測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

模塊一測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)項(xiàng)目一建筑工程測(cè)量的任務(wù)和作用測(cè)量學(xué)是研究地球的形狀和大小以及確定地面點(diǎn)位置的一門科學(xué)。其研究對(duì)象主要是地球和地球表面上的各種物體，包括它們的幾何形狀及空間位置關(guān)系。地球表面的物體可以分為地物和地貌，地物是地球表面有突出輪廓的自然或人工物體（如房屋、道路、河流、湖泊等）；地貌是地形的高低起伏變化（如山地、丘陵等）。測(cè)量學(xué)的內(nèi)容包括測(cè)定和測(cè)設(shè)兩個(gè)部分。測(cè)定是指使用測(cè)量?jī)x器和工具，用一定的測(cè)繪程序和方法將地物和地貌按一定的比例尺和特定的圖例符號(hào)縮繪成地形圖，供科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)使用；測(cè)設(shè)是指使用測(cè)量?jī)x器和工具，按照設(shè)計(jì)要求，采用一定的方法，將設(shè)計(jì)圖紙上設(shè)計(jì)好的工程建筑物、構(gòu)筑物的平面位置和高程標(biāo)定到施工作業(yè)面上，作為施工的依據(jù)。在工程測(cè)量中，測(cè)設(shè)工作又稱放樣。工程測(cè)量學(xué)屬于測(cè)量學(xué)的范疇。它是主要研究工程建設(shè)和自然資源開發(fā)各個(gè)階段中所進(jìn)行的測(cè)量工作。工程測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，在工業(yè)與民用建筑、道路、橋梁、市政、水利水電等工程，甚至在工業(yè)制造中都有十分重要的作用。建筑工程測(cè)量是工程測(cè)量學(xué)的內(nèi)容之一，應(yīng)用在建筑工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理等各個(gè)階段，其主要任務(wù)如下：1、勘察設(shè)計(jì)階段將工程所需范圍的地物和地貌按工程要求縮繪成地形圖，并獲得相關(guān)的測(cè)繪資料，為工程的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)所使用。2、施工階段主要包括施工測(cè)量和竣工測(cè)量?jī)身?xiàng)工作任務(wù)。施工測(cè)量要進(jìn)行建筑物、構(gòu)筑物的定位與放線，在施工過(guò)程中的工程量測(cè)量、安裝測(cè)量與工序間的校核測(cè)量等?？⒐y(cè)量需施測(cè)竣工圖，供日后擴(kuò)建和維修之用。3、運(yùn)營(yíng)管理階段主要是通過(guò)變形觀測(cè)保障建筑物安全。在施工過(guò)程中，要進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)和檢查工程的施工，確保施工的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)的要求；在建筑物建成后進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性及變化情況進(jìn)行監(jiān)督測(cè)量，了解其變形規(guī)律，以確保建筑物使用安全。由此可見，建筑工程測(cè)量是建筑施工中一項(xiàng)非常重要的工作，在建筑工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。它服務(wù)于建筑工程建設(shè)的每一個(gè)階段，貫穿于建筑工程的始終，對(duì)于保證工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等方面的質(zhì)量與安全運(yùn)營(yíng)都具有十分重要的意義。項(xiàng)目二地面點(diǎn)位置的確定測(cè)量的基本工作任務(wù)，無(wú)論是測(cè)定還是測(cè)設(shè)，都是通過(guò)確定地面點(diǎn)的位置來(lái)完成的。地面點(diǎn)的空間位置在工程測(cè)量工作中通常用平面位置、和高程來(lái)表示。一、測(cè)量的基準(zhǔn)面如果要確定地面上某點(diǎn)的位置，必須要建立一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量工作面作為參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的計(jì)算基準(zhǔn)。這個(gè)工作面成為測(cè)量工作的基準(zhǔn)面，它需要具備兩個(gè)條件：其形狀和大小要盡可能與地球?qū)嶋H的形狀和大小一致；能用簡(jiǎn)單的幾何形體和數(shù)學(xué)式表達(dá)。地球的自然表面高低起伏，有山地、丘陵、平原、江河湖海等，是凹凸不平的復(fù)雜曲面。其中，海洋的面積約占71%，陸地的面積約占29%。