矿山测量第一章绪论

,第一章绪论,1.1测绘学的任务及其在工程中的作用1.2地面点位的确定1.3测量工作概述,第一章绪论,1.1测绘学的任务及其在工程中的作用（SurveyingandMapping）,测量学概念：研究地球的形状和大小及如何确定地面点位置的科学，（地面、地下和空间各种物体的几何形态及其空间位置）。为人类了解自然、认识自然和能动地改造自然服务。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,主要任务：概括起来主要有三方面：精确地测定地面点的位置及地球的形状和大小将地球表面的形态及其他相关信息测绘成图进行经济建设和国防建设所需要的测绘工作,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,测量学内容：包括测定和测设两部分。测定：就是使用测量仪器和工具，将测区内的地物和地貌缩绘成地形图，供规划设计、工程建设和国防建设使用。测设(也称放样)：就是把图上设计好的建筑物和构筑物的位置标定到实地上去，以便于施工。,测量学的许多分支学科：大地测量学:Geodesy(GeodeticSurveying）地形测量学(普通测量学):Topographicsurveying摄影测量学:Photogrammetry(航空摄影测量学、地面摄影测量学、水下摄影测量学和航天摄影测量学等)海洋测绘学:SeaSurveyingandMapping工程测量学:EngineeringSurveying,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,矿山测量学:MineSurveying地图制图学:Cartography地籍测量学:CadastralSurveying随着遥感(RS)、卫星全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)等新技术的不断发展，新的测量分支学科将不断涌现。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,主要分支学科简介：大地测量学:Geodesy(GeodeticSurveying)它是以地球表面大区域为研究对象，是研究和确定地球形状、大小、地球重力场、整体与局部运动、测定地面点几何位置以及大地区控制测量问题的学科。大地测量学中测定地球的大小，是指测定地球椭球的大小；研究地球形状，是指研究大地水准面的形状；测定地面点的几何位置，是指测定以地球椭球面为参考面的地面点的位置。计算必须考虑地球的曲率影响。因而在理论和方法上严密复杂。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,它为地球科学、空间科学、地震预报、陆地变迁、地形图测绘及工程施工提供控制依据。若只以国家三、四等控制为研究内容并为地形图测绘和施工测量提供控制基础，这种大地测量学特称为控制测量学。其基本任务是：建立国家大地控制网，测定地球的形状、大小和重力场，为地形测图和各种工程测量提供基础起算数据；为空间科学、军事科学及研究地壳变形、地震预报等提供重要资料。按照测量手段的不同，大地测量学又分为常规大地测量学、卫星大地测量学及物理大地测量学等。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,地形测量学(普通测量学):Topographicsurveying地形测量学是研究测绘小地区地形图，把地球表面看做平面而不考虑地球曲率影响的学科。是测绘科学的一个基础部分，是研究测绘地形图的基本理论、技术和方法的学科。由于测绘工作是在面积不大的测区内进行的，地球曲率半径又很大(平均为6371km)，可视小区域球面为平面而不必顾及地球曲率及地球重力场的微小影响，从而使理论和方法都得到简化。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,把地球表面的各种自然形态，如水系、地貌、土壤和植被的分布，以及人类社会活动所产生的各种人工形态，如境界线、居民地、交通干线和各种建筑物的位置采用正射投影的理论，使用一定符号，按一定比例，相似地缩绘到平面图上，这种图叫做地形图。地形图的测绘和应用是地形测量学的核心内容，地形图在国民经济和国防建设中有着广泛的用途。