山大测量学课件1第一章 绪论.ppt

第1章绪论1.1土木工程测量的任务和作用1.2确定地面点位的方法1.3测量工作的基本内容及原则1.4用水平面代替水准面的限度本章内容如下： 测量学将地表物体分为地物和地貌。⑴地物(feature)：地面上天然或人工形成的物体，它包括平原、湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁等；⑵地貌(geomorphy)：地表高低起伏的形态，它包括山地、丘陵和平原等。地物和地貌总称为地形(landform)。测量学是研究地球的形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的科学。其主要任务是测定和测设。⑴测定(location)：使用测量仪器和工具，通过测量和计算将地物和地貌的位置按一定比例尺、规定的符号缩小绘制成地形图，供科学研究和工程建设规划设计使用。⑵测设(setting-out)：将在地形图上设计出的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来，作为施工的依据。§1.1土木工程测量的任务及其在工程建设中的作用 测量学的分类—按研究区域范围大小分为大地测量学普通测量学（地形测量学）—按研究领域分为工程测量学海洋及水域测量学地图制图学—按技术方法分为常规技术方法（几何测量方法）卫星测量方法摄影与遥感测量方法 测量在国民经济建设中的应用1.城市规划、给水排水、煤气管道、工业厂房和高层建筑建设的测量工作①设计阶段：测绘各种比例尺的地形图，供结构物的平面及竖向设计使用；②施工阶段：将设计结构物的平面位置和高程在实地标定出来，作为施工的依据；③工程完工后：测绘竣工图，供日后扩建、改建、维修和城市管理应用，对某些重要的建筑物或构筑物在建设中和建成以后都需要进行变形观测，以保证建筑物的安全。 2.铁路、公路建设的测量工作①为了确定一条最经济合理的路线，必须预先测绘路线附近的地形图，在地形图上进行路线设计，然后将设计路线的位置标定在地面上以指导施工；②当路线跨越河流时，必须建造桥梁，在建桥之前，要测绘河流两岸的地形图，测定河流的水位、流速、流量和河床地形图以及桥梁轴线长度等，为桥梁设计提供必要的资料，最后将设计桥台、桥墩的位置用测量的方法在实地标定；③当路线穿过山地需要开挖隧道时，开挖之前，必须在地形图上确定隧道的位置，根据测量数据计算隧道的长度和方向；隧道施工通常是从隧道两端相向开挖，这就需要根据测量成果指示开挖方向，保证其正确贯通。 ⑴地形图测绘——运用各种测量仪器和工具，通过实地测量和计算，把小范围内地面上的地物、地貌按一定的比例尺测绘成图；⑵地形图应用——在工程设计中，从地形图上获取设计所需要的资料，例如点的坐标和高程、两点间的水平距离、地块的面积、地面的坡度、地形的断面和进行地形分析等；⑶施工放样——把图上设计好的建筑物或构筑物的位置标定在实地上，作为施工的依据；⑷变形观测——监测建筑物或构筑物的水平位移和垂直沉降，以便采取措施，保证建筑物的安全；⑸竣工测量。学习本课程，应掌握下列有关测定和测设的基本内容： 1.2确定地面点位的方法1.2.1测量的基准面应掌握重力、铅垂线、水准面、大地水准面、参考椭球面和法线的概念及关系。地球是一个南北极稍扁，赤道稍长，平均半径约为6371km的椭球。测量工作是在地球表面上进行的，而地球的自然表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等高低起伏的形态，其中海洋面积约占71%，陆地面积约占29%。地球上的质点所受的万有引力与离心力的合力称为重力(gravity)，重力的方向称为铅垂线(plumbline)方向。 假想静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成一个封闭的曲面，这个封闭曲面称为水准面(levelsurface)。水准面是处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面(geoid)。水准面有无穷个，而大地水准面是唯一的。通常选择一个与大地水准面非常接近的、能用数学方程表示的椭球面作为投影的基准面，这个椭球面是由椭圆绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球面，称为参考椭球(referenceellipsoid)，其表面称为参考椭球面。