工程测量.第一章

架空线路测量,东南大学交通学院测绘工程系,王磊手机箱:wangleinj,架空线路测量的地位、作用本课程是一门专业基础课，与专业课密切相关。它的任务是学习测量基本理论和基本技能，并进行测量基本功训练，为线路工程建设培养合格人才。通过本课程的学习，将为今后专业学习及工作中所需的测量知识与技术打下牢固的基础。,架空线路测量的要求掌握测量学的基本理论；掌握常规和当代精密测量仪器、工具的使用方法；能较熟练地使用各种测量仪器和工具进行各种基本的测量工作；掌握图根控制网建立方法和地形图的识读和应用方法；掌握架空输电线路工程中的施工测量方法和技能，了解测量技术在输电线路勘测、设计和施工中的作用；对测量的先进技术有一定的了解。,第一章第二章,第一章绪论测绘工作概述,测量学的任务及作用,地球的形状和大小,地面点位的确定,水平面代替水准面的限度,测量工作概述,1-1测量学的任务与作用,生产、生活的需要建筑、农田、水利建设等交通运输的需要旅行、航海等军事的需要,一、测量学的产生,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。隋唐实行均田制，建立户籍册。宋朝按乡登记和清丈土地，出现地块图。到了明朝洪武四年，全国进行土地大清查和勘丈，编制的鱼鳞图册，是世界最早的地籍图册。,古埃及金字塔，其形状与方向都很准确，说明当时已有放样的工具和方法。我国二千多年前的夏商时代，为了治水开始了水利工程测量工作。司马迁在史记中对夏禹治水有这样的描述：“陆行乘车，水行乘船，泥行乘撬，山行乘撵，左准绳，右规矩、载四时，以开九州，通九道，陂九泽，度九山。”所记录的是当时的工程勘测情景，早期的水利工程多为河道的疏导，以利防洪和灌溉，其主要的测量工作是确定水位和堤坝的高度。,工程测量学的发展也受到了战争的促进。中国战国时期修筑的午道，公元前210年秦始皇修建的“堑山堙(yn)谷，千八百里”直道，古罗马构筑的兵道，以及公元前218年欧洲修建的通向意大利的“汉尼拨通道”等，都是著名的军用道路。修建中应用了测量工具进行地形勘测、定线测量和隧道定向开挖测量。,万里长城修建于秦汉时期，这一规模巨大的防御工程，从整体布局到修筑，都进行了详细的勘察测量和施工放样工作。,二、测量学的定义,1.传统的定义：研究地球的形状和大小以及确定地面点位的科学。2.现今的定义：研究和确定三维空间中各种物体的形状、大小、位置、方向和其分布等信息的科学。,三、测量学的基本任务,测定测设,测定地面现状的位置。测定的成果：(1)数据坐标(球面坐标、平面坐标)、高程、角度、距离、地面直线的方位角、坡度、面积、等。(2)图地形图、平面图、地籍图、断面图、沉降图，工程图等。,将图纸上设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程，标定于实地，作为施工的依据。也叫施工放样。测设的成果：体现设计的平面位置和高程的现场标志。,2.测设（图纸地面）,四、测量学科的组成,天文测量学研究测定恒星的坐标，以及利用恒星确定观测点的坐标（经度、纬度等）的学科。大地测量学研究测定地球的形状和大小及地球表面较大地区的地位测定和计算的有关理论与方法的学科。,物理大地测量学研究地球的重力场的测量方法、分布情况极其应用的学科。地图制图学研究地图制图的理论和方法。,摄影测量学与遥感研究利用航天、航空、地面的摄影和遥感信息，进行测量的方法和理论的学科。,测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。,工程测量学研究测量和制图的理论和技术在工程建设中的应用。,地形测量学研究将地球表面局部地区的地貌、地物测绘成地形图和编制地形图的基本理论和方法。,五、测量学的特点和要求,（1）特点实践性强，责任性要求高，必须遵照测量的规范和规则。