土木工程測量概述

第一章緒論土木工程測量教學(xué)課件§1.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)測繪科學(xué)應(yīng)用很廣：在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃中，測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，從勘測設(shè)計(jì)階段到施工、竣工階段，都需要進(jìn)行大量的測繪工作。在國防建設(shè)中，軍事測量和軍用地圖是現(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，隨時校正軌道和命中目標(biāo)，除了應(yīng)測算出發(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，地殼的變形、地震的預(yù)報等都要應(yīng)用測繪資料。即使在國家的各級管理工作中，測量和地圖資料也是不可缺少的重要工具。測繪科學(xué)在建筑類各專業(yè)的工作中有著廣泛的應(yīng)用。例如：在勘測設(shè)計(jì)的各個階段，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，以保證建筑物的安全使用?！?.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)測定——是指使用測量儀器和工具，通過測量和計(jì)算，得到一系列測量數(shù)據(jù)，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)研究和國防建設(shè)使用。測繪(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，以及對于這些空間位置信息進(jìn)行處理、儲存、管理的科學(xué)。它的內(nèi)容包括測定和測設(shè)兩個部分?！?.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)測設(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)。大地測量學(xué)——研究整個地球的形狀和大小，解決大地區(qū)控制測量和地球重力場問題。常規(guī)大地測量和衛(wèi)星大地測量?！?.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)測量學(xué)按照研究范圍和對象的不同，產(chǎn)生了許多分支科學(xué)。普通測量學(xué)——測量小范圍地球表面形狀時，不顧及地球曲率的影響，把地球局部表面當(dāng)作平面看待所進(jìn)行的測量工作。攝影測量學(xué)——利用攝影像片來測定物體的形狀、大小和空間位置的工作，屬于攝影測量學(xué)的范疇。由于獲得像片的方式不同，可分為地面、航空、水下和航天攝影測量學(xué)。海洋測繪學(xué)——以海洋和陸地水域?yàn)閷ο笏M(jìn)行的測量和海圖編制工作，屬于海洋測繪學(xué)的范疇。工程測量學(xué)——研究工程建設(shè)中所進(jìn)行的各種測量工作，屬于工程測量學(xué)的范疇?！?.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)制圖學(xué)——利用測量所得的成果資料，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量學(xué)和部分工程測量學(xué)的內(nèi)容。學(xué)習(xí)本課程之后，要求達(dá)到掌握普通測量學(xué)的基本知識和基礎(chǔ)理論，能正確使用工程水準(zhǔn)儀、工程經(jīng)緯儀等儀器和工具；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)測量資料的能力和進(jìn)行一般工程施工測設(shè)的能力，以便能靈活應(yīng)用所學(xué)的測量知識為其專業(yè)工作服務(wù)?！?.1土木工程測量學(xué)的任務(wù)工程測量學(xué)的主要任務(wù)：⑴研究測繪地形圖的理論和方法⑵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⑶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⑷對大型建筑物的安全性進(jìn)行位移和變形監(jiān)測§1.2地球的形狀和大小測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。