工程測(cè)量教程課件1523T附表格8

§1.1測(cè)量學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)量學(xué)是研究地球的形狀、大小確定地球表面各種物體的形狀、大小、空間位置的科學(xué)。(1)地物和地貌1)地物——地面上天然或人工形成的物體，包括湖泊、河流、海洋、房屋、道路與橋梁等。2)地貌：地表高低起伏的形態(tài)，它包括山地、丘陵與平原等。地形——地物和地貌的總稱。第1章緒論(2)測(cè)量學(xué)的任務(wù)測(cè)定與測(cè)設(shè)1)測(cè)定——使用測(cè)量?jī)x器和工具，通過測(cè)量和計(jì)算，將地物和地貌的位置按一定比例尺、規(guī)定符號(hào)縮小繪制成地形圖。2)測(cè)設(shè)將地形圖上設(shè)計(jì)的建筑物、構(gòu)筑物的位置在實(shí)地標(biāo)定出來，作為施工的依據(jù)。(3)測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用1)城市規(guī)劃、給排水、煤氣管道、工業(yè)廠房和高層建筑建設(shè)①設(shè)計(jì)階段——測(cè)繪各種比例尺地形圖，供結(jié)構(gòu)物平面及豎向設(shè)計(jì)使用；②施工階段——將設(shè)計(jì)建構(gòu)物的平面位置和高程在實(shí)地標(biāo)定出來，作為施工的依據(jù)；③工程完工后——測(cè)繪竣工圖，供日后擴(kuò)建、改建、維修和城市管理用；對(duì)某些重要建構(gòu)筑物在建設(shè)中和建成后進(jìn)行變形觀測(cè)，保證建筑物安全。2)鐵路、公路建設(shè)的測(cè)量工作①測(cè)繪路線附近地形圖，在地形圖上設(shè)計(jì)路線，將設(shè)計(jì)路線位置標(biāo)定到地面。②建橋前，測(cè)繪河流兩岸的地形圖，測(cè)定河流的水位、流速、流量與河床地形圖、橋梁軸線長(zhǎng)度，為橋梁設(shè)計(jì)提供資料，將設(shè)計(jì)橋臺(tái)、橋墩位置標(biāo)定到實(shí)地。③開挖隧道前，在地形圖上確定隧道位置，計(jì)算隧道長(zhǎng)度與方向，指示隧道開挖方向，保證隧道正確貫通?！?.2地球的形狀和大小(1)、地球1)南北極稍扁，赤道稍長(zhǎng)，平均半徑為6371km的橢球。2)表面有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈現(xiàn)高低起伏的形態(tài)。最高處——中國(guó)珠穆朗瑪峰，8844.43m2005年中國(guó)測(cè)得。最低處——馬里亞納海溝，-10911m1995年日本探測(cè)艇海溝號(hào)(Kaiko)測(cè)得。3)海洋面積——71%，陸地面積——29%。(2)地球的物理特性1)重力與鉛垂線①重力——地球質(zhì)點(diǎn)受萬有引力與離心力的合力。②鉛垂線方向——重力方向。2)水準(zhǔn)面水準(zhǔn)面——靜止不動(dòng)的水面延伸穿過陸地，包圍整個(gè)地球，形成的封閉曲面。處處與鉛垂線垂直的連續(xù)封閉曲面。因高度可變，水準(zhǔn)面不唯一。3)大地水準(zhǔn)面與平均海水面吻合的水準(zhǔn)面。靜止海水面向大陸延伸，形成的不規(guī)則的封閉曲面。大地水準(zhǔn)面——唯一。(3)、、參考考橢球1)大地水準(zhǔn)面有有微小起伏、、不規(guī)則、很難用數(shù)學(xué)方方程表示。2)將地表地形投投影到大地水水準(zhǔn)面上計(jì)算非常困困難。3)選擇一個(gè)與大大地水準(zhǔn)面非非常接近、能用數(shù)學(xué)方程程表示的橢球球面作為投影基準(zhǔn)準(zhǔn)面，由橢圓NESW繞其短軸NS旋轉(zhuǎn)而成的旋旋轉(zhuǎn)橢球，——參考橢球，表面——參考橢球面。