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第一章绪论1.1工程测量学在测绘学中的定位和研究应用领域1.1.1学科定义定义一：工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。各项工程包括：工业建设、铁路、公路、桥梁、隧道、水利工程、地下工程、管线（输电线、输油管）工程、矿山和城市建设等。一般的工程建设分为规划设计、施工建设和运营管理三个阶段。工程测量学是研究这三阶段所进行的各种测量工作。定义二：研究工程建设在设计、施工和管理各阶段中进行测量工作的理论、技术和方法的学科。又称实用测量学或应用测量学。它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。定义三：工程测量学是研究地球空间（地面、地下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论方法和技术的一门应用性学科。它主要以建筑工程、机器和设备为研究服务对象。两种定义的差别•空间概念不同•服务范围不同•技术要求不同1.1.2学科地位•历史悠久的古老学科•充满朝气的年轻学科•经济建设的基础学科•信息社会的重点学科1.1.3研究应用领域•国内一般把与工程建设有关的工程测量按规划设计、施工建设和运营管理三个阶段划分；•也有按行业划分成：线路（铁路、公路和管线等）工程测量、水利工程测量、桥梁工程测量、隧道工程测量、建筑工程测量、矿山测量、海洋工程测量、军事工程测量、三维工业测量等，几乎每一行业的工程测量都有相应的著书或教材。隔河岩大坝GPS监测系统超级全站仪测量机器人精密测距仪杭州湾GPS控制网三峡工程施工控制网Cyrax25003D激光扫描仪香港青马大桥变形监测1.2工程测量学的内容1.2.1研究内容——按建设阶段划分•工程勘测•施工测量•安全监测（1）工程建设规划设计阶段的测量工作每项工程建设都必须按照自然条件和预期目的进行规划设计。在这个阶段中的测量工作，主要是提供各种比例尺的地形图，另外还要为工程地质勘探，水文地质勘探以及水文测验等进行测量。对于重要的工程（例如某些大型特种工程）或在地质条件不良的地区（例如膨胀土地区）进行建设，则还要对地层的稳定性进行观测。（2）工程建设施工阶段的测量工作•每项工程建设的设计，经过讨论，审查和批准之后，即进入施工阶段。•首先要将所设计的工程建筑物，按照施工的要求在现场标定出来（即所谓定线放样），作为实地修建的依据。•建立不同形式的施工控制网，作为定线放样的基础。•按照施工的需要，采用各种不同的放样方法，将图纸上所设计的内容转移到实地。•还要进行施工质量控制，例如高建筑物、构筑物的竖直度，地下工程的断面等。•土方工程量测量、竣工测量、变形观测，以及设备的安装测量。（3）工程建设运营管理阶段的测量工作•在工程建筑物运营期间，为了监视其安全和稳定的情况，了解其设计是否合理，验证设计理论是否正确，需要定期地对其位移、沉陷、倾斜以及摆动等进行观测。这些工作，就是通常所说的变形观测。•对于大型的工业设备，还要进行经常性的检测和调校，以保证其按设计安全运行。•为了工程的有效管理，维护和日后扩展的需要，还要做竣工测量，建立工程信息系统。1.2.2研究内容——按服务对象划分•建筑工程测量•水利工程测量•军事工程测量•海洋工程测量•地下工程测量•工业工程测量•港口工程测量•铁路工程测量•公路工程测量•管线工程测量•桥梁工程测量•隧道工程测量•城市建设测量•提供模拟或数字的地形资料；•进行测量及其有关信息的采集和处理；•建筑物的施工放样；•大型精密设备的安装和调试测量；•工业生产过程的质量检测和控制；•变形监测、机理解释和预报；•工程测量专用仪器的研制与应用；•工程信息系统的建立和应用等。1.2.3研究内容——按工作内容划分1.3工程测量学的结构体系•采用了“特殊与一般”、“纵向与横向处理”相结合的结构体系。