第1章工程測量介紹

1、中南大學(xué)土木建筑學(xué)院道路工程系中南大學(xué)土木建筑學(xué)院道路工程系Copyright Yipu Peng彭儀普（博士、副教授）Email: 簡歷:Copyright Yipu Peng課本王兆祥主編，鐵道工程測量，高等學(xué)校教材，中國鐵道出版社，1998年其它實驗手簿實習(xí)指導(dǎo)書參考教材張坤宜主編，交通土木工程測量，高等學(xué)校教材，武漢大學(xué)出版社Copyright Yipu Peng部分英文資料，選自Uren J. and W.F. Price, Surveying for Engineers (Third Edition), London: Antony Rowe Ltd, Chippenham, Wi

2、ltshire, 1994URL: /surveyCopyright Yipu PengClass starts on timeDont chat with others during lecturesIf you come to class, participateIf you dont want to participate, dont comeIf I go too fast, tell meIf you have a question, ask itIf you have difficulty, ask for helpFind some enjoy

3、mentCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng測量學(xué)的定義與任務(wù)測量學(xué)的重要性測量學(xué)科組成測量實質(zhì)地面點位表示方法工程測量的基本工作和要求附錄：度量單位Copyright Yipu Peng定義定義測量學(xué)是研究對地球整體及其表面和外層空間中的各種自然和人造物體上與地理空間分布有關(guān)的信息進(jìn)行采集、處理、管理、更新和利用的科學(xué)和技術(shù)。傳統(tǒng)上來說傳統(tǒng)上來說, ,測量學(xué)科也稱為測量學(xué)科也稱為“測繪學(xué)科測繪學(xué)科” (surveying and mapping), ,因為它包括因為它包括量測繪圖Copyright Yipu Pen

4、g測量學(xué)的任務(wù)測量學(xué)的任務(wù)(從狹義上來看)研究并確定地球的形狀和大小，為地球科學(xué)提供必要的數(shù)據(jù)和資料；將地球表面的地物(objects)和地貌(terrain relief)測繪成圖；將圖紙上的設(shè)計成果測設(shè)(setting out)至現(xiàn)場。Copyright Yipu Peng測量學(xué)發(fā)展具有淵遠(yuǎn)流長的歷史，例如測量學(xué)發(fā)展具有淵遠(yuǎn)流長的歷史，例如公元前二十七世紀(jì)的埃及金字塔2000多年前的夏商時代，為治水進(jìn)行水利工程測量秦代李冰父子領(lǐng)導(dǎo)修建的都江堰水利樞紐工程北宋時沈括已開始水準(zhǔn)測量水準(zhǔn)測量1973年從長沙馬王堆漢墓出土的地圖包括了地形圖、駐地形圖、駐軍圖和城邑圖軍圖和城邑圖三種，是目前世界上發(fā)

5、現(xiàn)的最早的地圖Copyright Yipu Peng測量學(xué)的重要性和發(fā)展原因測量學(xué)的重要性和發(fā)展原因是地理基礎(chǔ)信息(geomatics)獲取的關(guān)鍵途徑測繪在諸多方面具有舉足輕重的作用土木工程如鐵路、公路建設(shè)；交通運輸規(guī)劃與管理環(huán)境保護(hù)、旅游資源開發(fā)、海洋開發(fā)國防建設(shè)等等強烈依賴且促進(jìn)現(xiàn)代科技的充分發(fā)展地面光學(xué)電子測繪儀器(instrument)航空/航天影像獲取傳感器(imaging sensor)計算機(jī)硬件技術(shù)計算機(jī)軟件技術(shù)Copyright Yipu Peng從研究內(nèi)容來看，測量學(xué)可分為從研究內(nèi)容來看，測量學(xué)可分為大地測量學(xué)，可細(xì)分為：經(jīng)典大地測量、衛(wèi)星大地測量(如全球定位系統(tǒng)，Globa