4)法線——由地地表任一點(diǎn)向向參考橢球面面作垂線。5)參考橢球元元素——橢橢圓的長(zhǎng)半半軸a和扁率f，6)參考橢球定定位——參參考橢球相相對(duì)于大地地水準(zhǔn)面的的位置大地原點(diǎn)———參考橢橢球面與大大地水準(zhǔn)面面相切的點(diǎn)點(diǎn)在大地原點(diǎn)點(diǎn)處，鉛垂線與法線重合。(4)我我國(guó)現(xiàn)用用的幾個(gè)參參考橢球元元素值§1.3測(cè)量坐標(biāo)系系與地面點(diǎn)點(diǎn)位的確定定(1)參參心坐標(biāo)標(biāo)系與地心心坐標(biāo)系物理空間———三維空空間。表示地面點(diǎn)點(diǎn)在某空間間坐標(biāo)系的的位置需三三個(gè)參數(shù)；；確定地面點(diǎn)點(diǎn)位——確確定其在某某個(gè)空間坐坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)。?？臻g坐標(biāo)系系——地心心坐標(biāo)系和和參心坐標(biāo)標(biāo)系?！暗匦摹薄厍蛸|(zhì)質(zhì)心，WGS-84為地心坐標(biāo)標(biāo)系?！皡⑿摹薄獏⒖紮E橢球中心，，參心與地地心一般不不重合。1954北北京坐標(biāo)系系與1980西安坐坐標(biāo)系屬參心坐標(biāo)標(biāo)系。工程測(cè)量使使用參心坐坐標(biāo)系，地心坐標(biāo)系系與參心坐坐標(biāo)系可以以相互轉(zhuǎn)換換。測(cè)量三維坐標(biāo)系———確定點(diǎn)球面面位置的二維坐標(biāo)系確定點(diǎn)高度度的一維高程系。(2)確確定點(diǎn)球球面位置的的二維坐標(biāo)標(biāo)系地理坐標(biāo)系系，平面直直角坐標(biāo)系系。1)地理理坐標(biāo)系天文地理坐坐標(biāo)系，大大地地理坐坐標(biāo)系。①天文地地理坐標(biāo)系系地面點(diǎn)在大大地水準(zhǔn)面面上的位置置。基準(zhǔn)——鉛鉛垂線，大大地水準(zhǔn)面面。球面坐標(biāo)———天文經(jīng)度λ，天文緯度φ。天文子午面面——過地地面P點(diǎn)的鉛垂線線與地球旋旋轉(zhuǎn)軸NS平行的平面面。天文子午線線——天文文子午面與與大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面的交線線。首子午面———過英國(guó)國(guó)格林尼治治天文臺(tái)G的天文子午午面。P點(diǎn)天文經(jīng)度λ——P點(diǎn)天文子午午面與首子子午面的兩兩面角從首子午面面向東或向向西計(jì)算，，取值范圍圍是0°～～180°°，在首子午線線以東為東東經(jīng)，以西西為西經(jīng)。。P點(diǎn)天文緯度φ——P點(diǎn)鉛垂線與與赤道面的的夾角，自赤道起向向南或向北北計(jì)算，取取值范圍為為0°～～90°。。在赤道以北北為北緯，，以南為南南緯。可用天文測(cè)測(cè)量方法測(cè)測(cè)定地面點(diǎn)點(diǎn)的天文經(jīng)度和和天文緯度度。格林尼治天天文臺(tái)，始始建于1675年，，位于英國(guó)首首都倫敦的的格林威治治，二戰(zhàn)后遷往往新址———蘇塞克郡的的赫斯特蒙蒙蘇堡，但保留了““格林威治皇皇家天文臺(tái)臺(tái)”的名稱。。1884年年，經(jīng)過這這個(gè)天文臺(tái)臺(tái)的子午線線被確定為全全球時(shí)間和和經(jīng)度計(jì)量量標(biāo)準(zhǔn)參考考子午線，，也稱為本初初子午線，，即零度經(jīng)經(jīng)線。初建之時(shí)，，目的是精精確地觀測(cè)測(cè)月球和恒恒星，幫助航海家家確定經(jīng)度度?，F(xiàn)它已發(fā)展展為英國(guó)的的一個(gè)綜合合性光學(xué)天天文臺(tái)。