工程测量讲义.ppt

现代测绘科学技术基础 培训教材,第7章 工程测量,2010年4月14日 杭州,7.1 工程测量的现状与发展趋势,随着传统测绘技术到数字化测绘技术和信息化测绘技术的发展，工程测量的服务面不断拓宽，与其他学科的互相渗透和交叉不断加强，新技术、新理论的引进和应用更加深入。因此今后工程测量总的发展趋势为：测量数据采集和处理向一体化、实时化、数字化方向发展；测量仪器和技术向精密、自动化、智能化、信息化方向发展；工程测量产品向多样化、网络化、社会化方向发展。具体表现在以下几个方面：,7.1.1 大比例尺工程测（成）图数字化,大比例尺地形图和工程图的测绘是工程测量的重要内容和任务。 国内外大比例尺成图数字化系统技术已逐渐成熟和完善。 野外数据采集、处理到绘图的数字化系统的发展： 20世纪80年代初瑞士wild厂的geomap整体式测图系统为早期代表 整个系统形成了一个数据流，而且是双向的，包括全站型仪器处理机和数控绘图桌。 另一种是geocomp机助测量系统，一个组合式的系统 功能包括机助测量和工程软件两部分 国内大比例尺工程测图数字化在近几年内得到了迅速的发展，已经推出了多种商业化数字测（成）图软件系统： 利用袖珍计算机、掌上计算机和便携机及全站仪进行数据采集和成图处理，适合中国国情，为数字化测图作出了贡献 常用软件：浙大数维公司的 walksurvey、清华山维的 epsw、南方公司的cass、武汉瑞得的read系列等等,7.1.2 工业测量系统的最新进展,1） 经纬仪测量系统 经纬仪测量系统（mts）是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统. 如leica在1995年前推出的mancat系统和ecds3系统，最多可接8台电子经纬仪，现在波音和麦道飞机制造公司及其合作伙伴（如中国沈飞、上飞、西飞等）还在使用mancat系统。 经纬仪测量系统的硬件设备主要由高精度的电子经纬仪t2000t3000与tps5000系列（也可联结kern的e2e20电子经纬仪）、基准尺、接口和联机电缆及微机等组成。采用手动照准目标、经纬仪自动读数、逐点观测的方法。mts在几米到十几米的测量范围内的精度可达到0.020.05mm。,2） 全站仪极坐标测量系统 全站仪极坐标测量系统是由一台高精度的测角、测距全站仪构成的单台仪器三维坐标测量系统（sts）. 例如leica 1995年前所推出的商业化系统为pcmsplus，其全站仪采用tc2002，测角精度为0.5，测距标称精度为1mm1ppm。tc2002在近距离测距时，可用无棱镜作业，软件处理时顾及标志厚度。 极坐标测量系统的发展方向自动极坐标测量系统。 自动极坐标测量系统（aps）由一台tm3000d马达驱动电子经纬仪和一台leica测距仪构成。aps的照准和观测完全自动化，特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变形监测。 最新的aps-win系统采用tm1800马达经纬仪或tca1800tca2003tca5005自动跟踪全站仪 tca1800全站仪采用了所谓的自动目标识别（atr）技术，能自动瞄准棱镜进行测量 基本原理：atr与望远镜同轴安装，并向目标发射激光束，返回的激光束被仪器中的ccd相机捕获从而计算出反射光点中心的位置，并化算为水平角和垂直角改正数，最后驱动马达步进到棱镜的中心位置。,3） 激光跟踪测量系统 激光跟踪测量系统（lts）代表产品为smart 310 smart 310激光跟踪测量系统可全自动地跟踪反射装置，只要能让反射装置在被测物的表面移动，就可实现该表面的快速数字化。 特点：干涉测量的速度极快（每秒最多到500次读数），其坐标重复测量精度高（达到5ppm）， 特别适用于动态目标的监测，如机器人的检校等。 smart 310的测量原理极坐标法，测量硬件为一台激光跟踪仪（laser tracker），它的测量头的设计与经纬仪类似，也有横轴和竖轴，并用码盘分别测量水平角和垂直角。斜距通过激光干涉测量法获得，由于干涉测量只能获得相对距离，因此绝对距离需要从某一距离已知的点上起算。 最新的激光跟踪测量系统为axyz-ltm，它的硬件为lt500ltd500激光跟踪仪，其测量速度比smart 310快一倍，而ltd500为带绝对测距仪的激光跟踪仪，在测量信号遮挡后，绝对测距仪能及时测出绝对距离，保证跟踪仪能继续测量，因此工作速度更快，可用于放样和检测。,4） 数字摄影测量系统 美国大地测量服务公司（gsl）生产的v-stars是数字摄影测量系统的典型产品。它是采用数字近景摄影测量原理，通过2台高分辨率的柯达数字相机对被测物同时拍摄，得到物体的数字影像，经计算机图像处理后得到精确的x、y、z坐标。v-stars系统为了保证最佳的图像量测精度和效果，其被测点的标志比较讲究，采用特制的回光反射标志rrt（retro reflective target）。在拍摄图像时采用多姿态和不同角度以消除镜头的崎变差，数字相片的相对定向和绝对定向采用专用磁性定向标志和标准尺放在物方空间，同时被拍摄到图像中。相对定向由鼠标控制完成，而影像匹配则由计算机自动完成。v-stars特别适合于动态物体的快速坐标测量，其操作方便，对现场环境无任何要求，尤其在有毒、有害的环境下是其他工业测量系统所无法比拟的。