内容多：测量学基本原理、误差理论、仪器使用、作业方法、基本计算等。,学会和掌握测量的基本作业方法：角度测量、距离测量、高程测量（仪器的基本操作、作业程序、记录、成果整理）掌握测量仪器的检验和校正方法（测量仪器的轴线关系、检验和校正的作业方法）学会控制测量、地形测量、施工放样的基本作业方法（外业测量、内业计算与绘图）建立测量误差的基本概念（掌握测量误差的基本理论和测量误差的计算）,（2）学习要求：,野外作业：严格按照规定的作业和操作程序。记录：字迹清晰、端正，不得任意涂改（按规定方式改数）。计算：按平差规则、作计算检核、保证计算精度（小数取位）。正负号：在以下数据前，加“+、-”号：高差、竖直角、指标差、坐标增量、所有的闭合差、改正数。,其它要求,（1）教材：工程测量陆付民、李利主编，中国电力出版社，2009年出版（2）实验（1/4时间）分组进行，4人一组，选一小组长，最后实验操作考核（3）成绩评定（综合）平时（出勤、作业、回答问题）；期中考试；实验成绩；期终考试。,（3）教材、实验与成绩,1、测量学在军事的作用,“天时，地利，人和”是打胜仗的三大要素。要有地利就要了解和利用地形。地图上详细表示着山脉、河流、道路、居民点等地形和地物，具有确定位置、辨识方向的作用。,测量学的作用,地图一直在军事活动中起着重要的作用，这对于行军、布防以及了解敌情等军事活动都是十分重要的。因此，早就成为军事上不可缺少的工具，获得广泛的应用。,人造卫星定位技术（GPS）早期用于军事部门，后逐步解密才在测绘及其它众多部门中获得应用；海洋测量技术首先是由航海的需要而产生，但其高速发展的动力主要来自军事部门的需要等等。至今军事测绘部门仍在测绘领域科技前沿对重大课题进行探索和研究。,美国RQ-170无人机,传统上各国测绘部门隶属于军事部门。至今还有相当多国家的测绘部门仍然隶属于军事部门。随着测绘技术在各方面的应用愈来愈广泛，测绘科技国际间的交流日益频繁，不少国家也建立了民用的测绘机构。,2、测量学在国土管理中的作用,测量学的起源和土地界线的划定紧密联系着。非洲尼罗河每年泛滥会把土地的界线冲刷掉，为了每年恢复土地的界线很早就采用了测量技术。,早期亦称“土地测量”、“土地清丈”等。用以测定地块的边界和坐落，求算地块的面积，在农业为主的社会里，国家为了征税而开展地籍测量，同时记录业主姓名和土地用途等。在我国,地籍测量是国家管理土地的基础。地籍测量的成果不仅用于征税，还用于管理土地的权属以保障用地的秩序，为了提高土地利用的效益、合理和节约利用十分珍贵和有限的土地。,地籍测量与房产测量,国土资源调查、土地利用和土壤改良离不开测量。建设现代化的农业，首先要进行土地资源调查，摸清土地“家底”，而且还要充分认识各地区的具体条件，进而制定出切实可行的发展规划。测量为这些工作提供了一个有效的工具。地貌图，反映出了地表的各种形态特征、发育过程、发育程度等，对土地资源的开发利用具有重要的参考价值；,测量学还服务于国家领土的管理。战国策燕策中关于荆轲刺秦王，“图穷而匕首见”的记述，表明在战国时期地图在政治上象征着国家的领土和主权。当代，在一些国家间的领土争执中，也常以对方出版的地图上对国境线的表示作为有利于己方的证据或者用测量技术为手段标定国界。,3、测量学在工程建设中的作用,1勘测设计阶段测制地形图。2施工阶段把线路和各种建筑物正确地测设到地面上。3竣工测量对建筑物进行竣工测量。4运营阶段为改建、扩大建而进行的各种测量。5变形观测为安全运营，防止灾害进行变形测量。,在修建宫殿、陵墓时须要平整地基，开凿渠道修建运河须要了解地形的起伏，建造城市时中心线常要定向，开挖地道更需仔细的定向定位定高度等等。徐州古陵墓的谜-南北两平行甬道相距59米，长约70米，经测量，夹角只有20秒，连一分都不到！