1999年年12月28日，新新時(shí)間系統(tǒng)統(tǒng)——格林威治電電子時(shí)間(GET)正式誕生，，為全球電子子商務(wù)提供供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。原格林威治治時(shí)間(GMT)仍保留作為為21世紀(jì)紀(jì)世界標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)時(shí)間。②大地地地理坐標(biāo)系系表示地面點(diǎn)點(diǎn)在參考橢橢球面上的的位置。基準(zhǔn)——參參考橢球面面和法線。。用大地經(jīng)度度L，大地緯度B表示。P點(diǎn)大地經(jīng)度度L——P點(diǎn)大地子午午面與首子子午面的兩兩面角P點(diǎn)大地緯度度B——P點(diǎn)的法線與與赤道面的的夾角。大地經(jīng)、緯緯度是根據(jù)據(jù)起始大地地點(diǎn)的大地地坐標(biāo)，按大地測(cè)量量所得數(shù)據(jù)據(jù)推算得到到。起始大地點(diǎn)點(diǎn)——大地地原點(diǎn)，該點(diǎn)大地經(jīng)經(jīng)緯度與天天文經(jīng)緯度度一致。我國(guó)以陜西省-涇涇陽縣-永永樂鎮(zhèn)-石際寺村大地原點(diǎn)建立的大地地坐標(biāo)系———1980西西安坐標(biāo)系系。大地原點(diǎn)的的地理坐標(biāo)標(biāo)約為東經(jīng)108°55′′，北緯34°32′，海拔拔417.2m。大地原點(diǎn)結(jié)結(jié)構(gòu)大地原點(diǎn)中中心標(biāo)石結(jié)結(jié)構(gòu)投影臺(tái)投影影原理投影臺(tái)投影影原理投影臺(tái)投影影原理投影臺(tái)模型型在投影臺(tái)安安置經(jīng)緯儀儀進(jìn)行投影影觀測(cè)與前蘇聯(lián)1942年年普爾科沃沃坐標(biāo)系聯(lián)聯(lián)測(cè)，經(jīng)蘇聯(lián)西伯伯尼亞從我我國(guó)東北入入境，傳算過來的的坐標(biāo)系———1954北北京坐標(biāo)系系。大地原點(diǎn)———前蘇聯(lián)聯(lián)列寧格勒勒普爾科沃沃天文臺(tái)中中央(3)平平面直角坐坐標(biāo)系球面坐標(biāo)對(duì)對(duì)局部測(cè)量量不方便，，工程測(cè)量一一般在平面面直角坐標(biāo)標(biāo)系進(jìn)行。。地球是一個(gè)個(gè)不可展的的曲面，通過投影將將地球表面面物體化算算到平面上上，一定存在變變形。案例——切橙子。地球是一個(gè)個(gè)不可展曲曲面演示1)高斯平面坐坐標(biāo)系高斯投影———保持球球面上的角角度不變，，邊長(zhǎng)存在變變形，保角投影。德國(guó)科學(xué)家家高斯在1820~1830年間，為解決德國(guó)國(guó)漢諾威地地區(qū)大地測(cè)測(cè)量投影問問題，提出的一種種投影方法法；1912年年起，德國(guó)國(guó)學(xué)者克呂呂格將高斯斯投影公式式加以整理理擴(kuò)充并推導(dǎo)導(dǎo)出了實(shí)用用計(jì)算公式式。使用高斯投投影的國(guó)家家——德國(guó)、中國(guó)、前蘇聯(lián)。地球按經(jīng)線線劃分為帶帶——投影影帶帶；用空空心心橢橢圓圓柱柱橫橫套套在在參參考考橢橢球球外外面面；；橢圓圓柱柱與與某某一一子子午午線線相相切切————中央央子子午午線線，橢球球面面上上圖圖形形按按保保角角投投影影原原理理投投影影到到橢橢圓圓柱柱體體面面上上；；沿過過南南北北極極的的母母線線切切開開橢橢圓圓柱柱體體，，展展開開成成平平面面，，定義義平平面面直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系。。