当测区范围不大时，可以将参考椭球看作半径为6371km的圆球。 由地表任一点向参考椭球面所作的垂线称法线(normalline)。除大地原点外，地表任一点的铅垂线和法线一般不重合，其夹角称为垂线偏差(deflectionofthevertical)。 1.2.2测量坐标系空间是三维的，表示地面点在某个空间坐标系中的位置需要三个参数，确定地面点位的实质就是确定其在某个空间坐标系中的三维坐标。测量学将空间坐标系分为参心坐标系和地心坐标系。“参心”意指参考椭球的中心，由于参考椭球的中心一般不与地球质心重合，所以它属于非地心坐标系。表1-1中的前两个坐标系是参心坐标系。“地心”意指地球的质心，表1-1中GPS使用的WGS-84属于地心坐标系。工程测量中通常使用参心坐标系。测量上将空间坐标系分解成确定点的球面位置的坐标系(二维)和高程系(一维)。 确定点的球面位置的坐标系有地理坐标系和平面直角坐标系两类。地理坐标系又可分为大地地理坐标系（简称大地坐标系）和天文地理坐标系两种。1.大地坐标系(geographicalreferencesystem)大地地理坐标又称大地坐标，是表示地面点在参考椭球面上的位置，它的基准是法线和参考椭球面，它用大地经度(geodeticlongitude)和大地纬度(geodeticlatitude)表示。P点大地经度：过P点的大地子午面(geodeticmeridianplane)和首子午面所夹的两面角。P点大地纬度：过P点的法线与赤道面的夹角。 大地经、纬度是根据大地原点（又称起始大地点，该点的大地经纬度与天文经纬度一致）的大地坐标，按大地测量所得的数据推算而得的。我国以陕西省泾阳县永乐镇大地原点(geodeticorigin)为起算点，由此建立的大地坐标系，称为“1980西安坐标系”(Xiangeodeticcoordinatesystem1980)，简称80系或西安系。通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系联测，经我国东北传算过来的坐标系称“1954北京坐标系”(Beijinggeodeticcoordinatesystem1954)，其大地原点位于前苏联列宁格勒天文台中央。 国际规定，过格林尼治天文台的子午面为零子午面，向东经度为正，向西为负，其值为0°～±180°。纬度以赤道面为基准面，向北、南分别称为北、南纬，其值为0°～90°。我国版图处于东经74°～135°，北纬3°～54°。地面点位也可以用空间直角坐标系表示，如图，以球心O为坐标原点，ON为Z轴方向，格林尼治子午线与赤道面交点与O的连线为X轴方向,过O点与XOZ面垂直，并与X、Z构成右手坐标系为Y轴方向。 天文地理坐标又称天文坐标，表示地面点在大地水准面上的位置，它的基准是铅垂线和大地水准面，它用天文经度λ(astronomicallongitude)和天文纬度φ(astronomicallatitude)两个参数来表示地面点在球面上的位置。过地面上任一点P的铅垂线与地球旋转轴NS所组成的平面称为该点的天文子午面(astronomicalmeridianplane)，天文子午面与大地水准面的交线称为天文子午线(astronomicalmeridian)，也称经线。称过英国格林尼治天文台G的天文子午面为首子午面(Internationalmeridianplane)。2.天文地理坐标系 P点天文经度：过P点的天文子午面NPKS与首子午面NGMS的两面角，从首子午面向东或向西计算，取值范围是0°～180°，在首子午线以东为东经，以西为西经。P点天文纬度：P的铅垂线与赤道平面的夹角，自赤道起向南或向北计算，取值范围为0°～90°，在赤道以北为北纬，以南为南纬。可以应用天文测量方法测定地面点的天文经度和天文纬度。3.高斯平面直角坐标系 地理坐标对局部测量工作来说是非常不方便的。例如在赤道上，1″的经度差或纬度差对应的地面距离约为30m。测量计算最好在平面上进行，但地球是一个不可展的曲面，必须通过投影的方法将地球表面上的点位化算到平面上。地图投影有多种方法，我国采用的是高斯-克吕格正形投影(Gauss-Krugerconformalprojection)，简称高斯投影(Gaussprojection)。1)高斯投影方法：是高斯在1820~1830年间，为解决德国汉诺威地区大地测量投影问题而提出的一种投影方法。1912年起，德国学者克吕格(Kruger)将高斯投影公式加以整理和扩充并推导出了实用计算公式。 