工程测量原理与方法1466.docx

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1、第二讲 工程程测量学学的原理理、方法法和技术术Theeoryy,waay,ttechhnollogyy off ennginneerringg suurveeyinng主要内容容：观测测量和测测量定位位原理、地面测测量方法法和技术术、专用用测量方方法与技技术、空空间测量量方法与与技术。难 点：专用测测量方法法与技术术、空间间测量方方法与技技术总 课 时：44学时 讲 授：4学时时21 概述述工程测量量学与大大地测量量学、摄摄影测量量与遥感感学、地地图制图图学海洋洋测绘和和测绘仪仪器学一一样，是是现代测测绘学的的分之学学科。它它即遵循循测绘学学的基本本原理、方法和和技术，又又为了解解决工程程和工

2、程程建设中中的测绘绘技术问问题，工工程测量量学也形形成了具具有自身身特点的的原理、方法和和技术，以以及各种种专用和和通用的的测量仪仪器。22 观观测量和和测量定定位原理理221 工工程测量量中的观观测量工程测量量的实质质是：1 通过各种种观测量量确定客客观物体体上的特特征点在在某一坐坐标系下下的三维维坐标（平平面位置置与高程程即X，YY，H）及及其随时时间的变变化。2 根据设计计坐标（XX，Y，ZZ）通过过各种观观测量将将设计实实体放样样到实地地。观测量：1 角度（方方向）观观测量角度观测测量又分分水平角角和垂直直角（高高度角）或或天顶距距（观测测方向线线与铅垂垂线间的的夹角）所用仪器器：经纬

3、纬仪、全全站仪2 距离观测测量 两点间的的平距、斜距，一一点到直直线的距距离，一一点到平平面的距距离。所用仪器器：钢尺尺、皮尺尺、铟瓦瓦线尺（叫叫丈量法法或机械械法） 经纬仪仪、视距距仪（叫叫视距法法或视差差法） 测距仪仪、全站站仪（叫叫物理测测距法） GPSS全球定定位系统统（伪距距法）3 高差观测测量两点正常常高程之之差所用仪器器：钢尺尺、水准准仪、测测距仪、全站仪仪、液体体静力水水准测量量（用于于工程变变形测量量）4 方位角观观测量地面上某某一方向向线与真真北方向向的夹角角（真方方位角）所用仪器器：陀螺螺仪（用用于矿山山、铁路路与公路路隧道及及城市地地铁隧道道中）222 工工程测量量中测

4、量量定位原原理工程测量量的任务务：测量量、测设设或放样样工程测量量中所采采用的坐坐标系统统：1 平面高高斯克吕格格平面直直角坐标标系或独独立平面面直角坐坐标系2 高程正正常高系系统测量定位位原理：1 高差与高高程的测测定不论进行行水准测测量还是是利用水水准仪进进行高程程放样，均均是利用用水平视视线测定定两点之之间的高高差（如如图2-1）： HHab=a-bb如A点的的高程已已知，则则B点的的高程为为：对于三角角高程测测量中的的高差计计算： ：为两两点之间间的实测测水平距距离， ：为PP、N两两点间的的垂直角角， ：分别为为仪器高高和站标标高，CC为球气气差系数数，有： 其中中K为大大气垂直直折

5、射系系数，RR为参考考椭球面面上弧的的曲率半半径。也可以将将化算为为高斯投投影面上上的长度度d进行行计算，对对于对向向观测，还还可以用用下式进进行计算算：式中：为A、B两点点的平均均大地高高，：为A、B两点点到中央央子午线线的平均均横坐标标。2点的的平面直直角坐标标的测定定 目前前比较常常用的确确定点位位的方法法有极坐坐标法、测角前前方交会会法。极坐标法法的原理理如下：已知：AA、B两两点，求求P点的的坐标A、B为为已知点点，P点点为待定定点，和S分分别为水水平角和和水平距距离，加加上各种种改正计计算得到到。当用于放放样时过过程相反反：P点点的坐标标已知，通通过坐标标反算可可求取AAP的边边长

