工程测量基础知识(讲座).ppt

工程测量,第一章：绪论第二章：坐标系统的选择第三章：控制测量第四章：测量精度要求第五章：地形图测量的内容和要求第六章：线路测量要求,目录,第一章：绪论,测量学的分类测量的基准面与基准线地面点位置的表示方法测量的基本工作和仪器测量工作的原则,1、测量学分类,工程测量学,工程测量学是研究在工程建设和自然资源开发的勘测、设计、施工、管理各个阶段进行测量的理论和技术的学科。工程测量学包含控制测量、地形测绘、施工放样、变形监测及建立相应信息系统等内容。,例如：大坝安全检测、高层建筑物沉降监测,2、测量的基准线和基准面,外业：铅垂线和大地水准面内业：法线和参考椭球面,P0,R,大地水准面：指与平均海水面重合并延伸到大陆内部的水准面。是正高的基准面。在测量工作中，均以大地水准面为依据。因地球表面起伏不平和地球内部质量分布不匀，故大地水准面是一个略有起伏的不规则曲面。,3、地面上点位的表示方法,坐标地理坐标(N,E)高斯平面直角坐标(x,y)平面直角坐标(x,y),高程绝对高程相对高程,高斯投影是一种解决曲面不可展的投影方法。由德国数学家高斯拟定，又经德国大地测量学家克吕格补充完善，又称高斯-克吕格投影。大多数国家将此种投影作为比例尺大于百万分之一的地形图投影。将中央经线投影为直线，其长度没有变形，与球面实际长度相等，其余经线为向极点收敛的弧线，距中央经线愈远，变形愈大。随远离中央经线，面积变形也愈大。若采用分带投影的方法，可使投影边缘的变形不致过大。我国各种大、中比例尺地形图采用了不同的高斯-克吕格投影带。其中大于11万的地形图采用3带；12.5万至150万的地形图采用6带。,高斯|克吕格投影,投影的基本条件：1、中央子午线的投影为直线而且是投影的对称轴。2、投影后没有角度变形。又称是正形投影。3、中央子午线上没有长度变形。,高斯|克吕格投影,（2）投影分带的规定,1、6分带法：从格林尼治零度经线起每6为一个投影带，全球共分60个投影带L0=6N-3(在我国一般用于小于1:1万的地图),2、3分带法：从东经130起，每3为一个投影带，全球共分120个投影带L0=3N(用于大于1:1万的地图),高斯平面直角坐标,高斯平面直角坐标系,中央子午线投影后的直线为X轴、向北为正，以赤道投影后的直线为Y轴,向东为正，它们的交点为坐标原点。坐标象限自纵轴北方向顺时针顺序编号。,高斯平面直角坐标,通用坐标,那么A点对假原点坐标（为了保证所有点的Y坐标为正值，认为规定向西移动500Km）xA=493275.6myA=745863.7m若投影带为20带，则通用坐标xA通=493275.6myA通=20745863.7m,假设A点对真原点坐标xA=493275.6myA=245863.7m,平面直角坐标（xA,yA)（任意坐标系）,A（315.6，269.8）,我国目前使用的坐标系,1、世界大地坐标系WGS-84是一个世界大地坐标系，建立的目的是在世界上建立一个统一的坐标系。2、国家大地坐标系（1）北京54坐标系：是将我国大地控制网与前苏联1942年普尔科沃大地坐标系相连结建立的我国过渡性坐标系，属于参心坐标系，采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体。（2）西安80坐标系：1978年，我国决定建立新的国家大地坐标系统，并且在新的坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差，就是1980年西安坐标系统，属于参心坐标系，采用了1975国际椭球体。,我国目前使用的坐标系,2、国家大地坐标系（3）独立坐标系：在我国许多城市测量和工程测量中，若直接采用国家坐标系下的高斯直角坐标，则可能由于远离中央子午线，或由于测区平均高程较大，而导致长度投影变性较大，难以满足工程上或实用上的精度要求。3、2000国家大地坐标系CGCS2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心，属于地心坐标系。,高程,绝对高程或海拔:地面点到大地水准面的铅垂距离假定高程或相对高程:从某点到假定水准面的垂直距离高差:两点间的高程之差hAB=HA-HB,我国常用的高程系统：,高程基准是推算国家统一高程控制网中所有水准高程的起算依据，它包括一个水准基面和一个永久性水准原点。