工程测量中的坐标系选择原理与方法4026.docx
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1、工程测量中的坐标系选择原理与方法Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.摘要摘要:近几年来,国家大力兴建高速铁路,由于高速铁路对边长投影变形的控制要求很高(2.5cm /km),因而导致长期以来一直使用的三度带高斯投影平面之间坐标系已难以满足高速铁路建设的的精度要求,本文就具有抵偿高程投影面的任意带坐标系原理作出了阐释,具有抵偿高程投影面的任意带坐标系,克服了三度带坐标系在大型工程中精度无法满足要求的局限性,能有效地实现两种长度变形的相互抵偿,从而达到控制变形的目的。关键词:高高速铁路路、抵偿偿高
2、程面面、坐标标转换、投投影变形形、高斯斯正形投投影AbstrracttAbstrractt:In rreceent yeaars, coounttriees bbuilld hhighh-sppeedd raailwway, duue tto hhighh sppeedd raailwway proojecctivve ddefoormaatioon cconttroll off reevissed demmanddingg (22.5 cm/km), aand theerefforee caausee haas llongg beeen useed wwithh thhreee deegre
3、ees of gauussiian proojecctioon pplannes alrreaddy ddiffficuult to sattisffy bbetwweenn cooorddinaate sysstemm off hiigh-speeed raiilwaay cconsstruuctiion, thhis artticlle tthe acccuraacy reqquirremeent of thee pllanees wwithh coountter eleevattionn arrbittrarry mmadee innterrpreetattionn wiith cooo
4、rdiinatte ssysttem, wiith thee prrincciplle oof aany plaaness wiith antti-ssubssidyy ellevaatioon, oveercoome thrree deggreees ccoorrdinnatee wiith cooordiinatte ssysttem in larrge enggineeeriing acccuraacy cannt sattisffy rrequuireemennts limmitaatioon, cann efffecctivvelyy acchieeve thee twwo llen
5、ggth defformmatiion of muttuall coountter, acchieeve thee puurpoose of conntroolliing defformmatiion.keywoordss: rapiid ttrannsitt raailwway Coountter eleevattionn suurfaace Cooorddinaate traansfformmatiion PProjjecttivee deeforrmattionn Gauussiian fouundeer fformm prrojeectiion目录第一章 前言言1第二章 工程程测量中中
6、常用坐坐标系简简介22.1国家家统一的的3高斯正正形投影影平面直直角坐标标系统22.2抵偿偿高程面面上的高高斯正形形投影33带的平平面直角角坐标系系统32.3任意意带高斯斯正形投投影的平平面直角角坐标系系统32.4具有有高程抵抵偿面的的任意带带高斯正正形投影影平面直直角坐标标系4第三章 具有有抵偿高高程面的的任意带带高斯正正形平面面直角坐坐标系设设计原理理53.1 高高斯正形形投影53.2 投投影变形形及其主主要特特特征分析析63.2.11将参考考椭球面面上的长长度归化化至高斯斯平面63.2.22将参考考椭球面面上的长长度归化化至高斯斯平面73.3设计计原理7 33.4 工程测测量投影影面和投
7、投影带选选择的基基本出发发点 88 第四章 实实例比较较与分析析9第五章 总总结10参考文献11致谢122附录12230工程测量中中的坐标标系选择择原理与与方法Enginneerringg meeasuuremmentt prrincciplle aand metthodd off thhe ccoorrdinnatee syysteem sseleectiion第一章 前言我国的铁路路工程建建设 ,长期以以来一直直采用国国家统一一 3带高斯斯正形投投影平面面直角坐坐标系 (以下下简称 3带坐标标系 )作为铁铁路线路路工程的的施工坐坐标系。随随着我国国铁路建建设主要要技术标标准的显显著提高高和