但是這樣的高低起伏，相對于地球半徑6371km來說還是很小的。再顧及到海洋約占整個地球表面的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，地球上任一點(diǎn)都要受到離心力和地球引力的雙重作用，這兩個力的合力稱為重力，重力的方向線稱為鉛垂線。鉛垂線是測量工作的基準(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，是一個處處與重力方向垂直的連續(xù)曲面，并且是一個重力場的等位面。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，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)面是測量工作的基準(zhǔn)面。由大地水準(zhǔn)面所包圍的地球形體，稱為大地體?！?.2地球的形狀和大小通常用一個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，作為測量計(jì)算工作的基準(zhǔn)面。地球橢球是一個橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的形體，故地球橢球又稱旋轉(zhuǎn)橢球?！?.2地球的形狀和大小這個旋轉(zhuǎn)橢球體稱為參考橢球體，為一規(guī)則的曲面體。可用數(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為長半徑，b為短半徑。參考橢球體扁率α應(yīng)滿足下式：(1-2)我國目前采用的元素值為長半徑 a=6378140m扁率α=1:298.275由于α很小，在精度要求不高時，可近似將地球當(dāng)作圓球體，其半徑為平均值6371km。并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統(tǒng)一坐標(biāo)系，這就是現(xiàn)在使用的“1980年國家大地坐標(biāo)系”。由于地球橢球的扁率很小，因此當(dāng)測區(qū)范圍不大時，可近似地把地球橢球作為圓球，其半徑為6371km§1.2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)相對應(yīng)。在測量上常用的坐標(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)位常用三個量表示。基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面。§1.3測量常用的坐標(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…橢球體面上的大地高為零?！?.3測量常用的坐標(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。正投影有兩個基本條件：①保角條件，即投影后角度大小不變。②長度變形固定性，即長度投影后會變形，但在一點(diǎn)上各個方向的微分線段變形比m是個常數(shù)k:m=ds/dS=k式中：ds——投影后的長度dS——球面上的長度?！?.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3高斯平面直角坐標(biāo)系⑴高斯投影的概念（正形投影）①中央子午線是直線，其長度不變形，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。②投影后赤道是一直線，并與中央子午線正交。③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，這種變形將會影響測圖和施工的精度。為對長度變形加以控制，測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個帶，編號為1～60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：(的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時)(1-4)§1.3測量常用的坐標(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：(的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時)(1-5‘)§1.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3高斯平面直角坐標(biāo)系⑵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３嗟劳队熬€為y軸，東方向?yàn)檎Ｏ笙薨错槙r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，第20帶，中央子午線以西P點(diǎn)：x’p=4429757.075my’p=-58269.593m在20帶中高斯直角坐標(biāo)為：xp=4429757.075myp=20441730.407mx’p=4429757.075my’p=-58269.593m

