2022年工程测量原理与方法.doc

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1、 第二讲 工程测量学的原理、方法和技术Theory,way,technology of engineering surveying主要内容：观测量和测量定位原理、地面测量方法和技术、专用测量方法与技术、空间测量方法与技术。难 点：专用测量方法与技术、空间测量方法与技术总 课 时：4学时 讲 授：4学时21 概述工程测量学与大地测量学、摄影测量与遥感学、地图制图学海洋测绘和测绘仪器学一样，是现代测绘学的分之学科。它即遵照测绘学的根本原理、方法和技术，又为理处理工程和工程建立中的测绘技术咨询题，工程测量学也构成了具有本身特点的原理、方法和技术，以及各种专用和通用的测量仪器。22 观测量和测量定位原

2、理221 工程测量中的观测量工程测量的本质是：1 通过各种观测量确定客观物体上的特征点在某一坐标系下的三维坐标（平面位置与高程即X，Y，H）及其随时间的变化。2 依照设计坐标（X，Y，Z）通过各种观测量将设计实体放样到实地。观测量：1 角度（方向）观测量角度观测量又分水平角和垂直角（高度角）或天顶距（观测方向线与铅垂线间的夹角）所用仪器：经纬仪、全站仪2 间隔观测量 两点间的平距、斜距，一点到直线的间隔，一点到平面的间隔。所用仪器：钢尺、皮尺、铟瓦线尺（叫丈量法或机械法） 经纬仪、视距仪（叫视距法或视差法） 测距仪、全站仪（叫物理测距法） GPS全球定位系统（伪距法）3 高差观测量两点正常高程

3、之差所用仪器：钢尺、水准仪、测距仪、全站仪、液体静力水准测量（用于工程变形测量）4 方位角观测量地面上某一方向线与真北方向的夹角（真方位角）所用仪器：陀螺仪（用于矿山、铁路与公路隧道及城市地铁隧道中）222 工程测量中测量定位原理工程测量的任务：测量、测设或放样工程测量中所采纳的坐标系统：1 平面高斯克吕格平面直角坐标系或独立平面直角坐标系2 高程正常高系统测量定位原理：1 高差与高程的测定不管进展水准测量依然利用水准仪进展高程放样，均是利用水平视线测定两点之间的高差（如图2-1）： Hab=a-b如A点的高程已经知道，则B点的高程为： 关于三角高程测量中的高差计算： ：为两点之间的实测水平间

4、隔， ：为P、N两点间的垂直角， ：分别为仪器高和站标高，C为球气差系数，有： 其中K为大气垂直折射系数，R为参考椭球面上弧的曲率半径。也能够将化算为高斯投影面上的长度d进展计算，关于对向观测，还能够用下式进展计算：式中：为A、B两点的平均大地高，：为A、B两点到中央子午线的平均横坐标。2点的平面直角坐标的测定 目前比拟常用确实定点位的方法有极坐标法、测角前方交会法。极坐标法的原理如下：已经知道：A、B两点，求P点的坐标 A、B为已经知道点，P点为待定点，和S分别为水平角和水平间隔，加上各种改正计算得到。当用于放样时过程相反：P点的坐标已经知道，通过坐标反算可求取AP的边长、AB和AP的方位角

5、，从而得到放样元素和：通过放样元素在实地上标定出P点测角前方交会的原理：、为观测角，P点为待定点（ 如图）2 点的空间三维直角坐标的测定在工业测量中，如下图的坐标系，待定点P的三维空间直角坐标采纳前方交会法，按下式计算： 、和为在A、B两点上架设仪器所测的P点的水平角和垂直角，L为两台仪器间的水平间隔，为两台仪器间的垂直角。仪器实测的是方向值，设两台仪器间的方向值为则有：我们把确定初始参数的值称为系统定向。设两台仪器间的高差为：其中：L：用基准尺进展丈量得到因而，系统定向主要为确定参数23 通用的地面测量方法和技术231 经典的地面测量方法与技术一、 角度与方向测量1、光学经纬仪测角 光学经纬