8、勘测测工艺的的变革 ,3带坐标标系已难难以适应应铁路工工程建设设的需要要 ,特特别是高高速铁路路 (含含 2000 kkm /h客运运专线 ) ,对边长长投影变变形提出出了 22.5 cm /kmm (11/400 0000)的的控制要要求。因因此 ,在高速速铁路可可行性研研究阶段段 ,结结合项目目特点 ,设计计选定合合理的施施工坐标标系 ,有效控控制投影影变形对对工程建建设的影影响 ,是保证证定测、设设计、施施工的顺顺利实施施和工程程质量的的重要前前提。具具有抵偿偿高程面面的任意意带高斯斯正形投投影平面面直角坐坐标系 (以下下简称抵抵偿高程程面任意意带坐标标系 ) ,是是一种能能够灵活活解决
9、投投影变形形对工程程建设的的影响且且相对复复杂的坐坐标系形形式。以以下结合合对投影影变形问问题的分分析 ,对具有有抵偿高高程面任任意带坐坐标系的的设计原原理及方方法进行行讨论。第二章工程测量中中常用坐坐标系简简介2.1、国国家统一一的3高斯正正形投影影平面直直角坐标标系统有前面的分分析可知知,长度度元素高高程归化化改正与与高斯投投影长度度改化计计算。通通过高程程归化改改正公式式和高斯斯投影改改化公式式,可得得每千米米长度的的高程归归化改正正相对值值和边长长离中央央子午线线垂距的的长度变变形,每每千米长长度的高高程归化化改正相相对值如如表1所所示Hm/mS1/SHm/mS1/SHm/mS1/SH
10、m/m1:1000 00002001:30 00005001:12 0000Hm/m1:64 00003001:20 000010001:60000Hm/mS1/SHm/mS1/SHm/mS1/S1501:40 0000表 2-11 每千米米长度的的高程归归化改正正相对值值ym/mS1/Sym/mS1/Sym/mS1/S101:8000 0000451:40 00001501:3 6600201:2000 0000501:3 00002001:2 0000301:90 00001001:8 0000表 2-22 边边长离中中央子午午线垂距距的长度度相对变变形当参考椭球球面位于于观测面面下方时时
11、,长度的的高程归归化改正正量为负负值,而高斯斯投影改改正恒为为正值,这两项项改正是是可以相相互抵偿偿的。从从表1 和表2 中可以以得出:当观测测地面的的大地高高小于1150 m ,或者是是当观测测点离中中央子午午线的垂垂距不超超过455km 时,长度的的两项改改正值各各自的影影响都可可以保证证相对值值小于11/ 440 0000 ,即长长度变形形值不大大于2. 5 cm/ kmm ,此此时,可以直直接采用用国家统统一的33带高斯斯正形投投影平面面直角坐坐标系统统。当长度变形形值大于于2. 5 ccm/ km 时,可可依实际际情况采采用:投影于于抵偿高高程面上上的高斯斯正形投投影3带的平平面直角
12、角坐标系系统;高高斯正形形投影任任意带的的平面直直角坐标标系统等等。2.2、抵抵偿高程程面上的的高斯正正形投影影3带的平平面直角角坐标系系统在这种坐标标系中,仍仍采用国国家3度度带高斯斯投影,但但投影的的高程面面不是参参考椭球球面,而而是依据据补偿高高斯投影影变形而而选择的的高程参参考面。在在这个高高程参考考面上,长长度变形形为零。当采用用3度带带高斯平平面直角角坐标系系时,由由 S1+S2=S且S超过允许许的精度度要求(每每公里22.510ccm)时时,我们们令S =0,即即 s(ym22Rm2+HmR)= S1+S2=S=0于是,当ym确确定时,可可得H=ym22R进而计计算出高高程参考考
13、面。2.3、任任意带高高斯正形形投影的的平面直直角坐标标系统在这种坐标标系中,仍仍把地面面观测元元素归算算到参考考椭球面面上,但但投影带带的中央央子午线线不按国国家3度度带的划划分,而而是依据据能够补补偿高程程面上归归算长度度变形而而选择的的某一子子午线作作为中央央子午线线。同样根根据 Ym22Rm2-HmRA=0 =00 可可得y=2RmHm 即中中央子午午线的位位置。 比如如,在某某测区相相对参考考椭球面面的高程程H=5500mm,为抵抵偿地面面观测值值向参考考椭球面面上归算算的改正正,依上上式得 yy=800(kmm)既选择与测测区相距距80kkm处的的子午线线作为投投影面的的中央子子午
14、线,以以消除或或减弱两两项改正正引起的的长度变变形。但在实际应应用这种种坐标系系时,往往往是选选取过测测区边缘缘,或测测区中央央,或测测区内某某一点的的子午线线作为中中央子午午线,而而不经上上述的计计算。2.4、具具有高程程抵偿面面的任意意带高斯斯正形投投影平面面直角坐坐标系在这种坐标标系中,往往往是指指投影的的中央子子午线选选在测区区的中央央,地面面观测元元素归算算到测区区平均高高程面上上,按高高斯正形形投影计计算平面面直角坐坐标。通通过限制制和的大大小从消消除除或或减弱两两项改正正引起的的长度变变形。最最佳抵偿偿任意带带坐标系系的确定定方法。在大型工程程中,由由于对测测量的长长度变形形控制