国家高程基准是根据验潮资料确定的水准原点高程及其起算面。目前我国常见的高程系统主要包括“1956年黄海高程”、“1985国家高程基准”、“吴凇高程基准”和“珠江高程基准”等四种。（1）“1956年黄海高程”我国于1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面，叫“1956年黄海高程”系统，为中国第一个国家高程系统，从而结束了过去高程系统繁杂的局面。该高程系以青岛验潮站19501956年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。原点设在青岛市观象山。1956黄海高程水准原点的高程是72.289米。,我国常用的高程系统：,2）“1985国家高程基准”由于“1956年黄海高程”计算基面所依据的青岛验潮站的资料系列（1950年1956年）较短等原因，中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站1952年1979年的潮汐观测资料为计算依据，叫“1985国家高程基准”，并用精密水准测量位于青岛的中华人民共和国水准原点。1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系同时废止。1985国家高程系统的水准原点的高程是72.260。3）“吴凇高程基准”、“珠江高程基准”在我国的不同历史时期和不同地区曾采用过多个高程系统，如“广州高程基准”、“大沽零点高程”、“渤海高程”、“波罗的海高程”、“大连零点高程”、“废黄河零点高程”、“坎门零点高程”和“安庆高程系”等。不同高程系间的差值因地区而异，各高程系存在一定的的换算关系，具体差值以当地测绘主管部门提供值为准。,我国现在常用的高程系统：,1985黄海高程系统原点：青岛观象山H=72.260米,4、测量的基本工作和使用的仪器,距离测量(平距、斜距)角度测量（水平角、竖直角）高程测量（hPAhAB）,测距工具、仪器,一、所用主要工具：钢尺、皮尺,皮尺,钢尺,各型号的大致相同。主要由：照准头控制器反光镜等组成。,二、测距仪的构造,ND3000/2000红外测距仪,水平角测量原理,地面上两相交直线的夹角在水平面上的投影（两条直线的方位角之差值）,n,m,=nm,水平角,水平面,竖直角,地面上的直线与其水平投影线（水平视线）间的夹角。,仰角：倾斜视线在水平视线以上时的竖直角俯角：倾斜视线在水平视线以下时的竖直角,常用的光学经纬仪：DJ07DJ1DJ2DJ6DJ15,经纬仪：用于测定水平角和竖直角的仪器。有光学经纬仪和电子经纬仪之分。,水准测量的基本原理,hAB=abHB=HA+hAB,高程测量,连续中间水准测量,hAB=h=h1+h2+=(a1b1)+(a2b2)+=ab,水准仪与水准尺,全站仪,全球定位系统GPS（GlobalPositionSystem）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。全球定位系统，根据静态、快速静态定位原理，建立测量控制网（简称（GPS）控制网）。RTK（Real-timekinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。,5.GPS-RTK,GPS的组成,1、空间卫星部分。由21颗工作卫星和3颗备用卫星。2、地面控制部分。由1个主控站，5个监控站和3个注入站组成。3、用户接收机部分。GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型（L1）和双频型（L1，L2）,GPS定位方法分类,GPS的定位方法，若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果来分，可分为绝对定位和相对定位。静态定位，即在定位过程中，接收机天线（观测站）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态；而动态定位则正好相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，定位结果是连续变化的。