6、、AAB和AAP的方方位角，从从而得到到放样元元素和：通过放样样元素在在实地上上标定出出P点测角前方方交会的的原理：、为观测测角，PP点为待待定点（ 如图）2 点的空间间三维直直角坐标标的测定定在工业测测量中，如如图所示示的坐标标系，待待定点PP的三维维空间直直角坐标标采用前前方交会会法，按按下式计计算：、和为在在A、BB两点上上架设仪仪器所测测的P点点的水平平角和垂垂直角，LL为两台台仪器间间的水平平距离，为两台仪器间的垂直角。仪器实测测的是方方向值，设设两台仪仪器间的的方向值值为则有有：我们把确确定初始始参数的的值称为为系统定定向。设设两台仪仪器间的的高差为为：其中：LL：用基基准尺进进行

7、丈量量得到因此，系系统定向向主要为为确定参参数23 通用用的地面面测量方方法和技技术231 经典的的地面测测量方法法与技术术一、 角度与方方向测量量1、光学学经纬仪仪测角 光光学经纬纬仪是一一种普通通的测角角仪器，在在控制测测量中用用于各种种等级的的测角网网、边角角网、导导线网等等，在工工程测量量规范中中按测角角精度分分为DJJ1、DDJ2、DJ66几种型型号，比比较典型型的仪器器为T22、T33。2、陀螺螺经纬仪仪定向、 三北方向向及其之之间的关关系图中： CC表示仪仪器常数数 子午午线收敛敛角 精密密导线边边或三角角网边的的地理方方位角 地面面精密导导线边或或三角网网边的坐坐标方位位角 陀

8、螺螺方位角角子午线收收敛角 井下下定向边边的地理理方位角角 井下下定向边边的坐标标方位角角 陀螺螺方位角角、 陀螺经纬纬仪的定定向作业业过程1、 在地面已已知边上上测定仪仪器常数数仪器常数数：通常常陀螺经经纬仪轴轴的稳定定位置不不与地理理子午线线重合，二二者的夹夹角称为为仪器常常数。将将仪器安安置在已已知边上上通过测测定陀螺螺方位角角来求算算仪器常常数。2、 在井下定定向边上上测定陀陀螺方位位角井下定向向边的长长度应大大于300米，将将仪器安安置在测测定3、 仪器上井井后重新新测定仪仪器常数数4、 求算子午午线收敛敛角一般地面面精密导导线边或或三角网网边已知知的是坐坐标方位位角，需需要求算算的

9、井下下定向边边，也是是要求出出其坐标标方位角角，而不不是地理理方位角角A，因因此，需需要求算算子午线线收敛角角。 当仪器器所在点点在中央央子午线线以东为为正，以以西为负负，其值值可根据据安置仪仪器点的的高斯平平面坐标标求算：式中： 以分分为单位位 KK 系数，以以纵坐标标x(以以公里计计)为引引数由表表中查， YY 点的横横坐标，KKM5、 求算井下下定向边边的坐标标方位角角井下定向向边的坐坐标方位位角为：因此： 为地面面和井下下安置仪仪器地点点的子午午线收敛敛角的差差数，可可用下式式计算：式中： 单位位为秒； （为当当地纬度度，在地地面和井井下点的的距离不不超过100公里，纬纬度不超超过60

10、0度是采采用） 是地面面和井下下定向点点的横坐坐标。二、 长度测量量1、 机械法包括铟瓦瓦线尺悬悬空丈量量法、皮皮尺和钢钢尺量距距2、 视距法利用视距距装置由由上下丝丝进行间间接测距距的方法法。3、 电磁波测测距电磁波测测距包括括：脉冲冲式光波波测距、相位式式光波测测距、微微波测距距三种。其中相位位测距使使用最广广。其测测距公式式为： 式中中：为真真空中的的光速，ff为调制制频率，nn为大气气折射率率，为相位位值，KK为仪器器常数。 测距距误差分分：固定定误差（与与测距无无关），比比例误差差（与距距离成比比例）。大气折折射误差差和相位位测定误误差是测测距的主主要误差差。降低低相位误误差是提提高

