土木工程測(cè)量-第一章 緒論

1、第一章 緒 論土木工程測(cè)量教學(xué)課件1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)繪科學(xué)應(yīng)用很廣：在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃中，測(cè)量信息是最重要的基礎(chǔ)信息之一，各種規(guī)劃及地籍管理，首先要有地形圖和地籍圖。另外，在各項(xiàng)工農(nóng)業(yè)基本建設(shè)中，從勘測(cè)設(shè)計(jì)階段到施工、竣工階段，都需要進(jìn)行大量的測(cè)繪工作。在國(guó)防建設(shè)中，軍事測(cè)量和軍用地圖是現(xiàn)代大規(guī)模的諸兵種協(xié)同作戰(zhàn)不可缺少的重要保障。至于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、空間武器、人造衛(wèi)星或航天器的發(fā)射，要保證它精確入軌，隨時(shí)校正軌道和命中目標(biāo)，除了應(yīng)測(cè)算出發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的精確坐標(biāo)、方位、距離外，還必須掌握地球形狀、大小的精確數(shù)據(jù)和有關(guān)地域的重力場(chǎng)資料。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，諸如空間科學(xué)技術(shù)的研究，地殼的變

2、形、地震的預(yù)報(bào)等都要應(yīng)用測(cè)繪資料。即使在國(guó)家的各級(jí)管理工作中，測(cè)量和地圖資料也是不可缺少的重要工具。測(cè)繪科學(xué)在建筑類各專業(yè)的工作中有著廣泛的應(yīng)用。例如：在勘測(cè)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，要求有各種比例尺的地形圖，供城鎮(zhèn)規(guī)劃、選擇廠址、管道及交通線路選線以及總平面圖設(shè)計(jì)和豎向設(shè)計(jì)之用。在施工階段，要將設(shè)計(jì)的建筑物、構(gòu)筑物的平面位置和高程測(cè)設(shè)于實(shí)地，以便進(jìn)行施工。施工結(jié)束后，還要進(jìn)行竣工測(cè)量，繪制竣工圖，供日后擴(kuò)建和維修之用。即使是竣工以后，對(duì)某些大型及重要的建筑物和構(gòu)筑物還要進(jìn)行變形、沉降觀測(cè)，以保證建筑物的安全使用。1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)定是指使用測(cè)量?jī)x器和工具，通過測(cè)量和計(jì)算，得到一系列測(cè)量數(shù)據(jù)

3、，或把地球表面的地形縮繪成地形圖，供經(jīng)濟(jì)建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和國(guó)防建設(shè)使用。測(cè)繪(量)學(xué)研究地球的形狀和大小以及確定地面(包括空中、地表、地下和海底)物體的空間位置，以及對(duì)于這些空間位置信息進(jìn)行處理、儲(chǔ)存、管理的科學(xué)。它的內(nèi)容包括測(cè)定和測(cè)設(shè)兩個(gè)部分。1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)設(shè)是指把圖紙上規(guī)劃設(shè)計(jì)好的建筑物、構(gòu)筑物的位置在地面上標(biāo)定出來，作為施工的依據(jù)。大地測(cè)量學(xué)研究整個(gè)地球的形狀和大小，解決大地區(qū)控制測(cè)量和地球重力場(chǎng)問題。常規(guī)大地測(cè)量和衛(wèi)星大地測(cè)量。1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)量學(xué)按照研究范圍和對(duì)象的不同，產(chǎn)生了許多分支科學(xué)。普通測(cè)量學(xué)測(cè)量小范圍地球表面形狀時(shí)，不顧及地球曲率的影響