高斯投影是将地球按经线划分成带，称为投影带，投影带是从首子午线起，每隔经度6°划分为一带(称为统一6°带)，自西向东将整个地球划分为60个带。带号从首子午线开始，用阿拉伯数字表示。 位于各带中央的子午线称为该带的中央子午线(centralmeridian)。第一个6°带的中央子午线的经度为3°，任意带的中央子午线经度与投影带号的关系为为了减小变形，也可以采用3°带投影。3°带是从东经1°30′起，每隔经差3°划分一带，共分为120带，各带中央子午线经度为带号为 2）高斯平面直角坐标的建立根据投影的特点，以每带的中央子午线和赤道的交点为坐标原点o，中央子午线方向为纵轴x轴，北方向为正；赤道投影线为横轴y轴，东方向为正，建立高斯平面直角坐标系。象限按顺时针方向Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ排列。为避免出现负值，x轴向西平移500km，并在y坐标值前冠以带号。 我国领土所处的概略经度范围是东经73°27′~东经135°09′，因此6°带与3°带投影的带号范围分别为13~23，25~45。可见，在我国领土范围内，6°带与3°带的投影带号不重复。4.独立平面直角坐标系《城市测量规范》(CJJ8-99)规定，面积小于25km2的城镇，可不经投影采用假定平面直角坐标系统在平面上直接进行计算。将测区中心点C沿铅垂线投影到大地水准面上得c点，用过c点的切平面来代替大地水准面，在切平面上建立的测区平面直角坐标系称为“假定平面直角坐标系”。 坐标系的原点选在测区西南角以使测区内点的坐标均为正值，以过测区中心的子午线为x轴方向，东西方向为y轴，象限按顺时针方向排列。将测区内任一点P沿铅垂线投影到切平面上得p点，通过测量，计算出的p点坐标就是P点在假定平面直角坐标系中的坐标。 城市平面坐标系的选择一个城市只应建立一个与国家坐标系相联系的、相对独立和统一的城市平面坐标系，并经上级行政主管部门审查批准后方可使用。城市平面坐标系的选择应以投影长度变形值不大于2.5cm/km等于1/4万为原则，并根据城市地理位置和平均高程而定。5.高程系统地面点的高程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离绝对高程或海拔：指地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离，简称高程(height)，通常用点名加下标表示,如、。。 大地高程：指地面点沿法线到参考椭球面的距离，用表示。相对高程：指地面点沿铅垂线到某假定水准面的距离，用表示。高差：地面上两点间的高程之差，用表示。高程系是一维坐标系，常用的基准是大地水准面。由于海水面受潮汐、风浪等影响，它的高低时刻在变化。通常是在海边设立验潮站(tidegaugestation)，进行长期观测，求得海水面的平均高度作为高程零点，以通过该点的大地水准面为高程基准面(heightdatum)。也即大地水准面上的高程恒为零。 国家高程系统---我国境内所测定的高程点是以青岛验潮站历年观测的黄海平均海水面为基准面，并于1954年在青岛市观象山建立了水准原点(levelingorigin)，通过水准测量的方法将验潮站确定的高程零点引测到水准原点，也即求出水准原点的高程。---新中国成立后，1956年我国采用青岛验潮站1949年~1956年的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.289m，以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为1956年黄海高程系(Huanghaiheightsystem1956)。 ---80年代，我国又采用青岛验潮站1952年~1979年间的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准引测出水准原点的高程为72.260m，以这个大地水准面为高程基准建立的高程系称为“1985国家高程基准”(Chineseheightdatum1985)，简称“85高程基准”。---在水准原点，1985高程基准使用的大地水准面比1956黄海高程系使用的大地水准面高出0.029m。城市高程系统的选择---《城市测量规范》规定，一个城市只应采用一个统一的高程系统。