水利工程測(cè)量

水利工程測(cè)量主講：郭向紅太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院個(gè)人簡(jiǎn)介郭向紅，博士，講師。主要研究方向節(jié)水灌溉理論與技術(shù)、土壤水動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬、土壤-作物-大氣（SPAC）系統(tǒng)水分傳輸與模擬。作為主要完成人參與了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家“863”項(xiàng)目，國(guó)家科技部支撐項(xiàng)目、山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目、山西省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目、太原市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等多項(xiàng)縱向項(xiàng)目。在《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》、《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》、《水科學(xué)進(jìn)展》、《水利學(xué)報(bào)》、《排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)》、《HydrologyResearch》等發(fā)表論文20余篇，被EI、SCI、ISTP收錄10余篇。榮獲山西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，山西省高等學(xué)校科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局軟件著作權(quán)2項(xiàng)，第六屆農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)年會(huì)優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)論文1項(xiàng)。主講本科生課程：《水利工程測(cè)量》、《農(nóng)田水利學(xué)》、《灌溉工程新技術(shù)》、《Fortran程序設(shè)計(jì)》，碩士博士研究生課程：《排灌理論與技術(shù)》。課程性質(zhì)、目的和任務(wù)《水利工程測(cè)量》是水利工程專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，其教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生具有測(cè)繪科學(xué)方面的基礎(chǔ)理論知識(shí)和基本的測(cè)繪技能。本課程的教學(xué)任務(wù)是通過(guò)理論講授、實(shí)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)習(xí)，使學(xué)生逐步掌握水利工程測(cè)量方面的基礎(chǔ)理論、掌握常規(guī)測(cè)量?jī)x器的操作使用方法、掌握小區(qū)域大比例尺地形圖的測(cè)繪方法、掌握水利工程施工放樣測(cè)量技術(shù)，并具有正確使用測(cè)繪資料的能力，為今后從事本專業(yè)的勘測(cè)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及管理打下基礎(chǔ)。教學(xué)環(huán)節(jié)水利工程測(cè)量課堂講授課程實(shí)驗(yàn)測(cè)量實(shí)習(xí)本學(xué)期下學(xué)期課程考核方法課堂表現(xiàn)試卷成績(jī)作業(yè)每節(jié)課開始之前對(duì)上節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)每章作業(yè)完成情況第一章緒論§1.1水工程測(cè)量的任務(wù)§1.2地面上點(diǎn)位的確定§1.3用水平面代替水準(zhǔn)面的限度§1.4測(cè)量工作的基本原則§1.5測(cè)繪科學(xué)的發(fā)展概況§1.1水工程測(cè)量的任務(wù)一、測(cè)量學(xué)的含義及其分類

1、定義：研究地球及其表面各種形態(tài)的學(xué)科,主要任務(wù)是測(cè)定地球表面的點(diǎn)位和幾何形狀，并繪制成圖，以及測(cè)定和研究地球的形狀和大小。

2、分類：

【1】大地測(cè)量學(xué)

【2】地形測(cè)量學(xué)

【3】攝影測(cè)量學(xué)

【4】工程測(cè)量學(xué)

