土木工程測量-第一章 緒論

1、第一章 緒 論土木工程測量教學課件1.1 土木工程測量學的任務(wù)測繪科學應(yīng)用很廣：在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃中，測量信息是最重要的基礎(chǔ)信息之一，各種規(guī)劃及地籍管理，首先要有地形圖和地籍圖。另外，在各項工農(nóng)業(yè)基本建設(shè)中，從勘測設(shè)計階段到施工、竣工階段，都需要進行大量的測繪工作。在國防建設(shè)中，軍事測量和軍用地圖是現(xiàn)代大規(guī)模的諸兵種協(xié)同作戰(zhàn)不可缺少的重要保障。至于遠程導彈、空間武器、人造衛(wèi)星或航天器的發(fā)射，要保證它精確入軌，隨時校正軌道和命中目標，除了應(yīng)測算出發(fā)射點和目標點的精確坐標、方位、距離外，還必須掌握地球形狀、大小的精確數(shù)據(jù)和有關(guān)地域的重力場資料。在科學實驗方面，諸如空間科學技術(shù)的研究，地殼的變

2、形、地震的預(yù)報等都要應(yīng)用測繪資料。即使在國家的各級管理工作中，測量和地圖資料也是不可缺少的重要工具。測繪科學在建筑類各專業(yè)的工作中有著廣泛的應(yīng)用。例如：在勘測設(shè)計的各個階段，要求有各種比例尺的地形圖，供城鎮(zhèn)規(guī)劃、選擇廠址、管道及交通線路選線以及總平面圖設(shè)計和豎向設(shè)計之用。在施工階段，要將設(shè)計的建筑物、構(gòu)筑物的平面位置和高程測設(shè)于實地，以便進行施工。施工結(jié)束后，還要進行竣工測量，繪制竣工圖，供日后擴建和維修之用。即使是竣工以后，對某些大型及重要的建筑物和構(gòu)筑物還要進行變形、沉降觀測，以保證建筑物的安全使用。1.1 土木工程測量學的任務(wù)測定是指使用測量儀器和工具，通過測量和計算，得到一系列測量數(shù)據(jù)

3、，或把地球表面的地形縮繪成地形圖，供經(jīng)濟建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計、科學研究和國防建設(shè)使用。測繪(量)學研究地球的形狀和大小以及確定地面(包括空中、地表、地下和海底)物體的空間位置，以及對于這些空間位置信息進行處理、儲存、管理的科學。它的內(nèi)容包括測定和測設(shè)兩個部分。1.1 土木工程測量學的任務(wù)測設(shè)是指把圖紙上規(guī)劃設(shè)計好的建筑物、構(gòu)筑物的位置在地面上標定出來，作為施工的依據(jù)。大地測量學研究整個地球的形狀和大小，解決大地區(qū)控制測量和地球重力場問題。常規(guī)大地測量和衛(wèi)星大地測量。1.1 土木工程測量學的任務(wù)測量學按照研究范圍和對象的不同，產(chǎn)生了許多分支科學。普通測量學測量小范圍地球表面形狀時，不顧及地球曲率的影響

4、，把地球局部表面當作平面看待所進行的測量工作。攝影測量學利用攝影像片來測定物體的形狀、大小和空間位置的工作，屬于攝影測量學的范疇。由于獲得像片的方式不同，可分為地面、航空、水下和航天攝影測量學。海洋測繪學以海洋和陸地水域為對象所進行的測量和海圖編制工作，屬于海洋測繪學的范疇。工程測量學研究工程建設(shè)中所進行的各種測量工作，屬于工程測量學的范疇。1.1 土木工程測量學的任務(wù)制圖學利用測量所得的成果資料，研究如何投影編繪和制印各種地圖的工作，屬于制圖學的范疇。本課程主要介紹普通測量學和部分工程測量學的內(nèi)容。學習本課程之后，要求達到掌握普通測量學的基本知識和基礎(chǔ)理論，能正確使用工程水準儀、工程經(jīng)緯儀等