地球上自由靜止的水面，受到重力作用處處與重力方向正交，其延伸形成一個(gè)曲面，稱為水準(zhǔn)面。與水準(zhǔn)面相切的平面稱為水平面?？梢姡疁?zhǔn)面和水平面可以有無(wú)數(shù)個(gè)，其中由通過(guò)平均海水面的水準(zhǔn)面向陸地內(nèi)部延伸形成的不規(guī)則閉合曲面稱為大地水準(zhǔn)面。由大地水準(zhǔn)面所包圍的形體叫大地體。大地水準(zhǔn)面和大地體能較為準(zhǔn)確地表達(dá)地球?qū)嶋H的形狀和大小，是測(cè)量工作的基準(zhǔn)面，也是地面點(diǎn)高程的起算面（又稱高程基準(zhǔn)面）。而與水準(zhǔn)面處處正交的重力方向線稱為鉛垂線，是測(cè)量工作的基準(zhǔn)線。由于地球內(nèi)部的物質(zhì)分布不均，引起地面點(diǎn)的鉛垂線方向不規(guī)則變化，因此大地水準(zhǔn)面有微小起伏，不能用數(shù)學(xué)公式來(lái)表達(dá)。如圖1-1(a)所示，在測(cè)量上采用一個(gè)與大地水準(zhǔn)面非常接近，又能用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面作為基準(zhǔn)面，稱其為參考橢球面，它包圍的形體成為參考橢球體，如圖1-1(b)所示。(b)(a)(b)(a)圖1-1參考橢球體圖1-1參考橢球體我國(guó)目前采用的參考橢球主要參數(shù)值為：長(zhǎng)半軸，短半軸，扁率。當(dāng)測(cè)區(qū)面積不大時(shí)，可近似將參考橢球看作半徑為的圓球。測(cè)量工作實(shí)際是以參考橢球面作為計(jì)算的基準(zhǔn)面，并在此基礎(chǔ)上建立坐標(biāo)軸系，從而確定地面點(diǎn)的位置。二、坐標(biāo)系統(tǒng)面點(diǎn)的位置用平面坐標(biāo)和高程來(lái)表達(dá)，在表達(dá)地面點(diǎn)位之前，需要根據(jù)基準(zhǔn)面來(lái)建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。(一)平面坐標(biāo)系統(tǒng)1、地理坐標(biāo)地理坐標(biāo)是在大區(qū)域內(nèi)確定地面點(diǎn)的位置，以球面坐標(biāo)來(lái)表示地面點(diǎn)位。用經(jīng)度和緯度表示地面點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)橢球面上的位置。地理坐標(biāo)是由天文測(cè)量方法測(cè)定的。經(jīng)度由本初子午線向東和向西各0°~180°量度，向東為東經(jīng)，向西為西經(jīng)。緯度以赤道起算，向南和向北各0°~90°度量，向北為北緯，向南為南緯。2、高斯平面直角坐標(biāo)將地球表面的點(diǎn)由球面轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，更便于計(jì)算和使用。要將曲面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到平面上，可采用高斯投影的方法。建立在高斯投影面上的直角坐標(biāo)系被稱為高斯平面直角坐標(biāo)系。它一般應(yīng)用于范圍較大的區(qū)域，按經(jīng)度差6°或3°進(jìn)行分帶，將地球分為60或120個(gè)帶。各帶中央的子午線被稱為中央子午線，高斯平面直角坐標(biāo)系是以中央子午線為縱軸，以赤道為橫軸，其交點(diǎn)為原點(diǎn)而建立起來(lái)的。3、平面直角坐標(biāo)在小區(qū)域范圍內(nèi)（半徑≤），可用水平面代替水準(zhǔn)面，此時(shí)由平面直角坐標(biāo)代替球面坐標(biāo)產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。因此，在一般的工程項(xiàng)目測(cè)量工作中，可根據(jù)工程的實(shí)際情況，采用獨(dú)立的平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。如圖1-2所示，規(guī)定縱坐標(biāo)軸為，向北為正，向南為負(fù)；橫坐標(biāo)軸為，向東為正，向西為負(fù)，坐標(biāo)軸與數(shù)學(xué)上使用的直角坐標(biāo)軸編號(hào)互換，圖上地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)為。平面直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般選在測(cè)區(qū)的西南角，使測(cè)區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)的坐標(biāo)均為正值。如圖1-3所示，象限按順時(shí)針?lè)较蛞来尉幪?hào)，編號(hào)順序與數(shù)學(xué)上直角坐標(biāo)系的象限編號(hào)相反。如此建立的平面直角坐標(biāo)系在測(cè)量坐標(biāo)計(jì)算時(shí)可直接應(yīng)用數(shù)學(xué)中的計(jì)算公式。