学习情境1：-工程测量基础知识

学习情境一工程测量基础知识,道路工程测量是道路桥梁工程专业的一门职业能力通用课程，主要培养学生解决道路桥梁工程测量技术相关问题的能力，运用现行测量技术标准和实施测量的能力，提高学生处理实际工程施工测量问题的能力。通过该课程的学习，能熟练的使用水准仪、经纬仪、全站仪等测量仪器，可以在公路建设过程中，对公路工程进行测绘和施工放样测量。,公路工程是国民经济的重要命脉，在公路工程建设的迅速发展的过程中，工程测量是公路工程建设的关键，任何一个环节，任何一个部位出现的位置、尺寸等需要用到测量工作，测量工作直接影响到公路的建设速度、建设质量，因此工程测量成为保证工程保质保量按时完成的重要工作。,学习本课程的意义,土木工程（包括公路、建筑）的设计、施工、竣工、扩建维修及变形监测均要进行测量工作。从高职专业的特点看，更要学好测量学,本课程学习目标,学习本课程之后，要求达到掌握普通测量学的基本知识和基础理论，能正确使用工程水准仪、工程经纬仪等仪器和工具；了解大比例尺地形图的成图原理和方法，在工程设计和施工中，具有正确应用地形图和有关测量资料的能力和进行一般工程施工测设的能力；具有较强的测、算、绘的测量基本功，以便能灵活应用所学的测量知识为专业工作服务。,本课程学习要求,认真听课；做好笔记；独立完成作业；实训课认真对待。,世界测绘科学的发展,世界测绘科学的发展与成熟始于17世纪。1617年开始应用三角测量；1668年出现了放大倍数为40倍的望远镜，并普遍应用于各种测量仪器上。法国人皮卡尔等从1669年起进行子午线弧长测量，直到17921798年米申和德伦贝尔进行了历史性的工作，把通过巴黎的子午圈的长度的四千万分之一作为lm。德国数学家高斯在1794年提出了最小二乘法理论，奠定了测量平差的基础。高斯又于18161820年推导了横圆柱正形投影的计算公式，克吕格在1912年加以研究改进，用于测量实际。,世界测绘科学的发展,20世纪50年代前后开始，不少新的科学技术迅速发展。如电子学、信息论、相干光理论、电子计算机、空间科学技术等，它们又推动了测绘科学的发展。1947年研究利用光波进行测距，到60年代中期利用氦氖激光器作为光源的电磁波测距仪就问世了，这是量距工作的一大变革。在80年代电磁波测距仪在白天或黑夜的最大测程就能达到60公里，而且精度可达（5mm+1ppm）。短测程的测距仪，测程为12km，误差仅及厘米。,20世纪40年代自动安平水准仪的问世，标志着水准测量自动化的开端。1990年已研制出数字水准仪，可以作到读数记录全自动化。1968年生产了电子经纬仪，它采用光栅、光学编码来代替刻度分划线，以电信号方式获得测量数据，并可自动记录在存贮载体上。陀螺经纬仪与激光经纬仪亦已应用于工程测量的定向工作。1957年第一颗人造地球卫星上天，1966年开始进行人卫大地测量，能够全天候观测，速度快，精度高，对洲际之间、岛屿和岛屿之间及岛屿和大陆之间的联测能既快速又正确。20世纪70年代，通过人造卫星拍摄地球的照片，使航天技术有了广泛发展和应用。80年代开始发射的全球定位系统卫星，在90年代全部完成发射任务。,数字化自动成图系统，其中包括航测数字化成图与全站仪数字化成图，它与传统的方法相比，具有成图周期短、劳动强度小、图纸精度高等等无可比拟的优点。“3s”技术的崛起，其中包括地理信息系统、全球定位系统和遥感，使测绘科学走向更高层次的电子化与自动化。,我国测绘科学的发展,早在春秋战国时期，已经制成了利用磁石的指南仪器“司南”，它是沿用几千年的指南针与罗盘的雏型。大约是公元前2200年，夏禹治水时，使用了“左准绳，右规矩”的测量工具和方法。长沙马王堆3号汉墓出土了西汉时期的地形图和驻军图。东汉张衡研制的天球仪与侯风地动仪、魏晋时期刘徽的海岛算经、西晋裴秀的制图六体、唐李吉甫的元和群县图志等等一系列成就都在我国测绘史上增添了光辉的篇章。,唐代僧一行（张遂）主持了大规模的天文测量，其中包括公元724年进行的从河南滑县到上蔡长达300km的子午线弧长测量，并用日圭测定纬度，这是世界上最早的子午线弧长测量。宋代沈括在他的著名著作梦溪笔谈中提出了磁偏角现象，这比哥伦布的发现要早400年。郭守敬（元朝时期的著名天文学与水利学家）编制出我国古代最先进、施行最久的历法授时历，最早提出用平均海水面作为高程基准面的思路，比西方要早几百年。在我国清代初期开展了全国性测图工作，17081718年完成了皇舆全图。（法国在17301780年进行全国性地形测量。