5、儀器和工具；了解大比例尺地形圖的成圖原理和方法，在工程設(shè)計和施工中，具有正確應(yīng)用地形圖和有關(guān)測量資料的能力和進行一般工程施工測設(shè)的能力，以便能靈活應(yīng)用所學的測量知識為其專業(yè)工作服務(wù)。1.1 土木工程測量學的任務(wù)工程測量學的主要任務(wù)：研究測繪地形圖的理論和方法研究在地形圖上進行規(guī)劃、設(shè)計的基本原理和方法研究建(構(gòu))筑物施工放樣、建筑質(zhì)量檢驗的技術(shù)和 方法對大型建筑物的安全性進行位移和變形監(jiān)測1.2 地球的形狀和大小測量工作是在地球的表面進行的，而地球自然表面很不規(guī)則，有高山、丘陵、平原和海洋。其中最高的珠峰高出海水面達8848.13m，最低的馬里亞納海溝低于海水面達11022m。但是這樣的高低起

6、伏，相對于地球半徑6371km來說還是很小的。再顧及到海洋約占整個地球表面的71%，因此，人們把海水面所包圍的地球形體看著地球的形狀。由于地球的自轉(zhuǎn)運動，地球上任一點都要受到離心力和地球引力的雙重作用，這兩個力的合力稱為重力，重力的方向線稱為鉛垂線。鉛垂線是測量工作的基準線。靜止的水面稱為水準面，水準面是受地球重力影響而形成的，是一個處處與重力方向垂直的連續(xù)曲面，并且是一個重力場的等位面。與水準面相切的平面稱為水平面。水平面可高可低，因此符合上述特點的水準面有無數(shù)多個，其中與平均海水面吻合并向大陸、島嶼內(nèi)延伸而形成的閉合曲面，稱為大地水準面。大地水準面是測量工作的基準面。由大地水準面所包圍的地

7、球形體，稱為大地體。1.2 地球的形狀和大小通常用一個非常接近于大地水準面，并可用數(shù)學式表示的幾何形體(即地球橢球)來代替地球的形狀，作為測量計算工作的基準面。地球橢球是一個橢圓繞其短軸旋轉(zhuǎn)而成的形體，故地球橢球又稱旋轉(zhuǎn)橢球。1.2 地球的形狀和大小這個旋轉(zhuǎn)橢球體稱為參考橢球體，為一規(guī)則的曲面體。可用數(shù)學公式表示：1.2 地球的形狀和大小(1-1)式中a、b為參考橢球體幾何參數(shù)。a為長半徑，b為短半徑。參考橢球體扁率應(yīng)滿足下式：(1-2)我國目前采用的元素值為長半徑a=6378140m扁 率 =1:298.275由于很小，在精度要求不高時，可近似將地球當作圓球體，其半徑為平均值6371km。并

8、選擇陜西涇陽縣永樂鎮(zhèn)某點為大地原點，進行了大地定位。由此而建立起來全國統(tǒng)一坐標系，這就是現(xiàn)在使用的“1980年國家大地坐標系”。由于地球橢球的扁率很小，因此當測區(qū)范圍不大時，可近似地把地球橢球作為圓球，其半徑為6371km1.2 地球的形狀和大小地面點的空間位置都與一定的坐標系統(tǒng)相對應(yīng)。在測量上常用的坐標系有空間直角坐標系、大地坐標系、高斯投影平面坐標系、平面獨立直角坐標系等。地面點位常用三個量表示。基準線、基準面。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.1 大地坐標系以參考橢球體面為基準面。用大地經(jīng)度L、緯度B、大地高H表示地面點的空間位置?；鶞示€為法線。經(jīng)度自零子午面向東為正、向西為負。緯度橢球

9、體面上的大地高為零。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.2 空間直角坐標系地面點位也可用空間直角坐標(x,y,z)表示。x軸z軸y軸右手坐標系1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標系要將球面上的大地坐標按一定數(shù)學法則歸算到平面上，即采用地圖投影的理論繪制地形圖，才能用于規(guī)劃建設(shè)。地圖投影有等角投影、等面積投影和任意投影三種。等角投影又稱正形投影，它保證在橢球體面上的微分圖形投影到平面后將保持相似。這是地形圖的基本要求。正投影有兩個基本條件：保角條件，即投影后角度大小不變。長度變形固定性，即長度投影后會變形，但在一點上各個方向的微分線段變形比m是個常數(shù)k: m=ds/dS=k式中：