圖1-3平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)的象限圖1-圖1-3平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)的象限圖1-2平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)4、施工坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算施工坐標(biāo)系亦稱建筑坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸與主要建筑物主軸線平行或垂直，以便用直角坐標(biāo)法進(jìn)行建筑物的放樣。施工控制測(cè)量的建筑基線和建筑方格網(wǎng)一般用施工坐標(biāo)系，而施工坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系往往不一致，因此，施工測(cè)量前常常需要進(jìn)行施工坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的坐標(biāo)換算。圖1-4建筑坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)的換算如圖1-4所示，、和被稱為坐標(biāo)換算的要素，其中，、為平移參數(shù)，代表施工坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；為旋轉(zhuǎn)參數(shù)，是測(cè)量坐標(biāo)系的縱坐標(biāo)軸沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到建筑坐標(biāo)系縱軸所在方向的旋轉(zhuǎn)角。設(shè)、為點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，、為點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，則將施工坐標(biāo)換算成測(cè)量坐標(biāo)的計(jì)算公式為圖1-4建筑坐標(biāo)與測(cè)量坐標(biāo)的換算（1-1）反之，將測(cè)量坐標(biāo)換算成施工坐標(biāo)的計(jì)算公式為（1-2）（二）高程系統(tǒng)1、絕對(duì)高程地面上某點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的鉛垂距離，稱為該點(diǎn)的絕對(duì)高程，又稱海拔。一般用表示，如圖1-5所示。地面上A、B兩點(diǎn)的絕對(duì)高程分別為、。由于受海潮、風(fēng)浪等影響，海水面的高低時(shí)刻在變化，我國(guó)的高程是以青島驗(yàn)潮站歷年記錄的黃海平均海水面為基準(zhǔn)，并在青島建立國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)作為全國(guó)高程的起算點(diǎn)。我國(guó)建國(guó)初建立了“1956黃海高程系”，其青島國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為。隨著觀測(cè)資料的累積，我國(guó)1987年起用采用了“1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)”，更為精確地確定了黃海平均海水面，推算得到國(guó)家水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程為。2、相對(duì)高程在局部地區(qū)特殊條件下，采用絕對(duì)高程有困難或不需要和國(guó)家高程系統(tǒng)聯(lián)系，也可以采用一個(gè)假設(shè)水準(zhǔn)面為高程起算面。地面上某點(diǎn)到假設(shè)水準(zhǔn)面的鉛垂距離，稱為該點(diǎn)的假定高程或相對(duì)高程，如圖1-5中、。圖1-5高程系統(tǒng)圖1-5高程系統(tǒng)3、建筑標(biāo)高在建筑施工測(cè)量中，為方便應(yīng)用，每個(gè)獨(dú)立的單項(xiàng)工程都有自身的高程起算面。通常選定建筑物首層室內(nèi)地坪面為該工程地面點(diǎn)高程起算的基準(zhǔn)面，記為。建筑物某部位的標(biāo)高，是指某部位距的相對(duì)高程。4、高差兩個(gè)地面點(diǎn)之間高程的差值稱為高差，通常用來(lái)表示。圖1-5中，A點(diǎn)到B點(diǎn)的高差記為，即（1-3）由此可見（1-4）且兩點(diǎn)之間高差的大小與高程起算面無(wú)關(guān)。三、確定地面點(diǎn)位的三個(gè)基本要素圖1-6水平角與水平距離確定坐標(biāo)如前所述，地面點(diǎn)的空間位置是以地面點(diǎn)在投影平面上的坐標(biāo)X、Y和高程H決定的。