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,摄影测量学与遥感(Photogrammetryandremotesensing):摄影测量学是利用摄影像片来测定物体的形状、大小和空间位置的学科。按获取像片的方法及遥感距离的不同，它又可分为：地面摄影测量学、航空摄影测量学、航天摄影测量学、水下摄影测量学等分支学科。利用摄影或遥感的手段获取被测物体的信息(影像的或数字式的)，经过对图像的处理、量测、判释和研究，以确定被测物体的形状、大小和位置，并判断其性质。,摄影测量主要用于测制地形图，它的原理和基本技术也适用于非地形测量。自从出现了影像的数字化技术以后，被测对象既可以是固体、液体，也可以是气体；可以是微小的，也可以是巨大的；可以是瞬时的，也可以是变化缓慢的。只要能够被摄得影像，就可以使用摄影测量的方法进行量测。这些特性使摄影测量方法得到广泛的应用。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,用摄影测量的手段成图是当今大面积地形图测绘的主要方法。摄影测量发展很快，特别是与现代遥感技术相配合使用的光源可以是可见光或近红外光，现在已发展为在电磁波其他范围内得到构像。其运载工具他可以是飞机、卫星、宇宙飞船及其飞行器。因此，：摄影测量与遥感已成为非常活跃和富有生命力的一个独立学科。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,遥感：遥感是遥远感知的意思（RemoteSensing)遥感技术是根据电磁波理论，应用各种光学、电子学和电子光学探测器，即传感器，不直接与研究对象接触，而是从高空或远距离对研究对象的特征进行量测，再经过加工处理，并最终成像，从而达到识别研究对象的目的。,海洋测绘学:SeaSurveyingandMapping以海洋和陆地水域为对象进行测量工作的学科。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,工程测量学:EngineeringSurveying工程测量学是为满足工程建设的需要，结合各种工程建设的特点而进行的测量工作，研究工程建设在规划设计、施工放样和运营管理各阶段中进行测量工作的理论、技术和方法的科学，所以又称为实用测量学或应用测量学。它是测绘学在国民经济和国防建设中的直接应用。按工程建设进行的程序，工程测量在各阶段的主要任务有：在规划设计阶段所进行的测量工作，是将图上设计好的建筑物标定到实地，确保其,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,形状、大小、位置和相互关系正确，称为放样；在施工阶段进行的各种施工测量，是在实地准确地标定出建筑物各部分的平面位置和高程，作为施工和安装的依据，以确保工程质量和安全生产。工程竣工后，要将建筑物群体测绘成竣工平面图，作为质量验收和日后维修的依据，称为竣工测量；又称为测设。对于大型工程，如高层建筑物、水坝等，工程竣工后，为监视工程的状况，保证安全，需进行周期性的重复观测，即变形监测。工程测量服务的领域非常广阔，有军事建筑、工业与民用建建、道路修筑、水利枢纽建造等。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,矿山测量学:MineSurveying研究如何确保矿产资源合理开发、安全生产和矿区生态环境治理的一门学科。它是综合运用测量、地质及采矿等多种学科的知识，来研究和处理矿山地质勘探、建设和采矿过程中由矿体到围岩、从井下到地面在静态和动态条件下的工作空间几何问题。矿山测量学包括三项内容：一是矿山测量工程，研究矿区控制测量、地形测量、建井和开拓时期的施工和设备安装测量；矿山生产时期的井下控制测量、采区生产测量及各种生产设施的运行状况监测等，其作用被誉为“矿山的眼睛”,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,二是研究矿体几何和储量管理，确保矿产资源的合理开发和生产中准备煤量与开采煤量的合理接续；三是研究资源开采后所引起的岩层移动、地表沉陷规律以及露天矿边坡的稳定性和保护地面建筑物、造地复田和环境治理的理论和方法。