工程測量第一章 緒論

測量學(xué)束蟬方Email:shuchanfang@Tel京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院內(nèi)容提要：§1.1測量學(xué)的任務(wù)及其作用§1.2地球的形狀和大小§1.3地面點(diǎn)位的確定§1.4測量工作概述第一章緒論§1.1測量學(xué)的任務(wù)及其作用一．測量學(xué)的發(fā)展概況

1．我國古代測量學(xué)的成就

◆戰(zhàn)國時(shí)期甘德和石申合編了世界第一個(gè)星表——《甘石星表》◆長沙馬王堆三號墓出土的西漢時(shí)期長沙國地圖——世界上現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的最早的軍用地圖◆西晉斐秀提出世界上最早的制圖理論——《制圖六體》◆清朝康熙年間，1718年完成了世界上最早的地形圖之一《皇興全圖》。

◆北宋時(shí)沈括的《夢溪筆談》中記載了磁偏角的發(fā)現(xiàn)?！籼拼蠈m說主持了世界上最早的一次子午線弧長測量（三百公里）?！魱|漢張衡制造了世界上第一架地震儀——候風(fēng)地動(dòng)儀

西漢駐軍圖發(fā)展階段測量儀器測量理論測量產(chǎn)品古代17世紀(jì)前繩尺、步弓、矩尺

簡單機(jī)械式弧度測量、面積計(jì)算理論原始簡單粗糙的地圖近代17-20世紀(jì)初望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、平板儀光學(xué)機(jī)械式三角測量、最小二乘法、地圖投影測量走向精確實(shí)測的地圖現(xiàn)代20世紀(jì)至今電子儀器、航空攝影、GPS電子智能儀器GIS、RS、GPS數(shù)字測圖3S綜合數(shù)字地圖將來數(shù)字化、自動(dòng)化、小型化、智能化海量數(shù)據(jù)處理

大眾化的數(shù)字地圖測量學(xué)發(fā)展歷史與趨勢高斯（C.F.Gauss，1777~1855年）

現(xiàn)代測繪科學(xué)的奠基人，德國著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家、大地測量學(xué)家。1794年，最早提出最小二乘法，奠定了的近代測量平差理論的基礎(chǔ)，1809年正式發(fā)表（概率論創(chuàng)始人法國勒戎德爾1806年發(fā)表最小二乘原理）1822年，創(chuàng)立高斯投影理論，1912年由德國大地測量學(xué)家克呂格補(bǔ)充完善，正式建立高斯-克呂格投影和高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系，簡稱高斯平面直角坐標(biāo)系1826年，創(chuàng)立三角測量控制網(wǎng)整體條件平差理論1828年，提出平均海水面概念，為全球建立大地水準(zhǔn)面作為高程基準(zhǔn)面打下基礎(chǔ)2．目前測量學(xué)發(fā)展?fàn)顩r◆測量室內(nèi)外一體化◆GPS（Globalpositioningsystem）◆RS（Remotesense）◆GIS(Geographicinformationsystem)◆3S技術(shù)的結(jié)合◆數(shù)字地球(DigitalEarth)的概念。

二．測量學(xué)(surveying)的定義1.定義：測量學(xué)是研究地球形狀、大小及其重力場，確定地面點(diǎn)空間位置和地圖制圖理論和技術(shù)的科學(xué)。根據(jù)它的任務(wù)與作用，其內(nèi)容包括兩個(gè)方面：◆測定（測繪）(location)◆測設(shè)（放樣）(seting-out)

地面圖紙圖紙地面大地測量學(xué)工程測量學(xué)地圖制圖學(xué)與遙感學(xué)攝影測量海洋測繪學(xué)

測量學(xué)三、測量學(xué)的分支學(xué)科普通測量學(xué)大地測量學(xué)概念：研究地球的形狀與大小及其重力場的科學(xué)。研究對象：地球表面一個(gè)較大的區(qū)域甚至整個(gè)地球，必須考慮地球的曲率?；救蝿?wù)：建立國家大地控制網(wǎng)，測定地球的形狀、大小和研究地球的重力場理論、技術(shù)和方法。大地控制網(wǎng)是為研究地球有關(guān)的各種科學(xué)服務(wù)的，并且是施測地形圖的重要依據(jù)。攝影測量與遙感學(xué)研究利用攝影或遙感的手段獲取目標(biāo)物的影像數(shù)據(jù)，從中提取幾何的或物理的信息，并用圖形、圖像和數(shù)字形式表達(dá)的學(xué)科。主要內(nèi)容包括：獲取目標(biāo)物的影像；對所攝得的影像進(jìn)行處理；用圖形、圖像或數(shù)字形式表示所處理的成果。普通測量學(xué)研究地球表面局部區(qū)域內(nèi)測繪工作的基本理論、技術(shù)和方法的學(xué)科。主要包括局部區(qū)域內(nèi)的控制測量和地形圖測繪。海洋測量學(xué)研究海洋和陸地水域的測量和繪圖的科學(xué)。

