土木工程测量学课件

选课班级：鹿山学院任课教师：杨晓云E-mail：联系电话:日期：工程测量广西工学院土木与建筑工程系学习“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。学习的方法理论教学、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。学习的目的努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。本书主要章节及内容测量的基本内容地形测量建设工程测量距离测量与直线定向角度测量水准测量测量误差控制测量地图与地形图的测绘地图与地形图的应用民用建筑施工测量工业建筑施工测量建筑物的变形观测第1章绪论测量学基本概念：测绘学、测绘工程学及测量学的定义和研究内容,在国民经济建设中应用。地面点定位：定位技术过程（测绘、测设），定位元素,定位工作原则。坐标系统及高程系统：地球形状大小,用水平面替代水准面限度,坐标系统,高程系统。国家控制测量体系：国家控制网作用、布设方案。学习目标：1.1建筑工程测量的任务与作用一、什么是测量学测量学研究地球表面局部地区内测绘工作的基本理论、技术、方法及应用。也称为测绘学。测量获得地物及地貌信息绘图获得反映地物及地貌信息的地形图测绘学测绘中国三维地形图南宁市三维地图二、测量学的任务测定（测量）指使用测量仪器和工具，通过测量和计算，得到一系列测量数据，或把地球表面的地形缩绘成地形图。测设（放样）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。测量学大地测量学摄影测量学地图制图学工程测量学海洋测绘学地球形状与大小、坐标系、控制网用摄影技术获取地形信息地图投影、编制、印刷等工程建设中的测绘技术海洋及水体的测绘技术三、测量学的学科分支大地测量学（geodesy）研究地球的形状、大小和重力场，测定地面点几何位置和地球整体与局部运动的理论和技术的学科。椭球大地测量学大地测量学物理大地测量学卫星大地测量学动态大地测量学摄影测量学（photogrammetry）研究利用摄影或遥感的手段获取目标物的影像数据，从中提取几何的或物理的信息，并用图形、图像和数字形式表达测绘成果的学科。航空摄影测量学摄影测量学航天摄影测量学航空航天摄影测量学地面摄影测量学遥感影像工程测量学（engineeringsurveying）研究在工程建设和自然资源开发各个阶段进行测量工作的理论和技术的学科。地图制图学（cartography）研究模拟地图和数字地图的基础理论、地图设计、地图编制和复制的技术方法及其应用的学科。海洋测绘学（hydrography）研究以海洋水体和海底为对象所进行的测量和海图编制理论和方法的学科。房地产测绘是测绘与产籍管理业务相结合的专业测量。地理信息系统GIS(GeographicalInformationSystem)GIS是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。研制期：上世纪70年代～1994；组成：（1）GPS卫星星座；（2）地面监控系统；（3）用户设备。特点：全天候；高精度；自动化、高效益。应用：（1）大地测量、工程测量、航空摄影测量；（2）运载工具导航和管制；（3）地壳运动监测、工程变形监测；（4）资源勘察、地球动力学等。GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem）GPS全球定位系统（GlobalPositioningSystem）GPS全球定位系统的应用1999年，欧洲提出“伽利略计划”，准备投资36亿欧元，向高度为2.4万公里的太空发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。欧盟指出，该系统将主要服务于民用，提供误差不超过1米的精确定位服务，2008年完成。另外，美国的GPS只为自己（尤其是军方）提供高精度定位，对其他用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务（特别是在战时）。伽利略是完全提供给民用的，定位精度比美国提供的高，不会无故关闭服务。GAILILEO系统北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统构成有：地球静止轨道卫星、地面中心站、用户终端。北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”。“北斗”导航定位系统“北斗”导航定位系统四、测量学在土木工程建设中的地位测量是土木工程规划建设的重要依据。测量是土木工程勘察设计现代化的重要技术。测量是土木工程顺利施工的重要保证。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。1.2地面点位的确定地球的形状和大小：不规则曲面；平均半径6371km；珠峰8848.43m，马里亚那海沟11022m，海洋71%。1、水准面设想有一个自由平静的海水面，向陆地延伸而形成一个封闭的曲面，我们把就自由平静的海水面称为水准面。水准面是一个处处与重力方向垂直的连续曲面。一、定位的基准面2.大地水准面完整的水准面是被海水包围的封闭曲面。这样的水准面有无数个，其中最接近地球形状和大小的是通过平均海水面的那个水准面，这个唯一而确定的水准面叫大地水准面，也就是测量的基准面。大地水准面包围的地球形状，称为大地体。一、定位的基准面3.参考旋转椭球体面由于地球内部质量分布不均匀，导致地面上各点的重力方向即铅垂线方向产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。在测量上选用椭圆绕其短轴旋转而成的参考旋转椭球体面，作为测量计算的基准面，如右图所示。