土木工程测量PPT(过静君)第一章-绪论

土木工程测量（电子教材）饶云刚杨剑制作普通高等院校土木工程专业新编系列教材中国土木工程学会教育工作委员会审定武汉理工大学出版社•测绘(量)学——研究地球的形状和大小以及确定地面(包括空中、地表、地下和海底)物体的空间位置，以及对于这些空间位置信息进行处理、储存、管理的科学。1.1土木工程测量学的任务•大地测量学——研究整个地球的形状和大小，解决大地区控制测量和地球重力场问题。常规大地测量和卫星大地测量。•测量学按照研究范围和对象的不同，产生了许多分支科学:•摄影测量学——利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置的工作，属于摄影测量学的范畴。1绪论•海洋测绘学——以海洋和陆地水域为对象所进行的测量和海图编制工作，属于海洋测绘学的范畴。•工程测量学——研究工程建设中所进行的各种测量工作，属于工程测量学的范畴。•制图学——利用测量所得的成果资料，研究如何投影编绘和制印各种地图的工作，属于制图学的范畴。•土木工程测量学的主要任务：⑴研究测绘地形图的理论和方法⑵研究在地形图上进行规划、设计的基本原理和方法⑶研究建(构)筑物施工放样、建筑质量检验的技术和方法⑷对大型建筑物的安全性进行位移和变形监测(1)地球表面1)表面极不规则的曲面，有高山、丘陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，•最高处——中国珠穆朗玛峰，8844.43m，2005年中国测得。最低处——马里亚纳海沟，-10911m，1995年日本探测艇海•沟号(Kaiko)测得。•地球表面形态十分复杂。2)海洋面积——71%，陆地面积——29%。1.2地球的形状和大小3)水准面•水准面——静止不动的水面延伸穿过陆地，包围整个地球，形成的封闭曲面。处处与铅垂线垂直的连续封闭曲面。•因高度可变，水准面不唯一。4)大地水准面•与平均海水面吻合的水准面。即静止的平均海水面向大陆延伸，形成的不规则的封闭曲面。•大地水准面是测量工作的基准面。5）大地体•大地水准面围成的形体叫大地体。(2)地球的物理特性•重力与铅垂线:①重力——地球质点受万有引力与离心力的合力。②铅垂线方向——重力方向。铅垂线是测量工作的基准线。(3)参考椭球1)大地水准面有微小起伏、不规则、很难用数学方程表示。2)将地表地形投影到大地水准面上计算非常困难。3)选择一个与大地水准面非常接近、能用数学方程表示的旋转椭球体代替大地体，——称为参考椭球体，参考椭球体面作为投影基准面。•大地原点——参考椭球面与大地水准面相切的点。我国大地原点在陕西省-泾阳县-永乐镇-石际寺村。•在大地原点处，铅垂线与法线重合。4)法线——由地表任一点向参考椭球面作垂线。5)参考椭球元素——椭圆的长、短半径a、b和扁率α，1222222bZaYaX6）参考椭球体扁率很小，一般工程测量中可以近似将地球当作圆球体，其半径为平均值(4)下表为几种著名地球椭球参数1.3测量常用的坐标系统•地面点的空间位置都与一定的坐标系统相对应。•在测量上常用的坐标系有大地坐标系、空间直角坐标系、高斯平面直角坐标系、平面独立直角坐标系等。地面点位常用三个量表示。1.3.1大地坐标系•以参考椭球体面为基准面。用大地经度L、大地纬度B、大地高H表示地面点的空间位置。基准线为法线。•经度自零子午面向东为正、向西为负。纬度自赤道向北为北纬，向南为南纬。椭球体面上的大地高为零，沿法线在椭球体面外为正，在椭球体面内为负。•地面点位也可用空间直角坐标(x,y,z)表示。如图，x轴；z轴；y轴。•空间直角坐标系与大地坐标可用公式转换。•我国常用的大地坐标系：（1）1954年北京坐标系1）参考椭球长半轴偏长，比地球总椭球的长半轴长了一百多米。2）椭球基准轴定向不明确。3）椭球面与我国境内的大地水准面不太吻合，东部高程异常可达+68m，西部新疆地区高程异常零。4）点位精度不高。