绝对定位亦称单点定位，是利用GPS独立确定用户接收机天线（观测站）在WGS-84坐标系中的绝对位置。相对定位则是在WGS-84坐标系中确定收机天线（观测站）与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置的方法。,GPS定位原理,（1）GPS进行绝对定位的基本原理为：以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量为基础，并根据卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS），以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。设接收机天线的相位中心坐标为（X,Y,Z），则有：,卫星的瞬时坐标XS,YS,ZS可根据导航电文获得，所以式中只有X、Y、Z三个未知量，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测站点坐标（X,Y,Z）。可以看出，GPS单点定位的实质就是空间距离的后方交会。,GPS定位原理,（2）GPS相对定位，亦称差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。其基本定位原理为：如右图所示，用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点（测站点）在WGS-84坐标系中的相对位置或称基线向量。,目前工程中，广泛应用定位模式,1、静态相对定位（1）方法:将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。（2）用途:是精度最高的作业模式。主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。（3）精度:可达到（2-5mm+1ppm）2、动态相对定位（1）方法先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。（2）用途适用于精度要求不高的碎部测量。（3）精度可达到（10-20mm+1ppm）,RTK(GPS实时动态定位),1、工作原理：与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。,2、RTK用途适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。3、作业范围目前一般为10km左右。4、精度可达到10-20mm+1ppm,二、注意事项-基准站架设,基准站架设的好坏，将影响移动站工作的速度，并对移动站测量质量有着深远的影响，因此使观测站位置具有以下条件：在10度截止高度角以上的空间部应没有障碍物；邻近不应有强电磁辐射源，比如电视发射塔、雷达电视发射天线等，以免对RTK电信号造成干扰，离其距离不得小于200m；基准站最好选在地势相对高的地方以利于电台的作用距离；地面稳固，易于点的保存。如果在树木等对电磁传播影响较大的物体下设站，当接收机工作时，接收的卫星信号将产生畸变，影响RTK的差分质量，使得移动站很难定位。,5、测量的基本原则,从整体到局部，由高级到低级先控制测量，后碎部测量,第二章,坐标系统的选择,第1节平面坐标系统,平面控制网坐标系的确定，宜满足测区内投影长度变形值不大于2.5cm/km。（1）当投影长度变形值不大于2.5cm/km时，采用高斯正形投影3带平面直角坐标系。,第1节平面坐标系统,（2）当投影长度变形值大于2.5cm/km时，可采用：投影于抵偿高程面上的高斯正形投影3带平面直角坐标系统。投影于1954年北京坐标系或1980西安坐标系椭球面上的高斯正形投影任意带平面直角坐标系。投影于抵偿高程面上的高斯正形投影任意带平面直角坐标系。当采用一个投影带不能满足要求时，可分为几个投影带，但投影分带位置不能位于大型构造物上。二级和二级以下的公路、独立桥梁、隧道等，可采用假定坐标系。