工程测量01第一章绪论.ppt

2023/5/17 1第一章 绪论2023/5/17 2第一章 绪论 第一节 概述 第二节 地面上点位的确定 第三节 用水平面代替水准面的限度 第四节 测绘工作的基本原则 第五节 工程测量现代进展2023/5/17 3第一节 概述一、测绘学介绍一、测绘学介绍（一）定义 测绘学是研究地球形状和大小、确定地球表面（包括空中、地表、地下和海洋）物体的空间位置，以及对于这些空间位置信息进行处理、储存、管理的科学。它包括测量和制图两项主要内容。测绘学按照研究对象及采用技术的不同，又可分为下列学科：1、大地测量学 2、摄影测量学 3、工程测量学 4、海洋测量学 5、地图制图学2023/5/17 4第一节 概述一、测绘学介绍（二）应用 主要应用在：1）城乡建设规划；2）国土资源的合理利用；3）农林牧渔业的发展；4）环境保护以及地籍管理等工作中所进行的土地测量；5）测绘各种类型、各种比例尺的地图；6）控制测量、矿山测量和线路测量等 2023/5/17 5第一节 概述二、工程测量学介绍 工程测量学是研究地球空间（地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。（一）发展历史 中国汉代司马迁的史记中关于夏禹治水(公元前21世纪)时的勘测情况的记载。1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图是目前世界上发现的最早的地图。在国外，公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔的精确建立说明当时就已有了放样的工具和方法。公元前十四世纪，在幼发拉底河与尼罗河流域曾进行过土地边界的划分测量。二十世纪初，以核子、电子和空间技术为标志的第三次技术革命，使工程测量学获得了迅速的发展。20世纪50年代，世界各国在建设大型水工建筑物、长隧道、城市地铁中，对工程测量提出了一系列要求，形成了施工测量的内容；20世纪60年代，空间技术的发展和导弹发射场建设促使工程测量进一步发展；20世纪70年代以来，高能物理、天体物理、人造卫星、宇宙飞行、远程武器发射等所需建设的各种巨型实验室，就是高精度工程测量。二十世纪末，测量对象深入到地下、水域、空间和宇宙，如核电站、摩天大楼、海底隧道、跨海大桥、大型正负电子对撞机等。从工程测量学的发展历史可以看出，它的发展经历了一条从简单到复杂、从手工操作到测量自动化、从常规测量到精密测量的发展道路，它的发展始终与当时的生产力水平相同步，并且能够满足大型特种精密工程中对测量所提出的愈来愈高的需求。2023/5/17 6第一节 概述二、工程测量学介绍（二）研究内容 工程测量的主要内容包括：1）提供模拟或数字的地形资料；2）进行测量及其有关信息的采集和处理；3）建筑物的施工放样；4）大型精密设备的安装和调试测量；5）工业生产过程的质量检测和控制；6）各类工程建设物、矿山和地质病害区域的变形监 测、机理解释和预报；7）工程测量专用仪器的研制与应用；8）与研究对象有关的信息系统的建立和应用等。2023/5/17 7第一节 概述（1）地形图测绘 一般工程使用1:1万至1:10万的国家地形图系列。大型工程：采用航空摄影测量，用模拟法、解析法或全数字化法测图。1:20001:5000的局部性或带状地形图：采用地面测量方法用模拟的白纸成图或数字化机助成图法进行测绘。（2）控制网布设 建立平面控制网和高程控制网，目的是为工程建筑物的施工放样、验收及其他测量工作提供依据。首级平面控制网布网形式：高精度测角网、边角网或电磁波导线等，再以插网、插点或导线加密；或可采用GPS建立平面施工控制网以及施工放样工作。高程控制网：高精度的水准网。（3）建筑物施工放样 施工放样：将设计的抽象的几何实体放样（或称测设）到实地上去，成为具体几何实体所采用的测量方法和技术。放样方法：方向交会法、距离交会法、方向距离交会法、极坐标法、坐标法、偏角法、偏距法、投点法等。仪器：光学、电子经纬仪、水准仪、全站仪以及GPS技术等。2023/5/17 8第一节 概述（4）建筑物竣工测量 竣工测量：工程建设项目竣工验收时所进行的测量工作。目的：根据控制网点测定已有建筑物的实际位置以及部分建筑物的几何形体，以检验施工质量，为工程的验收、决算、维护等工作提供依据。竣工测量的成果主要包括：竣工总平面图、分类图、辅助图、断面图以及道路曲线元素、细部点坐标、高程明细表等。