城市高程系统应采用1985国家高程基准或沿用1956年黄海高程系统，在远离国家水准点的新设城市或在改造旧有水准网因高程变动而影响使用时，经上级行政主管部门批准后，可暂时建立或用地方高程系统，但应争取条件归算到1985国家高程基准上来。 WGS英文意义是“WorldGeodeticSystem”(世界大地坐标系)，它是美国国防局为进行GPS导航定位于1984年建立的地心坐标系，1985年投入使用。WGS-84坐标系的几何意义是：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道交点，y轴通过右手规则确定。WGS-84地心坐标系可以与1954北京坐标系或1980西安坐标系等参心坐标系相互转换，其方法之一是：在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程。其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。WGS-84坐标系 1.3.1测量工作的基本内容测量工作的基本内容包括测定和测设。地球表面复杂多样的形态称为地形，可分为地物和地貌两类。测定是将地物和地貌按一定的比例尺、用规定的符号缩小绘制成地形图(topographicmap)。如图所示，测区内有山丘、房屋、河流、小桥、公路等，要测绘地形图，首先要在测区内均匀布置一些点，并测量计算出它们的x、y、H三维坐标。测量上将这些点称为控制点，测量与计算控制点坐标的方法与过程称为控制测量。地形特征点又称为碎部点(detailpoint)，测量碎部点坐标的方法与过程称为碎部测量(detailsurvey)。1.3测量工作的基本内容和原则 测绘地形图的过程是利用控制点测量出这些地物、地貌特征点的坐标，然后按一定的比例尺、规定的符号缩小展绘在图纸上。 测设是将图纸上设计好的建筑物或构筑物的特征点的平面位置和高程在实地标定出来。因此，测量工作的实质是测定地形特征点的三维坐标或是在地面上测设点位。1.3.2测量工作的主要技术方法测量地形特征点的方法有多种，在工程测量中常用卫星定位和几何定位的方法。利用卫星信号接收机，同时接收多颗定位卫星发射的信号进行定位，称为卫星定位。在测定或测设时，常用几何测量法。几何测量法又称常规定位方法。 若在待测点P安置卫星接收机，在某时刻同时接收三颗卫星信号，测定卫星至接收机的距离。已知该时刻卫星空间三维坐标，即可用下式求出待测点三维坐标：几何测量方法的原理为:如地面上有三个点A、B、C，其中A点坐标已知，待求点为B、C，在水平面上的投影点分别为a、b、c，见图。测定a、b间平距Dab，及x纵坐标北方向与ab边的夹角(称为方位角)，即可求定b点平面坐标： 若A点高程已知，只要测定A、B点高差hAB，即可求得B点高程：HB=HA+hAB若已知A、B点坐标，只要测定水平角和距离Dbc，即可确定C点位置。在常规测量中，测量的基本工作是水平距离测量、角度测量和高差测量。 1.3.3测量工作的组织原则测量工作必须遵循两项原则：一是“从整体到局部，先控制后碎部”，即先做控制测量，再在控制点上进行碎部测量。在测区内选择若干有控制意义的点，组成控制网，用卫星定位技术或几何测量方法确定这些网点的坐标(称为控制测量，所确定的点为控制点)。再以控制点坐标为依据，在控制点上安置仪器进行地物、地貌特征点测量(称为碎部测量)。控制网的等级越高，网点之间的距离就越大、点的密度也越稀、控制的范围就越大；控制网的等级越低，网点之间的距离就越小、点的密度也越密、控制的范围就越小。 二是测量中要严格进行检核工作，即对测量的每项成果必需检核，保证前一项工作无误，方可进行下一步工作，以保证成果的正确性，“简称为步步检核”。施工测量中，为了保证放样的准确性、统一性，也应先做施工控制测量，然后在控制点上测设细部。 1.4.1对距离的影响结论：在10km为半径的测区内进行距离测量时，可以用水平面代替大地水准面，而不考虑地球曲率对距离的影响。1.4用水平面代替水准面的限度 式中，P为球面多边形面积；R为地球半径；ρ为一弧度相应的秒值，ρ=206265″.结论：当测区面积为100km2时，用水平面代替大地水准面，对角度最大影响仅为0.51″，所以在这样的测区进行工程测量时可以不考虑地球曲率对水平角测量的影响。1.4.2对水平角测量的影响 结论：就高程测量而言，即使距离很短，也应顾及地球曲率对高程的影响。1.4.3对高差测量的影响 测量常用计量单位与换算测量常用的角度、长度、面积等几种法定计量单位的换算关系分别列于表中。