6、仪是一种一般的测角仪器，在操纵测量中用于各种等级的测角网、边角网、导线网等，在工程测量标准中按测角精度分为DJ1、DJ2、DJ6几种型号，比拟典型的仪器为T2、T3。2、陀螺经纬仪定向、 三北方向及其之间的关系图中： C表示仪器常数 子午线收敛角 精细导线边或三角网边的地理方位角 地面精细导线边或三角网边的坐标方位角 陀螺方位角 子午线收敛角 井下定向边的地理方位角 井下定向边的坐标方位角 陀螺方位角、 陀螺经纬仪的定向作业过程、 在地面已经知道边上测定仪器常数仪器常数：通常陀螺经纬仪轴的稳定位置不与地理子午线重合，二者的夹角称为仪器常数。将仪器安置在已经知道边上通过测定陀螺方位角来求算仪器常

7、数。、 在井下定向边上测定陀螺方位角井下定向边的长度应大于30米，将仪器安置在测定、 仪器上井后重新测定仪器常数、 求算子午线收敛角一般地面精细导线边或三角网边已经知道的是坐标方位角，需要求算的井下定向边，也是要求出其坐标方位角，而不是地理方位角A，因而，需要求算子午线收敛角。 当仪器所在点在中央子午线以东为正，以西为负，其值可依照安置仪器点的高斯平面坐标求算：式中： 以分为单位 K 系数，以纵坐标x(以公里计)为引数由表中查， Y 点的横坐标，KM、 求算井下定向边的坐标方位角井下定向边的坐标方位角为：因而： 为地面和井下安置仪器地点的子午线收敛角的差数，可用下式计算：式中： 单位为秒； （

8、为当地纬度，在地面和井下点的间隔不超过10公里，纬度不超过60度是采纳） 是地面和井下定向点的横坐标。二、 长度测量1、 机械法包括铟瓦线尺悬空丈量法、皮尺和钢尺量距2、 视距法利用视距装置由上下丝进展间接测距的方法。3、 电磁波测距电磁波测距包括：脉冲式光波测距、相位式光波测距、微波测距三种。其中相位测距使用最广。其测距公式为： 式中：为真空中的光速，f为调制频率，n为大气折射率，为相位值，K为仪器常数。 测距误差分：固定误差（与测距无关），比例误差（与间隔成比例）。大气折射误差和相位测定误差是测距的主要误差。降低相位误差是提高调制信号频率，降低大气折射误差是通过测定沿光路的气象元素（温度、

9、气压、湿度），因而关于一台仪器妨碍测距精度最大的是大气折射率误差。三、 高程测量1、 光学几何水准测量几何水准由于其劳动强度大，不易实现自动化，迄今仍是高程操纵和高程传递的根本方法。在工程测量中，主要采纳国家基准和等级水准点作为高程联测点。目前采纳的仪器按每公里往返平均高差中误差大小分为：S05、S1、S3、S10。2、 电磁波测距三角高程目前，在丘陵、山区电磁波测距三角高程可代替三、四等水准测量。由于折射系数误差对高程测定妨碍随边长的平方增长，因而，测距边长应遭到相应的限制，当视线长200米时精度可到达一、二等，代替三、四等水准对应的视线长分别为700米和2100米。实际工作中为了提高精度除

10、进展对向观测外有时有意抬高站标高。四、 近景摄影测量（略）232 现代地面测量方法与技术二、 电子全站仪（略）三、 测量机器人（Georobot）测量机器人俗称自动寻标电子全站仪，测量机器人系统包括：坐标参考系，操作系统，鼓励器，计算机和操纵器，闭路操纵传感器，决定制造，目的捕获和集成传感器。实现了地面测量的作业自动化，代替了人照准和读数。其作业方式有主动式和被动式两种。主动式作业方式：从镜站发射信号用以遥控指挥仪器进展照准读数。测量数据通过无线电线通讯在镜站显示，可用于大比例尺测图和施工放样，其测程在数百米以内。被动式作业方式：在镜站发射信号，需要在测站上进展一次初始测量，机器人具有自学功能