,第1节平面坐标系统,（3）当采用独立坐标系、抵偿坐标系时，应提供与国家坐标系的转换关系。（4）GPS测量采用WGS-84大地坐标系。,第2节高程系统,高程系统，宜采用1985国家高程基准。同一条公路应采用同一个高程系统，不能采用同一系统时，应给定高程系统的转换关系。独立工程或三级以下公路联测有困难时，可采用假定高程。,第三章,控制测量,第1节控制测量概述,控制测量:在测区内首先选定少数的点,使之组成一系列的几何图形,采用精密仪器和严密的方法,把它们的平面位置和高差确定下来,然后再根据它们测定其他地面点。,1、控制测量目的,目的：提供控制基础和起算基准实质：测定具有较高精度的平面坐标和高程的点位控制点,2、控制测量的分类,控制测量分类和方法,三角网,导线网（路线）,组合网,水准网,三角高程,GPS导线（路线）,GPS网,控制测量施测过程,控制网的设计编写工作大纲踏勘选点、埋石野外观测数据处理技术总结,平面控制测量的基本方法,三角测量选择若干控制点而形成互相连接的三角形,测定其中一边的水平距离和每个三角形的三个顶角,然后根据起算数据可算出各控制点的坐标.导线测量将一系列的地面点组成折线形式，测定边长和转折角来逐步建立控制点,第2节导线测量,特点：布设灵活，数据处理简单，在图根测量中应用普遍。,1、导线的基本形式,闭合导线：由某一已知点开始，经若干控制点的连续折线又回到原来点。,附合导线：由某一已知点开始，经若干控制点的连续折线到达另一已知点上。,支导线：由某一已知点开始，经若干控制点的连续折线没有回到原已知点或另一已知点上。,2、导线测量的外业工作,选点观测水平角：转折角或连接角距离：光电测距高程：水准、三角高程外业资料整理每一步都检查是否超限,选点,要求：视野开阔、土质坚实、相邻点间通视、边长大致相等目的：考虑通视，便于地形图的施测，尽可能选择较少的点,第2节水准测量,hAB=abHB=HA+hAB,水准测量的基本原理是利用能提供水平视线的仪器，测定地面点间的高差，从而推算高程的一种方法,水准路线布设形式,高差闭合差：实测高差与其理论值之差应该为0，但由于测量中不可避免带有误差，使得观测所得高差与理论高差不相等，其差值称为高差闭合差,水准路线布设形式,附合水准路线,h=h测-（H终-H始),水准路线布设形式,2、闭合水准路线,h=h测,水准路线布设形式,3、支水准路线,h=h往+h返,1、计算高差闭合差和允许闭合差闭合路线fh=h测；支水准路线fh=h往+h返；附合路线fh=h测（H终H始）闭合差允许值：h允=40Lmm（平坦地区）h允=10nmm（丘陵地区）,一、水准测量的内业计算步骤,水准测量的内业计算步骤,3、计算改正后高差hii+1=hii+1+i,4、计算各点的高程Hi+1=Hi+hii+1,2、满足hfh允计算高差改正数,注：v与h大小相等，符号相反。,第四章,测量精度等级,1、控制测量的等级,控制测量的等级,国家等级平面控制网一、二、三、四等城市与工程控制网城市控制网以国家三、四等网为基础发展而得。工程控制网分为：测图控制网、施工控制网和变形监测网。图根控制网直接为测图而建立的控制网，其控制点简称图根点,2、平面控制网精度等级的划分,卫星定位测量控制网依次为二、三、四等和一、二级导线网及导线依次为三、四等和一、二、三级三角形网依次为二、三、四等和一、二级。各级公路及构造物平面控制网等级选用不得低于下表规定。,平面控制网等级的划分,平面控制测量精度要求,各级平面控制网测量，其最弱点点位中误差均不等超过5cm，最弱相邻点点位相对中误差均不得大于5cm最弱相邻点边长相对中误差均不得超过上表中的规定。,3、高程控制网精度等级的划分,公路工程高程测量采用水准测量。在进行水准测量确有困难的山岭地带以及沼泽、水网地区，四、五等水准测量可用光电测距三角高程测量。高程变化平缓的地区可以使用GPS进行测量，各级公路及构造物的高程控制测量等级应不低于下表规定。,水准测量等级,水准测量的精度要求,水准测量的精度要求,各级路线高程控制网最弱点高程中误差不得大于25mm，（点位相对中误差最大的那个就是最弱的）用于跨越水域和深谷的大桥、特大桥的高程控制网最弱点高程中误差不得超过10mm，每公里观测高差中误差和附合（环线）水准路线长度应小于上表中的规定。