在近距离范围内它的测量精度达到了0.10.03mm。 数字摄影测量的最新进展：采用高分辨率的数字相机来提高测量精度，另外，利用条码测量标志可以实现控制点编号的自动识别，采用专用纹理投影设备可以代替物体表面的标志设置，这些最新的技术正在使数字摄影测量朝完全自动化的方向发展。,“自动寻标全站仪”新型电子速测系统geodimeter4000系列 由一台geodimeter4000和智能反射器rpu （remote positioning unit）组成。操作时只需一个携带反射器到待测设的点上，由rpu发射一个信号，则速测仪接收后自动启动并搜索rpu，寻到后自动照准并显示方向、距离、竖角、平距及三维坐标，观测员利用rpu键盘和显示器检查测量过程。 自动测量和控制系统由gps和智能全站仪构成 实现了施工开挖和掘进的自动化。 顶管自动引导测量系统多台tca1800自动目标照准全站仪构成 在上海市的地下顶管施工中发挥了巨大的作用。系统利用4台tca1800全站仪，在计算机的控制下按自动导线测量方式，实时测出机头的位置并与设计坐标进行比较，从而在不影响顶管施工的情况下实时引导机头走向正确的位置。,7.1.3 施工测量自动化和智能化的进展,7.1.4 工程测量仪器和专用仪器向自动化发展,（1）精密角度测量仪器用光电测角代替光学测角。 光电测角能够实现数据的自动获取、改正、显示、存储和传输，测角精度与光学仪器相当并有超过。如t2000、t3000电子经纬仪采用动态测量原理，测角精度达到0.5。马达驱动的电子经纬仪和目标识别功能实现了目标的自动照准 （2）精密工程安装、放样仪器全站式电子测速仪发展最为迅速。 全站仪不仅具有测角和电子测距的功能，而且具有自动记录、存储和运算能力，有很高的作业效率。最新的全能型全站仪，软件丰富，可实现地面控制测量、施工放样和大比例尺测图等一体，还推出了汉化菜单 （3）精密距离测量仪器精度与自动化程度愈来愈高。 干涉法测距精度很高，如，欧洲核子中心（cern）在美国hp5526a激光干涉仪上，设计有伺服回路控制的自准直反射器系统，施测60m以内距离误差小于0.01mm；瑞士与英国联合生产的me5000电磁波测距仪，采用he-ne红色激光束，单镜测程达5km，精度为0.2mm(0.10.2ppm),（4）高精度定向仪器陀螺经纬仪自动化观测进展明显。 采用电子计时法，定向精度从20提高到4。新型陀螺经纬仪由微处理器控制，可以自动观测陀螺连续摆，并能补偿外部干扰，因此时间短精度高，例如德国dmt生产的gyromat 2000陀螺经纬仪只需9min观测就能获得3的精度。目前陀螺经纬仪正向激光陀螺定向发展。 （5）精密高程测量仪器数字水准仪实现高程测量的自动化。 如，leica dna03和topcon dl101数字式水准仪和条码水准标尺，测量精度达到每公里往返测量标准差0.3mm，测量速度比常规水准测量快30；德国ren002a记录式精密补偿器水准仪和telamat激光扫平仪实现了水准测量自动安平、自动测记、自动检核，为高程测量和放样提供了极大的方便。 （6）工程测量专用仪器用于应变测量、准直测量和倾斜测量等专用仪器。 如欧洲核子中心的distinvar是精密机械法测距装置，精度达0.05mm；激光干涉仪测量精度达10-7以上，可用于直接变形测量，还可检核其他仪器。 用于地面或高大建筑物倾斜测量的倾斜仪，一类是根据“长基线”做成的静力水准仪，精度高达0.001，如国产的fsq；另一类采用垂直摆或水平气泡作为参考线，通过机械法或电学法测量倾斜，精度为0.01。遥测倾斜仪主要用于监测滑坡、地面沉陷、地壳形变等方面。波带板激光准直系统的精度在大气中为10-310-4，在真空中为10-7以上。它已成功地用于精密的轨道安装和加速器磁块的定位、大坝变形观测等，例如北京正负电子对撞机工程的直线加速器的安装。,7.1.5 特种精密工程测量的发展,特种精密工程测量的目的为保证各种大型建设工程顺利进行。 特种精密工程测量的特点把现代大地测量学和计量学结合起来，使用精密测量和计量仪器，在超出计量的条件下，获得10-6以上的相对精度。 大型精密工程，不仅结构复杂而且对测量精度有很高要求： 例如，研究基本粒子结构和性质的高能粒子加速器工程，要求安装两相邻电磁铁的相对径向误差不超过（0.10.2）mm，在直线加速器中漂移管的横向精度为0.050.3mm。 紧缩场工程的检校测量精度为0.02mm。 精密工程测量方法：选择最优布网方案，埋设最稳定标志，研制专用测量仪器，采用合理的测量方法，进行数据处理和建立数据库等。,7.1.6 工程测量数据处理自动化和数据库,随着测量仪器的发展，一方面由于仪器精度的提高，使许多一般性的工程测量问题变得简单；而另一方面又因所获得的信息量很大，对数据动态处理和解释的要求提高，从而对结果的可靠性和精度要求也大大提高。特别是大型建筑和工业设备的施工、安装、检校、质量控制以及变形测量等，要求工程测量工作者除了具有丰富的经验外，还应在测量技术方案设计、仪器方法选择等方面，与相邻学科如地球物理、工程地质和水文地质人员密切合作，在研究和制定恰当的数据处理方法及计算机软件等方面，应具有丰富的专业知识和独立的工作能力。随着计算机技术的发展，工测数据处理正在逐步走向自动化。主要表现在对各种控制网的整体平差、控制网的最优化设计和变形观测的数据处理和分析等方面。 