11、调制制信号频频率，降降低大气气折射误误差是通通过测定定沿光路路的气象象元素（温温度、气气压、湿湿度），所所以对于于一台仪仪器影响响测距精精度最大大的是大大气折射射率误差差。三、 高程测量量1、 光学几何何水准测测量几何水准准由于其其劳动强强度大，不不易实现现自动化化，迄今今仍是高高程控制制和高程程传递的的基本方方法。在在工程测测量中，主主要采用用国家基基准和等等级水准准点作为为高程联联测点。目前采采用的仪仪器按每每公里往往返平均均高差中中误差大大小分为为：S005、SS1、SS3、SS10。2、 电磁波测测距三角角高程目前，在在丘陵、山区电电磁波测测距三角角高程可可代替三三、四等等水准测测量。

12、由由于折射射系数误误差对高高程测定定影响随随边长的的平方增增长，因因此，测测距边长长应受到到相应的的限制，当当视线长长2000米时精精度可达达到一、二等，代代替三、四等水水准对应应的视线线长分别别为7000米和和21000米。实际工工作中为为了提高高精度除除进行对对向观测测外有时时有意抬抬高站标标高。四、 近景摄影影测量（略）232 现代地地面测量量方法与与技术二、 电子全站站仪（略）三、 测量机器器人（GGeorroboot）测量机器器人俗称称自动寻寻标电子子全站仪仪，测量量机器人人系统包包括：坐坐标参考考系，操操作系统统，激励励器，计计算机和和控制器器，闭路路控制传传感器，决决定制作作，目

13、标标捕获和和集成传传感器。实现了了地面测测量的作作业自动动化，代代替了人人照准和和读数。其作业业方式有有主动式式和被动动式两种种。主动式作作业方式式：从镜镜站发射射信号用用以遥控控指挥仪仪器进行行照准读读数。测测量数据据通过无无线电线线通信在在镜站显显示，可可用于大大比例尺尺测图和和施工放放样，其其测程在在数百米米以内。被动式作作业方式式：在镜镜站发射射信号，需需要在测测站上进进行一次次初始测测量，机机器人具具有自学学功能，自自后的重重复测量量由完全全仪器自自动完成成，这种种模式主主要用于于具有许许多目标标的变形形监测及及大型工工程的施施工放样样测量。自动跟踪踪功能：用于水水下地形形测量中中的

14、平面面位置测测量，三三维工业业测量。四、 电子水准准仪电子水准准仪是通通过对标标尺的图图象经过过一段空空气在望望远镜像像平面处处CCDD阵列上上编码经经过运算算得到数数字读数数，同时时具有记记录、检检核、传传输、计计算、数数据处理理功能。24 专用测测量方法法工程测量量的专用用测量方方法和技技术集中中反映在在仪器上上，主要要用于精精密工程程测量、三维工工业测量量和工程程建筑物物的变形形监测。包括精精密测角角、距离离、高程程、倾斜斜、基准准线（偏偏距）、定位测测量、精精密投点点。主要要特点是是高精度度、自动动化、遥遥测、持持续观测测。一、 精密角度度测量精密角度度测量主主要采用用的是精精密光学学

15、经纬仪仪、精密密电子经经纬仪和和精密陀陀螺经纬纬仪（测测定某一一方向线线与真北北方向之之间的水水平角）。目前电电子经纬纬仪的测测角精度度已达到到测角的的极限精精度0。5秒。电子经经纬仪采采用光电电侧角法法，又分分编码法法、动态态法和增增量法，前前两种属属于绝对对法，后后一种属属于相对对法。测测角分粗粗测和精精测两步步，因为为，光电电测角消消除了读读数误差差、度盘盘偏心误误差和刻刻划误差差，所以以，其测测角精度度主要由由对中误误差、照照准误差差和外界界大气条条件的影影响。常见的有有：用于于飞机、轮船、汽车外外形测量量（两台台仪器空空间交会会） 用于滑滑坡监测测 用于大大型特种种工程施施工测量量二