工程測量學(xué)概念：研究解決工程在勘測設(shè)計(jì)、施工放樣、運(yùn)營管理過程中各種測繪問題的科學(xué)。研究對象：工程中建設(shè)的測繪工作?；救蝿?wù)：把地面上的情況描繪到圖紙上，把圖紙上設(shè)計(jì)的建筑物樁定到地面上，以及為建筑物施工過程中和竣工后所產(chǎn)生的各種變化而進(jìn)行的變形觀測。

研究模擬和數(shù)字地圖的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、編繪、復(fù)制的技術(shù)方法及應(yīng)用的學(xué)科。

地圖投影——依據(jù)數(shù)學(xué)原理將地球橢球面上的

經(jīng)緯度線網(wǎng)描繪在平面上相應(yīng)的

經(jīng)緯線網(wǎng)地圖編制——制作地圖的理論和技術(shù)地圖整飾——研究地圖的表現(xiàn)形式地圖制印——地圖復(fù)制的理論和技術(shù)地圖應(yīng)用——對地圖進(jìn)行分析、評價(jià)、閱讀、量算和在圖上進(jìn)行作業(yè)

計(jì)算機(jī)地圖制圖——用計(jì)算機(jī)進(jìn)行地圖制圖地圖制圖學(xué)四．測量學(xué)的作用1.工程建設(shè)中

——橋梁、隧道、鐵路

——三峽、南水北調(diào)

——正負(fù)電子對撞機(jī)2.國防建設(shè)

——軍事地圖

——導(dǎo)彈發(fā)射、制導(dǎo)

3.科學(xué)研究

——板塊運(yùn)動(dòng)

——災(zāi)害預(yù)測

——太空探測

4.日常生活

——GPS導(dǎo)航定位動(dòng)

——交通旅游地圖

你想了解測繪人嗎？新聞聯(lián)播:

國測一大隊(duì)：量天測地愛國奉獻(xiàn)國測一大隊(duì)：用生命鑄造人生坐標(biāo)弘揚(yáng)國測一大隊(duì)精神記者眼中的國測一大隊(duì)新聞會客廳：經(jīng)天緯地測繪人焦點(diǎn)訪談：用生命丈量大地新聞?wù){(diào)查：丈量大地的人們一、地球的自然形體高低起伏，極其復(fù)雜局部特點(diǎn)：1、近似一個(gè)兩極略扁的橢球；2、可視為水球（海71%，陸29%）；3、無法用數(shù)學(xué)公式描述。

整體特點(diǎn)：§1.2地球的形狀和大小二、大地水準(zhǔn)面液體受重力而形成的靜止表面稱為水準(zhǔn)面。同一水準(zhǔn)面上的重力位處處相等；水準(zhǔn)面上任一點(diǎn)的鉛垂線都與水準(zhǔn)面相正交。通過平均海水面并延伸穿過陸地而形成的封閉曲面稱為大地水準(zhǔn)面。二、大地水準(zhǔn)面由于地表起伏以及地球內(nèi)質(zhì)量分布不均勻，所以大地水準(zhǔn)面是個(gè)復(fù)雜的曲面。水準(zhǔn)面有無數(shù)多個(gè)，大地水準(zhǔn)面是唯一的。大地水準(zhǔn)面是野外測量工作的基準(zhǔn)面。鉛垂線是野外測量工作的基準(zhǔn)線。三、旋轉(zhuǎn)橢球體

用一非常接近大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)面——旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面，用旋轉(zhuǎn)橢球體描述地球。最接近某地區(qū)稱參考橢球體。長半徑a短半徑b扁率f

當(dāng)范圍較小時(shí)，可以把地球看成圓球，其半徑R=（2a+b）/3=6371kmWE橢球面大地水準(zhǔn)面SN三、旋轉(zhuǎn)橢球體

80年代前，克拉索夫斯基橢球

——1954年北京坐標(biāo)系，簡稱北京54坐標(biāo)系

80年代后，IAG-75地球橢球

——1980年國家大地坐標(biāo)系，簡稱西安80坐標(biāo)系橢球定位大地原點(diǎn)：陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)參考橢球面是測量內(nèi)業(yè)工作的基準(zhǔn)面。法線是測量內(nèi)業(yè)工作的基準(zhǔn)線。

確定地面點(diǎn)的空間位置需用三個(gè)量，在測量工作中一般用:某點(diǎn)在基準(zhǔn)面（二維平面或橢球面）上投影位置該點(diǎn)離基準(zhǔn)面高度§1.3地面點(diǎn)位的確定

測量工作的實(shí)質(zhì)是確定地面點(diǎn)的空間位置。一、地理坐標(biāo)適用于：在地球橢球面上確定點(diǎn)位。分為：1.天文地理坐標(biāo)天文經(jīng)度

天文緯度

2.大地地理坐標(biāo)大地經(jīng)度L大地緯度BNSMP格林尼治天文臺LBHG適用于：測量范圍較大高斯投影：目的是將橢球面投影到平面上。投影方法：1、在橢球面上劃分投影帶；2、逐帶投影到圓柱面上；3、展開圓柱面成平面直角坐標(biāo)系；●特點(diǎn)：采用正形投影（即保角變換、保角影射）二、高斯平面直角坐標(biāo)1．6°帶的劃分為限制高斯投影離中央子午線愈遠(yuǎn)，長度變形愈大的缺點(diǎn)，從經(jīng)度0°開始，將整個(gè)地球分成60個(gè)帶，6°為一帶。計(jì)算公式：