俄国在1745年绘成了欧洲部分地图13幅和亚洲部分地图6幅）,我国测绘事业自1949年新中国成立后进入了迅速发展的时期。1956年建立了国家测绘总局，建立了全国统一的坐标系统和高程系统，建立了全国范围的大地控制网，测绘了全国基本图和大量不同比例尺地形图。,测量学是一门研究如何确定地球表面上点的位置；如何将地球表面的地貌、地物、行政和权属界线测绘成图；如何确定地球的形状和大小；以及将规划设计的点和线在实地定位的科学。任务：1、测绘：地面的地物地貌测量绘制成图2、测设（放样）：将图上设计建（构）筑物的图形和位置在实地标定，作为施工或定界的依据图上的设计实地（俗称施工放样）,测量学及其任务,1、测绘（地面图纸）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。,测量学及其任务,1、测设（图纸地面）测定地面现状的位置。测定的成果：将图纸上设计的建筑物、构筑物的平面位置和高程，放样于实地，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。,测量学的分类,大地测量学研究和确定地球形状、大小、整体与局部运动和地球表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的科学。摄影测量与遥感学研究利用电磁波传感器获取目标物的影像数据，从中提取语义和非语义信息，并用图形、图像和数字形式表达的学科。地图制图学与地理信息工程研究利用地图图形科学地、概括抽象地反映自然界和人类社会各种现象的空间分布、相互关系及其动态变化，并对空间信息进行获取、智能抽象、存储、管理、分析、处理、可视化及其应用的科学。,测量学的分类,海洋测量学它以海洋水体和海底为测绘对象，研究测量及海图编制的理论和方法的科学，主要包括海道测量、海洋大地测量、海底地形测量、海洋专题测量以及航海图、各类海洋图等的编制。工程测量学研究工程建设与自然资源开发中在规划、勘测设计、施工与管理各个阶段进行的控制测量、地形测绘、施工放样和变形监测的理论和科学技术。工程测量学是测绘科学技术在国民经济和国防建设中的直接应用。,测量学在公路建设中的应用,测量学在道路、桥梁和隧道工程建设中有着广泛的应用。例如：在勘测设计的各个阶段，要求有各种比例尺的地形图，供城镇规划、路线选线、路线平面图设计纵断面设计和横断面之用。在施工阶段，要将设计的路线、桥梁等构筑物的平面位置和高程测设于实地，以便进行施工。施工结束后，还要进行竣工测量，绘制竣工图，供日后扩建和维修之用。即使是竣工以后，对某些大型及重要的建筑物和构筑物还要进行变形、沉降观测，以保证建筑物的安全使用。,地球的形状和大小,地球自然形体：是一个不规则的几何体，陆地面积约占21%，海洋面积约占地球表面的71%。,地球的形状和大小,垂线：重力的作用线称为铅垂线，简称垂线。（测量工作的基准线）。水准面：一个自由静止的海水面，向陆地延伸而形成的一个闭合曲面称为水准面。大地水准面：与平均海水面相吻合的水准面称为大地水准面。（测量工作的基准面）。大地体：大地水准面包围的地球形体称为大地体。,水准面与大地水准面的概念,水准面（levelsurface）：处处与铅垂线相垂直的曲面。大地水准面（geoid）：与平均海水面重合的水准面。（大地水准面是有微小起伏的复杂曲面，其原因是地球内部质量分部不均）。,由于大地水准面是一个不规则的曲面，不能用数学公式表述，因而需要寻找一个理想的几何体代表地球的形状和大小。该几何体必须满足两个条件：形状接近地球自然形体；可以用简单的数学公式表示。,参考椭球体一个非常接近大地体，并可用数学式表示的几何形体，作为地球的参考形状和大小。它是一个椭圆绕其短轴旋转而形成的形体，故又称旋转椭球体。参考椭球面是参考椭球体外表面，是球面坐标系的基准面我国目前采用的元素值为：长半径a=6378140m扁率=1:298.275由于很小，在精度要求不高时，可近似将地球当作圆球体，其半径为平均值6371km。,(1-1),(1-2),测量工作的基准线与基准面,测量工作的基准线铅垂线测量工作的基准面大地水准面测量内业计算的基准线法线测量内业计算的基准面参考椭球面,地面点位的表示方法,地面点的空间位置可以用点在水准面或水平面上的位置（X，Y）及点到大地水准面的铅垂距离（H）来确定。如地面点：A（X，Y，H）,地面点的高程,地面点的高程：地面点沿铅垂方向到大地水准面的距离。注：地面点在大地水准面以上，H为正；地面点在大地水准面以下，H为负。