(diǎn)的經(jīng)度為L，則該點(diǎn)的6o帶的帶號(hào)N由下式計(jì)算：NL/6（取整）+1 若已知某點(diǎn)的經(jīng)度為L，則該點(diǎn)所在3o帶的帶號(hào)按下

15、式計(jì)算：nL/3（四舍五入） 例：已知某點(diǎn)的大地經(jīng)度為123o36'，則該點(diǎn)各在6o帶和3o帶的哪一帶？ 我國領(lǐng)地在大地坐標(biāo)系中的經(jīng)度位置約為：74°135°六度帶編號(hào)N(我國領(lǐng)土):在1323之間。（12個(gè)帶）三度帶編號(hào)n(我國領(lǐng)土):在2545之間。（21個(gè)帶）5、高斯平面直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系的建立： x軸中央子午線的投影X軸向北為正y軸赤道的投影，y軸向東為正原點(diǎn)O兩軸的交點(diǎn) 象限：按順時(shí)針順序、排列。由于我國的位于北半球，東西橫跨12個(gè)6o帶，各帶又獨(dú)自構(gòu)成直角坐標(biāo)系。故：X值均為正，而Y值則有正有負(fù)。高斯平面直角坐標(biāo)表示地面點(diǎn)位置1）國家統(tǒng)一坐標(biāo)兩點(diǎn)規(guī)定： 為

16、避免Y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，規(guī)定：把坐標(biāo)縱軸向西平移500km； 為區(qū)別不同投影帶的點(diǎn)位，規(guī)定：橫坐標(biāo)值（y）前冠以帶號(hào)（兩位數(shù)）。為了避免Y坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值，規(guī)定把坐標(biāo)縱軸向西平移500km，以便使中央子午線以西的投影帶上的Y坐標(biāo)都為正值。國家統(tǒng)一坐標(biāo)橫坐標(biāo)值前冠以帶號(hào) 高斯平面直角坐標(biāo)系與數(shù)學(xué)上的笛卡爾平面直角坐標(biāo)系的異同點(diǎn)：不同點(diǎn)： 1、x，y軸互換。2、 坐標(biāo)象限不同。 3、 3、表示直線方向的角度定義不同。 相同點(diǎn)：數(shù)學(xué)計(jì)算公式相同。獨(dú)立平面直角坐標(biāo)適用于：測區(qū)范圍較小，可將測區(qū)曲面當(dāng)作平面看待。 投影面：用測區(qū)中心點(diǎn)a的切平面作為投影平面（圖1-5）地面點(diǎn)的位置可用平面直角坐標(biāo)確定；獨(dú)立平面直

17、角坐標(biāo)規(guī)定： 原點(diǎn)坐標(biāo)值可以假定，也可以采用高斯平面直角坐標(biāo)；規(guī)定：X軸向北為正，Y軸向東為正。 象限：按順時(shí)針方向編號(hào)，x軸與y軸互換，所用數(shù)學(xué)公式與數(shù)學(xué)平面直角坐標(biāo)系相同。與高斯坐標(biāo)和數(shù)學(xué)坐標(biāo)的異同點(diǎn)相同。 （1） 地心空間直角坐標(biāo)如左圖所示：原點(diǎn)O地球質(zhì)心Z軸指向地球北極 X軸指向首子午面與赤道的交點(diǎn)Y軸過O點(diǎn)與XOZ面垂直如：A（XAYAZA) 我國GPS定位使用WGS-84坐標(biāo)系即為空間直角坐標(biāo)系（又稱地心坐標(biāo)系） 地面點(diǎn)在投影面上的坐標(biāo)（小結(jié)）地面點(diǎn)的常用坐標(biāo) (一)地理坐標(biāo)A(L、B)(二)平面直角坐標(biāo)A（X、Y）高斯平面直角坐標(biāo)系獨(dú)立平面直角坐標(biāo) （三）地心空間直角坐標(biāo)A（X、