4、，把地球局部表面當(dāng)作平面看待所進(jìn)行的測(cè)量工作。攝影測(cè)量學(xué)利用攝影像片來測(cè)定物體的形狀、大小和空間位置的工作，屬于攝影測(cè)量學(xué)的范疇。由于獲得像片的方式不同，可分為地面、航空、水下和航天攝影測(cè)量學(xué)。海洋測(cè)繪學(xué)以海洋和陸地水域?yàn)閷?duì)象所進(jìn)行的測(cè)量和海圖編制工作，屬于海洋測(cè)繪學(xué)的范疇。工程測(cè)量學(xué)研究工程建設(shè)中所進(jìn)行的各種測(cè)量工作，屬于工程測(cè)量學(xué)的范疇。1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)制圖學(xué)利用測(cè)量所得的成果資料，研究如何投影編繪和制印各種地圖的工作，屬于制圖學(xué)的范疇。本課程主要介紹普通測(cè)量學(xué)和部分工程測(cè)量學(xué)的內(nèi)容。學(xué)習(xí)本課程之后，要求達(dá)到掌握普通測(cè)量學(xué)的基本知識(shí)和基礎(chǔ)理論，能正確使用工程水準(zhǔn)儀、工程經(jīng)緯儀等

5、儀器和工具；了解大比例尺地形圖的成圖原理和方法，在工程設(shè)計(jì)和施工中，具有正確應(yīng)用地形圖和有關(guān)測(cè)量資料的能力和進(jìn)行一般工程施工測(cè)設(shè)的能力，以便能靈活應(yīng)用所學(xué)的測(cè)量知識(shí)為其專業(yè)工作服務(wù)。1.1 土木工程測(cè)量學(xué)的任務(wù)工程測(cè)量學(xué)的主要任務(wù)：研究測(cè)繪地形圖的理論和方法研究在地形圖上進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)的基本原理和方法研究建(構(gòu))筑物施工放樣、建筑質(zhì)量檢驗(yàn)的技術(shù)和 方法對(duì)大型建筑物的安全性進(jìn)行位移和變形監(jiān)測(cè)1.2 地球的形狀和大小測(cè)量工作是在地球的表面進(jìn)行的，而地球自然表面很不規(guī)則，有高山、丘陵、平原和海洋。其中最高的珠峰高出海水面達(dá)8848.13m，最低的馬里亞納海溝低于海水面達(dá)11022m。但是這樣的高低起

6、伏，相對(duì)于地球半徑6371km來說還是很小的。再顧及到海洋約占整個(gè)地球表面的71%，因此，人們把海水面所包圍的地球形體看著地球的形狀。由于地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，地球上任一點(diǎn)都要受到離心力和地球引力的雙重作用，這兩個(gè)力的合力稱為重力，重力的方向線稱為鉛垂線。鉛垂線是測(cè)量工作的基準(zhǔn)線。靜止的水面稱為水準(zhǔn)面，水準(zhǔn)面是受地球重力影響而形成的，是一個(gè)處處與重力方向垂直的連續(xù)曲面，并且是一個(gè)重力場(chǎng)的等位面。與水準(zhǔn)面相切的平面稱為水平面。水平面可高可低，因此符合上述特點(diǎn)的水準(zhǔn)面有無數(shù)多個(gè)，其中與平均海水面吻合并向大陸、島嶼內(nèi)延伸而形成的閉合曲面，稱為大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面是測(cè)量工作的基準(zhǔn)面。由大地水準(zhǔn)面所包圍的地

7、球形體，稱為大地體。1.2 地球的形狀和大小通常用一個(gè)非常接近于大地水準(zhǔn)面，并可用數(shù)學(xué)式表示的幾何形體(即地球橢球)來代替地球的形狀，作為測(cè)量計(jì)算工作的基準(zhǔn)面。地球橢球是一個(gè)橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的形體，故地球橢球又稱旋轉(zhuǎn)橢球。1.2 地球的形狀和大小這個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體稱為參考橢球體，為一規(guī)則的曲面體?？捎脭?shù)學(xué)公式表示：1.2 地球的形狀和大小(1-1)式中a、b為參考橢球體幾何參數(shù)。a為長(zhǎng)半徑，b為短半徑。參考橢球體扁率應(yīng)滿足下式：(1-2)我國(guó)目前采用的元素值為長(zhǎng)半徑a=6378140m扁 率 =1:298.275由于很小，在精度要求不高時(shí)，可近似將地球當(dāng)作圓球體，其半徑為平均值6371km。并