10、ds投影后的長度 dS球面上的長度。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標系高斯投影的概念（正形投影）中央子午線是直線，其長度不變形，離開中央子午線的其他子午線是弧形，凹向中央.子午線。離開中央子午線越遠，變形越大。投影后赤道是一直線，并與中央子午線正交。離開赤道的緯線是弧線，凸向赤道。在高斯投影平面上：1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標系高斯投影可將橢球面變成平面，但離開中央子午線越遠變形越大，這種變形將會影響測圖和施工的精度。為對長度變形加以控制，測量中采用限制投影寬度的方法分帶投影。投影帶寬以相鄰兩子午線的徑差l來劃分。有6、3帶等不同投影方法。6帶

11、投影是從英格林尼治子午線開始，自西向東，每隔6投影一次。將橢球分成60個帶，編號為160帶。各帶中央子午線經(jīng)度(L06)按下式計算：6帶(1-3)已知某點大地經(jīng)度L，可按下式計算所屬的帶號： (的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時) (1-4)1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標系3帶 是在6帶基礎(chǔ)上劃分的，其中央子午線在奇數(shù)帶時與6帶中央子午線重合，每隔3為一帶，共120帶，各帶中央子午線經(jīng)度為：各帶中央子午線經(jīng)度(L03)按下式計算：3帶(1-5)已知某點大地經(jīng)度L，可按下式計算所屬的帶號： (的整數(shù)商)+1(有余數(shù)時) (1-5)1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐

12、標系高斯平面直角坐標的建立以赤道和中央的交點為坐標原點O，中央子午線方向為x軸，北方向為正。赤道投影線為y軸，東方向為正。象限按順時針排列，同一投影帶內(nèi)y軸有正有負。為使y值都為正，將縱坐標軸西移500km,并在y坐標前面冠以帶號，第20帶，中央子午線以西P點：xp=4429757.075myp=-58269.593m 在20帶中高斯直角坐標為：xp=4429757.075myp=20441730.407mxp=4429757.075myp=-58269.593m xp=4429757.075m yp=20441730.407m1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.3 高斯平面直角坐標系高斯平面直

13、角坐標的建立高斯直角坐標系與數(shù)學中的笛卡爾坐標系不同。這樣的做法是為了將數(shù)學上的三角和解析幾何公式直接用至測量的計算上。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)1.3.4 平面直角坐標系當測區(qū)的范圍較小時，可以把測區(qū)球面當作兩面處理，直接將地面點沿鉛垂線投影到水平面上，用平面直角坐標來表示。平面直角坐標原點一般選在測區(qū)西南方，以該測區(qū)子午線方向(真子午線或磁子午線)為x軸，北方向為正。y軸與x軸垂直，東方向為正。大地高：以參考橢球體面為高程基準面。大地高是地面點沿法線到橢球體面的距離，用H大表示。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)地面點的高程是指地面點到某一高程基準面的垂直距離。1.3.5 高程系統(tǒng)測量上常用的高程

14、基準面有參考橢球體面和大地水準面。大地高海拔高：以大地水準面為高程基準面。即地面點沿垂線到大地水準面的距離，也稱為絕對高程，用H海表示。海拔高在局部地區(qū)特殊條件下，不需要和國家高程系統(tǒng)聯(lián)系，可采用一個假設(shè)水準面為高程起算面。所得到的地面高程稱為假設(shè)高程或相對高程。1.3 測量常用的坐標系統(tǒng)“1956年黃海高程系”，青島市觀家山水準原點高程為72.289m。1.3.5 高程系統(tǒng)假設(shè)高程“1985年國家高程基準”，青島市觀家山水準原點高程為72.260m。1987年后啟用此基準。相對高程地面兩點的高程差稱為高差，用h表示，圖1-9。A、B兩點的高差為：hab=Hb-Hahab=Hb大-Ha大=Hb

15、海-Ha海由此可見兩點間的高差與高程起算面無關(guān)。測量中將地物和地貌統(tǒng)稱為 地形。測定地物和地貌的三維坐標，并用平面圖形表示，稱為地形圖地貌指地球表面高低起伏的形態(tài)，如山峰、河谷、臺地、懸崖等地物包括地面上人造或天然固定物體，如房屋、道路、河流、湖泊等1.4 地面點位的確定地物地貌地形地形圖地形測量是在地物和地貌上選擇一些有代表性的點進行測量，將測量點投影到平面上，然后用點、折線、曲線連接起來表示地物和地貌。這些能表現(xiàn)地物和地貌特征的點稱為特征點。所以測量實際是測定這些特征點的三維坐標。代表性的點特征點1.4 地面點位的確定特征點的測定方法：1.4 地面點位的確定衛(wèi)星定位幾何測量定位利用衛(wèi)星信號