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,地图制图学:Cartography地图制图学是研究利用所获得的测量成果资料，编绘和制印各种地图的学科。以地图信息传输为中心，探讨地图及其制作的理论、工艺技术和使用方法的一门综合性学科，它主要研究用地图图形反映自然界和人类社会各种现象的空间分布、相互联系及其动态变化，具有区域性学科和技术性学科的两重性，所以亦称地图学。主要内容包括地图编制学、地图投影学、地图整饰和制印技术等。现代地图制图学还包括用空间遥感技术获取地球、月球等星球的信息，编绘各种地图、天体图以及三维地图模型和制图自动化技术等。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,测量仪器学研究测量仪器的制造、改进和创新的学科。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,二、测绘学科的应用范围很广：测绘工作是各项工程建设、资源开发、国防建设的基础性、超前性工作。在国民经济建设和社会发展规划中，测绘信息是最重要的基础信息之一。在国防建设中，军事测绘和军用地图是现代化大规模诸兵种协同作战必不可少的重要保障；在科学实验、航空航天、地壳变形和地震预报等研究工作中，都要用到测绘资料。在城乡建设规划、国土资源的合理利用、农林牧,大地构造运动和地球动力学的几何信息，结合地球物理的研究成果，解决地球内部运动机制问题。具体来说，测绘学在国民经济建设和国防建设中的主要作用可归纳成以下几方面：（1）提供基础数据：提供一系列点的大地坐标、高程和重力值，为科学研究、地形图测绘和工程建设服务。(2)提供地图：提供各种比例尺地形图和地图，作为规划设计、工程施工和编制各种专用地图的基础。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,(3)行政勘界与权属定界：准确测绘国家陆海边界和行政区划界线，以保证国家领土完整和邻邦友好相处。（4）提供各种工程需要的测量技术：为地震预测预报、海底资源勘测、灾情监测调查、人造卫星发射、宇宙航行技术等提供测量保障。(5)军事测绘：为现代国防建设和确保现代化战争的胜利提供测绘保障。,1.1测量学的任务及其在工程中的作用,12地面点位的确定,一、地球的形状与大小(theshapeandsizeoftheearth)“地球的形状是甚么样的？”Whatistheshapeoftheearth?,12地面点位的确定不规则曲面，平均半径6371km珠峰8844.43m，马里亚纳海沟11022m，海洋约71%陆地约29%,相差近20000m,12地面点位的确定,（1）水准面、大地水准面和大地体：,水准面:设想有一个静止的海水面向陆地下面无限延伸而形成一个封闭的曲面，这个曲面称为水准面。海水有潮有汐，时高时低，所以水准面有无数个。其中通过平均海水面的那一个水准面，称为大地水准面。大地水准面是测量工作的基准面。,由大地水准面所包围的地球形体称为大地体。它代表了地球的自然形状和大小。水准面的特性：1）水准面上各点的铅垂线都与水准面相垂直；2）同一水准面上的重力位处处相等；铅垂线：离心力和地球引力的合力称为重力，重力的方向线称为铅垂线。铅垂线是野外测量工作的基准线。,由于地面点的铅垂线方向决定于地球内部物质的吸引作用，而地球内部物质分布是不均匀的，致使地面上各点的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十分复杂和不规则的曲面，是个物理面，目前还不能用数学形体来表示。无法在这曲面上进行测量数据处理。,（2）旋转椭球体（ellipse）,为了测量计算和制图的方便，我们采用一个和大地水准面很接近（似大地水准面）而又规则的数学形体来代替它，这个形体就称为地球椭球。地球椭球是由椭圆NWSE绕其短轴NS旋转而成，故又称为旋转椭球或参考椭球。在测量工作中，就是用这样的椭球面代替大地水准面，作为测量计算的基准面和研究地球几何形状的参考面，并在地球椭球面上建立大地坐标系。,（3）旋转椭球体模型,特征参量：长半径：a=6371km极地扁率fp赤道扁率fe（或）,旋转椭球体（双轴椭球体）：假定赤道面为圆形，即用a代替b，方程为：,地球椭球几何参数,（4）测量常用坐标系统平面坐标：1）天文坐标通过地轴和地球上任意点P的平面NPS，称为P点的子午面，它与地球表面的交线称为子午线或经线。