15、很很严格,因因此大多多使用最最后一种种坐标系系作为其其施工坐坐标系。第三章 具有抵偿高高程面的的任意带带高斯正正形平面面直角坐坐标系设设计原理理 由于于具有抵抵偿高程程面的任任意带高高斯正形形平面直直角坐标标系的应应用很广广泛,并并且本文文作者在在新建大大同至西西安铁路路客运专专线的一一个标段段实习,对对此种坐坐标系的的原理有有一定的的了解,因因此本文文着重介介绍具有有抵偿高高程面的的任意带带高斯正正形平面面直角坐坐标系设设计原理理。3.1 高斯斯正形投投影著名的德国国科学家家卡尔 弗里德德里赫 高斯在在18220-118300年间在在对德国国汉诺威威三件测测量成果果进行数数据处理理时,曾曾采
16、用由由他本人人研究的的将一条条中央子子午线长长度投影影规定为为固定比比例尺度度的椭球球正形投投影。可可是并没没有发表表和公布布它。人人们只是是从他给给朋友的的部分信信件中知知道这种种投影的的结论性性投影公公式。高斯投影的的理论是是在他死死后,首首先在史史来伯与与18666年出出版的汉汉诺威大大地测量量投影方方法的理理论中中进行了了整理和和加工,从从而使高高斯投影影的理论论公布于于世。更详细的阐阐明高斯斯投影理理论并给给出实用用公式的的是有德德国测量量学家克克吕格在在他19912年年出版的的地球球椭球向向平面投投影中中给出的的。在这这部著作作中,克克吕格对对高斯投投影进行行了比较较深入的的研究和
17、和补充,从从而使之之在许多多国家得得以应用用。从此此人们将将这种投投影成为为高斯-克吕格格投影。为了方便地地实际应应用高斯斯-克吕吕格投影影,德国国学者巴巴乌盖尔尔在19919年年建议使使用三度度带投影影,并把把坐标纵纵轴洗衣衣5000km,在在纵坐标标前冠以以带号,这这个投影影带是从从格林尼尼治开始始起算的的。高斯-克吕吕格投影影得到世世界许多多测量学学家的重重视和研研究。其其中保加加利亚测测量学者者赫里斯斯托福的的研究工工作最具具代表性性。他的的两部力力作19943年年旋转转椭球上上的高斯斯-克吕吕格坐标标及119555年克克拉索夫夫斯基椭椭球上的的高斯和和地理坐坐标,在在理论及及实际上上
18、都丰富富了高斯斯-克吕吕格投影影。现在世界上上许多国国家都采采用高斯斯-克吕吕格投影影,比如如奥地利利、德国国、希腊腊、英国国、美国国、前苏苏联,我我国于119522年正式式决定采采用高斯斯-克吕吕格投影影。高斯投影,等等角横轴轴椭圆柱柱投影,它它是德国国测量学学家高斯斯于18825-18330年首首先提出出的。实实际上,直直到19912年年,由德德国另一一位测量量学家克克吕格推推导出实实用公式式后,这这种投影影才得到到推广,所所以该投投影又成成为高斯斯-克吕吕格投影影。想象有一个个椭圆柱柱面横套套在地球球椭球体体外面,并并与某一一条子午午线(磁磁子午线线为中央央子午线线或轴子子午线)相相切,
19、椭椭圆柱的的中心轴轴通过椭椭球体中中心,然然后用一一定投影影方法,将将中央子子午线两两侧各一一定经差差范围内内的地区区投影到到椭圆柱柱面上,再再将此椭椭圆柱面面展开纪纪委高斯斯-克吕吕格投影影。 高斯投影由由于是等等角投影影(即投投影后长长度无变变型)所所以其为为正形投投影的一一种,高高斯投影影具有以以下七个个特点:1. 中央子午线线的投影影是一条条直线,其其长度无无变形;2. 其他子午线线的投影影为凹向向中央子子午线的的曲线;3. 赤道的投影影为一条条与中央央子午线线垂直的的直线;4. 纬线的投影影为凸向向迟到的的曲线;5. 除中央子午午线外,其其他线段段的投影影均有变变形,且且离中央央子午
20、线线越远,长长度变形形越大;、6. 投影后长度度无变形形,且小小范围内内的图形形保持相相似。7. 投影具有对对称性,面面积有变变形。 根根据高斯斯投影的的以上特特点可知知,虽然然投影前前后的角角度无变变形,但但存在长长度变形形,而且且去中央央子午线线越远,长长度变形形越大,长长度变形形越大对对测图、用用图和测测量计算算都是不不利的,因因此我们们通常采采用分带带的方法法控制长长度的变变形。3.2 投投影变形形及其主主要特特特征分析析外业测量所所测得的的数据的的参考面面为大地地水准面面,基准准线为铅铅垂线,而而工程图图纸所使使用的坐坐标系都都为高斯斯平面直直角坐标标系,因因此外业业测量所所得到的的
21、数据必必须经过过投影改改正才能能使用。这这里的投投影改正正主要有有两个步步骤:1、将地面面观测的的长度归归算至参参考椭球球面上;2、将参考考椭球面面上的长长度归算算至高斯斯平面上上;3.2.11 将地地面观测测的长度度归算至至参考椭椭球面 我们这里里假设测测量基线线的两端端已经过过垂线偏偏差改正正,则基基线平均均水准面面平行于于椭球体体面。此此时由于于大地水水准面与与参考椭椭球面存存在高程程异常,因因此必须须加以归归算的改改正。如图所示,AAB为平平均高程程水准面面上的基基线长,以以S0表表示,现现要求其其在椭球球面上的的长度SS,由图图可知其中Hm为为基线端端点平均均大地高高程;RRa为基线
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- 工程 测量 中的 坐标系 选择 原理 方法 4026
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