16、接收機，同時接收多顆定位衛(wèi)星發(fā)射的信號進行定位，稱為衛(wèi)星定位。若在待測點P安置衛(wèi)星接收機，在某時刻同時接收三顆衛(wèi)星信號，測定衛(wèi)星至接收的距離Rip。已知該時衛(wèi)星空間三維坐標，即可用下式求出待測點三維坐標：(1-7)幾何測量定位：1.4 地面點位的確定如地面上有三個點A、B、C，其中A點坐標已知，待求點為B、C，見圖1-12。測定a、b間平距Dab,及x縱坐標北方向與ab邊的夾角ab(稱為方位角)，即可求定b點平面坐標：若已知A、B坐標，只要測定角和距離Dbc,即可確定C點位置。(1-8)常規(guī)測量中，量距、測角和測高差是確定地面點位的基本測量工作。測量工作遵循的原則1.4 地面點位的確定不論地物

17、或地貌，它們的形狀和大小都是由一些特征點的位置所決定。這些特征點也稱為碎部點。測圖時，主要是測定這些碎部點的平面位置和高程。測定碎部點的位置，其程序通常分為兩步：控制測量，圖1-10。先在測區(qū)內(nèi)選擇若干具有控制意義的點作為控制點，以較精確的儀器和方法測定各控制點的距離D、各控制邊之間的水平夾角、某一條邊的方位角，設(shè)點2的坐標已知，則可計算出其它控制點的坐標，以確定其平面位置。同時還要測出各控制點之間的高差。碎部測量，是根據(jù)控制點測定碎部點的位置(平面位置和高程)。碎部點控制測量碎部測量測量工作遵循的原則1.4 地面點位的確定這種“從整體到局部”、“先控制后碎部”的方法是組織測量工作應(yīng)遵循的原則

18、，它可以減少誤差累積，保證測圖精度，而且可以分幅測繪，加快測圖進度。從上述可知，當測定控制點的相對位置有錯誤時，以其為基礎(chǔ)所測定的碎部點位也就有錯誤，碎部測量中有錯誤時，以此資料繪制的地形圖也就有錯誤。因此，測量工作必須嚴格進行工作，故“前一步測量工作未作檢核不進行下一步測量工作”是組織測量工作應(yīng)遵循的又一個原則，它可以防止錯漏發(fā)生，保證測量成果的正確性。綜上所述，無論控制測量、碎部測量和施工測設(shè)，其實質(zhì)都是確定地面點的位置，但控制測量是碎部測量和測設(shè)工作的基礎(chǔ)。碎部測量是把地面上各點測繪到圖紙上并繪制成地形圖，而測設(shè)工作是將圖設(shè)計的建筑物和構(gòu)筑物的位置放樣到地面上，作為施工的依據(jù)。而地面點間

19、的相互位置關(guān)系，是以水平角(方向)、距離和高差來確定的，因此，高程、水平角和距離測量是測量學的基本內(nèi)容，測高程、測角和量距是測量的基本工作，觀測、計算和繪圖是測量工作的基本技能。1.4 地面點位的確定1.5 用水平面代替水準面的限度用水平面代替水準面，使測量和繪圖工作大為減化，下面來討論由此引起的影響。1.5.1 對距離的影響如圖，由平面代替曲面產(chǎn)生的誤差為D。D=ab-ab=D-S=Rtan-R=R(tan-) (1-10)在小范圍測區(qū)角很小。tan用級數(shù)展開，略去五次方項，則(1-11)用=D/R代入，則(1-12)1.5 用水平面代替水準面的限度1.5.1 對距離的影響取地球半徑R=6371km。D用不同距離代入，計算結(jié)果如下：(1-12)1/19萬12.83251/30萬6.57201/54萬2.77151/120萬0.8210-0.001D/DD(cm)D(km)結(jié)論：當D=10km