按投投影影經(jīng)經(jīng)度度范范圍圍劃劃分分①統(tǒng)一一6°°帶帶高高斯斯投投影影首子子午午線線起起，，每每隔隔經(jīng)經(jīng)度度6°°劃劃分分為為一一帶帶(稱稱統(tǒng)統(tǒng)一一6°°帶帶)西→→東東劃分分地地球球?yàn)闉椤?0個(gè)個(gè)帶帶。。帶號(hào)號(hào)N從首首子子午午線線開開始始，，用用阿阿拉拉伯伯?dāng)?shù)數(shù)字字表表示示。。第一一個(gè)個(gè)6°°帶帶中中央央子子午午線線的的經(jīng)經(jīng)度度為為3°°。。帶號(hào)號(hào)N與中中央央子子午午線線經(jīng)經(jīng)度度L0的關(guān)關(guān)系系————L0=6N－3已知知任任意意點(diǎn)點(diǎn)經(jīng)經(jīng)度度L，計(jì)算算所所在在6°°帶帶的的帶帶號(hào)號(hào)公公式式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)北京京天天安安門門：東東經(jīng)經(jīng)116°°23′′26″″，北北緯緯39°°54′′27″″香港港會(huì)會(huì)展展中中心心：東東經(jīng)經(jīng)114°°10′′22″″，，北北緯緯22°°17′′05″″澳門門大大三三吧吧牌牌坊坊：東東經(jīng)經(jīng)113°°32′′31″″，，北北緯緯22°°11′′49″″臺(tái)北北中中山山紀(jì)紀(jì)念念堂堂：東東經(jīng)經(jīng)121°°31′′18″″，，北北緯緯25°°02′′04″″保角角投投影影———球球面面上上的的角度度投影影到到橫橫橢橢圓圓柱柱面面上上保持持不不變變，但長(zhǎng)度度變長(zhǎng)長(zhǎng)。只有有中中央央子子午午線線與與赤赤道道投投影影后后長(zhǎng)度度不變變，，并并相相互互垂垂直直。。建立立的的直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系————高高斯斯平平面面直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系。。與數(shù)學(xué)笛笛卡爾坐坐標(biāo)系的的差異，，x軸與y軸互換位位置，象象限順時(shí)時(shí)針編號(hào)號(hào)，我國(guó)位于于北半球球，x坐標(biāo)值恒恒為正，，y坐標(biāo)值則則有正有有負(fù)，最大y坐標(biāo)負(fù)值值約為-334km。為保證y坐標(biāo)恒為為正，我我國(guó)統(tǒng)一一規(guī)定將將每帶的的坐標(biāo)原原點(diǎn)向西西移500km，既給每個(gè)個(gè)點(diǎn)的y坐標(biāo)值加加500km。為確定投投影帶位位置，y坐標(biāo)前冠冠帶號(hào)。。高斯投影影長(zhǎng)度變變形———離中央央子午線線越遠(yuǎn)，，長(zhǎng)度變變形越大大；減小長(zhǎng)度度變形的的方法之之一———縮小投影影帶寬，，經(jīng)差。②統(tǒng)一一3°帶帶高斯投投影帶號(hào)n與中央子子午線經(jīng)經(jīng)度L’0的關(guān)系———L’0=3n已知經(jīng)度度L，計(jì)算所在在3°帶帶帶號(hào)公式式n=Int(L÷6+0.5)我國(guó)大陸陸經(jīng)度范范圍———東經(jīng)73°27′~東經(jīng)135°°09′′用公式N=Int((L+3)÷÷6+0.5)求出統(tǒng)一6°°帶投影影帶號(hào)范范圍———13~23用公式n=Int(L÷3+0.5)求出統(tǒng)一3°°帶投影影帶號(hào)范范圍———25~45兩種投影影帶的帶帶號(hào)不重重復(fù)根據(jù)y坐標(biāo)前的的帶號(hào)可可以判斷斷屬于何何種投影影帶。