国际上公认通过英国格林尼治天文台的子午面为本初子午面，相应的子午线本初子午线。垂直于地轴的平面与地球表面的交线称为纬线。通过球心O且垂直于地轴的平面称为赤道平面，它与球面的交线称为赤道。本初子午面和赤道平面，是确定地面点经度和纬度的两个基本平面。,2）独立平面直角坐标系在小区域内进行测量工作，将椭球面看做平面，通常采用平面直角坐标。测量工作中所采用的平面直角坐标系与数学中所介绍的相似，只是坐标轴互易。如图南北方向为纵轴-x轴东西方向为横轴-y轴测量坐标系的、象限为顺时针方向编号。而数学坐标系则按逆时编号。这是因为测量上规定所有直线的方向都是从纵坐标轴北端起按顺时针方向量度的。,如果测区范围较大，就不能再将地球表面当做平面看待，如何将地面点投影到参考椭球面上，按有关理论进行计算和制图，但人们在规划、设计和施工中又习惯使用平面图来反映地面形态，而且在平面上进行计算和绘图要比在球面上方便得多。这样就产生了如何将球面上的物体转换到平面上的投影变换问题。为了解决球面与平面这对矛盾采用地图投影的方法将球面上的大地坐标转换为平面直角坐标，在测量工作中，是采用高斯投影的方法来解决的。,高斯投影的概念地图投影：将球面上的坐标转换到平面三种投影变形：长度变形、角度变形和面积变形三种。对于地形图的测绘来说，要求投影后的角度保持不变形，同时长度变化也要尽可能小，只有采用正形投影又叫等角投影，才能满足上述要求。正形投影有两个基本条件，一是保角性，即角度投影后大小不变，这就保证了微分图形投影后的相似性；二是伸长的固定性，即长度投影后产生变形，但同一点上不同方向的微分线段，投影后长度比为一常数。,高斯投影的规律是：(1)中央子午线的投影为一条直线，且投影之后的长度不变；其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，长度较球面上的相应经线略长。离对称轴越远，其长度变形也就越大；(2)赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；(3)经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形；(4)中央子午线和赤道的投影相互垂直。高斯投影没有角度变形，但有长度变形和面积变形，离中央子午线越远，变形就越大。,高斯分带投影为了对变形加以控制，测量中采用限制投影区域的办法，即将投影区域限制在中央子午线两侧一定的范围，这就是所谓的分带投影，如图所示。投影带一般分为6带和3带两种。,投影带宽度：相邻子午面间的经度差来划分6带：6带投影是从英国格林尼治天文台起始子午线开始，自西向东，每隔经差6分为一带，将地球分成60个带，其编号分别为160（即1、2、60），各带的中央子午线的经度L0依次为3，9，15，357。带号n与其每带的中央子午线的经度(L）可用下式计算：L=n6-3已知经度L求带号n：n=int(L/6)+1注：L取到度我国境内有11个6带（13带到23带）,3带：自东经130开始每隔经差3划分为一带，全球共分120带。编号依次为1120，各带的中央子午线的经度L0依次为3，6，9，360。不难看出，3带的中央子午线经度有一半与6带中央子午线经度相同，另一半是6带的分带子午线的经度。带号n与其中央子午线的经度(L）有下列关系：L=n3已知经度L求带号n：n=int(L-1.5)/3)+1注：L取至分我国境内22个3带（24带到45带）,我国领土位于东经72136之间，共包括了11个6投影带，即1323带；22个3投影带，即2445带。成都位于6带的第18带，中央子午线经度为105。淮南位于第20带，在投影带的两侧。例：首都北京位于东经11623，所在6带和3带的中央子午线经度L60=L30=1170，则由式得：n=int(L60/6)+1=20k=int(L30-1.5)/3+1=39可见，北京的6带带号为20，3带带号为39。注：计算时6带的带号时，L取到度就可以了。,高斯克吕格平面直角坐标系分带投影后，各带的中央子午线都和赤道垂直，以中央子午线作为纵坐标轴x，赤道为横坐标轴y，其交点O为坐标原点。这样，在每个投影带内，便构成了一个既和地理坐标有直接关系、又有各自独立的平面直角坐标系，称为高斯-克吕格坐标系。