【5】地圖制圖學(xué)大地測(cè)量學(xué)研究在地球表面大區(qū)域內(nèi)建立國(guó)家大地控制網(wǎng)，測(cè)定地球形狀大小和地球重力場(chǎng)的理論、技術(shù)和方法的科學(xué)，稱為大地測(cè)量學(xué)地形測(cè)量學(xué)研究小區(qū)域內(nèi)測(cè)繪地形圖的基本理論、技術(shù)和方法的學(xué)科稱為地形測(cè)量學(xué)攝影測(cè)量學(xué)利用攝影像片測(cè)定物體的形狀、大小和空間位置的方法稱為攝影測(cè)量學(xué)。工程測(cè)量量學(xué)研究礦山山、水利利、道路路、城市市建設(shè)等等各項(xiàng)工工程建設(shè)設(shè)在規(guī)劃劃設(shè)計(jì)、、施工和和工程管管理階段段進(jìn)行的的各項(xiàng)測(cè)測(cè)量工作作的學(xué)科科。地圖制圖圖學(xué)研究地圖圖及其制制作理論論、工藝藝和應(yīng)用用的學(xué)科科，稱為為地圖制制圖學(xué)。。二、水利利工程測(cè)測(cè)量的任任務(wù)1、為水利利工程規(guī)規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)提供所所需的地地形資料料。規(guī)劃劃時(shí)需提提供中、、小比例例尺地形形圖及有有關(guān)信息息，建筑筑物設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)要測(cè)測(cè)繪大比比例尺地地形圖。。2、施工階階段要將將圖上設(shè)設(shè)計(jì)好的的建筑物物按其位位置、大大小測(cè)設(shè)設(shè)于地面面，以便便據(jù)此施施工，稱稱為施工工放樣。。3、在施工工過(guò)程中中及工程程建成后后運(yùn)行管管理中，，需要對(duì)對(duì)建筑物物的穩(wěn)定定性及變變化情況況進(jìn)行監(jiān)監(jiān)測(cè)——變形觀測(cè)測(cè)，確保保工程安安全?！?.2地面上點(diǎn)點(diǎn)位的確確定認(rèn)識(shí)地球球是人類類探索的的目標(biāo)之之一，也也是測(cè)量量學(xué)的任任務(wù)之一一;絕大多數(shù)數(shù)測(cè)量工工作是在在地球上上進(jìn)行，，或以地地球作為為參考系系。地物：地地面上的的道路、、河流、、房屋等等地面上上位置固固定的天天然、人人工物體體。地貌：地地表高低低起伏的的形態(tài)。。地形：地地物和地地貌的總總稱。一、地球球的形狀狀和大小小1、地球的的形狀和和大小地球既圍圍繞太陽(yáng)陽(yáng)旋轉(zhuǎn)又又繞自己己的軸自自轉(zhuǎn)，地地球上的的物體將將受到地地球、太太陽(yáng)、月月亮引力力、離心心力等多多種力的的作用，，而其中中主要是是受到離離心力和和地球質(zhì)質(zhì)心吸引引力的作作用，這兩個(gè)力力的合力力稱為重重力，重重力方向向即為垂垂線方向向。由于地球球的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，使得得地球成成橢球形形，其赤赤道半徑徑大，極極半徑小小。地球球表面并并不光滑滑，形狀狀十分復(fù)復(fù)雜，有有高山平平原，江江河湖泊泊，如：：有高于海海平面8848m珠穆朗瑪瑪峰有低于海海平面11022m馬里亞納納海溝但是這樣樣的高低低變化與與地球半半徑6371km相比只有有1/600變化是微微小的。。因?yàn)楹：Ｑ蠹s占占整個(gè)地地球表面面的71%?！锼匀巳藗?cè)O(shè)想想將靜止止的海水水面向整整個(gè)陸地地延伸，，用所形形成的封封閉曲面面代替地地球表面面，這個(gè)個(gè)曲面稱稱為大地地水準(zhǔn)面面。大地地水準(zhǔn)面面所包含含的形體體，稱為為大地體體，它代代表了地地球的自自然形狀狀和大小小。2、水準(zhǔn)面面定義：設(shè)設(shè)想以一一個(gè)靜止止不動(dòng)的的水面向向陸地延延伸，形形成一個(gè)個(gè)閉合的的曲面包包圍整個(gè)個(gè)地球球，稱這這個(gè)閉合合曲面為為水準(zhǔn)面面。