•存在的问题：•与前苏联1942年普尔科沃坐标系联测，经苏联西伯尼亚从我国东北入境，大地原点在前苏联列宁格勒普尔科沃天文台中央。（2）1980国家大地坐标系•我国以陕西省-泾阳县-永乐镇-石际寺村大地原点建立的大地坐标系。（3）WGS-84坐标系•地心坐标系，世界大地坐标系，GPS测量结果。Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CPT方向，X轴指向BIH1984.0定义的本初子午面和CPT赤道的交点。•要将球面上的大地坐标按一定数学法则归算到平面上，即采用地图投影的理论绘制地形图，才能用于规划建设。•地图投影主要有等角投影。等角投影又称正形投影，它保证在椭球体面上的微分图形投影到平面后将保持相似。这是地形图的基本要求。•为了建立高斯平面直角坐标系，需通过高斯投影将地球表面物体化算到平面上。1.3.2高斯平面直角坐标系（1）高斯投影的概念：•分带•从首子午线起，每隔经度6°划分为一带(称统一6°带)，从西→东划分地球为60个投影带。•带号N从首子午线开始，用阿拉伯数字表示，编号为1~60带。每一带正中间的子午线称为中央子午线。•第一个6°带中央子午线的经度为3°•带号N与中央子午线经度L0的关系为：L0=6N－3•投影•将一个横椭圆柱套在地球椭球体上，见图1-6，椭球体中心O在椭圆柱中心轴上，椭球体南北极与椭圆柱相切，并使椭圆柱与某带（如20带）的中央子午线相切。•然后将该带（20带）椭球体面上的点、线按正形投影条件投影到椭圆柱上，再沿椭圆柱N、S点母线割开并展成平面，即成为高斯投影平面。•在高斯投影平面上：①中央子午线是直线，其长度不变形，离开中央子午线的其他子午线是弧形，凹向中央子午线。离开中央子午线越远，变形越大。②投影后赤道是一直线，并与中央子午线正交。③离开赤道的纬线是弧线，凸向赤道。（2）高斯平面直角坐标的建立：•如图，在每一带高斯投影面上，以赤道和中央子午线的交点为坐标原点O，中央子午线投影方向为x轴，北方向为正。赤道投影线为y轴，东方向为正。象限按顺时针排列。•每一带都按此方法建立高斯坐标系，地球椭球体面与高斯坐标系建立了一一对应的关系，如图。第20带高斯坐标（3）我国的高斯平面坐标•我国在赤道以北，同一投影带内x坐标均为正值，y坐标有正有负。•实际应用时，为使y值都为正，将纵坐标轴西移500km,并在y坐标前面冠以带号。如图，第20带，中央子午线以西P点：xp＇=4429757.075myp＇=-58269.593m•纵坐标轴西移500km后，P在20带中高斯直角坐标为：xp=4429757.075myp=20441730.407m•高斯直角坐标系纵坐标为x轴，横坐标为y轴；坐标象限为顺时针划分四个象限；角度起算是从x轴的北方向开始，顺时针计算。•这些定义都与数学中的定义不同。这样的做法是为了将数学上的三角和解析几何公式直接用到测量的计算上。x=Dcosαy=Dsinα（4）统一3°带高斯投影•高斯投影可将椭球面曲面上的点转换到平面，但高斯投影长度变形——离中央子午线越远，长度变形越大，这种变形将会影响测图和施工的精度。为对长度变形加以控制，测量中采用减小投影带宽的方法即采用3°带投影方法。•从东经1°30″起，每隔经度3°划分为一带(称统一3°带)，从西→东划分地球为120个投影带。•3°带高斯投影带号n与中央子午线经度L’0的关系为L0′=3n•3°坐标与6°坐标可以通过公式进行相互转换。3°带与6°带的关系•我国大陆经度范围——东经73°27′~东经135°09′。•6°带带号范围—13~23；•3°带带号范围—25~45•两种投影带的带号不重复。•根据y坐标前的带号也可以判断属于何种投影带。1.3.3独立平面直角坐标系•当测区的范围较小时，可以把测区球面当作水平面处理，直接在此平面上建立独立平面直角坐标系。坐标轴和原点根据需要可任意选择。1.3.4高程系统•地面点的高程是指地面点到某一高程基准面的垂直距离。•测量上常用的高程基准面有参考椭球体面和大地水准面。•大地高：以参考椭球体面为高程基准面。