最大误差只有8毫米，洞内设一激光测量仪器，但见一束红光射出至洞口，参照该光束，见甬道的壁面与光束直线无任何夹角，完全平行，经测量，最大误差只有5毫米！整个甬道地面的平面误差也居然在5毫米以内！真的不可思议！,在2100年前的西汉时期，古人无任何先进测量仪器的条件下，在地下，在山中，在石头里，用手工工具雕凿出如此精确的甬道,现代的测量学作为一门能采集和表示各种地物和地貌的形状、大小、位置等几何信息，以及能把设计的建筑物、设备等按设计的形状、大小和位置准确地在实地标定出来的技术，在各种工程建设中的应用愈来愈广泛。,例如，粒子加速器的磁块必须以0.1mm的精度安放在设计的位置上。某些飞行器的助飞轨道要求其准直度的偏差小于长度的10-6。建筑物建成后（甚至在施工期间）会因地基承载力弱或因自重和外力的作用而产生变形。而大坝可能位移、高层建筑物可能倾斜等。都需要精密测定。,为了保障建筑物的安全运行，往往需要测量工作者以技术上可行的最高精度监测建筑物的变形量和变形速度的发展情况。有时还要求在一段时间内进行连续监测，为此要使用自动化的监测和记录的仪器。,大、中水利工程也是先在地形图上选定河流渠道和水库的位置，划定流域面积，计算流量，再测得更详细的地图（或平面图）作为河渠布设、水库及坝址选择、库容计算和工程设计的依据。如三峡工程从选址、移民，到设计大坝等测量工作都发挥了重要作用。三峡水利枢纽工程变形监测和库区地壳形变、滑坡、岩崩以及水库诱发地震监测，其规模之大，监测项目之多，都堪称世界之最。,秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程，曾用一个石头人来标定水位，当水位超过石头人的肩时，下游将受到洪水的威胁；当水位低于石头人的脚背时，下游将出现干旱。这种标定水位的办法与现代水位测量的原理完全一样。,世界最古老的水利工程-都江堰水利工程-今年是都江堰建堰2267周年,4、在资源勘察与开发中的作用资源勘察与开发离不开测量学。地球蕴藏着丰富的自然资源，需要人们去开发。勘探人员在野外工作，离不开地图，从确定勘探地域到最后绘制地质图、地貌图、矿藏分布图等，都需要用测量技术手段。随着测量技术的发展，如重力测量可以直接用于资源勘探。工程师和科学家根据测量取得的重力场数据可以分析地下是否存在重要矿藏，如石油、天然气、各种金属等。,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。以核子、电子和空间技术为标志的第三次技术革命，使工程测量学获得了迅速的发展。20世纪50年代，世界各国在建设大型水工建筑物、长隧道、城市地铁中，对工程测量提出了一系列要求；20世纪60年代，空间技术的发展和导弹发射场建设促使工程测量进一步发展；,德国当地时间07年9月22日上午10时左右，无人驾驶的磁悬浮列车缓缓驶离德国下萨克森州西北部边境小镇拉滕，车上有29名乘客，除2名德国磁悬浮高速列车国际公司的员工外，其他的乘客均是员工的亲朋好友，他们搭车的目的是想亲身体验一下“贴地飞行”的感觉，同时也想进一步了解亲友的工作。磁悬浮列车行驶在埃姆斯兰县的测试轨道上。在这条建于1984年、长32公里、距地面4米的高架轨道上，磁悬浮列车的时速最高可达450公里(超过F1赛车，日本号称有人驾驶达到581公里/小时)。列车一出站，绝大多数的乘客就涌进无人驾驶室内，想透过开阔的视野直接感受“心跳的速度”。,列车的时速很快就提升到200公里。就在一刹那，驾驶室里所有的乘客惊恐万分地发现：列车正前方的同一轨道上停着一辆轨道维护机车！由于磁悬浮列车是无人驾驶，加上速度如此之快，因此乘客们根本来不及报警，只能眼睁睁地看着列车向维护机车狠狠地撞去！一名目击者称，当两车相撞后，巨大的冲击力将车上的一些乘客像炮弹一样从磁悬浮列车前面的车窗中弹射了出去，抛向了底下5米处的地面，列车残骸上随后发生了两处大火。