一、定位的基准面我国采用的椭球体元素（IUGG—75）：a＝6378140mb=6356752mf=1/298.257参考椭球体某一国家或地区为处理测量成果而采用与大地体的形状大小最接近，又适合本国或本地区要求的旋转椭球。二、地面点位的测量坐标系统主要的坐标系统包括：大地坐标系即地理坐标系，用大地经度，大地纬度表示。空间直角坐标系平面坐标系高斯直角坐标系工程独立直角坐标系1.大地地理坐标系GeodeticGeographicalReferenceSystemPHO地轴赤道SNBLP点坐标：(B，L，H）子午面子午线起始子午面大地经度赤道面大地纬度2.空间直角坐标系（SpatialRectangularCoordinatesystem）ZYXPZYXOSNP点坐标（X,Y,Z）起始子午面BHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2BeaNabae222222sin1,坐标转换公式说明：同一点的大地地理坐标与大地空间直角坐标间可互换。野外数据采掘2.高斯投影与高斯平面直角坐标系数据采集投影变换成果使用内业计算使用不便什么是地图投影？x=f1(j,l)y=f2(j,l)按照一定的数学法则，将地球表面上的元素转换到平面上，使地面点位的地理坐标与平面的平面直角坐标建立起一一对应的函数关系。①设想将一个椭圆柱横套在地球表面的外面，并与地球面上某一条子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭圆柱的轴通过椭球体中心。(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）中央子午线②以椭球中心为投影中心，将中央子午线两侧一定经差范围内的图形正形投影到圆柱面上，再顺着过南、北极的圆柱母线将柱面剪开，展成平面，这个平面就是高斯投影平面。经差为3°或6°(1)高斯投影（等角横切圆柱投影）NSc赤道高斯投影平面赤道中央子午线投影带：规定以经差6º、3°、1.5°或更小的经差为准来限定高斯投影的范围，每一投影范围叫一个投影带。分带投影的目的是为了限制投影变形，如长度变形较为严重。高斯投影的相关概念6º带是从0º子午线算起，以经度每隔6º为一带，将整个地球划分成60个投影带，并用阿拉伯数字1，2…60顺次编号，叫做高斯6º投影带(简称6º带)。高斯投影6°带中央子午线经度L0与投影带号Ne之间的关系式为：L0=Ne×6°－3°高斯投影带的相关概念3°带是从1.5º子午线算起，以经度每隔3º为一带，将整个地球划分成120个投影带，其中央子午线经度L0与投影带号Ne的关系为L=Ne×3°。高斯投影带的相关概念解：据题意，其高斯投影6°带的带号为：Ｎe=INT（116º24′/6+1）=20(INT—取整数）中央子午线经度为：L0=20×6º－3º=117°例：某城市中心的经度为116°24′，求其所在高斯投影6°带的中央子午线经度L0和投影带号Ne。中央子午线投影后为直线，且长度不变；赤道投影后为直线，且长度改变。长度不变长度改变xyo(2)高斯投影的特点其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午线为对称轴，投影后长度改变；其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴，投影后长度改变。xyo长度改变长度改变(2)高斯投影的特点xyo离中央子午线愈远，长度变形愈大。子午线1子午线2(2)高斯投影的特点采用分带投影后，由于每—投影带的中央子午线和赤道的投影为两正交直线，故可取两正交直线的交点为坐标原点。中央子午线的投影线为坐标纵轴X轴，向北为正；赤道投影线为坐标横轴Y轴，向东为正，这就是全国统一的高斯平面直角坐标系。(3)高斯平面直角坐标系在我国x坐标都是正的，y坐标的最大值（赤道上）约为330km，为了避免出现负的横坐标值，可在横坐标上加500000m。此外还应在坐标前面冠以带号。例如某点Y=19123456.789m，该点位于19带，其相对于中央子午线的横坐标：先去带号19，再减去500000m，最后得y=-376543.211m,该点在西侧。(3)高斯平面直角坐标系当测量的范围较小时，可以把该测区的球面当作平面看待，直接将地面点沿铅垂线投影到水平面上，用平面直角坐标来表示它的投影位置。3.平面坐标系（HorizontalCoordinateSystem）(1)独立平面直角坐标系测量上选用的平面直角坐标系，规定纵坐标轴为X轴，表示南北方向，向北为正；横坐标轴为Y轴，表示东西方向，向东为正；坐标原点可假定，也可选在测区的已知点上。象限按顺时针方向编号。独立平面直角坐标系的建立xyOCP测区中心点YXP′C′H（X,Y,H）(2)施工坐标系（ConstrcutionCoordinateSystem）xyO桥轴线方向(3)极坐标系(Polarcoordinatesystem)测绘工作中，常在局部范围内使用极坐标，O为极点，OX为极轴，ρ为矢径，β为极角。使用极坐标的优点是解算两点之间的相互关系时较为简便。XOPβρ测量学直角坐标系与数学直角坐标系异同yxⅠⅢⅡⅣ（a）数学平面直角坐标系oPxyⅠⅢⅣⅡ（b）测量平面直角坐标系oP三、地面点的高程（高程系统）1.高程系统的概念正高系统：以大地水准面为基准面的高程系统；正高表示地面点沿该点的重力线到大地水准面的距离。正高绝对高程或海拔，简称高程。2.绝对高程和相对高程绝对高程：地面任一点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。相对高程：地面点沿铅垂线至假定水准面的距离。高差：地面上两点之间的高程之差。ABABABHHHHh3.国家高程基准1956年黄海高程系水准原点起算高程：72.289m。1985国家高程基准水准原点起算高程：72.260m。国家水准原点（山东青岛）72.260m1985年国家高程基准采用青岛验潮站1952～1979年潮汐观测资料计算的平均海水面为国家高程起算面。地球曲率对水平距离的影响2231Rsss1.3水平面代替水准面