随着工程测量数据采集和数据处理的逐步自动化、数字化，测量工作者如何更好地使用和管理大量的工程测量信息，其最有效和最好的方法是建立工程测量数据库，或与gis技术结合建立各种工程信息系统。目前许多工程测量部门已经建立了各种用途的数据库和信息系统，如控制测量数据库、地下管网数据库、道路数据库、营房数据库、土地资源信息系统、城市基础地理信息系统、军事工程信息系统等，为管理部门进行信息、数据检索与使用管理的科学化、实时化和现代化创造了条件。,7.1.7 工程摄影测量和遥感技术的广泛应用,工程摄影测量是用量测机或非量测机对目标摄影，解析出空间坐标，它是通过直接线性变换法，不必进行常规的像片内、外方位定向而获得的。根据这些点位的空间坐标，绘画出目标的等值线图及其状态。它的应用范围非常广泛，可应用于文物、考古、园林、环境保护、医学等。 近景摄影测量趋势，重点是发展非量测摄影机，因其使用方便，价钱便宜。量测摄影机则向全能自动化方向发展。 实时摄影测量是利用面阵列摄影机直接数字化影像，通过模数转换器和数字图像处理器的一种数字摄影测量技术。将它应用于近景摄影测量有独特优点：图像稳定性强、处理周期短、获取物方空间坐标快、价格便宜。在制造工业、医学、天文学和机器人中获得广泛应用。其主要设备为： （1） 固态摄影机或电视摄像机12台。 （2） 模数转换器。 （3） 数学图像处理器。 （4） 控制计算机。 （5） 输出设备如监视器、打印机和绘图机等。,实时摄影测量系统的工作过程为：图像获取、图像处理和摄影测量处理。,7.1.8 gps在工程测量中的应用,gps定位技术是近代迅速发展起来的卫星定位新技术，在国内外获得了日益广泛的应用。用gps进行工程测量有许多优点：精度高，作业时间短，不受时间、气候条件和两点间通视的限制，可在统一坐标系中提供三维坐标信息等，因此在工程测量中有着极广的应用前景。如在城市控制网、工程控制网的建立与改造中已普遍地应用gps技术，在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地壳形变监测等也已广泛地使用gps技术。 随着差分gps技术（dgps）和实时动态gps技术（rtk）的发展，出现了gps全站仪的概念。它可以利用gps进行施工放样和碎部点测量，在动态测量中有着极为广泛的应用，从而进一步拓宽了gps在工程测量的应用前景。gps与其他传感器（如ccd相机）或测量系统的组合解决了定位、测量和通信的一体化问题，国外已成功地应用于快速地形测绘。高精度gps实时动态监测系统实现了大坝变形监测的全天候、高频率、高精度和自动化，是大坝外部变形观测的一个发展方向。,7.2 工程测量基础,7.2.1.1 概述 控制测量分为平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量确定控制点的平面坐标，高程控制测量确定控制点的高程。在传统测量工作中，平面控制网与高程控制网通常分别单独布设。目前，有时候也将两种控制网合起来布设成三维控制网。控制测量起到控制全局和限制误差积累的作用，为各项具体测量工作和科学研究提供依据。,7.2.1 控制测量,7.2.1.2 平面控制测量,在传统测量工作中，平面控制通常采用导线测量和交会测量等常规方法建立。必要时，还要进行天文测量。目前，全球定位系统gps已成为建立平面控制网的主要方法。 1） 导线测量 将控制点用直线连接起来形成折线，称为导线，这些控制点称为导线点，点间的折线边称为导线边，相邻导线边之间的夹角称为转折角（又称导线折角，导线角）。另外，与坐标方位角已知的导线边（称为定向边）相连接的转折角，称为连接角（又称定向角）。通过观测导线边的边长和转折角，根据起算数据经计算而获得的导线点的平面坐标，即为导线测量。导线测量布设简单、每点仅需与前、后两点通视，选点方便，特别是在隐蔽地区和建筑物多而通视困难的城市，应用起来方便灵活。,2） 交会测量,交会测量是加密控制点常用的方法，它可以在数个已知控制点上设站，分别向待定点观测方向或距离，也可以在待定点上设站向数个已知控制点观测方向或距离，而后计算待定点的坐标。常用的交会测量方法有前方交会、后方交会、测边交会和自由设站。 （1）前方交会。前方交会即在已知控制点上设站观测水平角，根据已知点坐标和观测角值，计算待定点坐标的一种控制测量方法。 （2）后方交会。仅在待定点设站，向三个已知控制点观测两个水平夹角、，从而计算待定点的坐标，称为后方交会。 （3）测边交会。交会测量中，除了观测水平角外，也可测量边长交会定点，通常采用三边交会法。 （4）自由设站。自由设站就是在待定控制点上设站，向多个已知控制点观测方向和距离，并按间接平差方法计算待定点坐标的一种控制测量方法。间接平差以待定点的坐标平差值作为未知参数，根据方向观测值和边长观测值建立方向误差方程式和边长误差方程式，然后按最小二乘原理计算待定点坐标平差值。,7.2.1.3 高程控制测量,高程控制主要通过水准测量方法建立，而在地形起伏大、直接利用水准测量较困难的地区建立低精度的高程控制网，以及图根高程控制网，可采用三角高程测量方法建立。 在全国范围内采用水准测量方法建立的高程控制网，称为国家水准网。国家水准网遵循从整体到局部、由高级到低级、逐级控制、逐级加密的原则分四个等级布设，各等级水准网一般要求自身构成闭合环线或闭合于高一级水准路线上构成环形。