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土木工程测量学概述土木工程测量学概述第1页，本讲稿共41页第一章第一章 测量学概论测量学概论学习要点1-1测量学的基本概念1-2测量学的基本任务1-3测量学的特点和要求1-4测量的基准面1-5地面点位的确定和坐标系1-6测量工作的程序及基本内容第2页，本讲稿共41页1-1 测量学的基本概念测量学的基本概念一.测量学的概念二.测量学的作用三.测量学的学科分类第3页，本讲稿共41页一一.测量学的概念测量学的概念 测量学是研究地面上点与点之间相对位置关系（包括地面、地下、空间）以及确定地球形状和大小的科学 测量学利用测量仪器和工具，用测量的方法和手段，来确定点与点之间的相对关系，主要是指地面点之间的角度与距离关系。通过计算，得到地面点的平面位置和高程数据，并将地面点所表达的地球表面的地形及其其它信息测绘成图。根据工程需要，可以形成地形图、断面图等。第4页，本讲稿共41页二二.测量学的作用测量学的作用 测量工作主要为国民经济建设提供各类地形图，以及所需的地面现状度量数据，供工、农业生产、城市建设、国防建设及各类工程建设的规划、设计、管理等使用；同时也为各类工程建设的实施提供现场的精确定位。此外，在国防、公安、地震和灾情监测等领域，测量工作的配合起着越来越重要的作用。第5页，本讲稿共41页三三.测量学的学科分类测量学的学科分类大地测量学 研究和测定地球的形状、大小、重力场和地面点几何位置及其变化的理论和技术的学科。大地测量的方法有几何法、物理法和卫星法。摄影测量与遥感学 研究利用摄影或遥感的手段获取地面目标物的影像数据，从中提取几何或物理信息，并用图形、图像和数字表达的理论和方法的学科。第6页，本讲稿共41页第7页，本讲稿共41页工程测量学 研究工程建设和自然资源开发中各个阶段进行控制测量、地形测绘、施工放样和变形监测的理论和技术的学科。适用于规划设计、施工、运营等各个阶段。地图制图学 研究模拟地图和数字地图的基础理论、设计、编绘、复制的技术方法的学科。海洋测绘学 研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量理论和方法的学科。第8页，本讲稿共41页1-2测量学的基本任务测量学的基本任务两个任务：测定、测设第9页，本讲稿共41页一一.测定测定（地面（地面 图纸）图纸）测定地面现状的位置。测定的成果：（1）数据 坐标（地理坐标、平面坐标）、高程、角度、距 离、地面直线的方位角、坡度、面积等。（2）图 地形图、平面图、地籍图、断面图、沉降图等第10页，本讲稿共41页二二.测设测设（图纸（图纸 地面）地面）将图纸上设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程，放样于实地，作为施工的依据。也叫施工放样。测设成果：体现设计的平面位置和高程的现场标志。第11页，本讲稿共41页1-3测量学的特点和要求测量学的特点和要求1 特点（1）实践性强，责任感要求高，必须遵照测量的规范和规则（2）内容多：测量学基本原理、误差理论、仪器使用、作业方法、基本计算等第12页，本讲稿共41页2 学习要求（1）学会和掌握测量的基本作业方法：角度测量、距离测量、高程测量（仪器的基本操作、作业程序、记录、成果整理）（2）掌握测量仪器的检验和校正方法：测量仪器的轴线关系、检验和校正的作业方法（3）学会控制测量、地形测量、施工放样的基本作业方法：外业测量、内业测量与绘图（4）建立测量误差的基本概念：掌握测量误差的基本理论和测量误差的计算第13页，本讲稿共41页3 其它要求（1）野外作业：严格按照规定的作业和操作程序（2）记录：字迹清晰、端正，不得任意涂改（3）计算：按平差规则，作计算检核、保证计算精度（小数取位）（4）正负号：在以下数据前加“+、-”号（高差、竖直角、指标差、坐标增量、所有的闭合差、改正数）第14页，本讲稿共41页1-4 测量的基准面测量的基准面测量工作使用的两个基准面：u 大地水准面u旋转椭球面第15页，本讲稿共41页一一.