6、l Positioning System, GPS)、和物理大地測量(Physical Geodesy)地圖制圖學(xué)攝影測量與遙感學(xué)，可細(xì)分為地面攝影測量學(xué)、航空攝影測量學(xué)、和航天遙感學(xué)Copyright Yipu Peng定義定義研究和確定地球形狀、大小、重力場、整體與局部運動和地表面點的幾何位置以及它們的變化的理論和技術(shù)的學(xué)科。基本任務(wù)基本任務(wù)測定地球形狀、大小和重力場(gravity field)建立國家大地控制網(wǎng)(national geodetic control network)為地形測圖和各種工程測量提供基礎(chǔ)起算數(shù)據(jù)為空間科學(xué)、軍事科學(xué)及研究地殼變形、地震預(yù)報等提供重要資料Copyr

7、ight Yipu PengCopyright Yipu PengGPS ReceiverCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng定義定義研究模擬(analogous)和數(shù)字(digital)地圖的基礎(chǔ)理論、設(shè)計、編繪、復(fù)制的技術(shù)和方法的學(xué)科?；救蝿?wù)基本任務(wù)利用各種測量成果編制(compile)各類地圖工作內(nèi)容一般包括地圖投影 (map projection)地圖編制 (map compilation)地圖整飾 (map grooming)地圖制印 (map printing)Copyright Yipu Peng定義

8、定義研究利用電磁波傳感器獲取目標(biāo)物的影像數(shù)據(jù)，從中提取語義和非語義信息，并用圖形、圖像和數(shù)字形式表達(dá)的學(xué)科?；救蝿?wù)基本任務(wù)通過對攝影像片或遙感圖像進(jìn)行處理(processing)、量測(measurement)和解譯(interpretation)測定物體的形狀(shape)、大小(size)和位置(position)進(jìn)而制作成圖Copyright Yipu Peng傳感器()Copyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu PengCopyright Yipu

9、 PengCopyright Yipu Peng SPOT熱紅外影像紐約曼哈頓世貿(mào)大廈倒塌三小時后所獲取的影像(2001年9月11日當(dāng)?shù)厣衔?1:55)Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng神州五號發(fā)射11天前的“酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心”影像Copyright Yipu Peng神州五號發(fā)射3小時之后的“酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心”影像Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng定義定義工程測量學(xué)是研究各項工程在規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)和運營管理階段所進(jìn)行的各種測量工作的學(xué)科。工程項目工程項目：鐵路、公路、橋梁、隧道、水利工程、地下工程、管線(輸

10、電線、輸油管)工程、礦山和城市建設(shè)等基本任務(wù)基本任務(wù)各個階段所進(jìn)行的地形和有關(guān)信息的采集、處理和成圖工程建筑物或設(shè)備安裝的施工放樣變形監(jiān)測、分析和預(yù)報對測量和工程有關(guān)的信息進(jìn)行管理和使用Copyright Yipu Penghttp:/Copyright Yipu Penghttp:/ Yipu PengCopyright Yipu Peng地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)（Geographic information system）Copyright Yipu Peng測量原則(principle)從整體到局部，從控制到碎部測量工作實質(zhì)測量或測設(shè)點位的工作投影方法正射投影Orthographic

11、projectionPerspective projectionCamera photographyCopyright Yipu Peng3D Real world2D topographic MapCopyright Yipu Peng任一地面點的點位均如下表示坐標(biāo)(coordinates)高程(elevation/height/altitude)測量基準(zhǔn)(datum)參考面(reference surface)水準(zhǔn)面(geoid surface)：物理模型、測量的基準(zhǔn)面高程參考面水準(zhǔn)高(leveling height)橢球面(ellipsoid surface)：數(shù)學(xué)模型、計算的基準(zhǔn)面笛卡

12、爾三維坐標(biāo) (Cartesian 3D coordinates)大地坐標(biāo)(大地經(jīng)度、緯度、大地高)平面直角坐標(biāo)(Rectangular coordinates)Copyright Yipu Peng不規(guī)則曲面，陸地29%，海洋71%平均半徑6371km 最高：珠峰8848.13m最低：馬里亞那海溝11022mCopyright Yipu PengDefinitionImagine that the earth were completely covered by water, and that the ocean waters were permitted to flow freely und