•所谓“特殊”，指每一工程的特殊性，“一般”指各种工程的共性、一般性，对于共性、一般性，进行统一讲述，而对特殊性，则针对某一工程具体描述。•所谓“纵向处理”，是指按工程建设的三个阶段阐述测量工作的理论和方法；而“横向处理”是指按典型工程分别进行描述。1.4工程测量学的发展概况发展历史•工程测量学是一门历史悠久的学科，是从人类生产实践中逐渐发展起来的。•在古代，它与测量学并没有严格的界限。•到近代，随着工程建设的大规模发展，才逐渐形成了工程测量学。•公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔，其形状与方向都很准确，这说明当时就已有了放样的工具和方法。•我国早在二千多年前的夏商时代，为了治水就开始了水利工程测量工作。•1973年从长沙马王堆汉墓出土的地图包括了地形图、驻军图和城邑图三种，不仅所表示的内容相当丰富，绘制技术也非常熟练，在颜色使用、符号设计、内容分类和简化等方面都达到了很高水平，是目前世界上发现的最早的地图，这与当时测绘术的发达分不开。•公元前十四世纪，在幼发拉底河与尼罗河流域曾进行过土地边界的划分测量。我国的地籍管理和土地测量最早出现在殷周时期，秦、汉过渡到私田制。•工程测量学的发展也受到了矿产开挖的促进。•工程测量学的发展也受到了战争的促进。•工程测量学的发展在很长的一段时间内是非常缓慢的。直到二十世纪初，由于西方的第一、二次技术革命和工程建设规模的不断扩大，工程测量学才受到人们的重视，并发展成为测绘学的一个重要分支。•现代工程测量已经远远突破了为工程建设服务的狭窄概念，而向所谓的“广义工程测量学”发展。苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：“一切不属于地球测量，不属于国家地图集范畴的地形测量和不属于官方的测量，都属于工程测量”。发展特点六化：•测量内外业作业的一体化；•数据获取及处理的自动化；•测量过程控制和系统行为的智能化；•测量成果和产品的数字化；•测量信息管理的可视化；•信息共享和传播的网络化。十六字：连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。1.5工程测量学与相邻课程的关系摄影测量学与遥感大地测量学地图制图学工程测量学工程学科数学、应用数学、物理学计算机科学人文管理外语相关课程课程特点•内容多，各个方面多有应用；•叙述多，理论推导少；•结合工程实际多。学习方法•分清教材体系，学懂各章内容•掌握基本理论，灵活应用基本方法•紧密联系实际，克服工程经验不足的困难•勤查参考文献，丰富和拓宽知识面现代工程测量进展仪器发展•以GPS接收机为主体的测量系统（RTK、网络RTK、超站仪、一机多天线）；•以测量机器人为代表的自动化类仪器•以激光扫描仪为代表的激光类仪器；•多传感器集成系统、各种遥控、遥传、遥测系统等测量数据处理理论1、控制网建立理论优化设计、可靠性、平差处理等2、变形分析理论分析方法、监控模型、安全评判、辅助决策、专家系统等3、新理论的研究应用小波分析、模糊数学、神经网络等1、GPS应用技术•控制网的建立；•工程施工放样；•变形监测；•气象预报；•交通车辆管理、导航；•国土测绘、土地利用。南京长江第二大桥，全长21.197公里，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨628米。NCQ07NCQ11NCQ09长江南汊大桥NCQ01NCQ05NCQ03NCQ02NCQ04NCQ08NCQ06NCQ12NCQ14NCQ10NQ01NQ02NQ07NQ03NQ04NQ08NQ09NQ05NQ06NQ10南京长江第三大桥，全线长约17.6公里，其中跨江大桥长约4.7公里，大跨径钢索塔斜拉桥。长江三峡工程首级施工控制网世界上最大的水利枢纽，1994年开工~2009年竣工，预计总投资1800亿元，坝高185m，水库最终水位175m，库容393亿m3，年发电量达到847亿kw。