第五章 工程測量學 (1)

1、海洋科學學院海洋信息工程系海洋科學學院海洋信息工程系涂辛茹涂辛茹 博士博士本章內(nèi)容什麼是工程測量？什麼是工程測量？一個例子什么什么 是是 工程工程 測量測量 ？ 以以 隧道隧道 工程工程 為例為例什么什么 是是 工程工程 測量測量 ？ 以以 隧道隧道 工程工程 為例為例 1.1.歷史悠久歷史悠久 公元前二十七世紀建設的埃及大金字塔公元前二十七世紀建設的埃及大金字塔 我國早在二千多年前的夏商時代夏禹治水我國早在二千多年前的夏商時代夏禹治水 秦代李冰父子領導修建的都江堰水利樞紐工程秦代李冰父子領導修建的都江堰水利樞紐工程 北宋時沈括治理汴渠北宋時沈括治理汴渠 馬王堆漢墓出土的地圖（地形圖、駐軍圖和

2、城邑圖）馬王堆漢墓出土的地圖（地形圖、駐軍圖和城邑圖） 公元前十四世紀幼發(fā)拉底河與尼羅河流域土地邊界的劃分測量公元前十四世紀幼發(fā)拉底河與尼羅河流域土地邊界的劃分測量 我國的地籍管理和土地測量我國的地籍管理和土地測量 四大發(fā)明之一的指南針有二千多年歷史，對礦山測量等勘測的貢獻四大發(fā)明之一的指南針有二千多年歷史，對礦山測量等勘測的貢獻 戰(zhàn)爭的促進：著名的軍用道路戰(zhàn)爭的促進：著名的軍用道路 戰(zhàn)國時期秦始皇修建的千八百里戰(zhàn)國時期秦始皇修建的千八百里直道直道 古羅馬構筑的兵道古羅馬構筑的兵道 218218年歐洲修建的通向意大利的年歐洲修建的通向意大利的“漢尼撥通道漢尼撥通道” 萬里長城萬里長城 2.2.

3、近現(xiàn)代大發(fā)展近現(xiàn)代大發(fā)展 三次技術革命三次技術革命5050年代，大型工程建設的需要年代，大型工程建設的需要6060年代，空間技術的發(fā)展年代，空間技術的發(fā)展7070年代，巨型實驗室年代，巨型實驗室2020世紀末，工程測量的外延和內(nèi)涵不斷擴展世紀末，工程測量的外延和內(nèi)涵不斷擴展測繪學是一個古老而現(xiàn)代的學科l測繪學是高科技學科測繪學是高科技學科 l測繪學屬于信息學科測繪學屬于信息學科 l測繪學有三個國家級重點學科測繪學有三個國家級重點學科 測繪工作是一個普通而廣泛的職業(yè)l德國：巴伐利亞州有德國：巴伐利亞州有8000人在測人在測繪部門工作，全國平均每繪部門工作，全國平均每1000人人中就有一人在測繪部

4、門工作中就有一人在測繪部門工作 l比利時王子洛朗娶的平民美女克比利時王子洛朗娶的平民美女克萊爾萊爾.庫布斯是一名土地測量員庫布斯是一名土地測量員與測繪有關的名人知多少？ l林肯、華盛頓、拿破倫、赫魯曉夫、林肯、華盛頓、拿破倫、赫魯曉夫、勃列日涅夫作過測量員勃列日涅夫作過測量員 l李瑞環(huán)是工民建專業(yè)李瑞環(huán)是工民建專業(yè) l溫家寶是地質(zhì)測量和找礦專業(yè)溫家寶是地質(zhì)測量和找礦專業(yè) 測繪界的院士知多少？ 夏堅白、王之卓、方俊 陳永齡、陳俊勇、劉先林 李德仁、寧津生、劉經(jīng)南 許厚澤、魏子卿、王家耀 王任享、高 俊、張祖勛 許其鳳、葉淑華定義一：定義一：工程測量學是研究各項工程在規(guī)劃設計、施工工程測量學是研究

5、各項工程在規(guī)劃設計、施工建設和運營管理階段所進行的各種測量工作的學科。建設和運營管理階段所進行的各種測量工作的學科。 定義二：定義二：工程測量學主要研究在工程建設各個階段所進工程測量學主要研究在工程建設各個階段所進行的行的地形和有關信息的采集和處理，施工放樣及設備安裝、地形和有關信息的采集和處理，施工放樣及設備安裝、變形監(jiān)測分析和預報等變形監(jiān)測分析和預報等的理論、方法和技術，的理論、方法和技術，以及研究對以及研究對測量和工程有關的信息進行管理和使用的學科。測量和工程有關的信息進行管理和使用的學科。 定義三：定義三：工程測量學是研究地球空間（包括地面、地下、工程測量學是研究地球空間（包括地面、地