大地水准面大地水准面定义：与平均海水面所形成的闭合曲面。l作为建立高程系统的水准面，其高程为零关键词：水准面、大地体、重力等位面（处处与重力方向垂直的连续曲面，表面不光滑）第16页，本讲稿共41页二二.旋转椭球面旋转椭球面定义：可用数学式表示的光滑曲面，代替大地水准面且非常接近大地水准面。旋转椭球面作为建立坐标系统的基准面。l以地球自转轴PP1为短轴，以赤道直径EQ为长轴的椭圆绕PP1旋转而成的椭球体 地球的理论形体扁率我国1980年大地测量坐标系采用：a=6378140mb=6356755mf=1/298.257目前已知精确值：a=6378137mb=6356752mf=1/298.257第17页，本讲稿共41页1-5地面点位的确定与坐标系地面点位的确定与坐标系1地面点的坐标2地面点的高程3确定地面点平面位置的方法一个空间点位由三个数据表示：l 平面坐标X、Y（或地理坐标 经度、纬度），由坐标系统表示l 高程H，由高程系统表示第18页，本讲稿共41页一一.地面点的坐标地面点的坐标四种坐标表示方法：1.大地坐标系2.空间三维直角坐标系3.高斯平面直角坐标系4.地区平面直角坐标系坐标变换第19页，本讲稿共41页1.大地坐标系大地坐标系以地球椭球面作为基准面，用经度和纬度两个值表示地面点的球面位置大地经度：0180大地纬度：090大地高：地面点到椭球面的铅垂距离目前我国采用的是“1980年国家大地坐标系”以陕西省泾县永乐镇大地原点为起算点第20页，本讲稿共41页2.空间三维直角坐标系空间三维直角坐标系以地球椭球的中心O为原点，首子午面与赤道面的交线为X轴，在赤道面内通过原点O与X轴垂直的为Y轴，地球椭球的旋转轴为Z轴。常应用于卫星测量第21页，本讲稿共41页a.高斯平面直角坐标系的建立高斯投影法就是将椭球面变换为平面的地图投影方法l在椭球面上划分投影带逐带投影到椭圆柱展开椭圆柱面成平面直角坐标系面上l特点：采用正形投影（即保角变换、保角影射）3.高斯（高斯（Gauss）直角坐标系）直角坐标系第22页，本讲稿共41页l使中央子午线与椭柱体相切，投影时长度不变，展开后为X轴，向北为正；赤道与中央子午线正交，展开后为Y轴，向东为正。高斯投影原理第23页，本讲稿共41页b.高斯平面直角坐标系的表示为使用方便，X轴向西移500kml以中央子午线为X轴的横坐标加上500kml为区分各坐标带，在横坐标值前加上坐标带的带号例：设第21投影带内A B投影的横坐标为ya=+224567myb=-245678m则：ya=500000+224567=724567m yb=500000-245678=254322m即：ya=21724567m yb=21254322m第24页，本讲稿共41页4.地区平面直角坐标系地区平面直角坐标系 地区平面直角坐标系又称独立坐标系，精度要求高。城市的平面直角坐标系经常以城市中心地区某点的子午线作为中央子午线，将坐标原点也移至测区以内，据此进行高斯投影，称为“城市独立坐标系（城市坐标系）”第25页，本讲稿共41页5.坐标换算坐标换算 地面上同一点的大地坐标、空间三维直角坐标和高斯平面直角坐标之间，均可以根据其数学关系进行坐标换算。工程中多用于平面直角坐标系的建筑坐标系与城市坐标系之间的坐标换算。已知建筑坐标换算成城市坐标已知城市坐标换算成建筑坐标第26页，本讲稿共41页二二.地面点的高程地面点的高程1.地面点的高程2.