18、Y、Z）一講問題解答 1、工程測量的研究對(duì)象： 研究地球的形狀、大小以及地表的幾何形狀及其空間位置的科學(xué)。2、測定與測設(shè)的定義 3、大地水準(zhǔn)面的定義： 將平均靜止的海水面穿過島嶼、陸地所形成的閉合曲面。它是特定的重力等位面，它是唯一的。測量工作的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面:測量工作的基準(zhǔn)線鉛垂線。測量工作的基準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)線法線。測量內(nèi)業(yè)計(jì)算的基準(zhǔn)面參考橢球面。 4、何謂絕對(duì)高程、相對(duì)高程兩點(diǎn)的絕對(duì)高程之差與相對(duì)高程之差是否相等。絕對(duì)高程（海拔）：某點(diǎn)沿鉛垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離。如：HA、HC 相對(duì)高程：某點(diǎn)沿鉛垂線方向到任意(假定)水準(zhǔn)面的距離。如：H'A、H'C

19、高差：地面上兩點(diǎn)高程之差。 如：hCA=HA-HCh'CA=H'A-H'C兩點(diǎn)的絕對(duì)高程之差與相對(duì)高程之差相等。5、測量工作中所用的平面直角坐標(biāo)與數(shù)學(xué)的異同點(diǎn)不同點(diǎn)： 1、測量x，y軸互換：X軸向北為正，Y軸向東為正。2、坐標(biāo)象限不同：測量按順時(shí)針方向編號(hào)。3、表示直線方向的角度定義不同。相同點(diǎn)：數(shù)學(xué)計(jì)算公式相同。第三節(jié)水平面代替水準(zhǔn)面的限度 一、對(duì)距離的影響 當(dāng)測區(qū)范圍較小時(shí)，可以將大地水準(zhǔn)面近似當(dāng)作水平面看待。 取前兩項(xiàng)，代入上式，考慮=D/R，則用水平面 代替水準(zhǔn)面所引起的距離差異： 結(jié)論：在半徑為10km的圓內(nèi)的距離，可用切平面代替大地水準(zhǔn)面。二、對(duì)高程的影響

20、從表中可以看出，用水平面代替水準(zhǔn)面對(duì)高程的影響是很大的： 距離為1km時(shí),就有80mm的高程誤差，這是不能允許的。距離為100m,有8mm的高程誤差.普通工程水準(zhǔn)儀DS3測量高差的誤差為± 3mm/km結(jié)論：對(duì)高程而言，大地水準(zhǔn)面不能用切平面代替。 第四節(jié)測量工作概述 1、 基本概念 地物：地面上的物體如河流、道路、房屋等。 地貌：地面高低起伏的形態(tài)如：山嶺、山谷、陡崖等。 地形：狹義而言是地面的高低起伏，廣義來講是地物和地貌的總稱。地物、地貌的特征點(diǎn)（碎部點(diǎn)）：能反映地物、地貌特征的點(diǎn)。碎部測量：測量碎部點(diǎn)坐標(biāo)的方法與過程.(分為：測圖與測設(shè) ) 地形圖測量過程： 先精確地測量出少

21、數(shù)點(diǎn)的位置(1、26)這些點(diǎn)在測區(qū)中構(gòu)成一個(gè)骨架，起著控制的作用，可以將它們稱為控制點(diǎn)，測量控制點(diǎn)的工作稱為控制測量。 然后以控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，測量它周圍的地形，也就是測量每一控制點(diǎn)（如1）周圍各地形特征點(diǎn)的位置（M、N、O），這一工作稱為碎部測量。 測設(shè)過程： 設(shè)下圖是圖1-14已測繪出來的地形圖。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在圖紙上設(shè)計(jì)出了P、Q、R三幢建筑物，可用極坐標(biāo)法將它們的位置標(biāo)定到實(shí)地。測量工作的程序和原則 因?yàn)闇y定、測設(shè)都是在控制點(diǎn)上進(jìn)行的測量工作程序：“從整體到局部，先控制后碎部” （可以減少誤差積累，保證測圖精度，還可以分幅測繪，加快測圖進(jìn)度）測量規(guī)范規(guī)定： 測量控制網(wǎng)必須“由高級(jí)向低級(jí)”分級(jí)布設(shè)，即：高精度控制低精度。測量工作原則： “從整體到局部”、“先控制后碎部”“高精度控制低精度”前一步工作未作檢核，不進(jìn)行下一步工作“步步有檢核”優(yōu)點(diǎn)：減少誤差積累；避免錯(cuò)誤發(fā)生；提高工作效率。三、測量的基本工作 測量工作的實(shí)質(zhì)：確定地面點(diǎn)的位置1、確定地面點(diǎn)位的三要素（常規(guī)測量）：待定點(diǎn)的坐標(biāo)和高程一般不是直接測定的。如圖：1、2為已知