土木工程第1章测量基本知识

北京大学出版社土木工程测量主编:陈久强刘文生•学习“工程测量”测量科学技术在国民经济建设和社会可持续发展以及国防建设中的重要地位不断提高，应用不断扩大。----宁津生课程的性质工程测量，土木工程测量。专业基础课；土木工程等专业的基本技术；工程建设的主要导向技术。学习理论教学、实验教学、实习教学。根据理论教学需要开展实验教学，完成必要的作业；实习教学将作为独立课程在理论教学之后进行。通过理论教学、实验教学、实习教学达到掌握工程测量技术的目的。希望努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。中国工程院院士、武汉大学教授宁津生•宁津生院士序言指出三大特点1.结合土木类专业，应用的特色非常明显，教学内容针对性强；2.教材结构体系新，教材内容脉络清晰，便于理解掌握；3.引进测绘新技术，更具时代特色。第一章绪论•学习目标：•理解测量科学技术在土木工程的意义。•掌握坐标系统、高程系统的概念和应用。•理解测量定位概念与技术过程。•把握绪论对于学习工程测量技术的基本导向。第一节测量学与土木工程•一、测量学概念•二、测绘学的分支学科•三、测绘科学在土木工程建设中的地位一、测量学概念•1.基本概念。•测量学是一门研究测定地面点位置，研究确定并展示地球表面形态与大小的科学。•2.与人类生存息息相关的测量科学。•人类在地球上的生存、发展离不开点位置的确定，离不开边界点、边界线的确定，离不开这些场所的面积以及土木工程的位置测定。测量科学正是适应人类生存、发展的需要和土木工程建设的定位技术需求而发展起来。•3.现代科技条件下的测量科学。•主要贡献有激光红外测距、卫星全天候定位、摄影与遥感、数字化测量技术及现代平差等。现代科技条件下的测绘学，是对地球整体及其表面和外层空间的物体与地理分布有关信息的采集，并赋予处理、管理、更新等过程的科学技术。测绘学获得的数据或图象成为可以储备、传播、应用的地球空间信息。地球空间信息工程学•测绘学科的应用范围和服务对象正在不断地扩大到国家经济建设和社会可持续发展以及国防建设中与地球空间信息有关的各个领域，二、测绘学的分支学科•大地测量学、摄影测量与遥感学、地图学、海洋测绘、工程测量学。•工程测量学。研究工程建设与自然资源开发中在规划、勘测设计、施工与管理各个阶段进行的测量理论与技术的学科。工程测量学是测绘科学技术在国民经济和国防建设中的直接应用。三、测绘科学在土木工程建设中的地位•1.测量是土木工程规划建设的重要依据。•2.测量是土木工程勘察设计现代化的重要技术。•3.测量是土木工程顺利施工的重要保证。•4.测量是房地产管理、工程综合质量检验、重要土木工程设施安全监视的重要手段。•土木工程技术人员明确测量科学在工程建设中的重要地位，熟练掌握测量基本理论和技术原理，熟练掌握和应用工程测量基本理论和方法，是进行交通土木工程技术工作的基本条件。第二节地球体的有关概念•测量在地球上进行，必须了解有关地球体的概念•一、地球体的有关概念•二、参考椭球体的参数一、地球体的有关概念•1．垂线：重力的作用线称为铅垂线，简称垂线。(万有引力与离心力)•2．水准面：某一时刻处于没有风浪的海洋水面，称为水准面。理想化的静止曲面。性质：有3。•3．大地水准面：没有风浪没有潮汐的平均海水面就称为大地水准面。3．大地水准面：没有风浪没有潮汐的平均海水面就称为大地水准面。•4．大地体：大地水准面包围的曲面形体称为大地体。•水准面、大地水准面不规则。大地体不规则。5．参考椭球体：)11(1222222bzayax)21(aba二、参考椭球体的参数•1．1980年以后IAG-75参数:•R=6378140米，α=1/298.257，•推算值b=6356755.288米。•2．1954年北京坐标系参数:•前苏联克拉索夫斯基参数，•R=6378245米，α=1/298.3，•推算值b=6356863.019米。•3．平均参数:R=6371000米。第三节坐标系统的概念•一、大地坐标系统•二、高斯平面直角坐标系统•三、独立平面直角坐标系一、大地坐标系统•大地坐标系统是以参考椭球体面为基准面的球面坐标系，•通常以大地经度和大地纬度表示，•简称经度(L)，纬度(B)。L、B或称为大地坐标。•B:29°33′45.″8036•L:119°51′28.″7441二、高斯平面直角坐标系统•大地坐标表示地面点的球面坐标，工程设计上需要点位平面位置。工程建设在地球曲面上完成，工程设计均在平面上进行。“平面”与“曲面”必然有矛盾。高斯平面直角坐标系是一种应用广泛的坐标系统，可以解决这类问题。•1.高斯投影的几何意义：•1)沿N、S两极在参考椭球面均匀标出子午线(经线)和分带。•2)假想一个横椭圆柱面套在参考椭球面上。•3)地球表面投影到横椭圆柱面上。•4)展开成高斯平面。沿N、S两极在参考椭球面均匀标出子午线(经线)和分带。•按经差L分带•边缘子午线•中央子午线假想一个横椭圆柱面套在参考椭球面上地球表面投影到横椭圆柱面上•地球的投影•红线是投影线•取出地球的投影---剪开---压平后2.