xp=4429757.075myp=20441730.407m§1.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.3高斯平面直角坐標(biāo)系⑵高斯平面直角坐標(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量的計(jì)算上?！?.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.4平面直角坐標(biāo)系當(dāng)測區(qū)的她范圍較小雙時，可以掙把測區(qū)球狐面當(dāng)作兩莫面處理，蓮直接將地種面點(diǎn)沿鉛展垂線投影淺到水平面屈上，用平銅面直角坐出標(biāo)來表示豎。平面直水角坐標(biāo)原點(diǎn)一般選在概測區(qū)西南梢方，以該測區(qū)脾子午線方皮向(真子午趟線或磁子候午線)為x軸斯，北方姥向?yàn)檎?。y軸示與x軸襖垂直，悼東方向廉為正。大地高：以參考橢摟球體面為高程基昌準(zhǔn)面。大豈地高是地菜面點(diǎn)沿法線到橢球賓體面的微距離，芹用H大表示。§1.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)地面點(diǎn)盞的高程是指地面捐點(diǎn)到某一針高程基準(zhǔn)鄰面的垂直轟距離。1.3.5高程系統(tǒng)測量上糟常用的悅高程基筒準(zhǔn)面有參考橢球斃體面和大地水狀準(zhǔn)面。大地高海拔高：以大地水準(zhǔn)樣面為高程晚基準(zhǔn)面倦。即地父面點(diǎn)沿垂線到大地夕水準(zhǔn)面竹的距離妥，也稱壩為絕對高程，用H海表示。海拔高在局部晨地區(qū)特修殊條件散下，不辰需要和掉國家高虜程系統(tǒng)祥聯(lián)系，截可采用協(xié)一個假設(shè)水準(zhǔn)籌面為高程起仇算面。所諷得到的地闊面高程稱傍為假設(shè)高桐程或相對衫高程?！?.3測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)“195隱6年黃海趣高程系”茶，青島市育觀家山水猜準(zhǔn)原點(diǎn)高智程為72.2放89m。1.3.5高程系統(tǒng)假設(shè)高程“19倒85年收國家高傲程基準(zhǔn)盡”，青慣島市觀繞家山水診準(zhǔn)原點(diǎn)礎(chǔ)高程為72.2皺60m。198西7年后啟布用此基準(zhǔn)扁。相對高程地面兩為點(diǎn)的高替程差稱序?yàn)楦卟畈?，用h型表示，潛圖1-考9。A督、B兩薯點(diǎn)的高傘差為：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb海-Ha海由此可什見兩點(diǎn)間豬的高差陳與高程麗起算面魚無關(guān)。測量中朋將地物效和地貌炒統(tǒng)稱為知地形串。測定地醬物和地霸貌的三也維坐標(biāo)聾，并用己平面圖塘形表示規(guī)，稱為鑼地形圖地貌——中指地球表亦面高低起吐伏的形態(tài)縫，如山峰伸、河谷、華臺地、懸做崖等地物——急包括地面英上人造或煌天然固定秘物體，如紡房屋、道聾路、河流子、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險量是在絲式地物和膊地貌上帝選擇一歪些有代表性的承點(diǎn)進(jìn)行測懲量，將膊測量點(diǎn)望投影到咱平面上反，然后戒用點(diǎn)、鴉折線、激曲線連奸接起來敞表示地母物和地洗貌。這填些能表毅現(xiàn)地物麗和地貌同特征的育點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。所以渠測量實(shí)織際是測裂定這些嗎特征點(diǎn)宇的三維趨坐標(biāo)。代表性的鼓點(diǎn)特征點(diǎn)§1.4地面點(diǎn)位的確定特征點(diǎn)批的測定定方法：§1.4地面點(diǎn)位的確定衛(wèi)星定位幾何測倉量定位利用衛(wèi)星頓信號接收討機(jī)，同時項(xiàng)接收多顆拒定位衛(wèi)星黨發(fā)射的信嘴號進(jìn)行定泄位，稱為衛(wèi)星定位。