对应于每一个投影带，就有一个独立的高斯平面直角坐标系，区分各带坐标系则利用相应投影带的带号。,在每一投影带内，y坐标值有正有负，这对计算和使用均不方便，为了使横坐标y不出现负值，则无论3带或6带，每带的纵坐标轴要西移500km，即在每带的横坐标上加500km。为了指明该点属于何带，还规定在横坐标y值之前，要写上带号。,所以点的横坐标为y=N*1000000+500000+y未加500km和带号的横坐标值称为自然值，加上500km和带号的横坐标值称为通用值。我国位于北半球，X坐标值均为正值,例如：如图1-9中的A点位于18投影带，其自然坐标为X=3395451m，Y=82261m，它在18带中的高斯通用坐标则为X=3395451m，Y=18*1000000+500000+（82261m）=18417739m。如自然值：Y1=+36210.140m,Y2=-41613.070m通用值：Y1=38536210.140m,Y2=38458386.930m,图1-9高斯平面直角坐标,注：当纵轴西移后，凡位于中央子午线以东的点，它的横坐标值都大于500km，而位于中央子午线以西的点，其横坐标值都小于500km，但均为正值。此外，为了区分某点位于哪一带还规定在横坐标值前冠以带号。下图中，设A、B两点位于3带的第38带内，横坐标的自然值分别为：yA=+36210.140m，yB=-41613.070m将A、B两点横坐标的自然值加上500km，并在前面冠以带号，则通用坐标值为：YA=38536210.140mYB=38458386.930m怎样判断加没加带号？若y值超过6位则前面的两位就是带号，我国的带号都是两位。测绘管理部门提供的坐标成果均为通用值，而在实际使用时一般采用自然值，以方便计算。,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(elevation)或海拔。用“H”表示。高程值有正有负，在基准面以上的点，其高程值为正，反之为负。两点间的高程之差，称为高差(differenceinelevation)。用“h”表示。hAB=HB-HA。高差有正负之分，并用下标注明其方向。它反映相邻两点间的地面是上坡还是下坡，因此，高差值前应冠以正负号。hAB为正，表示B点高于A点，是上坡；hAB为负，表示B点低于A点，是下坡。,（5）高程系统,2)相对高程在局部地区或某项工程建设中，当引测绝对高程有困难时，可以任意假定一个水准面为高程起算面。从某点到假定水准面的铅垂距离，称为该点的假定高程或相对高程。,新中国成立后，我国的绝对高程以设在山东省青岛市的国家验潮站1950年到1956年观测验潮资料推算的黄海平均海水面作为全国高程的起算基准面，以此基准面的高程为零而建立的高程系统，称为“1956年黄海高程系”。国家于1956年在青岛建立了一个与平均海水面相联系的水准点，称为水准原点，其高程为72.289m，作为布设国家高程控制网的高程起算点。20世纪80年代初，国家又根据青岛验潮站1953年到1979年的观测资料，重新计算水准原点的高程为72.2604m，称为“1985年国家高程基准”，该基准已于1985年1月1日起执行。全国各地的地面点的高程，都是以青岛国家水准原点的黄海高程为起算数据，因而高程系统是全国统一的。在局部地区，如果远离已知高程的国家水准点，也可建立假定高程系统.,13测量工作概述,一、测量的基本工作和基本内容基本内容：地形图测绘（测定）和施工放样（测设）基本工作：就是测角、测距和测高差。,二、基本原则：,1.3测量工作应遵循的两个基本原则,第一条原则：“先控制后碎部、从整体到局部，从高级到低级”第二条原则：“步步有检核”,在施测步骤上，总是先布设首级平面控制网和高程控制网，然后再逐级加密低级控制网，最后以此为基础进行测图或施工放样，这就是“先控制后碎部”；,由于全国幅员辽阔，经济发展不平衡，测绘工作必须分期分批进行。为此，必须首先建立全国统一的坐标系统和高程系统，才能保证全国测绘资料的统一性。因此，测量工作的第一项原则是说，对任何测绘工作，均应先总体布置，而后分区分期实施,这就是“由整体到局部”。,从测量精度来看，控制测量精度较高，测图精度相对于控制测量来说要低一些，这就是“从高级到低级”,测绘工作的每项成果必须检核，保证无误后才能进行下一步工作，中间环节只要有一步是错的，以后的工作就徒劳