高程系统与高程基准第27页，本讲稿共41页1.地面点的高程地面点的高程绝对高程：地面点到大地水准面的铅垂距离相对高程：假定高程（多用于建筑施工）第28页，本讲稿共41页2.高程系统与高程基准高程系统与高程基准我国国家高程系统：黄海高程系我国国家高程基准：1985年国家高程基准l我国取黄海平均海水面为大地水准面；人为而定，相对稳定（我国1956年取前六年的平均潮位作为大地水准面；1985年取1953-1979年共26年观测的平均潮位作为大地水准面）l水准原点建在青岛市内，作为我国的国家高程基准。1956年高程基准的高程为72.289米，1985年高程基准的高程为72.260米上海地区高程系统：吴淞高程系第29页，本讲稿共41页三三.确定地面点平面位置的方法确定地面点平面位置的方法（一）地面点的相对平面位置1.直角坐标表示法 用两点间的坐标 增量x、y表示 2.极坐标表示法 用两点连线方位角 和水平距离D表示第30页，本讲稿共41页（二）坐标正算和反算 1.坐标正算 由极坐标化为直角坐标 2.坐标反算 由直角坐标化为极坐标第31页，本讲稿共41页（三）极坐标法定点位地面点的平面位置多用极坐标法测定第32页，本讲稿共41页一.测量工作的基本原则二.测量工作的程序三.确定地面点位的三个基本要素 四.水准面曲率对观测量的影响1-6 测量的程序与原则测量的程序与原则第33页，本讲稿共41页一一.测量工作的基本原则测量工作的基本原则布局上：由整体到局部次序上：由控制到细部精度上：由高级到低级第34页，本讲稿共41页二二.测量工作的程序测量工作的程序由整体到局部由控制到细部由高级到低级第35页，本讲稿共41页三三.确定地面点位的三个确定地面点位的三个基本要素基本要素距离：S夹角：高差：h三个基本观测量第36页，本讲稿共41页四四.水准面的曲率对观测量的影响水准面的曲率对观测量的影响在小测区内，用水平面代替水准面，讨论由此对距离、角度、高差的影响据此确定水平面代替水准面的最大范围简化计算，对精度无影响第37页，本讲稿共41页1.水准面曲率对距离测量的影响水准面曲率对距离测量的影响水平面代替水准面的距离误差和相对误差水平面代替水准面的距离误差和相对误差距离S（km）距离误差S（cm）相对误差S/S100.81：12000002512.81：20000050102.71：49000100821.21：12000结论结论1：在半径小于在半径小于10km的范围内量距，不必考虑的范围内量距，不必考虑地球曲率的影响。地球曲率的影响。第38页，本讲稿共41页2.水准面曲率对水平角度的影响水准面曲率对水平角度的影响水平面代替水准面的角度误差水平面代替水准面的角度误差球面面积P（km2）球面角超100.05”1000.51”4002.03”250012.70”结论结论2：在半径小于在半径小于10km的范围内进行水平角测的范围内进行水平角测量，不必考虑地球曲率的更正。量，不必考虑地球曲率的更正。对球面上面积为P的图形，有球面角超公式：第39页，本讲稿共41页3.水准面曲率对高差测量的影响水准面曲率对高差测量的影响水平面代替水准面的高程误差水平面代替水准面的高程误差S（km）0.10.20.30.40.512510h（cm）0.080.30.71.32831196785结论结论3：高程测量时哪怕测量距离很近，也必须考高程测量时哪怕测量距离很近，也必须考虑地球曲率的影响。虑地球曲率的影响。第40页，本讲稿共41页附：测量的度量单位附：测量的度量单位（一）长度单位（二）面积单位（三）体积单位（四）角度单位l角度 degree（Deg）一个圆周角=360六十进制l新度 grad（Gra）一个圆周角=400一百进制 等于9/10度l弧度 radian（Rad）一个圆周=2弧度第41页，本讲稿共41页