国家一、二等水准网采用精密水准测量建立，是研究地球形状和大小、海洋平均海水面变化的重要资料，同时根据重复测量的结果，可以研究地壳的垂直形变规律，是地震预报的重要数据。国家三、四等水准网直接为地形测图和工程建设提供高程控制点。 在国家水准测量的基础上，城市高程控制测量分为二、三、四等，根据城市范围的大小，城市首级高程控制网可布设成二等或三等水准网，用三等或四等水准网作进一步加密，在四等以下再布设直接为测绘大比例尺地形图用的图根水准网。城市各等级水准测量的主要技术要求如表7-2-1所示。 在小区域范围内建立高程控制网，应根据测区面积大小和工程要求，采用分级建立的方法。一般情况下，是以国家或城市等级水准点为基础，在整个测区建立三、四等水准网或水准路线，用图根水准测量或三角高程测量测定图根点的高程。,表7-2-1 城市各等级水准测量主要技术要求,注：表中r为测段长度，单位为km；l为附合路线或环线的长度，单位为km。,7.2.1.4 控制测量的一般作业步骤,控制测量作业包括技术设计、实地选点、标石埋设、观测和平差计算等主要步骤。在常规的高等级平面控制测量中，当某些方向受到地形条件限制不能使相邻控制点间直接通视时，需要在控制点上建造测标。采用gps定位技术建立平面控制网，由于不要求相邻控制点间通视，因此不需要建立测标。 控制测量作业应遵循的测量规范有国家三角测量和精密导线测量规范、国家一、二等水准测量规范、国家三、四等水准测量规范、城市测量规范、工程测量规范以及全球定位系统（gps）测量规范等。,7.2.2 地形测量,7.2.2.1 碎部测图方法 碎部测量就是以控制点为基础，测定地物、地貌的平面位置和高程，并将其绘制成地形图的测量工作。碎部测量的实质就是测绘地物和地貌碎部点的平面位置和高程。碎部测量工作包括两个过程：一是测定碎部点的平面位置和高程，二是利用地图符号在图上绘制各种地物和地貌。 地面数字测图是指对利用全站仪、gps接收机等仪器采集的数据及其编码，通过计算机图形处理而自动绘制地形图的方法。地面数字测图基本硬件包括：全站仪或gps接收机、计算机和绘图仪等。软件基本功能主要有：野外数据的输入和处理、图形文件生成、等高线自动生成、图形编辑与注记和地形图自动绘制。,7.2.2.2 地物测绘,1） 地物测绘的一般原则 地物即地球表面自然和人造的固定物体，它与地貌一起总称地形。 地物在地形图上表示的原则是：凡能按比例尺表示的地物，则将它们的水平投影位置的几何形状依照比例尺描绘在地形图上，如房屋、双线河等，或将其边界位置按比例尺表示在图上，边界内绘上相应的符号，如果园、森林、耕地等；不能按比例尺表示的地物，在地形图上是用相应的地物符号表示在地物的中心位置上，如水塔、烟囱等；凡是长度能按比例尺表示，而宽度不能按比例尺表示的地物，则其长度按比例尺表示，宽度以相应符号表示。 地物测绘必须根据规定的比例尺，按规范和图式的要求，进行综合取舍，将各种地物表示在地形图上。 地物的类别、形状、大小及其在图上的位置，是用地物符号表示的。根据地物的大小及描绘方法不同，地物符号可被分为：比例符号、非比例符号、半比例符号及地物注记。,2） 地物测绘的方法 （1） 居民地测绘。居民地是人类居住和进行各种活动的中心场所，一项重要内容。 （2）独立地物测绘。独立地物是判定方位、确定位置、指定目标的重要标志，必须准确测绘并按规定的符号正确予以表示。 （3）道路测绘。道路包括铁路、公路及其他道路。 （4）管线与垣栅测绘。永久性的电力线、通信线的电杆、铁塔位置应实测。 （5）水系的测绘。水系测绘时，海岸、河流、溪流、湖泊、水库、池塘、沟渠、泉、井以及各种水工设施均应实测。 （6）植被与土质测绘。植被测绘时，对于各种树林、苗圃、灌木林丛、散树、独立树、行树、竹林、经济林等，要测定其边界。若边界与道路、河流、栏栅等重合时，则可不绘出地类界，但与境界、高压线等重合时，地类界应移位表示。 地形图上要测绘沼泽地、沙地、岩石地、龟裂地、盐碱地等。,7.2.2.3 地貌测绘,地貌是地球表面上高低起伏的总称，是地形图上最主要的要素之一。在地形图上，表示地貌的方法很多，目前常用的是等高线法。对于等高线不能表示或不能单独表示的地貌，通常配以地貌符号和地貌注记来表示。,7.2.3 施工测量,在施工过程中进行的一系列测量工作称为施工测量。施工测量的目的是把设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程，按设计要求以一定的精度测设在地面上，作为施工的依据，以衔接和指导各工序间的施工。施工测量的过程与地形测量相反。 施工测量的内容主要包括： 施工控制网的建立，建筑物主要轴线的测设，建筑物的细部测设（如基础模板的测设、构件与设备的安装测量等），工程竣工测量，施工过程中以及工程竣工后的建筑物变形监测。总之，施工测量贯穿于工程建设的全过程。,1） 施工测量的特点 一般来说，施工测量的精度比测绘地形图的精度要求高，而且根据建筑物或构筑物的重要性、结构及施工方法等不同，对施工测量的精度要求也有所不同。通常，工业建筑的测设精度高于民用建筑，钢结构建筑物的测设精度高于钢筋混凝土结构的建筑物，装配式建筑物的测设精度应高于非装配式建筑物，高层建筑物测设精度应高于低层建筑物。 