（5）建筑物变形监测 工程建筑物及与工程有关的变形的监测、分析和预报是工程测量学的重要研究内容。变形分析和预报除了需要对变形观测数据进行处理外，还涉及到工程、地质、水文、应用数学、系统论和控制论等学科，属于多学科的交叉领域。变形监测技术几乎包括了全部的工程测量技术，除常规的仪器和方法外，还大量的使用各种传感器和专用仪器。2023/5/17 9第一章 绪论 第一节 概述 第二节 地面上点位的确定 第三节 用水平面代替水准面的限度 第四节 测绘工作的基本原则 第五节 工程测量现代进展2023/5/17 10第二节 地面上点位的确定 一、地球的形状和大小（一）大地水准面 假想有一个静止的海水面，向陆地延伸形成一个封闭的曲面，这个曲面称为水准面。平均高度的海水面，称为大地水准面。大地水准面所包围的形体称为大地体，它代表地球的一般形状。图1-1 大地水准面和参考椭球面（二）参考椭球面 旋转椭球面所包含的形体称为旋转椭球体，同大地水准面最为接近的椭球面称为平均地球椭球面。旋转椭球体是由椭球面NWSE绕其短轴NS旋转而成的形体（见图1-1），其形状和大小取决于长半轴a、短半轴b和扁率=(a-b)/a。如图1-1所示，地面上选一点P，令P点的铅垂线和椭球面上相应点P0的法线重合，并使P0点的椭球面与大地水准面相切。这里的P点称为大地原点，旋转后的椭球面称为参考椭球面，其包围的形体称为参考椭球体。大地水准面和铅垂线是测量外业所依据的基准面和基准线，参考椭球面及其法线是测量计算所依据的基准面和基准线。2023/5/17 11第二节 地面上点位的确定椭球名称 长半轴a(m)短半轴b(m)扁率 推算年代和国家 白塞尔 6377397 6356564 1:299.2 1841年德国 克拉克 6378249 6356515 1:293.5 1880年英国 德福特 6378388 6356912 1:297.0 1909年美国 克拉索夫斯基 6378245 6356863 1:298.3 1940年前苏联 IUGG-75 6378140 6356755.3 1:298.257 1979年国际大地测量与地球物理联合会 WGS-84 6378137 6356752 1:298.257223563 1984年美国 表1-1 地球椭球参数2023/5/17 12第二节 地面上点位的确定图1-2 大地坐标系图1-3 WGS-84坐标系二、地面点位置的确定 在测绘工作中，常用的坐标系统有大地坐标系、高斯投影平面直角坐标系、独立平面直角坐标系等。（一）大地坐标系 如图1-2所示，地心空间直角坐标系(X，Y，Z)的Z轴与地球平均自转轴重合，与Z轴垂直的平赤道面构成XY平面；XZ平面是包含平均自转轴和格林威治平均天文台的平面；Y轴的指向使该坐标系成为右手坐标系。椭球的短轴与地心空间直角坐标系的Z轴重合，起始子午面和赤道面分别与该坐标系的XZ平面和XY平面重合。P点沿椭球面法线到椭球面上的投影是Q，PQ=H，称为P点的大地高程，过P点的大地子午面和首子午面所夹的两面角称P点的大地经度L；过P点的法线与赤道面的夹角称P点的大地纬度B。P点的大地坐标（L，B，H）和地心空间直角坐标(X，Y，Z)之间存在着严密的数字关系，可以互相换算。目前，我国常用的大地坐标系统有：（1）1954年北京坐标系（2）1980年国家大地坐标系（3）WGS-84坐标系(图1-3 WGS-84坐标系)2023/5/17 13第二节 地面上点位的确定（二）高斯平面直角坐标系 根据高斯-克吕格尔投影所建立的平面坐标系称高斯平面直角坐标系。高斯克吕格尔投影属于横轴切圆柱正形投影。可以设想将截面为椭圆的一个圆柱体面套在地球椭球的外面（见图1-4），圆柱的中心轴EE1在赤道面内，圆柱面同椭球面相切在中央子午线上。按正形条件将中央子午线东、西各一定经度范围内的地区投影到圆柱面上，然后将该圆柱面展开成一平面，就得出中央子午线两侧的一部分地区在平面上的投影（见图1-5）。地球椭球赤道的投影也是直线，且与中央子午线正交，以前者为横轴，即y轴，东向为正；后者为纵轴，即x轴，北向为正；两者的交点O为原点，这就形成了高斯平面直角坐标系。图1-4 高斯克吕格尔投影图1-5 高斯克吕格尔投影展开2023/5/17 14第二节 地面上点位的确定 高斯克吕格尔将地球椭球面按子午线划分成适当个数的投影带，带宽一般分为6、3和1.5等3种。