特點(diǎn)：1.重力等位位面，其其表面處處處與重重力方向向垂直。。2.有無(wú)窮多多個(gè)，但但各水準(zhǔn)準(zhǔn)面之間間是不平平行的。。3.是不規(guī)則則的閉合合曲面水準(zhǔn)面地球自然然表面3、大地水水準(zhǔn)面定義：水水準(zhǔn)面有有無(wú)數(shù)個(gè)個(gè)，其中中通過(guò)平平均海水水面的一一個(gè)水準(zhǔn)準(zhǔn)面稱為為大地水水準(zhǔn)面。。作用：測(cè)測(cè)量工作作的基準(zhǔn)準(zhǔn)面獲?。何椅覈?guó)在青青島設(shè)有有驗(yàn)潮站站大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面包圍圍的形體體稱為大大地體地球自然然表面大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面4、旋轉(zhuǎn)橢橢球面與與旋轉(zhuǎn)橢橢球體由于大地地水準(zhǔn)面面是不規(guī)規(guī)則曲面面，無(wú)法法準(zhǔn)確描描述和計(jì)計(jì)算。也也難以在在其面上上處理測(cè)測(cè)量成果果。因此此，用一一個(gè)非常常接近大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的數(shù)數(shù)學(xué)模型型——旋轉(zhuǎn)橢球球面代替替大地水水準(zhǔn)面。。用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)橢球體體描述的的地球，，稱為參參考橢球球體。構(gòu)成：由由橢圓NWSWE繞其短軸軸NS旋轉(zhuǎn)而形形成的。。要求：①①總質(zhì)量量=地球質(zhì)量量，中心心與質(zhì)心心重合，，短軸與與旋轉(zhuǎn)重重合。②旋轉(zhuǎn)角角速度與與地球自自轉(zhuǎn)速度度相等。。③表面與與大地水水準(zhǔn)面擬擬合最好好。大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面與橢橢球面高高差最大大差為±200m旋轉(zhuǎn)橢球球面大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面abNSWEa=6378140m扁率α=(a-b)/a=1:298.257（1）1954年北京坐坐標(biāo)系，，采用前前蘇聯(lián)克克拉索夫夫斯基參考橢球球體參數(shù)數(shù)：a=6378245m=1:298.3（2）1980年國(guó)家大大地坐標(biāo)標(biāo)系采用用國(guó)際大大地測(cè)量量協(xié)會(huì)與與地球物理理聯(lián)合會(huì)會(huì)在1975年推薦的的IUGG-75地球橢球球。其參數(shù)：：a=6378140m=1:298.257（3）在測(cè)量量工作范范圍不大大時(shí)，可可將地球球看作圓圓球體，，以球面面代替大大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面，其其半徑R=6371km二、地面面上點(diǎn)位位的表示示方法（一）坐坐標(biāo)1、地理坐坐標(biāo)以以經(jīng)度和和緯度表表示地面面點(diǎn)位置置的稱為為地理坐坐標(biāo)。NSWEoλ首子午線線格林威治治φ地面上任任意點(diǎn)M（λ、Φ）子午面子午線又又叫經(jīng)線線M點(diǎn)的經(jīng)度度M點(diǎn)的緯度度空間位置置包括點(diǎn)點(diǎn)在球面面上的位位置和到水準(zhǔn)準(zhǔn)面的距距離2、高斯平平面直角角坐標(biāo)以中央子子午線作作為坐標(biāo)標(biāo)縱軸（（用X表示）以以赤道作作為坐標(biāo)標(biāo)橫軸（（用Y表示）。。S赤道中央子午午線中央子午午線赤道NNS6°帶的劃分分