当附合（环线）水准路线长度超过规定时，应采用双摆站的方法进行测量，但其长度不得大于上表中的规定的2倍。每站高差较差应小于基辅（黑红）面高差较差的规定。一次双摆站为一单程，取其平均值计算的往返较差、附合（环线）闭合差应小于相应限差的0.7倍。,4、图根控制测量精度,1、导线测量：,2、高程控制测量：,第五章,地形图测量的内容和要求,一、地物指地面上天然或人工形成的物体。如湖泊、河流、海洋、房屋、道路、桥梁、森林等；二、地貌指地表高低起伏的形态。如山地、丘陵、悬崖、冲沟等；,基本概念,三、地形地物和地貌的总称；四、地形图按一定的比例尺，用规定的符号表示的地物、地貌平面位置和高程的正射投影图。,平面图：在图纸上仅表示地物的平面位置。,正射投影,1、比例尺的表示方法,数字比例尺,图示比例尺,地形图的比例尺,图上一段直线长度d与地面上相应线段的实际长度D之比。,2、地形图比例尺的选择,大比例尺地形图1:500、1:1000、1:2000、1:5000中比例尺地形图1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万小比例尺地形图1:20万、1:50万、1:100万我国规定1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万七种比例尺地形图为国家基本比例尺地形图。,大比例尺地形图的用途,3、比例尺的精度,地形图上0.1mm长度所表示的实地水平距离,大比例尺地形图的比例尺精度,地图图式分类,地图图式,地物符号,地貌符号,注记符号,五、地形图图式表示地物和地貌的符号和方法,1)比例符号可以按测图比例尺缩小，用规定符号画出的地物符号；房屋、道路、稻田、花圃、湖泊等。2)非比例符号无法将其形状和大小按照地形图的比例尺绘到图上的符号；三角点、导线点、水准点、独立树、路灯、检修井等。3)半比例符号长度可按比例缩绘，而宽度无法按比例表示的符号；小路、通讯线、管道、垣栅等。,1、地物符号,地物符号分比例符号、非比例符号和半比例符号。,地物符号依比例符号,水稻田,花圃,地物符号不依比例尺,电线杆与电力线,地物符号半依比例尺的符号,2、地貌符号,地形图上表示地貌的方法一般是等高线。平坦地区注记散点高程。,等高线：地面上高程相等的相邻各点所连的闭合曲线。,等高线的几个概念,等高线的间距h两相邻等高线之间的高差。等高线的平距D相邻两等高线的水平距离。坡度i三者的关系:i=h/D,等高线平距,相邻等高线间的水平距离，用d表示。,坡度,等高线表示地貌,基本等高线（首曲线）计曲线为了便于计数每隔5个等高距画一根加粗的等高线半曲线（间曲线）为了较好地表示局部地区地形的细部，以等高距的一半用虚线加绘的等高线辅助曲线为了更好地表示局部地区地形的细部，以任意高程用短虚线加绘的等高线,等高线的种类,典型的地貌,山头、洼地、山脊、山谷、鞍部、绝壁或悬崖,1)山头和洼地,2)山脊和山谷,3)鞍部,4)陡崖和悬崖,等高线的特性,同一条等高线上各点的高程都相同;,等高线是一条闭合曲线,不能中断,如果不在同一幅图内闭合,则必定跨越邻幅或许多幅图后闭合;,等高线只有在绝壁或悬崖才会重合或相交;,等高线经过山脊或山谷时转变方向,因此,山脊线和山谷线应与转变方向处的等高线的切线垂直相交;,在同一幅地形图上,等高线间隔应是相同的。因此,等高线平距大(等高线疏),表示地面坡度小(地形平坦)；等高线平距小(等高线密),表示地面坡度大(地形陡峻)。,基本等高距,基本等高距可视工作需要在此表基础上适当加密；一个测区同一比例尺，宜采用一种基本等高距。,3、注记符号,作用：对地物符号和地貌符号的补充说明。,表示方法：文字、数字、特殊线段等。,（1）地形图上高程注记点应分布均匀，丘陵地区高程注记点的间距宜符合下表中的规定。,4、高程注记点的分布,（2）山顶、鞍部、山脊、山脚、谷底、谷口、沟底、沟口、凹地、台地、河川湖池岸旁、水涯线上以及其它地面倾斜变化处，均应测高程注记点。（3）基本等高距为0.5m时，高程注记点应注至0.01m；基本等高距大于0.5m时，可注至0.1m。,碎部点选择：地物、地貌特征点应选择能反映地物形状的特征点。如房角、