每一投影带采用各自独立的高斯平面坐标系(见图1-6)，并规定y坐标加上500公里，以避免出现负值。为了表示任一点所在的投影带，又规定y坐标值前加上二位数，以表示投影带号。x坐标值无论在哪一投影带内都是由赤道起算的实际值。图1-6 高斯克吕格尔投影分带 2023/5/17 15第二节 地面上点位的确定 地球表面上一点所在分带的中央子午线的经度值可用下式计算：6分带：（1-1）3分带：（1-2）式中 N投影带带号。（三）高程系统 地面点到某一高程基准面的垂直距离称为地面点的高程。常用的高程基准面有参考椭球体面和大地水准面，其相应的高称为大地高和海拔高。地面上任意两点之间的高程之差称为高差。1980年以前，我国主要采用“1956年黄海高程系”，它利用青岛验潮站19501956年观测的潮位成果求得的黄海平均海水面作为高程的零点，因观测时间短，准确性较差。后改用19531979年的观测资料重新进行计算，并将计算结果命名为“1985年国家高程系统”（1987年5月26日正式公布使用）。由于高程基准面发生了变化，因此，这两个高程系统存在一定的差异，它们的关系如下：H85=H56-0.029（1-3）2023/5/17 16第一章 绪论 第一节:概述 第二节:地面上点位的确定 第三节 用水平面代替水准面的限度 第四节 测绘工作的基本原则 第五节 工程测量现代进展2023/5/17 17第三节 用水平面代替水准面的限度 用水平面代替水准面的限度即在该限度内，将椭球面作为平面所产生的误差不能超过工程地形图和施工放样的精度要求。一、地球曲率对水平距离的影响 如图1-7所示，设地面上有A、B两点，在水准面上的投影分别为A、B，在水平面上的投影为A、C。若以平面上的距离AC（设为t）代替水准面上的距离（设为d），其误差为：（1-4）图1-7 用水平面代替水准面式中 R 地球半径，R=6371km；弧长d 所对的圆心角。将tg 用级数展开，并取其前两项可得：因为，所以可得：2023/5/17 18第三节 用水平面代替水准面的限度 以不同的d值代入上式，求得相应的d列于表1-2。从表中可以看出，当距离为10km时，用水平面代替水准面产生的距离相对误差为1/120万，这个误差小于目前精密量距的允许误差（1/100万）。因此，在半径小于10km的区域内，地球曲率对水平距离的影响可以忽略不计，可以用水平面代替水准面。距离d 距离误差d（mm）距离相对误差d/d 高程误差h（mm）100m 0.000008 1/1250000万 0.8 1km 0.008 1/12500万 78.5 10km 8.2 1/120万 7850.0 25km 128.3 1/19万 49050.0 表1-2 地球曲率对水平距离和高程的影响2023/5/17 19第三节 用水平面代替水准面的限度二、地球曲率对高程的影响 如图1-7所示，地面点B在球面和水平面上的投影分别为B和C，并设这两点的高差为h，从图中可以看出，CAB=/2，因该角很小，若以弧度表示，则有：因为,所以得：（1-6）以不同的d代入上式，算得相应的h列于表1-2中。由表中数据可知，对高程测量来说，即使距离很短，也不能忽视地球曲率对高程的影响。2023/5/17 20第一章 绪论 第一节:概述 第二节:地面上点位的确定 第三节 用水平面代替水准面的限度 第四节 测绘工作的基本原则 第五节 工程测量现代进展2023/5/17 21第四节 测绘工作的基本原则图1-8 测绘工作和原则示意图一、测绘的基本工作 测绘工作的主要任务是确定地面点与点之间的平面和高程位置的关系，也可将其分成测定和测设两大部份。测定是将地物和地貌按一定的比例尺缩小绘制成地形图，测设是将在图纸上设计好的建筑物和构筑物的位置在实地标定出来。水平角、水平距离和高差是确定地面点位置关系的三个基本几何要素，测量地面点的水平角、水平距离和高差是测量的基本工作 2023/5/17 22第四节 测绘工作的基本原则二、测绘的基本原则 由于一般测量工作的范围都比较大，测量工作在一个控制点上通常是难以完成的，如图1-8中工厂区在控制点A上就无法测到。以及图1-9中，由于建筑物多且通视条件限制，在点A上也不能完成所有控制工作，所以需再增加点。这就是“从整体到局部”的原则。