16、、 精密距离离测量主要采用用机械法法和光电电法。机机械法包包括各种种定长杆杆尺和定定长铟瓦瓦线尺配配合测微微装置组组成的量量测仪和和测量距距离变化化的应变变仪、伸伸缩仪。光电法法分为干干涉法和和相位法法。精密测距距按测程程分为中中长距离离（数十十公里）、短距离离（100米）和和微距离离（毫米米至米）。三、 精密水准准测量精密水准准测量的的专用测测量方法法和技术术主要是是微水准准测量、激光扫扫平水准准测量和和液体静静力水准准测量。前两种种采用专专用的微微型水准准尺和激激光水准准仪，后后者采用用连通管管原理，通通过传感感器测量量液面密密度来获获取测点点高程。1、 微水准测测量微水准测测量：采采用短

17、视视线的观观测方法法。原因：精精密水准准测量的的主要误误差来源源有：照照准误差差和读数数误差，仪仪器检校校后的剩剩余误差差，温度度变化对对仪器和和标尺的的影响，标标尺分化化划误差差和标尺尺弯曲，标标尺底面面不水平平，在观观测过程程中仪器器和标尺尺下沉、视场影影象跳动动和折光光影响，对对大范围围水准测测量，重重力、潮潮汐和地地壳运动动的影响响，对于于自动安安平水准准仪，还还应顾及及磁场的的影响。减短视视线是克克服上述述误差的的有效途途径。2、 液体静力力水准测测量根据连通通原理，将将两个或或多个容容器连接接起来，液液面状态态可由贝贝努利方方程描述述：或 式中：PP为作用用在液面面上的大大气压力力

18、，为液体体的密度度，g为为 重力力加速度度，H为为液面高高度，CC为常数数。如图：将C1、C2置置于A、B两点点上，容容器分别别用水管管和气管管连接，当当容器处处于封闭闭状态时时，P不不变。当当采用同同一种液液体，、g相相等，当当各容器器液面处处于平衡衡状态时时，有：b为液面面读数，hh为零点点间的高高差，即即 目前测定定液面高高度的方方法：、 目视法 、 电子传感感器法（精精度能达达到0.01mmm的瞬瞬时变化化）四、 倾斜测量量倾斜测量量又称挠挠度曲线线测量，是是确定被被测对象象（如桥桥、塔）在在竖直平平面内相相对于水水平基准准线（面面）或铅铅直基准准线（面面）的挠挠度曲线线。五、 精密基

19、准准测量精密基准准测量又又称精密密准直测测量，是是直线型型设备精精密安装装或水平平位移精精密测量量的一种种方法。基本原原理是在在两个基基准点之之间通过过光学视视准线或或机械引引张线或或激光束束建立一一条基准准线，测测出设备备上的观观测点偏偏离该基基准线的的偏离值值，从而而把设备备调整安安装到该该基准线线上或测测出水平平位移观观测值。常用的的方法有有三种：光学法法、机械械法和光光电法。六、 精密投点点精密投点点是将一一个高程程面上的的点在垂垂直方向向上精确确地投影影到另一一个高程程面上的的测量，其其精度为为毫米级级到厘米米级。常常用的方方法有机机械法和和光学投投点法。七、 三维工业业测量利用光学学和摄影影测量原原理，在在航空航航天、汽汽车和船船舶等现现代工业业中为进进行产品品质量控控制而提提供在特特定坐标标系下的的精确三三维坐标标的测量量工作。八、 混合测量量系统混合测量量系统是是将多种种测量仪仪器和方方法集成成在一起起的测量量系统。如：电电子全站站仪上装装配GPPS。它它将是以以后工程程测量的的发展方方向。