N=(L+3)/6（四舍五入取整）

λ=6N-3λ——中央子午線經(jīng)度,N——投影帶號。例如，南京市處于東經(jīng)118°47，即Ｎ=(118°47’+3°)/6°=20

λ=6×20-3=117°2．3°帶的劃分若仍不能滿足精度要求,可進(jìn)行3°帶的劃分。實(shí)踐證明：

6°投影帶邊緣部分的變形能滿足1：25000或更小比例尺測圖精度，當(dāng)進(jìn)行1：10000或更大比例尺測圖時(shí)，采用3°帶投影。3°帶計(jì)算公式：

n=L/3（四舍五入取整）

λ=3n

λ——中央子午線經(jīng)度,n——投影帶號。高斯投影方法高斯投影方法投影剪開展平高斯平面直角坐標(biāo)系：（1）x軸：中央子午線投影（2）y軸：赤道投影坐標(biāo)表示方法：（1）先將自然值的橫坐標(biāo)Y加上500000米；（2）再在新的橫坐標(biāo)Y之前標(biāo)以2位數(shù)的帶號。

3.我國高斯平面直角坐標(biāo)的表示方法

B點(diǎn)真正橫坐標(biāo)yb＝-124625.723m

按照上述規(guī)定，y值應(yīng)改寫為

yb

＝20(-124625.723+500000)

＝20375374.277WENSABoybyayxWENSABoybya500kmyx

例:B點(diǎn)位于6°帶(Ｎ＝20)例：國家高斯平面點(diǎn)P（2433586.693，38514366.157）所表示的意義:(1)表示點(diǎn)P在高斯平面上至赤道的距離

X=2433586.693m(2)其投影帶的帶號為38，

P點(diǎn)離38帶的縱軸X軸的實(shí)際坐標(biāo)Y=514366.157-500000=14366.157m三、獨(dú)立平面直角坐標(biāo)

適用于測量范圍較?。ò霃叫∮?0km）數(shù)學(xué)平面直角坐標(biāo)系測量平面直角坐標(biāo)系

不同點(diǎn)：

1．測量上北方向?yàn)閄軸正向，東方向?yàn)閅軸正向。

2．角度方向順時(shí)針度量；象限順時(shí)針編號。相同點(diǎn):

數(shù)學(xué)中的三角公式在測量中可直接應(yīng)用。坐標(biāo)系的異同：四.直線定向

確定直線與標(biāo)準(zhǔn)方向之間的關(guān)系（水平角度）稱為直線定向。1、標(biāo)準(zhǔn)方向的種類：（1）真子午線方向：某點(diǎn)的真子午面切線方向確定方法：天文測量方法或陀螺經(jīng)緯儀（2）磁子午線方向：磁針靜止時(shí)軸線方向確定方法：羅盤儀（3）坐標(biāo)縱軸方向：高斯平面直角坐標(biāo)或假定坐標(biāo)的坐標(biāo)縱軸2、表示直線方向的方法方位角：由標(biāo)準(zhǔn)方向的北端起，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到某直線的夾角稱為該直線的方位角。方位角范圍：（1）真方位角（2）磁方位角（3）坐標(biāo)方位角五、高程系統(tǒng)

確定該點(diǎn)沿鉛垂方向到某基準(zhǔn)面的距離。ABHAHBH'AH'B黃海平均海水面大地水準(zhǔn)面假定水準(zhǔn)面hAB1、絕對高程（海拔）：指某點(diǎn)沿鉛垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離，用Ｈ表示。2、相對高程：某點(diǎn)距假定水準(zhǔn)面的鉛垂距離。3、高差：地面上兩點(diǎn)間的高程之差。主要有：（1）1956年黃海高程系（2）1985國家高程基準(zhǔn)（3）地方高程系統(tǒng)。如：珠江高程系統(tǒng)。注：水準(zhǔn)原點(diǎn)：青島市觀象山H0=72.260m（85黃海系）

=72.289m（56黃海系）4.我國的高程系統(tǒng)高程基準(zhǔn)面如何確定，基準(zhǔn)點(diǎn)的高程為多少呢？

一．測量工作的基本原則布局上：由整體到局部精度上：由高級到低級次序上：先控制后碎部測量工作的又一原則:“前一步工作未作檢核，不進(jìn)行下一步工作”即要“隨時(shí)檢查，杜絕錯(cuò)誤”§1.4測量工作概述二、控制測量的概念控制測量：測定測區(qū)內(nèi)若干個(gè)具有控制意義的控制點(diǎn)的平面位置(坐標(biāo))和高程，作為測繪地形圖或施工放樣的依據(jù)。平面控制測量：確定測區(qū)中一系列控制點(diǎn)的坐標(biāo)（x、y），形式有導(dǎo)線測量、邊角測量及交會定點(diǎn)等。高程控制測量：測定各控制點(diǎn)間的高