11、，自后的重复测量由完全仪器自动完成，这种形式主要用于具有许多目的的变形监测及大型工程的施工放样测量。自动跟踪功能：用于水下地形测量中的平面位置测量，三维工业测量。四、 电子水准仪电子水准仪是通过对标尺的图象通过一段空气在望远镜像平面处CCD阵列上编码通过运算得到数字读数，同时具有记录、检核、传输、计算、数据处理功能。24 专用测量方法工程测量的专用测量方法和技术集中反映在仪器上，主要用于精细工程测量、三维工业测量和工程建筑物的变形监测。包括精细测角、间隔、高程、倾斜、基准线（偏距）、定位测量、精细投点。主要特点是高精度、自动化、遥测、持续观测。一、 精细角度测量精细角度测量主要采纳的是精细光学

12、经纬仪、精细电子经纬仪和精细陀螺经纬仪（测定某一方向线与真北方向之间的水平角）。目前电子经纬仪的测角精度已到达测角的极限精度0。5秒。电子经纬仪采纳光电侧角法，又分编码法、动态法和增量法，前两种属于绝对法，后一种属于相对法。测角分粗测和精测两步，由于，光电测角消除了读数误差、度盘偏心误差和刻划误差，因而，其测角精度主要由对中误差、照准误差和外界大气条件的妨碍。常见的有：用于飞机、轮船、汽车外形测量（两台仪器空间交会） 用于滑坡监测 用于大型特种工程施工测量二、 精细间隔测量主要采纳机械法和光电法。机械法包括各种定长杆尺和定长铟瓦线尺配合测微装置组成的量测仪和测量间隔变化的应变仪、伸缩仪。光电法

13、分为干预法和相位法。精细测距按测程分为中长间隔（数十公里）、短间隔（10米）和微间隔（毫米至米）。三、 精细水准测量精细水准测量的专用测量方法和技术主要是微水准测量、激光扫平水准测量和液体静力水准测量。前两种采纳专用的微型水准尺和激光水准仪，后者采纳连通管原理，通过传感器测量液面密度来获取测点高程。1、 微水准测量微水准测量：采纳短视线的观测方法。缘故：精细水准测量的主要误差来源有：照准误差和读数误差，仪器检校后的剩余误差，温度变化对仪器和标尺的妨碍，标尺分化划误差和标尺弯曲，标尺底面不水平，在观测过程中仪器和标尺下沉、视场影象跳动和折光妨碍，对大范围水准测量，重力、潮汐和地壳运动的妨碍，关于

14、自动安平水准仪，还应顾及磁场的妨碍。减短视线是克服上述误差的有效途径。2、 液体静力水准测量依照连通原理，将两个或多个容器连接起来，液面状态可由贝努利方程描绘：或 式中：P为作用在液面上的大气压力，为液体的密度，g为 重力加速度，H为液面高度，C为常数。如图：将C1、C2置于A、B两点上，容器分别用水管和气管连接，当容器处于封闭状态时，P不变。当采纳同一种液体，、g相等，当各容器液面处于平衡状态时，有：b为液面读数，h为零点间的高差，即 目前测定液面高度的方法：、 目视法 、 电子传感器法（精度能到达0.01mm的瞬时变化）四、 倾斜测量倾斜测量又称挠度曲线测量，是确定被测对象（如桥、塔）在竖

15、直平面内相关于水平基准线（面）或铅直基准线（面）的挠度曲线。五、 精细基准测量精细基准测量又称精细准直测量，是直线型设备精细安装或水平位移精细测量的一种方法。根本原理是在两个基准点之间通过光学视准线或机械引张线或激光束建立一条基准线，测出设备上的观测点偏离该基准线的偏离值，从而把设备调整安装到该基准线上或测出水平位移观测值。常用的方法有三种：光学法、机械法和光电法。六、 精细投点精细投点是将一个高程面上的点在垂直方向上准确地投影到另一个高程面上的测量，其精度为毫米级到厘米级。常用的方法有机械法和光学投点法。七、 三维工业测量利用光学和摄影测量原理，在航空航天、汽车和船舶等现代工业中为进展产质量量操纵而提供在特定坐标系下的准确三维坐标的测量工作。八、 混合测量系统混合测量系统是将多种测量仪器和方法集成在一起的测量系统。如：电子全站仪上装配GPS。它将是以后工程测量的开展方向。