6、下、水下、空中）中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體水下、空中）中具體幾何實體的測量描繪和抽象幾何實體的測設實現(xiàn)的理論、方法和技術的一門應用性學科。的測設實現(xiàn)的理論、方法和技術的一門應用性學科。 “廣義工程測量學廣義工程測量學”： 蘇黎世高等工業(yè)大學馬西斯教授指出：蘇黎世高等工業(yè)大學馬西斯教授指出： “一切不屬于地球測量，不屬于國家地圖一切不屬于地球測量，不屬于國家地圖集的集的 陸地測量，和不屬于公務測量的應陸地測量，和不屬于公務測量的應用測量，都屬于工程測量用測量，都屬于工程測量”。 工程測量的任務：工程測量的任務： 為工程建設提供測繪保障，滿足工程各為工程建設提供測繪保障，滿足工程各種需

7、要。種需要。總的來說：總的來說： 以以工程建筑工程建筑為對象的工程測量為對象的工程測量 以以機器和設備機器和設備為對象的工業(yè)測量為對象的工業(yè)測量 技術方法上可分為：技術方法上可分為：普通工程測量普通工程測量精密工程測量精密工程測量按工程建設階段劃分 工程建設工程建設規(guī)劃設計階段規(guī)劃設計階段的測量工作的測量工作 工程建設工程建設施工階段施工階段的測量工作的測量工作 工程建設工程建設運營管理階段運營管理階段的測量工作的測量工作 建筑工程測量 水利工程測量 軍事工程測量 海洋工程測量 地下工程測量 三維工業(yè)測量 鐵路工程測量 公路工程測量 管線工程測量(輸電線路、輸油管道） 橋梁工程測量 隧道工程測

8、量 港口工程測量 城市建設測量 按服務對象劃分 大地測量學大地測量學 （天文大地測量、幾何大地測量、物理大地測（天文大地測量、幾何大地測量、物理大地測量空間大地測量、衛(wèi)星大地測量、海洋大地測量）量空間大地測量、衛(wèi)星大地測量、海洋大地測量） 工程測量學工程測量學 （地形測量、礦山測量、施工放樣、變形監(jiān)測（地形測量、礦山測量、施工放樣、變形監(jiān)測 、不動產(chǎn)地籍與土地管理）不動產(chǎn)地籍與土地管理） 航空攝影測量與遙感學航空攝影測量與遙感學 地圖制圖學地圖制圖學 地理信息系統(tǒng)（工程）地理信息系統(tǒng)（工程） 1 1工程測量中的地形圖測繪工程測量中的地形圖測繪 1:11:1萬至萬至1:101:10萬的國家地形圖

9、系列萬的國家地形圖系列 ；1:20001:20001:50001:5000的局部性的局部性或帶狀地形圖或帶狀地形圖 ； 1:5001:500，1:10001:1000乃至更大比例尺的地形圖、乃至更大比例尺的地形圖、竣工圖或?qū)ｎ}圖竣工圖或?qū)ｎ}圖 ；水下（含江、河、庫、湖、海等）地形測繪；水下（含江、河、庫、湖、海等）地形測繪和各種縱橫斷面圖。和各種縱橫斷面圖。 2 2工程控制網(wǎng)布設及優(yōu)化設計工程控制網(wǎng)布設及優(yōu)化設計 測圖控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)和安裝控制網(wǎng)測圖控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)和安裝控制網(wǎng) 、純測角、純測角網(wǎng)網(wǎng) 、邊角網(wǎng)、導線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、導線網(wǎng)、GPSGPS網(wǎng)。網(wǎng)。 3 3施工

10、放樣技術和方法施工放樣技術和方法 -點、線、面、體的點、線、面、體的 放樣放樣 4 4工程的變形監(jiān)測分析和預報工程的變形監(jiān)測分析和預報-多學科的多學科的 交叉領域交叉領域 5 5工程測量的通用和專用儀器工程測量的通用和專用儀器 經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀、經(jīng)緯儀、水準儀、全站儀、GPSGPS接收機，測方向、角度、距接收機，測方向、角度、距離、高差、坐標差等幾何量；測量機器人；專用儀器離、高差、坐標差等幾何量；測量機器人；專用儀器: : 基基維線測量維線測量/ /準直測量、距離測量、高程測量、傾斜測量、三準直測量、距離測量、高程測量、傾斜測量、三維激光掃瞄儀。維激光掃瞄儀。 6 6工程測量學中的誤差