由于施工测量贯穿于施工的全过程，施工测量工作直接影响工程的质量及施工进度，所以，测量人员必须熟悉有关图纸，了解设计内容、性质及对测量工作的要求，了解施工的全过程，密切配合施工进度进行测设工作。另外，建筑施工现场多为立体交叉作业，且有；大量的重型动力机械，这对施工控制点的稳定和施工测量工作带来一定的影响。因此，测量标志的埋设应特别稳固，并要妥善保护，经常检查，对已发生位移或遭到破坏的控制点应及时重测和恢复。,2） 施工测量的原则 施工现场往往有各种建筑物、构筑物，且分布较广，又不是同时开工兴建。为了保证各建筑物、构筑物的平面和高程位置都符合设计要求，互相连成统一的整体，施工测量与测绘地形图一样，也要遵循“从整体到局部，先控制后碎部”的原则，即先在施工场地建立统一的平面控制网和高程控制网，然后以此为基础，测设出各个建筑物和构筑物的位置。施工测量的检核工作也很重要，必须采用各种不同的方法加强外业和内业的检核工作。 在此应特别提出的是，施工测量不同于地形测量，在施工测量中出现的任何差错都有可能造成严重的质量事故和巨大的经挤损失；因此，测量人员应严格执行质量管理规程，仔细复核放样数据，力争将错误降到最低。,7.3 常用仪器,7.3.1 水准仪 1） 水准仪的基本部件 水准仪是用于水准测量的仪器，目前我国水准仪是按仪器所能达到的每千米往返测高差中数的偶然中误差这一精度指标划分，共分四个等级，见表7-3-1。 表中“d”和“s”是“大地”和“水准仪”汉语拼音的第一个字母，通常在书写时可省略字母“d”，“05”、“1”、“3”及“10”等数字表示该类仪器的精度。s3级和s10级水准仪称为普通水准仪，用于国家三、四等水准及普通水准测量，s05级和s1级水准仪称为精密水准仪，用于国家一、二等精密水准测量。,表7-3-1 水准仪系列的分级及主要用途,2） 带有光学测微器装置的水准仪 精确的水平视线不可能恰好对准水准标尺上的分划线，光学测微器可以精确地测定小于分划线间格值的零数。如徕卡公司生产的n3微倾式精密水准仪，其每km往返测高差中数的中误差为0.3mm。北京测绘仪器厂生产的s1级水准仪，转动测微螺旋可使水平视线在5mm范围内平移，测微器分划尺最小格值为0.05mm，s1级水准仪配套使用刻有5mm分划的因瓦水准标尺。,3） 自动安平水准仪 用水准仪进行水准测量的特点是：根据水准管的气泡居中而获得水平视线。因此，在水准尺上每次读数都要用微倾螺旋将水准管气泡调至居中位置，这对于提高水准测量的速度和精度是很大的障碍。自动安平水准仪上没有水准管和微倾螺旋，使用时只需将水准仪上的圆水准器的气泡居中，在十字丝交点上读得的便是视线水平时应该得到的读数。因此，使用这种自动安平水准仪可以大大缩短水准测量的工作时间。同时由于水准仪整置不当、地面有微小的震动或脚架的不规则下沉等造成的视线不水平，可以由补偿器迅速调整而得到正确的读数。,4） 电子水准仪 电子水准仪具有光学水准仪无可比拟的优点，与光学水准仪相比，它具有速度快、精度高、自动读数、使用方便、能减轻作业劳动强度、可自动记录存储测量数据、易于实现水准测量内外业一体化的优点。 电子水准仪区别于水准管水准仪和补偿器水准仪（自动安平水准仪）的主要不同点，是在望远镜中安置了一个由光敏二极管构成的线阵探测器，仪器采用数字图像识别处理系统，并配用条码水准标尺。水准尺的分划用条纹编码代替厘米间隔的米制长度分划。线阵探测器将水准尺上的条码图像用电信号传送给信息处理机。信息经处理后即可求得水平视线的水准尺读数和视距值。因此，电子水准仪将原有的用人眼观测读数彻底改变为由光电设备自动探测水平视准轴的水准尺读数。 目前电子水准仪采用的自动电子读数方法有以下三种：相关法，如leica公司的na2002，na3003的电子水准仪；几何法，如蔡司厂的dini10，dini20；相位法，如拓普康公司的dl-101c，dl-102c。,7.3.2 全站仪,1） 全站仪 全站仪是全站型电子速测仪的简称，它集电子经纬仪、光电测距仪和微处理器于一体。全站仪的外形和电子经纬仪相类似。南方测绘仪器公司生产的nts-355全站仪，测角精度为5s，测距精度为2mm2ppmd （d为所测距离）。在实际测量中，多数情况下需要角度和距离观测值，因此全站仪得到了广泛应用。全站仪的基本功能是在仪器照准目标后，通过微处理器的控制，能自动完成测距、水平方向和天顶距读数、观测数据的显示、存储等。 全站仪观测数据的记录，随仪器的结构不同有三种方式： （1） 通过电缆，将仪器的数据传输接口和外接的记录器连接起来，数据直接存储在外接的记录器中。 （2） 仪器内部有一个大容量的内存，用于记录数据。 （3） 采用插入数据记录卡。 外接的记录器又称为电子手簿，实际生产中常用掌上电脑作为电子手簿。全站仪和电子手簿的数据通信，通过专用电缆以及设定数据传送条件来实现。 全站仪除基本功能外，还有其他一些功能，但不同型号的仪器差别很大。有些全站仪可进行自由设站，计算测站点的坐标，进行支导线测量和计算，测站定向和极坐标测量及坐标点的放样；还可进行对边测量、悬高测量以及面积测量及计算等。这里仅讲述对边测量和悬高测量的计算公式。,2） 自动全站仪 自动全站仪是一种能自动辨识、照准和跟踪目标的一种全站仪，又称为测量机器人。自动全站仪由伺服马达驱动照准部和望远镜的转动和定位，在望远镜中有同轴自动识别装置，能自动照准棱镜进行测量。