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“十一五”国家级规划教材《交通土木工程测量》教学课件应用于交通土木类等专业“工程测量”课程第一章绪论张坤宜欢迎学习欢迎学习应用应用““十一五十一五””国家级规划教材国家级规划教材《《交通土木工程测量交通土木工程测量》》WelcometoTheCivilWelcometoTheCivilEngineeringSurveyingEngineeringSurveying张坤宜张坤宜《交通土木工程测量》关于“工程测量”课程的性质工程测量，或称土木工程测量、或是本书提出的交通土木工程测量。“工程测量”是以工程建设专业领域定位技术需求为服务目标的必修专业技术基础课程。工程测量技术是现代工程建设的主要导向技术和定位技术，是现代工程建设技术的组成部分，是工程建设技术人员从事工程建设技术工作的基本技术。学习并掌握“工程测量”课程的基本理论和技术是土木工程技术人员从事现代工程建设的基本条件。《交通土木工程测量》，适用的专业领域有路线、路面、桥梁、楼房、隧道、工程管理、土地管理、环境、给排水、城市规划、市政、房地产、建筑学等。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•主要内容•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。测量科学有二大学科核心特征：定位技术特征和定位信息特征。•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。从“测定”到“确定”包含着一系列的科技与法定流程，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,与人类生存和发展息息相关。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理论与技术等。•测量科学以测绘地球表面图象的技术形式实现定位信息的特有展示，故测量科学又有“测绘学”之称。•现代科技条件下测绘学的测定技术，又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，同时并赋予处理、管理、更新等过程的科学技术，因而测绘学“展示”的现代含义是使获得的数据或图象成为可以处理、储备、传播、应用的地球空间信息。•现代测绘学-----地球空间信息工程学二、测绘学的分支学科•大地测量学：•研究和确定地球形状、大小、整体与局部运动和地表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的科学。•摄影测量与遥感学：•研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。•地图学：•研究模拟和数字地图的基础理论、设计、测绘、复制的技术方法以及应用的学科。•海洋测绘学：•以海洋水体和海底为研究对象的测量理论与技术的学科。•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•测量主要在地球上进行，因此，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静止海洋水面，称为水准面。理想化的静止曲面。性质：•1)水准面处处与其相应的垂线互相垂直。•2)潮汐影响，时刻不同水准面高度不同。•3)同一水准面上各点重力位能相等。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：近似于大地体的规则椭球曲面体)11(1222222−=++bzayax)21(−−=abaα二、参考椭球体的参数•1．1980年以后IAG-75参数:•R=6378140米，=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，=1/298.3，•推算值b=6356863.019米。•3．平均参数:R=6371000米。αα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ΔL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。全球高斯投影带高斯投影根据ΔL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。ΔL=6°六度带中央子午线经度Lo=6N-3(1-3)ΔL=3°三度带中央子午线经度Lo=3n(1-4)3.高斯平面直角坐标系的建立•建立规则:•1)X轴是中央子午线NBS的投影，北方为正方向；•2)Y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4.全球高斯投影带编号高斯投影根据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。ΔL=6°六度带中央子午线经度Lo=6N-3(1-3)ΔL=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•ΔL=6°六度带中央子午线经度Lo=6N-3(1-3)•ΔL=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。5.高斯平面直角坐标表示地面点位置•我国采用高斯平面直角坐标•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•Yp有“+”有“-”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。H正常H正HmhHH+=正mhHH′+=正常似大地水准面•似大地水准面是一个与参考椭球体面的差距h’m可以得到的大地水准面。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像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(即某一元素与其他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。表1-1角度观测量的单位制表1-2长度单位制一圆周=400g1g=100c1c=100cc一圆周=2π弧度=57.29577951°(即180/π)=3437.746771'(即180×60/π)=206264.8(即180×3600/π)一圆周=360°1°=60'1'=60100进位制弧度制60进位制1英里(mile)1英尺(foot)=12英寸1km=0.621388181mile1m=3.2808foot1市里1市尺1km=2市里1m=3市尺1km(公里)=1000m(米)1m=10dm(分米)=100cm(厘米)=1000mm(毫米)英制市制国际制()ααααdDdDDdsincoscos−=ρααααdDdDDdsincos)cos(−=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