11、及測量平差理論工程測量學中的誤差及測量平差理論 最小二乘法；穩(wěn)健估計最小二乘法；穩(wěn)健估計p 第一章第一章 緒論緒論 p 第一篇第一篇 工程測量學的基本理論、方法與技術工程測量學的基本理論、方法與技術 p 第二章第二章 工程建設中的測量工作與信息管理工程建設中的測量工作與信息管理 p 第三章第三章 工程控制網(wǎng)布設的理論與方法工程控制網(wǎng)布設的理論與方法 p 第四章第四章 工程測量學的儀器與方法工程測量學的儀器與方法 p 第五章第五章 工程建設中的地形圖測繪工程建設中的地形圖測繪 p 第六章第六章 工程建筑物的施工放樣工程建筑物的施工放樣 p 第七章第七章 工程建筑物的變形監(jiān)測工程建筑物的變形監(jiān)測

12、p 第八章第八章 工業(yè)設備的安裝和檢校測量工業(yè)設備的安裝和檢校測量 p 第二篇第二篇 典型工程的測量和實踐典型工程的測量和實踐 p 第九章第九章 線狀工程測量線狀工程測量 p 第十章第十章 橋梁工程測量第十一章橋梁工程測量第十一章 水利工程測量水利工程測量 p 第十二章第十二章 工業(yè)與民用建筑測量工業(yè)與民用建筑測量 p 第十三章第十三章 地下工程測量地下工程測量 p 第十四章第十四章 大型粒子加速器中的精密測量大型粒子加速器中的精密測量 p 第十五章第十五章 展望展望 大地測量學大地測量學是基礎是基礎 小比例尺的地形圖系列、數(shù)字或電子地圖小比例尺的地形圖系列、數(shù)字或電子地圖地圖制圖學地圖制圖學

13、 中、小小比例尺的地形圖生產(chǎn)中、小小比例尺的地形圖生產(chǎn)航空攝影測量和遙感航空攝影測量和遙感 誤差理論誤差理論、測量平差測量平差、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)理統(tǒng)計 高等數(shù)學高等數(shù)學：級數(shù)、微積分、微分方程：級數(shù)、微積分、微分方程 物理學：電磁波傳播、力學、光學物理學：電磁波傳播、力學、光學 土建工程土建工程、機械工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方、機械工程、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方 面的知識面的知識 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理、圖形圖像處理，建立信息系統(tǒng)以及基于知識的專、圖形圖像處理，建立信息系統(tǒng)以及基于知識的專家系統(tǒng)都離不開計算機科學與技術方面的知識家系統(tǒng)都離不開計算機科學與技術方面的知識 國內(nèi)外的學術交流要

14、有較好的人文管理方面的知識，還要學國內(nèi)外的學術交流要有較好的人文管理方面的知識，還要學一至二門一至二門外語外語，具有較好的聽、說、閱讀理解乃至思維能力，具有較好的聽、說、閱讀理解乃至思維能力 工程建設工程建設規(guī)劃設計階段規(guī)劃設計階段工程建設工程建設施工階段施工階段工程建設工程建設運營管理階段運營管理階段提供地形資料，配合地質(zhì)勘探和水文觀提供地形資料，配合地質(zhì)勘探和水文觀測數(shù)據(jù)進行測量。測數(shù)據(jù)進行測量。以長江三峽水利樞紐工程為例：以長江三峽水利樞紐工程為例：三峽大壩工程三峽大壩工程按照設計要求，在實地準確地標定出建按照設計要求，在實地準確地標定出建筑物各部分的平面和高程的測量作為施筑物各部分的平

15、面和高程的測量作為施工和安裝的依據(jù)。工和安裝的依據(jù)。工程竣工后為監(jiān)視工程狀況，保證安全，工程竣工后為監(jiān)視工程狀況，保證安全，進行周期性的重復測量，觀測其變形情況進行周期性的重復測量，觀測其變形情況測量測量和和放樣放樣，都是使用工程測量的儀器和，都是使用工程測量的儀器和方法通過獲得方法通過獲得角度、距離、高差角度、距離、高差等觀測量等觀測量來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。p 測量機器人 繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺陀螺(top),利用陀螺的力學性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀陀螺儀(gyroscope)。 通過測量物體的加速度(慣性)，并自動進行積分運算，獲得物體瞬時速度和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術。