它的基本原理是：仪器向目标发射激光束，经反射棱镜返回，并被仪器中的ccd相机接收，从而计算出反射光点中心位置，得到水平方向和天顶距的改正数，最后启动马达，驱动全站仪转向棱镜，自动精确照准目标。为提高观测速度，望远镜基本照准棱镜后，计算出相对于精确照准棱镜的水平方向和天顶距的改正数，进行改正后，给出正确读数。,3） 空间测站仪 空间测站仪是一款先进的测量仪器，有机结合了光学测量技术、图像获取技术以及三维激光扫描技术。能够提供2d、3d测绘成果。空间测站仪具备高端自动跟踪全站仪的功能，包括磁驱技术（magdrive）、防抖照准技术（surepoint）、多目标跟踪技术（multitrack），增加了视频采集器以及激光扫描部件。与传统全站仪不同的是，它不仅可以在实时视频上选择待测点进行测量，更可以对被测物体进行三维扫描以获取3d信息。这种方式大大提高了测量密度，改善了测量结果可视化程度，点云结合视频使内业人员充分理解外业现场测量状况，大大降低外业内业对于被测物属性特征的描述工作，减少了外业时间，提高工作准确度、精确性。可以在三维建模、工业测量、工程监测等领域发挥重要作用。 （1） 三维建模方面。目前对于大型建筑、构筑需要建立三维模型，对于城市地图制作而言，也逐渐向三维发展，因此需要进行大量的三维数据采集，该设备将精密的常规测量技术和传感器技术结合起来，速度快，效率高，能够在很大程度上满足各类三维建模的需要。 （2） 工业测量方面。在工业测量中，经常需要进行无接触测量，人无法达到被测目标，因此该设备的自动扫描功能可进行工业部件的测量，通过三维激光扫描功能，进行工业设备的检测。 （3） 工程监测方面。在大型工程的监测，如滑坡、采矿等危险区域，人不能到达的地方，可以用该设备进行自动扫描和跟踪，通过获取的点云数据进行分析，进行安全预报。,7.3.3 gnss接收机,gnss接收机即为全球导航卫星系统接收机，用于接收导航卫星信号，从而测量获得地面点的空间位置、三维运动速度并精确授时的专用仪器。由于目前建成或在建的全球导航卫星系统包括gps系统、glonass系统、galileo系统以及我国的北斗系统，因而gnss接收机可以根据所接收卫星所属系统分为以上几类。 此外，gnss接收机还有如下分类方法： 按用途可以分为： 导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。 测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量，定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵。 授时型接收机这类接收机主要利用导航定位卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中的时间同步。 下面以gps接收机为例说明gnss接收机的一般组成。gps接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。,7.3.4 其他仪器,1） 手持式激光测距仪 手持式激光测距仪由于其体积小、重量轻等特点得到广泛应用，实际上正在逐步替代传统的钢尺。 2） 激光扫平仪 激光扫平仪能够提供一个水平或垂直的基准面，通过目视或带光敏探测器的标尺在一定范围内测设一水平或垂直平面。激光扫平仪在建筑施工中的场地平整、设备安装、室内装修等领域有广泛的应用，替代水准仪进行人工超平。 3） 投点仪 高层建筑施工、竖井传递等测量和精密对点工作中，离不开控制点上下传递工作。投点仪是用于垂直投点的仪器，它通过自动安平方式提供一条高精度铅垂线。按投点方式不同，分为天顶式投点仪、天底式投点仪和天顶天底式投点仪。 4） 激光跟踪仪 激光跟踪仪和全站仪一样，是一种精密三维坐标测量仪器，它具有测量精度高、实时快速、动态测量、便于移动等优点。它可以分为5个部分：角度测量部分、距离测量部分、跟踪部分、控制部分、支撑部分。,7.4 大比例尺地面数字测图,7.4.1 内外业一体化测图 内外业一体化作业模式是数字化测图中的一种，这种作业方式改变了传统作业模式，摆脱了平板，省去子展点、绘图和图纸的清绘等工作程序，成图工效和精度有了很大的提高。 内外业一体化成图方式实现了数据采集的自动记录，外业所采集的数据如实地自动传输到电子手簿、磁卡或便携机内记录，并在现场绘制地形草图，到室内将数据自动传输到计算机，人机交互编辑后，由计算机自动生成数字地图，并控制绘图仪自动绘制地形图。整个作业过程中的误差主要有：控制点的误差、野外数据采集的误差和室内成图的误差。,7.4.2 数字地形图的应用,利用数字地形图，可以建立数字地面模型（dtm）。利用dtm，可以绘制不同比例尺的等高线地形图、地形立体透视图、地形断面图，确定汇水范围和计算面积，确定场地平整的填挖边界和计算土方量。在公路和铁路设计中，可以绘制地形的三维轴视图和纵、横断面图，进行自动选线设计。 数字地面模型是地理信息系统（gis）的基础资料，可用于土地利用现状分析、土地规划管理和灾情分析等。在军事上，可用于导航和导弹制导。在工业上，利用数字地形测量的原理建立工业晶的数字表面模型，能详细地表示出表面结构复杂的工业品的形状，据此可进行计算机辅助设计和制造。,7.5 工程测量常用技术和方法,7.5.1 施工控制网的建立 1） 施工控制网的特点,与测图控制网相比，施工控制网具有以下一些特点： （1） 控制的范围小，精度要求高。 （2） 施工控制网的点位分布有特殊要求。 （3） 控制点使用频繁，受施工干扰大。 （4） 控制网投影到特定的平面。 （5） 采用独立的建筑坐标系。,2） 施工控制网的布设,为工程施工所建立的控制网称为施工控制网，其主要目的是为建筑物的施工放样提供依据。另外，施工控制网也可为工程的维护保养、扩建改建提供依据。因此，施工控制网的布设应密切结合工程施工的需要及建筑场地的地形条件，选择适当的控制网形式和合理的布网方案。,7.5.2 专题地形图的测绘,按照地图的内容，地图可分为普通地图、地形图和专题地图三种。,1） 专题地图的概念,专题地图就是按照地图主题的要求，突出而且较完备地表示一种或几种要素或自然现象，从而使地图内容专门化的地图。专题地图的实质是通过与普通地图的对比而得出明确答案的。,2） 专题图的6种类型,mapinfo为创建专题地图提供了强有力的支持。用户可以使用范围值、等级符号、点密度、独立值、直方图和饼图等多达6种方式来创建不同的专题地图。,3） 专题地图制作软件,近年来，一些商业的gsi软件和数字制图软件为了满足人们的需求，包含了专题制图模块，在制作专题地图方面各具特色。 （1） 国外专题地图制作相关软件。能够制作专题地图的具有较高研究和应用水平的国外商业化软件有：esri公司的are/infol41、are/view，intergraph公司的geomedia，mapinfo公司的mapinfo，corel公司的coreldraw，等等。 （2） 国内专题地图制作相关软件。国内数字制图软件起步较晚，但是近几年来的发展速度很快，推出了不少具有各自特色的商业化软件，如：北京超图地理信息技术有限公司的supermap，武汉中国地质大学信息工程学院开发的mapgis，北大方正集团的方正智绘等。,7.5.3 水下地形图测绘,1） 水下地形测量的定位方法 定位是水下地形测量的一个重要组成部分。根据离岸距离的远近有不同的定位方法，这里主要介绍全站仪定位、gps差分定位两种。,（1） 全站仪定位。直接利用全站仪，按方位一距离的极坐标法进行定位。这种定位及水下地形图自动化测绘方法，目前在港口及近岸水下地形测量中应用得越来越多。它不但可以满足测绘大比例尺（如1500）水下数字地（形）图的精度要求，而且方便灵活，自动化程度高，精度高。 （2） gps差分定位。gps定位技术的应用，可以快速地测定测深仪的位置。测量时将gps接收机和测深仪器组合，前者进行定位测量，后者同时进行水深测量。利用便携机（或电子手簿）记录观测数据，并配备一系列软件和绘图仪硬件，便可组成水下地形测量自动化系统。,2） 水下地形图测绘的内容,（1）测深断面线和断面点的设计与布设。 （2）水下地形测量。外业测量；内业主要内容：将外业测角和测深数据汇总并逐点核对；由水位观测结果和水深记录计算各测点高程；在图上勾绘等高线或等深线，表示出水下地形的起伏。 （3）河流横断面测量。其测量方法与测量水下地形图类似，只是绘制成断面图，水平轴为水平距离，竖轴代表高程，并注明垂直和水平比例尺。 （4） 河流纵断面图编绘。河流纵断面图河底线、水位线以及沿河主要居民地、工矿企业、铁路、公路、水文站、水准点等。纵断面图一般是在收集已有材料的基础上编绘获得，缺少的资料通过实测、补测等方式得到。,7.5.4 施工放样的方法,1） 常用的施工放样方法 （1） 直接放样方法, 高程放样。水准仪法、全站仪无仪器高法。 角度放样。放样角度实际上是从一个已知方向出发，放样出另一个方向，使它与已知方向间的夹角等于预定角值。 距离放样。距离放样是将图上设计的已知距离在实地上标定出来，即按给定的一个起点和方向标定出另一个端点。 点位放样。放样点位的常用方法有极坐标法、全站仪坐标法、交会法、直接坐标法（如gps-rtk法）等，采用经纬仪、全站仪、钢尺和gps接收机进行。 铅垂线放样。有经纬仪弯管目镜法、光学铅垂仪法、激光铅垂仪法。,（2） 归化法放样,对一些需要较精密放样的工程，通常采用归化法。所谓归化法是先采用直接放样法，定出待定点的粗略位置，然后通过精密测量和计算，将粗略位置归化到精确位置。它对应的应用有归化法放样角度（距离交会归化法、角度交会归化法）、归化法放样直线（测小角归化法、测大角归化法）、构网联测归化法放样。,（3） 刚体的放样定位,一个刚体在三维空间中有6个角度，即三个平移量x、y、z和分别绕x、y、z轴旋转的三个量。要确定刚体在三维空间中的位置，也就是要固定这6个自由度。假如有一个方案，计划采用多种测量仪器和方法，提供的定位数量多于6个。但是如果有些方法只是重复测定某些定位元素，而仍有某个定位元素未被测定。这样刚体还具有自由度，仍可移动或转动，则这种测量方案显然是错误的。又如用多种测量方法重复测定某个定位元素。一方面，这些重复测定可提供校核，防止发生粗差；但另一方面由于测量误差的存在，不同方法测定的结果之间必然会产生矛盾。如何处理这些矛盾？我们可将6个定位元素作为目标函数对诸测量方法作误差分析，然后对同一定位元素的诸方法进行比较，选出精度最好的那一种方法为基本的放样方法，其他方法作为校核。,2） 特殊的施工放样方法,对于一些特殊的工程，在其施工过程中，往往需要采取一些特殊的放样方法。