為限限制高斯斯投影離離中央子子午線愈愈遠(yuǎn)，長(zhǎng)長(zhǎng)度變形形愈大的的缺點(diǎn)，，從經(jīng)度度0°開始，將將整個(gè)地地球分成成60個(gè)帶，6°為一帶。。9o0o3o6o1220102o105o108o111o120o1819114o12o117o500kmyMyxM我國(guó)高斯斯平面直直角坐標(biāo)標(biāo)的表示示。方法：（（1）先將自自然值的的橫坐標(biāo)標(biāo)Y加上500000米；（2）再在新新的橫坐坐標(biāo)Y之前標(biāo)以以2位數(shù)的帶帶號(hào)。例如：M點(diǎn)位于111o中央子午午線以西西4321.90m，那么對(duì)對(duì)應(yīng)的高高斯坐標(biāo)標(biāo)的橫坐坐標(biāo)是多多少？第一步：：計(jì)算帶帶號(hào)N=(111+3)/6=19第二步：：計(jì)算橫橫坐標(biāo)19500000-4321.90=19495678.103°帶的劃分分

從東東經(jīng)1°30開始，將將整個(gè)地地球分成成120個(gè)帶，3°為一帶。。例如，南南京市處處于東經(jīng)經(jīng)118°°47，即6°帶號(hào)Ｎ=(118°47’+3°)/6°°=20.3=20Ｌ０=6××20-3=117°3°帶號(hào)即n=118°47′/3°=39.6=40Ｌ０=3=3°×40=120°適用于：：測(cè)區(qū)范范圍較大大，不能能將測(cè)區(qū)區(qū)曲面當(dāng)當(dāng)作平面面看待。。3、平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系適用于：：測(cè)區(qū)范范圍較小小，可將將測(cè)區(qū)曲曲面當(dāng)作作平面看看待。西y(東)南(第四象限)(第三象限)(第一象限)(第二象限)AyAxAox(北)獨(dú)立平面面直角系系原點(diǎn)一一般選擇擇在測(cè)區(qū)區(qū)西南角角直接將地地面點(diǎn)沿沿鉛垂線線方向投投影到水水平面上上。在實(shí)實(shí)際測(cè)量量中，一一般將坐坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)選在測(cè)測(cè)區(qū)的西西南角，，使測(cè)區(qū)區(qū)內(nèi)的點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)標(biāo)均為正正值，并并以該測(cè)測(cè)區(qū)的子子午線(或磁子午午線)的投影影為X軸，向向北為為正，，與之之相垂垂直的的為Y軸，向向東為為正，，由此此建立立了該該測(cè)區(qū)區(qū)的獨(dú)獨(dú)立平平面直直角坐坐標(biāo)系系。其與數(shù)數(shù)學(xué)中中平面面直角角坐標(biāo)標(biāo)系相相比，，不同同點(diǎn)：：1．測(cè)量量上取取南北北方向向?yàn)榭v縱軸（（X軸），，東西西方向向?yàn)闄M橫軸（（Y軸）2．角度度方向向順時(shí)時(shí)針度度量，，象限限順時(shí)時(shí)針編編號(hào)。。相同點(diǎn)點(diǎn)：數(shù)數(shù)學(xué)中中的三三角公公式在在測(cè)量量計(jì)算算中可可直接接應(yīng)用用。（二））高程程1、絕對(duì)對(duì)高程程（海海拔））：指指地面面點(diǎn)沿沿鉛垂垂線方方向到到大地地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的距離離，用用Ｈ表表示。。2、相對(duì)對(duì)高程程：地地面上上一點(diǎn)點(diǎn)到假假定水水準(zhǔn)面面的鉛鉛垂距距離（（H′）3、高差差：地地面上上兩點(diǎn)點(diǎn)間的的高程程之差差。（（h）AB點(diǎn)的高高差：：hAB=HB-HA=HB’-HA’ABHAHBH'AH'B大地水水準(zhǔn)面面假定水水準(zhǔn)面面黃海平平均海海水面面hAB三、地地面點(diǎn)點(diǎn)的相相互位位置關(guān)關(guān)系及及測(cè)量量的基基本工工作水平距距離、、水平平角及及高程程是確確定地地面點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)對(duì)位置置的三三個(gè)基基本幾幾何要要素。。要確確定地地面點(diǎn)點(diǎn)的相相對(duì)位位置常常規(guī)測(cè)測(cè)量的的基本本工作作是：：①測(cè)測(cè)距距離D②測(cè)角度度（β）③測(cè)測(cè)高高差hABCabcxyαβ§1.3用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面的限限度一、地地球曲曲率對(duì)對(duì)水平平距離離的影影響oA’B’ABCtdRαR———地球半半徑6371Kmα——圓心角角將tgα用級(jí)數(shù)數(shù)展開開，去去前兩兩項(xiàng)，，得：：因?yàn)棣?d/R，故：：相對(duì)誤誤差：表1水平面面代替替水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的距離離誤差差和相相對(duì)誤誤差距離D/km距離誤差ΔD/mm相對(duì)誤差ΔD/D1081/1220000251281/2000005010261/4900010082121/12000由表可可知，，在半半徑為為10km的范圍圍內(nèi)（（相當(dāng)當(dāng)于面面積320km2），用用水平平面代代替水水準(zhǔn)面面可不不考慮慮地球球曲率率對(duì)距距離的的影響響。當(dāng)精度度要求求較低低時(shí)，，還可可以將將測(cè)量量范圍圍的半半徑擴(kuò)擴(kuò)大到到25km(相當(dāng)于于面積積2000km2)。二、地地球曲曲率對(duì)對(duì)高程程的影影響B(tài)’A’ABCtdRα將secα用級(jí)數(shù)數(shù)展開開，取取前兩兩項(xiàng)，，得：：代入得得：因?yàn)棣?d/R，故：：取R＝637lkm，則得得相應(yīng)應(yīng)的高高差誤誤差值值，如如表所所列。。距離D/km0.l0.20.30.40.512510△h/mm0.83713207831419627848表2水平面面代替替水準(zhǔn)準(zhǔn)面的的高差差誤差差由表可可知，，在進(jìn)行行水準(zhǔn)準(zhǔn)(高程)測(cè)量時(shí)時(shí)，應(yīng)應(yīng)當(dāng)用用水準(zhǔn)準(zhǔn)面作作為測(cè)測(cè)量的的基準(zhǔn)準(zhǔn)面?！?.4測(cè)量工工作的的基本本原則則1、測(cè)量量工作作的基基本原原則在實(shí)際際測(cè)量量工作作中應(yīng)應(yīng)當(dāng)遵遵守以以下基基本原原則:在測(cè)量量布局局上