隔河岩大坝GPS监测系统香港青马大桥变形监测GPS线路测量GPS打桩系统2、全站仪应用技术•控制网的建立；•施工放样；•变形监测；•数字化测绘；•建筑形体测量。施工放样测量机器人变形监测系统目标点…测量机器人基站计算机监测软件通讯电缆参考系变形体参考点1目标点1参考点n目标点m参考点…目标点…全站仪线路测量工业安装测量3、GPS与全站仪的结合•纯粹的GPS作业模式；•即用即测作业模式；•控制与碎部测量；•线路测设；•工程放样；•坐标转换和基本测绘服务。定向点棱镜碎部点流动站SGPS-M全站仪GPS卫星接收天线SGPS-R参考站发射天线超站式集成测绘系统4、电子水准仪•高程控制网的建立；•高程放样；•工程变形监测；•城市地表沉降监测；•国土测绘。徕卡DNA03/10蔡司DINI10拓普康DL101/102索佳SDL2徕卡电子水准仪标尺编码及相关读数原理示意图物镜调焦发送器补偿器补偿器监视CCD探测器分划板分光镜目镜调焦透镜210最佳相关时的位置0.116m参考信号（存入NA2000中的标尺像）测量信号（标尺可见部分）基码5、激光三维扫描系统•建筑形体测绘；•文物保护测绘；•变形测量；•地形测绘。徕卡公司的Cyra三维激光扫描系统，它由Cyrax2500激光扫描仪和Cyclone3.0系统软件组成。扫描仪最大测距范围为200米，单点位置测量精度为6mm。扫描速率为1列/秒（采样率为1000点/列）或2列/秒（采样率为200点/列）。扫描密度为每行、每列最多可达1000点。清华大学校门扫描所建立的模型图三维建模2D平面图、正面图、断面图6、三维工业测量系统航空、航天工业汽车工业船舶工业重工业/核工业铁路通讯机械工程、机器人和机床武器装备等工业测量系统的分类•经纬仪交会测量系统•全站仪极坐标测量系统•激光跟踪测量系统•激光扫描测量系统•计算机视觉测量系统•室内GPS测量系统•关节式坐标测量机经纬仪测量系统高精度电子经纬仪采用交会测量原理，获取空间点的三维坐标，如一台投出激光点，另一台带CCD相机进行图象处理，可实现无接触自动测量。全站仪测量系统DHzVTotalStation采用高精度全站仪按极坐标测量原理得到点的三维坐标，需合作目标配合，当采用自动跟踪全站仪时，可实现对目标的自动测量。激光跟踪仪（干涉测距全站仪）•极坐标测量原理•特点–测距棱镜和全站仪通用–测量速度快，每秒可达500~1000个点–激光自动跟踪功能–并行数据传输–干涉测距精度高–1：1数字化计算机视觉测量系统采用高精度数码相机、摄象机，按单目视觉、双目视觉和多目视觉测量原理实现对工件的形状、尺寸及姿态的自动测量与分析，是一门全新的检测技术。7、多波束测深技术•水下地形测量；•水下探测；•三维建模。•随着计算机与激光技术、自动跟踪全站仪的发展与使用，精密自动导向技术在我国交通隧道工程、水利工程、市政工程等领域得到了广泛的应用。•目前，该技术在国内主要以解决施工过程的监控问题为主，尤其对现代化的施工设备（如盾构掘进机），采用该技术可以准确、实时动态、自动快速地检测地下盾构机头中心的偏离值，保证工程按设计要求准确贯通，达到自动控制的目的。8、地下工程精密导向技术•当前，美国和德国均有不同的系统设计方案。•德国旭普林公司（Zublina.G）自动导系统(简称TUMA系统)，可用于地下顶管工程的动态导向测量，该系统于1998年成功用于上海市过黄浦江底大型顶管工程的动态定位，取得了很好的效果。•德国VMT公司SLS-T自动导向系统，可用于地下工程(地铁)盾构法施工的静态导向测量。该系统成功地用于南京地铁一号线TA7标的导向测量，保证了地铁的准确贯通。盾构机南京城市地铁盾构隧道TUMA硬件系统的组成系统软件SLS-T隧道导向系统SLS-T隧道施工导向系统是德国VMT公司开发的一种先进的激光同步自动导向系统，是目前在国际上处于领先地位的自动导向系统。自动全站仪导向系统密封装置千斤顶激光靶自动全站仪计算机与控制系统密封装置管片9、测量数据管理及可视化•施工测量数据管理；•变形监测数据管理；•数据的可视化；•监测数据的智能化分析。