据当地警方介绍，此次撞击致使23人死亡、10人受重伤。,京沪高铁历经十几年讨论、总投资1400亿元的京沪高速铁路、目前已经运行。京沪高铁正线全长约1318公里，与既有京沪铁路的走向大体并行，全线为新建双线，共设置北京、天津、济南、南京、上海等21个客运车站。，京沪高铁时速可达300公里（设计时速350公里、初期运营时速300公里），人们乘坐、京沪高速列车，从北京到上海、只要五个小时左右的时间。在北京和上海之间的飞行时间约为1小时40分钟，把侯机、安检时间算在内，大约要2.5小时以上，与京沪高速铁路在两地间的奔驰时间相差不大。,水电工程长江三峡大坝,三峡大坝是目前世界上规模最大的混凝土重力坝，全长2309米，分为左、右两个坝段，混凝土浇筑总量1610万立方米。左岸大坝全长1600多米，右岸大坝全长660多米，,坝高185米.相当于60层左右的高楼,坝顶宽度15米，底部宽度为126米。将于2009年全部完工,坝顶面积相当于80多个篮球场。走完整个大坝，需要半小时以上。总投资超2000亿元。,三峡工程正常蓄水至米时，三峡大坝前会形成一个世界上最大的水库淹没区三峡库区。三峡水库将淹没陆地面积平方公里，淹没城市座、县城座、集镇个。根据规划，三峡蓄水至175米水位时，最终移民将达万人。这相当于一个欧洲中等国家的人口，世界上人口在百万以下的国家有个。,20世纪70年代以来，高能物理、天体物理、人造卫星、宇宙飞行、远程武器发射等，需要建设各种巨型实验室，从测量精度和仪器自动化方面都对工程测量提出了更高的要求。二十世纪末，人类科学技术不断向着宏观宇宙和微观粒子世界延伸，测量对象不仅限于地面而且深入地下、水域、空间和宇宙，如核电站、摩天大楼、海底隧道、跨海大桥、大型正负电子对撞机等。由于仪器的进步和测量精度的提高，工程测量的领域日益扩大，除了传统的工程建设三阶段的测量工作外，在地震观测、海底探测、巨型机器、车床、设备的荷载试验、高大建筑物（电视发射塔、冷却塔）变形观测、文物保护，甚至在医学上和罪证调查中，都应用了最新的精密工程测量仪器和方法。,测量学发展历史与趋势,认识地球是人类探索的目标之一，也是测量学的任务之一。绝大多数测量工作是在地球上进行，或用地球作为参考系。,1-2地球的形状和大小,一、地球的自然形体,静止的液体表面，称为水准面。,特性,处处与铅垂线正交,二、水准面,是不规则的表面，有无穷多,水准面与铅垂线可作为野外测量的基准面和基准线,与水准面相切的平面，称为水平面。,三、大地水准面,液体受重力而形成的静止表面称为水准面。同一水准面上的重力位处处相等；它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。同一水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交。,与平静的平均海水面相重合、并延伸穿过陆地而形成的封闭曲面称为大地水准面。,大地水准面（续）,由于地表起伏以及地球内质量分布不均匀，所以大地水准面是个复杂的曲面水准面和铅垂线是野外观测的基准面和基准线。,大地水准面（续）,由于大地水准面是不规则曲面，无法准确描述和计算。也难以在其面上处理测量成果。,四、旋转椭球体,因此，用一非常接近大地水准面的数学面-旋转椭球面代替大地水准面，用旋转椭球体描述地球。又称地球椭球体,决定地球椭球体形状和大小的参数为椭圆的长半径a，短半径b及扁率。,P,P,长半径a，短半径b及扁率，其关系式为：,我国目前采用的地球椭球体的参数值为：,由于地球椭球体的扁率很小，当测量的区域不大时，可将地球看作半径为6371km的圆球。,确立基准面的方法,地球的自然表面,水准面,大地水准面,地球椭球体表面,基准面,大地体,地球椭球体,1-3地面点位的确定,地面点的空间位置须由三个参数来确定，即该点在大地水准面上的投影位置（两个参数）和该点的高程。