图1-9 建筑物测设示意图2023/5/17 23第一章 绪论 第一节:概述 第二节:地面上点位的确定 第三节 用水平面代替水准面的限度 第四节 测绘工作的基本原则 第五节 工程测量现代进展 2023/5/17 24第五节 工程测量现代进展“广义工程测量学”，即“一切不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量和不属于公务测量的应用测量，都属于工程测量”。工程测量的发展可概括为“四化”和“十六字”，前者即工程测量内外业一体化；数据获取及处理自动化；测量过程控制和系统行为的智能化；测量成果和产品的数字化。后者为连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。2023/5/17 25第五节 工程测量现代进展一、现代工程测量技术（一）GPS应用技术 在工程测量中，应用GPS单点定位的情形较少，相对定位是其主要模式。包括静态、快速静态、往返式重复设站、准动态、动态、实时动态（RTK）、主动控制模式等。由GPS、GIS、RS技术集成或综合的“3S”技术，拓宽了信息采集与处理功能，保持了信息的现势性与可靠性。GPS实时动态测量(RTK)技术，广泛应用于石油勘探、数字测图、施工放样、管线测量等领域。2023/5/17 26第五节 工程测量现代进展一、现代工程测量技术（二）全站仪应用技术 全站仪是一种集光电、计算机、微电子通讯、精密机械加工等高精尖技术于一体的先进测量仪器。特点：同时具备电子经纬仪测角和测距两种功能；由电子计算机控制、采集、处理和储存观测数据，使测图数字化、后处理全自动化。应用：常规的控制测量、地形测量和工程测量，地表与地表构筑物的变形测量，如地面沉降、深基坑开挖引起的环境变形、大坝变形以及工业目标的定位与变形测量等方面。免棱镜全站仪是高性能全站仪的典型代表之一，它把免棱镜测距技术与传统的全站仪结合在一起，给测量工作带来了很大方便。图1-10 Leica TCA2003全站仪2023/5/17 27第五节 工程测量现代进展一、现代工程测量技术（三）电子水准仪应用技术 电子数字水准仪是集电子光学、图像处理、计算机技术于一体的当代最先进的水准测量仪器,它具有速度快、精度高、使用方便、劳动强度低及便于用电子手簿实现内外业一体化的优点,代表了当代水准仪的发展方向。目前，世界上仅有少数厂家生产电子数字水准仪。常见的有以下几种，如图1-11所示。徕卡DNA03/10 蔡司DINI10 拓普康DL101/102 索佳SDL2图1-11 电子水准仪2023/5/17 28第五节 工程测量现代进展一、现代工程测量技术（四）激光三维扫描测量系统 三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行进一步的分析和数据处理。三维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体的二维表面的列阵式几何图形数据。图1-12 Cyra三维激光扫描系统 图1-13 对清华大学校门扫描所建立的模型图 2023/5/17 29第五节 工程测量现代进展图1-14 三维坐标测量机一、现代工程测量技术（五）三维工业测量系统 三维工业测量系统是以电子经纬仪或自动全站仪等多个传感器集成和综合应用的三维工业自动测量系统。其应用主要有：1）汽车、飞机、发电站、核反应堆等工程的组装与建设；2）复杂的柔曲骨架结构的安装与调正；3）天线、钻井工程、发射架及冷凝塔等高耸构筑物的监测与校准；4）大型高精度钢结构安装与位移的形变监测及工业与传输设备的定位等领域。三维工业测量系统2023/5/17 30三维工业测量案例 三维工业测量案例 实物原型 扫描后的点云数据 处理后的三角面片图 曲面图2023/5/17 33第五节 工程测量现代进展二、发展展望（1）测量机器人将作为多传感器集成系统在人工智能方面得到进一步发展，其应用范围将进一步扩大，影象、图形和数据处理方面的能力进一步增强。（2）在变形观测数据处理和大型工程建设中，将发展基于知识的信息系统，并进一步与大地测量、地球物理、工程与水文地质以及土木建筑等学科相结合，解决工程建设中以及运行期间的安全监测、灾害防治和环境保护的各种问题。（3）多传感器的混合测量系统将得到迅速发展和广泛应用，如GPS接收机与电子全站仪或测量机器人集成，可在大区域乃至国家范围内进行无控制网的各种测量工作。（4）GPS、GIS技术将紧密结合工程项目，在勘测、设计、施工管理一体化方面发挥重大作用。（5）大型和复杂结构建筑、设备的三维测量、几何重构以及质量控制将是工程测量学发展的一个热点。