高斯平面的特点•1)投影后的中央子午线NBS是直线，长度不变。•2)投影后的赤道ABC是直线，保持ABC⊥NBS。•3)离开中央子午线的子午线投影是以二极为终点的弧线，离中央子午线越远，弧线的曲率越大，说明离中央子午线越远投影变形越大。3.高斯平面直角坐标系的建立•建立规则:•①X轴是中央子午线NBS的投影，北方为正方向；•②Y轴是赤道ABC的投影，东方为正方向；•③原点，即中央子午线与赤道交点用O表示；•④四象限按顺时针顺序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ排列高斯平面直角坐标表示地面点位置•如x=2433586.693m，y=38514366.157m。•表示的意义:•(1)表示点在高斯平面上至赤道的距离;•2433586.693m•(2)包括有投影带的带号、附加值500km•和实际坐标Y三个参数，即•y=带号N(或n)+500km+Yp•38+500+14366.157m全球高斯投影带高斯投影根据Δ逐带连续进行，全球连续逐带高斯投影展开成如下图的高斯平面。L=6六度带中央子午线经度Lo=6N-3(1-3)L=3三度带中央子午线经度Lo=3n(1-4)L投影带的中央子午线与编号•L=6六度带中央子午线经度Lo=6N-3(1-3)•L=3三度带中央子午线经度Lo=3n(1-4)•我国在大地坐标系中的经度位置74°～135°•六度带编号N在我国:在13～23之间。•三度带编号n在我国:在25～45之间。三、独立平面直角坐标系•独立平面直角坐标系建立没有高斯平面直角坐标系那样严格的规则，主要表现在:•1.坐标系X轴所在的中央子午线的经度不一定满足式(1-3)、式(1-4)，可按不同要求采用其他的经度，具有一定的随意性；•2.坐标轴X轴的正方向不一定指向北极，可根据工作需要自行确定，具有某种实用性；•3.坐标系原点不一定设在赤道上，一般设在有利于工作的范围内，具有相应的区域性。测量平面坐标系与数学坐标系•数学上的三角公式适用于测量平面坐标系•x=s×cosα(1-6)•y=s×sinα(1-7)第四节高程系统的概念•一、高程系统的一般概念•二、实际应用中的地面点高程的概念一、高程系统的一般概念•地面点高程：地面点到某一高程基准面的垂直距离。•大地高系统：以参考椭球体面为基准面的高程系统。大地高，表示地面点到参考椭球体面的垂直距离。•正高系统：以大地水准面为基准面的高程系统。正高，表示地面点到大地水准面的垂直距离。•正常高系统：以似大地水准面为基准面的高程系统。正常高，表示地面点到似大地水准面的垂直距离。•大地高、正高、正常高三者关系由差距h’m、hm参数联系起来。在要求不高时，往往忽略h’m、hm参数，不再有大地高、正高、正常高的区别。二、实际应用中的地面点高程的概念•绝对高程：地面点沿其垂线到似大地水准面的垂直距离。•相对高程：地面点沿其垂线到假定的似大地水准面的垂直距离。•高差：二个地面点的高程之差，用h表示。)81(ABABABHHHHh第五节地面点定位的概念•一、地面点定位的技术过程•二、地面点定位元素•三、地面点定位的工作原则一、技术过程•地面点定位，亦即以某种技术过程确定地面点的位置。•1.测绘。以测量技术手段测定地面点位置并用图象或图形和数据等形式表示出来，这种技术过程称为测绘。•2.测设。利用测量技术手段把设计上拟定的地面点测定到实地上，这种技术过程称为测设，或称为工程放样，简称放样。二、地面点定位元素•角度测量、距离测量、高差测量是地面点定位的测量基本技术工作。•测量得到的角度(β)、距离(D)、高差(h)是地面点定位的基本元素，称为定位元素。这些定位元素具有独立性(即某一元素与其它同类元素之间不存在函数关系)和直接可量性(即可利用测量仪器直接测量其大小)，故称之为直接观测量，或称为直接定位元素。•地面点的定位参数x、y、H不能直接测量得到，但可以利用地面点的直接定位元素按某种规定的法则推算得到，故又称地面点的定位参数x、y、H为间接观测量，或称为间接定位元素。三、地面点定位的工作原则:•⒈等级原则。等级规定是工程建设中测量技术工作成果质量的标准，是严格科学态度与实际测量技术水平的象征；离开甚至违背技术等级要求的不合格测量工作是不能容许的。•⒉整体原则。整体，指的是测量对象是一个个互相联系的个体所构成的完整测量基地；指的是测定位置参数不是孤立的，而是从属于工程建设整体对象的参数。•1)从工程建设的全局出发实施定位的技术过程；•2)定位技术过程得到的点位置必须在数学或物理的关系上符合工程建设的整体要求。•⒊控制原则。控制，实际上是等级原则下为工程建设自身提供定位的基准。以控制测量技术建立的基准设施是工程建设的基础，是工程建设中地面点定位的测量保证。•⒋检核原则。测量成果准确可靠是测量工作以及所涉及的土木工程优质的基础，没有经过检核证明正确的测量成果是不可取的。测量工作的原则•“先控制后碎部、从整体到局部，从高级到低级”•“步步有检核”