若在待測絮點(diǎn)P安置隆衛(wèi)星接收慶機(jī)，在某茶時刻同時須接收三顆黎衛(wèi)星信號待，測定衛(wèi)祝星至接收葡的距離Rip。已知該岡時衛(wèi)星空嶺間三維坐替標(biāo)，即可副用下式求鈴出待測點(diǎn)卷三維坐標(biāo)滴：(1-7)幾何測量遷定位：§1.4地面點(diǎn)位的確定如地面秋上有三選個點(diǎn)A音、B、花C，其紐奉中A點(diǎn)因坐標(biāo)已卻知，待貴求點(diǎn)為友B、C與，見圖殼1-1謹(jǐn)2。測侍定a、作b間平裹距Dab,及x方縱坐標(biāo)姓北方向優(yōu)與ab幟邊的夾撥角αab(稱為方哈位角)，運(yùn)即可求定雖b點(diǎn)平面喚坐標(biāo)：若已知A株、B坐標(biāo)藏，只要測慰定β角和蝕距離Dbc,即可確歸定C點(diǎn)位至置。(1-8)常規(guī)測盈量中，量距、測根角和測高孝差是確定眨地面點(diǎn)嘗位的基本測民量工作。測量工體作遵循墓的原則§1.4地面點(diǎn)位的確定不論地物株或地貌，突它們的形摟狀和大小僅都是由一丙些特征點(diǎn)的位置餓所決定盛。這些竹特征點(diǎn)大也稱為碎部點(diǎn)。測圖里時，主播要是測定這些碎綁部點(diǎn)的垃平面位疾置和高鍵程。測定碎部俯點(diǎn)的位置布，其程序丸通常分為摘兩步：①控制測量，圖1-喚10。先深在測區(qū)內(nèi)斥選擇若干爆具有控制侵意義的點(diǎn)撤作為控制仍點(diǎn)，以較栗精確的儀口器和方法伙測定各控漠制點(diǎn)的距滅離D、各控制邊掛之間的水緊平夾角β、某一條午邊的方皂位角α，設(shè)點(diǎn)2批的坐標(biāo)冒已知，豪則可計(jì)昌算出其武它控制營點(diǎn)的坐煮標(biāo)，以箱確定其平面位企置。同時董還要測脖出各控回制點(diǎn)之繞間的高差。②碎部測駐量，是根據(jù)尺控制點(diǎn)測融定碎部點(diǎn)焰的位置(平面位置奮和高程)。碎部點(diǎn)控制測量碎部測及量測量工作董遵循的原躬則§1.4地面點(diǎn)位的確定這種“從整體別到局部”、“先控制后拒碎部”的方法稿是組織測駐量工作應(yīng)江遵循的原冷則，它可梁以減少誤惱差累積，姐保證測圖助精度，而激且可以分栗幅測繪，漸加快測圖粗進(jìn)度。從上述健可知，改當(dāng)測定番控制點(diǎn)巧的相對彎位置有防錯誤時卵，以其覆為基礎(chǔ)科所測定訴的碎部未點(diǎn)位也頌就有錯必誤，碎旱部測量未中有錯彈誤時，檔以此資科料繪制濟(jì)的地形矮圖也就搜有錯誤獸。因此窮，測量沉工作必僵須嚴(yán)格歷進(jìn)行工法作，故個“前一步皂測量工犁作未作撲檢核不報進(jìn)行下仿一步測勸量工作”是組織運(yùn)測量工作稈應(yīng)遵循的辭又一個原陸則，它可語以防止錯鋸漏發(fā)生，異保證測量流成果的正慚確性。綜上所震述，無挎論控制辱測量、半碎部測脾量和施劈燕工測設(shè)代，其實(shí)拌質(zhì)都是湊確定地蚊面點(diǎn)的看位置，悠但控制測量是碎部時測量和赤測設(shè)工任作的基創(chuàng)礎(chǔ)。碎部測量是把地面撫上各點(diǎn)測臥繪到圖紙績上并繪制普成地形圖擔(dān)，而測設(shè)工作是瘡將圖設(shè)職計(jì)的建六筑物和盲構(gòu)筑物吳的位置諷放樣到惑地面上儀，作為融施工的祝依據(jù)?；ザ孛婷c(diǎn)間的帖相互位銜置關(guān)系蕉，是以羨水平角秤(方向易)、距爛離和高商差來確損定的，仔因此，高程、水惑平角和距事離測量是侮測量學(xué)的帽基本內(nèi)容，測高程嘆、測角情和量距艱是測量穿的基本吹工作，觀測、計(jì)柳算和繪圖噸是測量工祝作的基本毒技能?！?.4地面點(diǎn)位的確定§1.5用水平面代替水準(zhǔn)面的限度用水平面園代替水準(zhǔn)儀面，使測豬量和繪圖閘工作大為尤減化，下你面來討論戚由此引起馬的影響。1.5.1對距離的影響如圖，葡由平面鍛代替曲嚷面產(chǎn)生本的誤差泡為ΔD安。ΔD=ab’-ab=D-S=Rtanθ-Rθ=R(tanθ-θ)(1-10)在小范圍過測區(qū)θ角拋很小。t句anθ用蔬級數(shù)展開幼，略去五峽次方項(xiàng)，事則(1-11))用θ=D悉/R代入猶，則(1-12)§1.5用水平面代替水準(zhǔn)面的限度1.5.1對距離的影響取地球半溪徑R=6動371k宋m。D用眼不同距離罵代入，計(jì)長算結(jié)果如如下：(1-12)1/19萬12.83251/30萬6.57201/54萬2.77151/120萬0.8210-----0.001ΔD/DΔD(cm)D(km)結(jié)論：當(dāng)D=10脆k