13、er gravity not subject to external forces such as tidal forces, wind currents. This smooth surface is the geoid surface. This surface covering the whole earth is the geoid. Natural surface of the earthEllipsoid surfaceGeoid surfaceCopyright Yipu PengGeoid is smooth but irregular, therefore not suita

14、ble for horizontal position definition and computation.Geoid surface is chosen as a datum for heighting.The reduced level or elevation of a point is the height above or below the geoid in the direction of the gravity vector.The gravity vector is the plumb line that is perpendicular to the horizontal

15、 plane of a properly set up instrument.Surveying instruments are set up under gravity relative to the geoid systemCopyright Yipu PengMean sea level (MSL) surface is adopted as the height datum.Since 1989, the national height datum has been referenced to the MSL computed using 1952-1979 sea-level obs

16、ervations collected at Qingdao tide gauge station. H0=72.260 m Copyright Yipu PengCartesian coordinate systemGround pointGeocenterabSemi-minor axisSemi-major axisSouth poleNorth poleDefinition of ellipsoidCopyright Yipu PengDifferent countries/regions use different ellipsoids with definite parameter

17、s (a, b) In China, the following ellipsoidal parameters are adopteda=6378140 mb=6356755 mf=1/298.257 Recommended by 1975 International Geodesy Association地球扁率(flattening)Copyright Yipu PengNormal direction三維坐標(biāo)(大地經(jīng)度，大地緯度, 大地高)Copyright Yipu PengfWGS84 6378137 298.257 American GPSCopyright Yipu PengTh

18、e Cartesian/geodetic coordinates of any point may be transformed into the rectangular coordinates by the rigorous mathematical formulae such as Gaussian Projection, and vice versa.This is involved in map projection.Such rectangular coordinate system is normally adopted for a small-area surveying wor

19、k.X (Northing)Y (Easting)PXpYpCopyright Yipu PengCopyright Yipu Peng高斯投影：等角等角橫切橢圓柱投影Copyright Yipu PengPosition referenced to ellipsoid Height referenced to MSL (geoid)Copyright Yipu PengCopyright Yipu Peng絕對高程(海拔)地面點到大地水準(zhǔn)面(實用上為MSL)的鉛垂距離假定高程 (相對高程)地面點到假定水準(zhǔn)面的鉛垂距離高差兩點間的高程之差A(yù)ssumed geoidMSL (geoid)hABA

20、BABABHHHHhCopyright Yipu PengDistance affected by the earth curvatureRRSDStan5315231tan233333313131RSRSRRRS223RSSSBACBACBCRDOSRSCopyright Yipu PengElevation affected by the earth curvature) 1(sec ROBOBh42245211sec22221211211RSRRhRSh22BACBACBCRORShCopyright Yipu PengDistance S (km)Distance error S (m

21、m)S/S108.21/1 220 00025128.31/200 000501026.51/50 000Distance S (km)Elevation error h (mm)0.10.780.520.01.078.5Curvature effects on distanceCurvature effects on elevationCopyright Yipu Peng原則和要求先控制后碎部，從整體到局部前一步工作經(jīng)檢核不合格，絕不能進(jìn)行后一步工作從工作性質(zhì)來看，工程測量的范疇包括測繪：從地面到圖上測設(shè)：從圖上到地面從工程測量本身不同階段來看，其范疇包括控制測量(Control surv

22、ey)地形測量(Topographic survey)施工放樣(Setting out)Copyright Yipu Peng基本測量工作距離測量(水平距離或斜距, horizontal or slope distance)角度測量(水平角和垂直角, horizontal and vertical angles)直線方向(bearing)的確定高程測量hABABaSxyxyCopyright Yipu Peng測量距離(distance measurement)尺(Tape)塑膠尺(Plastic)、鋼尺(steel)、銦瓦線尺(invar)測距儀(distance meter) 電磁波測距儀(electromagnetic)、激光測距儀器(laser)測量水平/垂直角度(a