8、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(guó)統(tǒng)一坐標(biāo)系，這就是現(xiàn)在使用的“1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系”。由于地球橢球的扁率很小，因此當(dāng)測(cè)區(qū)范圍不大時(shí)，可近似地把地球橢球作為圓球，其半徑為6371km1.2 地球的形狀和大小地面點(diǎn)的空間位置都與一定的坐標(biāo)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。在測(cè)量上常用的坐標(biāo)系有空間直角坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系、高斯投影平面坐標(biāo)系、平面獨(dú)立直角坐標(biāo)系等。地面點(diǎn)位常用三個(gè)量表示?；鶞?zhǔn)線、基準(zhǔn)面。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.1 大地坐標(biāo)系以參考橢球體面為基準(zhǔn)面。用大地經(jīng)度L、緯度B、大地高H表示地面點(diǎn)的空間位置?；鶞?zhǔn)線為法線。經(jīng)度自零子午面向東為正、向西為負(fù)。緯度橢球

9、體面上的大地高為零。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.2 空間直角坐標(biāo)系地面點(diǎn)位也可用空間直角坐標(biāo)(x,y,z)表示。x軸z軸y軸右手坐標(biāo)系1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標(biāo)系要將球面上的大地坐標(biāo)按一定數(shù)學(xué)法則歸算到平面上，即采用地圖投影的理論繪制地形圖，才能用于規(guī)劃建設(shè)。地圖投影有等角投影、等面積投影和任意投影三種。等角投影又稱正形投影，它保證在橢球體面上的微分圖形投影到平面后將保持相似。這是地形圖的基本要求。正投影有兩個(gè)基本條件：保角條件，即投影后角度大小不變。長(zhǎng)度變形固定性，即長(zhǎng)度投影后會(huì)變形，但在一點(diǎn)上各個(gè)方向的微分線段變形比m是個(gè)常數(shù)k: m=ds/dS=k式中：

10、ds投影后的長(zhǎng)度 dS球面上的長(zhǎng)度。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標(biāo)系高斯投影的概念（正形投影）中央子午線是直線，其長(zhǎng)度不變形，離開中央子午線的其他子午線是弧形，凹向中央.子午線。離開中央子午線越遠(yuǎn)，變形越大。投影后赤道是一直線，并與中央子午線正交。離開赤道的緯線是弧線，凸向赤道。在高斯投影平面上：1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標(biāo)系高斯投影可將橢球面變成平面，但離開中央子午線越遠(yuǎn)變形越大，這種變形將會(huì)影響測(cè)圖和施工的精度。為對(duì)長(zhǎng)度變形加以控制，測(cè)量中采用限制投影寬度的方法分帶投影。投影帶寬以相鄰兩子午線的徑差l來劃分。有6、3帶等不同投影方法。6帶

11、投影是從英格林尼治子午線開始，自西向東，每隔6投影一次。將橢球分成60個(gè)帶，編號(hào)為160帶。各帶中央子午線經(jīng)度(L06)按下式計(jì)算：6帶(1-3)已知某點(diǎn)大地經(jīng)度L，可按下式計(jì)算所屬的帶號(hào)： (的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時(shí)) (1-4)1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標(biāo)系3帶 是在6帶基礎(chǔ)上劃分的，其中央子午線在奇數(shù)帶時(shí)與6帶中央子午線重合，每隔3為一帶，共120帶，各帶中央子午線經(jīng)度為：各帶中央子午線經(jīng)度(L03)按下式計(jì)算：3帶(1-5)已知某點(diǎn)大地經(jīng)度L，可按下式計(jì)算所屬的帶號(hào)： (的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時(shí)) (1-5)1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐

12、標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)的建立以赤道和中央的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，中央子午線方向?yàn)閤軸，北方向?yàn)檎?。赤道投影線為y軸，東方向?yàn)檎?。象限按順時(shí)針排列，同一投影帶內(nèi)y軸有正有負(fù)。為使y值都為正，將縱坐標(biāo)軸西移500km,并在y坐標(biāo)前面冠以帶號(hào)，第20帶，中央子午線以西P點(diǎn)：xp=4429757.075myp=-58269.593m 在20帶中高斯直角坐標(biāo)為：xp=4429757.075myp=20441730.407mxp=4429757.075myp=-58269.593m xp=4429757.075m yp=20441730.407m1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標(biāo)系高斯平面直