如为建造大佛，就需要采用摄影测量的方法；对超长型跨海大桥工程，其定位就必须采用网络rtk法放样；而对某些不规则的建筑，可综合一些常规技术进行三维坐标法放样等特殊放样方法。,7.5.5 竣工测量方法,1） 工程竣工图测量的目的,工程竣工测量是真实反映施工后建筑物实际位置的最终表现，也是后续阶段设计和管理的重要依据，特别是地下管线因具有特殊性，如在施工过程中不及时测定其准确位置，将为今后的测量、管理带来困难和损失，因此在施工过程中应及时测定地上和地下各个工程的准确位置，为今后的使用、管理和进一步设计提供准确资料。按我国建设工程的实际情况，竣工测量的任务主要有：,（1）在新建成或扩建的工程中，为检验设计的正确性，阐明工程竣工的最终成果，作为竣工后的技术资料，就必须提交竣工图。如为阶段施工，则每一期工程竣工后，就应该作出该期工程的竣工图，以便作为下期工程设计的依据。 （2）扩建和改建原有工程时，必须取得原有工程实际建筑物的平面及高程位置，为设计提供依据。 （3）为满足新建工程建成投产后进行生产管理和变形观测的需要，也必须提供工程竣工图。,2） 工程竣工图测量的特点与原则,工程竣工测量是真实反映施工后建筑物实际位置的最终表现，也是后续阶段设计和管理的重要依据，特别是地下管线因具有特殊性，如在施工过程中不及时测定其准确位置，将为今后的测量、管理带来困难和损失，因此在施工过程中应及时测定地上和地下各个工程的准确位置，为今后的使用、管理和进一步设计提供准确资料。,按我国建设工程的实际情况，竣工测量的主要任务： （1）在新建成或扩建的工程中，为检验设计的正确性，阐明工程竣工的最终成果，作为竣工后的技术资料，就必须提交竣工图。如为阶段施工，则每一期工程竣工后，就应该作出该期工程的竣工图，以便作为下期工程设计的依据。 （2）扩建和改建原有工程时，必须取得原有工程实际建筑物的平面及高程位置，为设计提供依据。 （3）为满足新建工程建成投产后进行生产管理和变形观测的需要，也必须提供工程竣工图。,实测竣工图时，必须考虑以下几个原则：,（1） 控制测量系统应与原有系统保持一致。 （2） 测量控制网必须有一定的精度标准。 （3） 充分利用已有的测量和设计的资料。,3） 工程竣工图测量内容和要求,（1）厂区现状标准图。它是反映全厂区现状的总图。 （2） 辅助图。是厂区现状标准图的附件。 （3） 剖面图。 （4） 专业分图。 （5） 技术总结报告和成果表。,实测竣工图的要求,（1）图幅。竣工图的图幅大小主要取决于时间需要。 （2）比例尺。确定竣工图比例尺主要应考虑图面负荷、用图视读方便以及图解精度。 （3）坐标和高程系统。应保持原有控制系统，在不得已的情况下可重新建立控制网的坐标和高程系统。 （4）竣工图测量的精度要求。以细部坐标点和高程点的精度来衡量。 （5）控制网的建立以及精度要求。在新建和已建成的工程中，基本上已布设有测量和施工控制网，以作为施测竣工图的依据，一般不需要另行建立新的控制网。遇到特殊情况，可考虑恢复和扩展同等级控制点或重建控制网。,7.5.6 变形监测方法,1） 常规的大地测量方法 常规的大地测量方法是用常规的大地测量仪器测量方向、角度、边长和高差等量所采用方法的总称，包括布设成网形来确定一维、二维、三维坐标的网平差法、各种交会法、极坐标法、卫星定位法以及几何水准法、三角高程法等。 常规的大地测量仪器主要有光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪以及gps接收机等。 gps接收机也纳入常规的大地测量仪器，是因为它与电子全站仪一样，已经广泛使用于各个领域。 带马达的电子全站仪已发展成为智能型测地机器人，可用于变形监测的许多领域。常规大地测量方法主要用于变形监测网的布设和周期观测。对于平面监测网，究竟采用gps网还是边角网，要根据具体情况权衡设计，但单纯的测角网已不可取了；对于高程监测网，究竟采用几何水准法还是电磁波测距三角高程法，也要根据具体情况而定。测量方法的选择，涉及测量误差的来源、产生、传播以及改正消除方法等方面的知识，要进行精心设计和论证。,2） 摄影测量方法,与其他方法相比，摄影测量方法有下述显著特点，可在某些变形监测中应用。 （1） 不需要接触被监测的变形体。 （2） 外业工作量小，观测时间短，可获取快速变形过程，可同时确定变形体上任意点的变形。 （3） 摄影影像的信息量大，利用率高，利用种类多，可以对变形前后的信息做各种后处理，通过底片可观测到变形体任一时刻的状态。 （4） 摄影的仪器费用较高，数据处理对软硬件的要求也比较高。,3） 特殊的大地测量方法,作为对常规大地测量方法的补充或部分的代替，这些特殊测量方法特别适合于变形监测。这些方法的特点是：或者操作特别方便简单，或者精度特别高，许多时候是精确地获取一个被测量的变化，而被测量本身的精度不要求很高。下面就众多方法中选择几种典型方法予以说明。 （1） 偏离水平基准线的微距离测量准直法。水平基准线通常平行于被监测物体，如大坝、机器设备的轴线。偏离基准线垂直距离或到基准线所构成的垂直基准面的偏离值称为偏距（或垂距），测量偏距的过程称准直测量。基准线（或基准面）可用光学法、光电法和机械法产生。 （2） 偏离垂直基准线的微距离测量铅直法。以过基准点的铅垂线为垂直基准线，沿铅垂基准线的目标点相对于铅垂线的水平距离（亦称偏距）可通过垂线坐标仪、测尺或传感器测得。与准直法一样，铅垂线可以用光学法、