在實(shí)際的測(cè)量中，X、Y和H的值不能直接測(cè)定，而是通過(guò)測(cè)定水平角和水平距離以及各點(diǎn)間的高差h，再根據(jù)已知點(diǎn)的坐標(biāo)、高程和已知邊的方位角計(jì)算出來(lái)待定點(diǎn)坐標(biāo)和高程的。圖1-6水平角與水平距離確定坐標(biāo)圖1-6中，A點(diǎn)坐標(biāo)已知，AB方向的方位角已知，通過(guò)觀測(cè)水平角和AP邊的水平距離來(lái)確定待定點(diǎn)P的平面坐標(biāo)。圖1-7中，A點(diǎn)的高程已知，通過(guò)觀測(cè)A點(diǎn)到P點(diǎn)的高差，來(lái)確定P點(diǎn)的高程。圖1-7高差測(cè)量測(cè)定高程由此可見，水平距離、水平角和高程是確定地面點(diǎn)位的三個(gè)基本要素。水平距離測(cè)量、水平角測(cè)量和高差測(cè)量是測(cè)量的三項(xiàng)基本工作。圖1-7高差測(cè)量測(cè)定高程項(xiàng)目三測(cè)量工作的基本原則和要求一、測(cè)量工作的基本原則在測(cè)量工作中，由于儀器、觀測(cè)者和外界條件的原因，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，甚至還會(huì)發(fā)生一些錯(cuò)誤。這些誤差不過(guò)不加以檢查和控制，會(huì)由前面的觀測(cè)結(jié)果傳播到后面的觀測(cè)結(jié)果，最后誤差越來(lái)越大，達(dá)到不可容許的程度。另外，測(cè)量工作需要十分精確、細(xì)致，為確保結(jié)果的正確，必須進(jìn)行相應(yīng)的檢核工作。因此，測(cè)量工作必須遵循以下基本原則。（一）“從整體到局部，先控制后細(xì)部，由高級(jí)到低級(jí)”的原則1、在布局上“從整體到局部”測(cè)量工作必須先進(jìn)行總體布置，然后再分期、分區(qū)、分項(xiàng)實(shí)施局部測(cè)量工作，而任何局部的測(cè)量工作都必須服從全局的工作需要。2、在工作程序上“先控制后碎部”就是先進(jìn)行控制測(cè)量，測(cè)定測(cè)區(qū)內(nèi)若干個(gè)控制點(diǎn)的平面位置和高程，作為后面測(cè)量工作的依據(jù)。通過(guò)控制測(cè)量，能有效地控制誤差傳播，使碎步點(diǎn)精度得到保證。3、在精度上“從高級(jí)到低級(jí)”測(cè)量中，任何定位工作必須要滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)等級(jí)要求，否則測(cè)量成果不可應(yīng)用。因此，實(shí)施時(shí)應(yīng)先布設(shè)高精度的控制點(diǎn)，再逐級(jí)發(fā)展布設(shè)低一級(jí)的交會(huì)點(diǎn)以及進(jìn)行碎部測(cè)量。這樣既可以滿足精度要求，也可以合理地利用資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。（二）“前一步工作未作檢核，不得進(jìn)行下一步工作”的原則測(cè)量工作有外業(yè)和內(nèi)業(yè)之分，測(cè)定地面點(diǎn)位置的水平角度測(cè)量、水平距離測(cè)量、高差測(cè)量是測(cè)量的基本工作，稱為外業(yè)。將外業(yè)成果進(jìn)行整理、計(jì)算(坐標(biāo)計(jì)算、高程計(jì)算)、繪制成圖的工作，稱為內(nèi)業(yè)。不論是外業(yè)還是內(nèi)業(yè)工作，都關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的真實(shí)、可靠、準(zhǔn)確性，任何不合格或錯(cuò)誤的成果都會(huì)給工程建設(shè)帶來(lái)巨大的損失。因此，對(duì)測(cè)量工作的觀測(cè)成果和計(jì)算成果必須進(jìn)行步步檢驗(yàn)，反復(fù)檢核，以消除測(cè)量中的錯(cuò)誤，剔除不合格成果。前一步工作未作檢核不得進(jìn)行下一步工作，未經(jīng)檢核的成果堅(jiān)不允許使用。其檢核包括觀測(cè)數(shù)據(jù)檢核、計(jì)算檢核、精度檢核等。二、從事測(cè)量工作的基本要求（一）堅(jiān)持“質(zhì)量第一”的觀點(diǎn)，嚴(yán)格遵守規(guī)范的要求（二）具有嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)（三）保持測(cè)量成果的真實(shí)、客觀和原始性，堅(jiān)決不可偽造測(cè)量數(shù)據(jù)。（四）測(cè)量工作者要愛護(hù)測(cè)量?jī)x器和工具，輕拿輕放，避免震動(dòng)，要掌握正確的操作方法。項(xiàng)目四測(cè)量常用的計(jì)量單位與湊數(shù)規(guī)則一、計(jì)量單位在測(cè)量工作中，常用的有長(zhǎng)度、面積和角度三種計(jì)量單位。（一）長(zhǎng)度單位國(guó)際通用長(zhǎng)度單位為（米），我國(guó)規(guī)定采用米制。（二）面積單位小區(qū)