大地高是地面点沿法线到椭球体面的距离，用H大表示。•海拔高：以大地水准面为高程基准面。即地面点沿垂线到大地水准面的距离，也称为绝对高程(简称高程)，用H表示。•在局部地区特殊条件下，不需要和国家高程系统联系，可采用一个假设水准面为高程起算面。所得到的地面高程称为假设高程或相对高程。•地面两点的高程差称为高差，用h表示。A、B两点的高差为：•两点间的高差与高程起算面无关。BAABHHh•我国有两个国家高程系统•1956年黄海高程系1954年在青岛市观象山建立水准原点，采用青岛大港验潮站一号军用码头,1950年~1956年7年的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准,引测出水准原点的高程为72.289m。以该大地水准面为高程基准建立的高程系——1956年黄海高程系。•1985国家高程基准用青岛验潮站1953年~1977年25年的潮汐记录资料推算出的大地水准面为基准,引测出水准原点的高程为72.260m。以该大地水准面为高程基准建立的高程系——1985国家高程基准。•在水准原点，85高程基准大地水准面比56黄海系大地水准面高出0.029m。2005年10月9日发布的珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844.43m，属于1985国家高程基准。验潮站内的潮汐自动记录仪验潮站内的潮汐自动记录仪打开水准原点旱井盖水准原点旱井水准原点玛瑙石标志水准原点标牌精密水准测量观测水准原点的稳定性水准原点至1956年黄海高程系0海平面的高程θ)R(tanθΔDRθRtanθSDΔD223RDDD1.4用水平面代替水准面的限度33RR=6371km，将不同距离代入公式计算结果如下：•计算结果表明，半径10km圆内范围，用平面代替大地水准面距离误差为0.82m，相对误差1/120万，相当于精密测距的精度（1/100万）。•结论：半径10km圆内范围，用平面代替大地水准面其产生的投影误差可可以忽略不计。1/19万12.83251/30万6.57201/54万2.77151/120万0.8210----0.001ΔD/DΔD(cm)D(km)•从球面三角测量中可知(如图1-12)，球面上多边形内角之和比平面上多边形内角之和多一个球面超角ε。其值可用多边形面积求得：2RP1.4.2对水平角测量的影响•式中：P——球面多边形面积；R——地球半径；ρ——一弧度的秒值,ρ=206265″。•以不同面积代入，,可求出球面角超如下：P(km2)ε(″)100.05500.251000.513001.52•结论:测区面积100km2时，可用水平面代替水准面时，对角度影响最大仅为0.51″，所以球面角超可以忽略不计。2RPRShh22•结论：高程测量中应考虑地球曲率的影响，高程的起算面不能用切平面代替。S(m)1050100150200δh(mm)0.00.20.81.773.1•对不同的S产生的高程误差如下:1.4.3对高程的影响•用水平面代替水准面时,产生高差误差bb′=δh，δh称为地球曲率。hhhRDDRR2)(2222即1.5测量的基本工作和原则•测量的基本工作——测定和测设（角度、距离、高程）。•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。（1）测定——地物，地貌一定比例尺缩绘成地形图（地面到图纸）。•在测区布设控制点A、B、C、D、E、F，测出其坐标（x、y、H），已知点安置仪器，测量地物与地貌特征点坐标，特征点坐标按比例尺缩小展绘到图纸。•地物、地貌特征点——碎部点，测量碎部点坐标的方法与过程——碎部测量。（2)测设——将图纸设计的建构筑物放样到实地（图纸到地面）。•已设计出P、Q、R三幢建筑物，用极坐标法标定到实地，•在A点安置仪器，F点定向，拨角β1，在该方向上量距S1。•测定、测设在控制点上进行。测量基本仪器城市地形测量山区地形测量国界测量建筑施工测量隧道施工测量隧道施工测量桥梁施工测量