13、角坐標(biāo)的建立高斯直角坐標(biāo)系與數(shù)學(xué)中的笛卡爾坐標(biāo)系不同。這樣的做法是為了將數(shù)學(xué)上的三角和解析幾何公式直接用至測(cè)量的計(jì)算上。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.4 平面直角坐標(biāo)系當(dāng)測(cè)區(qū)的范圍較小時(shí)，可以把測(cè)區(qū)球面當(dāng)作兩面處理，直接將地面點(diǎn)沿鉛垂線投影到水平面上，用平面直角坐標(biāo)來表示。平面直角坐標(biāo)原點(diǎn)一般選在測(cè)區(qū)西南方，以該測(cè)區(qū)子午線方向(真子午線或磁子午線)為x軸，北方向?yàn)檎軸與x軸垂直，東方向?yàn)檎?。大地高：以參考橢球體面為高程基準(zhǔn)面。大地高是地面點(diǎn)沿法線到橢球體面的距離，用H大表示。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)地面點(diǎn)的高程是指地面點(diǎn)到某一高程基準(zhǔn)面的垂直距離。1.3.5 高程系統(tǒng)測(cè)量上常用的高程

14、基準(zhǔn)面有參考橢球體面和大地水準(zhǔn)面。大地高海拔高：以大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面。即地面點(diǎn)沿垂線到大地水準(zhǔn)面的距離，也稱為絕對(duì)高程，用H海表示。海拔高在局部地區(qū)特殊條件下，不需要和國(guó)家高程系統(tǒng)聯(lián)系，可采用一個(gè)假設(shè)水準(zhǔn)面為高程起算面。所得到的地面高程稱為假設(shè)高程或相對(duì)高程。1.3 測(cè)量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)“1956年黃海高程系”，青島市觀家山水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為72.289m。1.3.5 高程系統(tǒng)假設(shè)高程“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”，青島市觀家山水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為72.260m。1987年后啟用此基準(zhǔn)。相對(duì)高程地面兩點(diǎn)的高程差稱為高差，用h表示，圖1-9。A、B兩點(diǎn)的高差為：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb

15、海-Ha海由此可見兩點(diǎn)間的高差與高程起算面無關(guān)。測(cè)量中將地物和地貌統(tǒng)稱為 地形。測(cè)定地物和地貌的三維坐標(biāo)，并用平面圖形表示，稱為地形圖地貌指地球表面高低起伏的形態(tài)，如山峰、河谷、臺(tái)地、懸崖等地物包括地面上人造或天然固定物體，如房屋、道路、河流、湖泊等1.4 地面點(diǎn)位的確定地物地貌地形地形圖地形測(cè)量是在地物和地貌上選擇一些有代表性的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量點(diǎn)投影到平面上，然后用點(diǎn)、折線、曲線連接起來表示地物和地貌。這些能表現(xiàn)地物和地貌特征的點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。所以測(cè)量實(shí)際是測(cè)定這些特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。代表性的點(diǎn)特征點(diǎn)1.4 地面點(diǎn)位的確定特征點(diǎn)的測(cè)定方法：1.4 地面點(diǎn)位的確定衛(wèi)星定位幾何測(cè)量定位利用衛(wèi)星信號(hào)

16、接收機(jī)，同時(shí)接收多顆定位衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行定位，稱為衛(wèi)星定位。若在待測(cè)點(diǎn)P安置衛(wèi)星接收機(jī)，在某時(shí)刻同時(shí)接收三顆衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)定衛(wèi)星至接收的距離Rip。已知該時(shí)衛(wèi)星空間三維坐標(biāo)，即可用下式求出待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)：(1-7)幾何測(cè)量定位：1.4 地面點(diǎn)位的確定如地面上有三個(gè)點(diǎn)A、B、C，其中A點(diǎn)坐標(biāo)已知，待求點(diǎn)為B、C，見圖1-12。測(cè)定a、b間平距Dab,及x縱坐標(biāo)北方向與ab邊的夾角ab(稱為方位角)，即可求定b點(diǎn)平面坐標(biāo)：若已知A、B坐標(biāo)，只要測(cè)定角和距離Dbc,即可確定C點(diǎn)位置。(1-8)常規(guī)測(cè)量中，量距、測(cè)角和測(cè)高差是確定地面點(diǎn)位的基本測(cè)量工作。測(cè)量工作遵循的原則1.4 地面點(diǎn)位的確定不論地物