③任意帶高高斯投影影《城市測(cè)測(cè)量規(guī)范范》規(guī)定定——長(zhǎng)度變形形值>2.5cm/km(1/40000)可采用高高斯投影影任意帶帶平面直直角坐標(biāo)標(biāo)系統(tǒng)，，案例——廣東東江門中中心經(jīng)度度——東東經(jīng)113°10′，位于統(tǒng)一3°帶的38號(hào)帶(中央子子午線經(jīng)經(jīng)度為114°)中央子午午線以西西98km。長(zhǎng)度變形形為1/8329>1/40000。為使長(zhǎng)度度變形<1/40000，選擇中央央子午線線經(jīng)度=113°10′進(jìn)行高斯斯投影；；建立江門門市獨(dú)立坐標(biāo)標(biāo)系；江門市區(qū)最邊邊緣距離離中央子午午線23km，長(zhǎng)度變形形縮小為為1/150000<1/40000。2)大大地地理理坐標(biāo)與與高斯平平面坐標(biāo)標(biāo)的相互互變換由L,B→x,y———高斯投影影正算。由x,y→L,B———高斯投影影反算。將某帶x,y→相臨帶x,y———高斯投影影換帶計(jì)計(jì)算。計(jì)算公式式較復(fù)雜雜，用光光盤程序序PG2-1.exe計(jì)算。先用Windows的記事本本編寫一一個(gè)文本本數(shù)據(jù)文文件。存盤文件件名的前前兩個(gè)字字符應(yīng)為為da。從Google地球衛(wèi)衛(wèi)星圖圖片上上獲取取經(jīng)緯緯度，，用PG2-1.exe正算出出高斯斯平面面坐標(biāo)標(biāo)案例例§1.3.2一維高高程系系(1)高高程程定義義A點(diǎn)高程程———A點(diǎn)到大大地水水準(zhǔn)面面的垂垂直距距離，，HA表示。。大地水水準(zhǔn)面面的確確定———在在海邊邊設(shè)立立驗(yàn)潮潮站，長(zhǎng)期觀觀測(cè)，，求得海海水面面的平平均高高度作作為高高程零零點(diǎn)，，以通過過該點(diǎn)點(diǎn)的大大地水水準(zhǔn)面面為高高程基基準(zhǔn)面面。(2)國(guó)國(guó)家家高程程系統(tǒng)統(tǒng)我國(guó)有兩個(gè)個(gè)國(guó)家高程程系統(tǒng)。1)1956年黃黃海高程系系1954年年在青島市市觀象山建建立水準(zhǔn)原原點(diǎn)，采用青島大大港驗(yàn)潮站站一號(hào)軍用用碼頭1950年年~1956年7年年的潮汐記錄錄資料推算出的大大地水準(zhǔn)面面為基準(zhǔn)引測(cè)出水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)的高高程為72.289m。以該大地水水準(zhǔn)面為高高程基準(zhǔn)建立的高程程系——1956年年黃海高程程系。青島觀象山山青島大港1號(hào)碼頭驗(yàn)驗(yàn)潮站青島大港1號(hào)碼頭驗(yàn)驗(yàn)潮站青島大港1號(hào)碼頭驗(yàn)驗(yàn)潮站青島大港1號(hào)碼頭驗(yàn)驗(yàn)潮站標(biāo)牌牌驗(yàn)潮站內(nèi)的的潮汐自動(dòng)動(dòng)記錄儀驗(yàn)潮站內(nèi)的的潮汐自動(dòng)動(dòng)記錄儀驗(yàn)潮站內(nèi)的的潮汐自動(dòng)動(dòng)記錄儀驗(yàn)潮站內(nèi)的的潮汐自動(dòng)動(dòng)記錄儀驗(yàn)潮站內(nèi)的的潮汐自動(dòng)動(dòng)記錄儀青島觀象山山水準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)打開水準(zhǔn)原原點(diǎn)旱井蓋蓋打開水準(zhǔn)原原點(diǎn)旱井蓋蓋水準(zhǔn)原點(diǎn)旱旱井水準(zhǔn)原點(diǎn)旱旱井水準(zhǔn)原點(diǎn)瑪瑪瑙石標(biāo)志志水準(zhǔn)原點(diǎn)標(biāo)標(biāo)牌備用水準(zhǔn)原原點(diǎn)備用水準(zhǔn)原原點(diǎn)備用水準(zhǔn)原原點(diǎn)精密水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量觀測(cè)水水準(zhǔn)原點(diǎn)的的穩(wěn)定性水準(zhǔn)原點(diǎn)至至1956年黃海高高程系0海海平面的高高程水準(zhǔn)原點(diǎn)至至1985國(guó)家高程程基準(zhǔn)0海海平面的高高程精密水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量觀測(cè)用德國(guó)蔡司司Ni002精密水準(zhǔn)儀儀觀測(cè)精密水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量觀測(cè)精密水準(zhǔn)測(cè)測(cè)量觀測(cè)青島水準(zhǔn)零零點(diǎn)青島水準(zhǔn)零零點(diǎn)2001臺(tái)臺(tái)灣高程基基準(zhǔn)——基基隆水準(zhǔn)原原點(diǎn)2001臺(tái)臺(tái)灣高程基基準(zhǔn)——基基隆水準(zhǔn)原原點(diǎn)2001臺(tái)臺(tái)灣高程基基準(zhǔn)——基基隆水準(zhǔn)原原點(diǎn)2)1985國(guó)家家高程基準(zhǔn)準(zhǔn)80年代，用青島驗(yàn)潮潮站1953年年~1977年25年的潮汐記錄錄資料推算出的大大地水準(zhǔn)面面為基準(zhǔn)引測(cè)出水準(zhǔn)準(zhǔn)原點(diǎn)的高高程為72.260m。以該大地水水準(zhǔn)面為高高程基準(zhǔn)建立的高程程系——1985國(guó)國(guó)家高程基基準(zhǔn)。在水準(zhǔn)原點(diǎn)點(diǎn)，85高程基基準(zhǔn)大地水水準(zhǔn)面比56黃海系系大地水準(zhǔn)準(zhǔn)面高出0.029m。2005年10月9日發(fā)布的的珠穆朗瑪峰峰峰頂巖石石面海拔高程為8844.43m，屬于85高高程基準(zhǔn)。。3)珠江基面高高程系(珠江高程程系)1908年年由兩廣督督練公所參謀處測(cè)繪繪科建立，，原點(diǎn)：廣州州粵海關(guān)前前。廣東，廣西西珠江流域域水利系統(tǒng)使使用。珠江基面零零點(diǎn)比1956年黃海高高程系高廣州高0.586m，粵西北高0.722m，粵東北高0.377m。(3)城市高程系系統(tǒng)的選擇擇《城市測(cè)量量規(guī)范》規(guī)規(guī)定一個(gè)城市只只應(yīng)采用一一個(gè)統(tǒng)一的的高程系統(tǒng)統(tǒng)。應(yīng)采用1985國(guó)家家高程基準(zhǔn)準(zhǔn)或沿用1956年黃黃海高程系系。§1.3.3WGS-84坐標(biāo)系WGS———WorldGeodeticSystem(世界大地坐坐標(biāo)系)，，美國(guó)國(guó)防局局為進(jìn)行GPS導(dǎo)航定位，，于1984年建立的的地心坐標(biāo)標(biāo)系，1985年投投入使用。。屬地心坐標(biāo)標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系———原點(diǎn)位于于地球質(zhì)心心，z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議議地球極(CTP)方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午午面和CTP赤道的交點(diǎn)點(diǎn)，y軸通過右手手規(guī)則確定定。§1.4地球曲率對(duì)對(duì)測(cè)量工作作的影響測(cè)區(qū)范圍較較小，大地水準(zhǔn)面面近似為水水平面時(shí)