16、慣性測量裝置包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導航組合， 3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的3個轉(zhuǎn)動運動；3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度。Cyrax 25003D 激光掃描儀激光掃描儀 地面三維激光掃描（Terrestrial Laser Scanner ,TLS）技術又稱“實景復制技術”，它以激光作為測量的載體，以掃描的方式直接將各種大型的復雜的不規(guī)則實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的快速的采集到電腦中，進而通過軟件算法快速重構出目標的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。coscoscos sinsinSSSXSYSZSTLS獲取的原始數(shù)據(jù)是三維的點云數(shù)據(jù)，即X、Y、Z坐標的文本數(shù)

17、據(jù)，繪制在三維空間后形似云狀的點集，如圖所示：TLS獲取的原始點云數(shù)據(jù)多視點數(shù)據(jù)配準原始點云1合并后的完整場景數(shù)據(jù)原始點云2原始點云3數(shù)據(jù)精煉數(shù)據(jù)分割數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)分析三維模型紋理映射數(shù)據(jù)網(wǎng)格化地物三維建模TLS數(shù)據(jù)處理流程配準示意圖 1 1、工程控制網(wǎng)坐標系、工程控制網(wǎng)坐標系l國家坐標系（國家坐標系（5454、8080） l城市坐標系城市坐標系l工程坐標系工程坐標系2 2、工程控制網(wǎng)的作用和分類、工程控制網(wǎng)的作用和分類作用：作用：控制全局、提供基準、控制誤差控制全局、提供基準、控制誤差分類：分類：1）測圖控制網(wǎng)）測圖控制網(wǎng)2）施工控制網(wǎng)）施工控制網(wǎng)3）變形監(jiān)測網(wǎng)）變形監(jiān)測網(wǎng)4）安裝測量控制網(wǎng)）

18、安裝測量控制網(wǎng) 城市導線網(wǎng)1 1）測圖控制網(wǎng)）測圖控制網(wǎng)隧道（洞）洞外GPS平面控制網(wǎng)布設示意圖 J1 J2 J3 JC1 CC3 C2 貫通面貫通點 隧道（洞）軸線出口端 XY進口端2 2）施工控制網(wǎng)）施工控制網(wǎng)隧道（洞）洞內(nèi)導線網(wǎng)布設示意圖隧道（洞）軸線J1 XYJ2 J3 JD1 D3 D5 D7 D2 D4 D6 D8 進口端杭州灣GPS首級控制網(wǎng)三峽大壩施工控制網(wǎng)上海磁浮鐵路地面控制網(wǎng)上海磁浮鐵路地面控制網(wǎng)大伙房水庫85km輸水隧洞GPS施工控制網(wǎng)3 3）變形監(jiān)測控制網(wǎng)）變形監(jiān)測控制網(wǎng)4 4）安裝測量控制網(wǎng)）安裝測量控制網(wǎng) 核聚變裝置主機安裝測量核聚變裝置主機安裝測量超高層大跨度鋼結

19、構安裝測量超高層大跨度鋼結構安裝測量特大型礦井井架安裝控制測量特大型礦井井架安裝控制測量 玻璃幕墻控制測量玻璃幕墻控制測量大型鍋爐安裝測量大型鍋爐安裝測量天然氣管道安裝測量天然氣管道安裝測量竣竣工工測測量量施工放樣概念：施工放樣概念： 亦稱亦稱“放樣放樣”或或“測設測設”，施工測量中的，施工測量中的一項工作，是按設計和施工的要求，將設計圖一項工作，是按設計和施工的要求，將設計圖上建筑物的空間位置和形狀在實地標定出來的上建筑物的空間位置和形狀在實地標定出來的測量工作。點的標定稱為測量工作。點的標定稱為定位定位，軸線標定稱為，軸線標定稱為定線定線。 平面位置放樣的方法有平面位置放樣的方法有極坐標法、直角坐極坐標法、直角坐標法、正倒鏡投點法、交會法及歸化法標法、正倒鏡投點法、交會法及歸化法等等.其其中交會法又包括中交會法又包括前方交會、方向線交會、軸線前方交會、方向線交會、軸線交會和距離角度交會交會和距離角度交會等等.高程放樣主要采用高程放樣主要采用幾幾何水準法何水準法和和電磁波測距三角高程法電磁波測距三角高程法。高程放樣主要采用高程放樣主要采用幾何水準法