17、或地貌，它們的形狀和大小都是由一些特征點(diǎn)的位置所決定。這些特征點(diǎn)也稱為碎部點(diǎn)。測(cè)圖時(shí)，主要是測(cè)定這些碎部點(diǎn)的平面位置和高程。測(cè)定碎部點(diǎn)的位置，其程序通常分為兩步：控制測(cè)量，圖1-10。先在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇若干具有控制意義的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，以較精確的儀器和方法測(cè)定各控制點(diǎn)的距離D、各控制邊之間的水平夾角、某一條邊的方位角，設(shè)點(diǎn)2的坐標(biāo)已知，則可計(jì)算出其它控制點(diǎn)的坐標(biāo)，以確定其平面位置。同時(shí)還要測(cè)出各控制點(diǎn)之間的高差。碎部測(cè)量，是根據(jù)控制點(diǎn)測(cè)定碎部點(diǎn)的位置(平面位置和高程)。碎部點(diǎn)控制測(cè)量碎部測(cè)量測(cè)量工作遵循的原則1.4 地面點(diǎn)位的確定這種“從整體到局部”、“先控制后碎部”的方法是組織測(cè)量工作應(yīng)遵循的原則

18、，它可以減少誤差累積，保證測(cè)圖精度，而且可以分幅測(cè)繪，加快測(cè)圖進(jìn)度。從上述可知，當(dāng)測(cè)定控制點(diǎn)的相對(duì)位置有錯(cuò)誤時(shí)，以其為基礎(chǔ)所測(cè)定的碎部點(diǎn)位也就有錯(cuò)誤，碎部測(cè)量中有錯(cuò)誤時(shí)，以此資料繪制的地形圖也就有錯(cuò)誤。因此，測(cè)量工作必須嚴(yán)格進(jìn)行工作，故“前一步測(cè)量工作未作檢核不進(jìn)行下一步測(cè)量工作”是組織測(cè)量工作應(yīng)遵循的又一個(gè)原則，它可以防止錯(cuò)漏發(fā)生，保證測(cè)量成果的正確性。綜上所述，無論控制測(cè)量、碎部測(cè)量和施工測(cè)設(shè)，其實(shí)質(zhì)都是確定地面點(diǎn)的位置，但控制測(cè)量是碎部測(cè)量和測(cè)設(shè)工作的基礎(chǔ)。碎部測(cè)量是把地面上各點(diǎn)測(cè)繪到圖紙上并繪制成地形圖，而測(cè)設(shè)工作是將圖設(shè)計(jì)的建筑物和構(gòu)筑物的位置放樣到地面上，作為施工的依據(jù)。而地面點(diǎn)間

19、的相互位置關(guān)系，是以水平角(方向)、距離和高差來確定的，因此，高程、水平角和距離測(cè)量是測(cè)量學(xué)的基本內(nèi)容，測(cè)高程、測(cè)角和量距是測(cè)量的基本工作，觀測(cè)、計(jì)算和繪圖是測(cè)量工作的基本技能。1.4 地面點(diǎn)位的確定1.5 用水平面代替水準(zhǔn)面的限度用水平面代替水準(zhǔn)面，使測(cè)量和繪圖工作大為減化，下面來討論由此引起的影響。1.5.1 對(duì)距離的影響如圖，由平面代替曲面產(chǎn)生的誤差為D。D=ab-ab=D-S=Rtan-R=R(tan-) (1-10)在小范圍測(cè)區(qū)角很小。tan用級(jí)數(shù)展開，略去五次方項(xiàng)，則(1-11)用=D/R代入，則(1-12)1.5 用水平面代替水準(zhǔn)面的限度1.5.1 對(duì)距離的影響取地球半徑R=6371km。D用不同距離代入，計(jì)算結(jié)果如下：(1-12)1/19萬12.83251/30萬6.57201/54萬2.77151/120萬0.8210-0.001D/DD(cm)D(km)結(jié)論：當(dāng)D=10km