,1地面点在大地水准面上的投影位置,地面点在大地水准面上的投影位置，可用地理坐标和平面直角坐标表示。,（1）地理坐标,用经度和纬度表示地面点在大地水准面上的投影位置，由于地理坐标是球面坐标，不便于直接进行各种计算。,（2）高斯平面直角坐标,利用高斯投影法建立的平面直角坐标系，称为高斯平面直角坐标系。,在广大区域内确定点的平面位置，一般采用高斯平面直角坐标。,高斯投影方法：将椭球面投影到平面上。在椭球面上划分投影带逐带投影到圆柱面上展开圆柱面成平面直角坐标系；特点：采用正形投影（即保角变换、保角影射）,高斯平面直角坐标系的建立,高斯平面直角坐标的建立方法,中央子午线,高斯投影示意图,使投影带的中央子午线与圆柱体相切，投影时其长度不变，展开后为X轴，向北为正；赤道与中央子午线正交，展开后为Y轴向东为正。,高斯平面直角坐标的表示,a）将以中央子午线为X轴的横坐标加上500000米；（纵坐标不变）b）为区分各坐标带，再在各点横坐标之前加上坐标带的带号。,为使用方便，将X轴向西移500km,O,A,B,xA,yA,xB,yB,x(N),中央子午线投影,500km,yA,yB,规定：中央子午线的投影为该坐标系的纵轴x，向北为正。赤道的投影为横轴y，向东为正。两轴的交点为坐标原点O。,规定：南北方向为纵坐标轴，记作x轴，向北为正；以东西方向为横坐标轴，记作y轴，向东为正；坐标原点O一般选在测区的西南角，使测区内各点的x、y坐标均为正值；坐标象限按顺时针方向编号。,（3）独立平面直角坐标,当测区范围较小时，可以用测区中心点a的水平面来代替大地水准面。在这个平面上建立的测区平面直角坐标系，称为独立平面直角坐标系。,(4)空间三维坐标系,地心坐标系是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。,x,o,y,z,地心坐标系,参心坐标系,参心坐标系是以参考椭球体的中心为坐标原点，以椭球短轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。,x,o,y,z,2地面点的高程,（1）绝对高程,地面点到大地水准面的铅垂距离，称为该点的绝对高程，简称高程，用H表示。地面点A、B的高程分别为HA、HB。,（2）相对高程,地面点到假定水准面的铅垂距离，称为该点的相对高程或假定高程。A、B两点的相对高程为HA、HB。,（3）高差,地面两点间的高程之差，称为高差，用h表示。高差有方向和正负。,A、B两点的高差为：,B、A两点的高差为：,A、B两点的高差与B、A两点的高差，绝对值相等，符号相反，即：,确定地面点的位置,基准面（大地水准面）,将地面点投影在大地水准面上,高程（H）,平面坐标（x、y）,我国国家高程系统：黄海高程系我国国家高程基准：1985年国家高程基准,我国取青岛附近黄海平均海水面为大地水准面；人为而定，相对稳定(我国1956年取前6年的平均潮位作为大地水准面；1985年取1953年1979年共26年观测的平均潮位作为大地水准面)；水准原点建在青岛市内，作为我国的国家高程基准。1956年高程基准的高程为72.289米，1985年高程基准的高程为72.260米。,上海地区高程系统：吴淞高程系,高程系统与高程基准,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。黄海平均海面作为中国的水准基面，即零高程面。用精密水准测量测定水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点的高程，定为全国高程控制网的起算高程。,1-4水平面代替水准面的限度,一、对距离的影响,以水平长度D代替弧长D所产生的误差D为：,结论：在半径为10km的范围