如图：HA=166.780m；HB=-136.680m,绝对高程（海拔）：某点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。如：HA、HC。相对高程：某点沿铅垂线方向到任意水准面的距离。如：HA、HC。高差：地面上两点高程之差。如：hAC=HCHA；hAC=HCHA当hAC为正时，C点高于A点；当hAC为负时，C点低于A点；,我国的高程系统,水准原点：全国高程的起算点。1956年黄海高程系72.289m；1985年国家高程基准72.260m目前我国统一采用1985年国家高程基准。,水准原点设在青岛市，高程为72.260m（1985国家高程基准）（注：1956黄海高程系为72.289m),中国黄海高程系统示意图,水准原点,青岛验朝站,海底,黄海平均海水面,地面点在投影面上的坐标,地面点的坐标常用地理坐标、平面直角坐标或空间直角坐标表示。（一）地理坐标以参考椭球面为基准面，以椭球面法线为基准线建立的坐标系。地球表面任意一点的经度和纬度，称为该点的地理坐标，可表示为A（L,B）。如：北京东经11628北纬3954,S,纬线,N,O,地轴：地球的自转轴(NS)，N为北极，S为南极。,子午面：过地球某点与地轴所组成的平面。,子午线：子午面与地球面的交线，又叫经线。,起始子午面：通过英国格林尼治天文台的子午面NGS。,纬线：垂直于地轴的平面与地球面的交线。,赤道平面：垂直于地轴并通过地球中心的平面WME。,赤道：赤道平面与地球面的交线。,W,E,赤道,赤道平面,起始子午面,起始子午线,G,地面点在投影面上的坐标,大地原点：全国统一坐标的起算点。我国大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇，距西安36公里，1977年动工，1978年建成。我国统一采用的坐标系为“1980年国家坐标系”。,高斯平面直角坐标系,高斯投影是一种等角投影。它是由德国数学家高斯（Gauss，17771855）提出，后经德国大地测量学家克吕格(Kruger，18571923)加以补充完善，故又称“高斯克吕格投影”，简称“高斯投影”。,高斯投影原理,N,S,c,中央,子,午线,赤道,高斯投影采用分带投影。将椭球面按一定经差分带，分别进行投影。,高斯投影带的划分,我国规定按经差6和3进行投影分带。6带自首子午线开始，按6的经差自西向东分成60个带。3带自1.5开始，按3的经差自西向东分成120个带。,高斯投影带的划分,3带的中央子午线与6带中央子午线及分带子午线重合，减少了换带计算。工程测量采用3带，特殊工程可采用1.5带或任意带。,高斯平面直角坐标系的建立,坐标系的建立：x轴中央子午线的投影y轴赤道的投影原点O两轴的交点注：X轴向北为正，y轴向东为正。,O,x,y,P,（X，Y）,高斯自然坐标,赤道,中央子午线,由于我国的位于北半球，东西横跨12个6带(1323带)，22个3带（2545带）。各带又独自构成直角坐标系。故：X值均为正，而Y值则有正有负。,若已知某点的经度为L，则该点的6带带号N由下式计算：N=L/6（取整）+1若已知某点的经度为L，则该点所在3带的带号按下式计算：n=L/3（四舍五入）高斯平面直角坐标的规定：为避免横坐标Y出现负值，规定把Y坐标横向向西平移500Km；为了根据横坐标能确定该点位于哪一个六度带内，规定在横坐标值前冠以带号。,高斯平面直角坐标系通用横坐标,按高斯直角坐标定义可知：X轴西边各点的Y值均为负。为使Y值为正值，将Y实际均加500km，称Y的通用横坐标,即Y通用=带号+Y实际+500km例：n点在20带，其实际坐标Y实际=-113424.690mY通用=20（-113424.690m+500000）=20(386575.310)m=20386575.310m,高斯平面直角坐标系与数学上的笛卡尔平面直角坐标系的异同点：不同点：1、x，y轴互异。2、坐标象限不同。3、表示直线方向的方位角定义不同。相同点：数学计算公式相同。,当测区范围较小时，可将大地水准面看作平面，并在平面上建立独立平面直角坐标系；地面点的位置可用平面直角坐标确定；坐标系原点一般选在测区西南角（测区内X、Y均为正值）；原点坐标值可以假定，也可以采用高斯平面直角坐标；规定：X轴向北为正，Y轴向东为正。,用水平面代替水准面的限度,在实际测量工作中，在一定的测量精度要求和测区面积不大的情况下，往往以水平面直接代替水准面，就是把较小一部分地球表面上的点投影到水平面上来决定其位置。一、水准面的曲率对水平距离的影响：在半径为10km的圆面积内进行长度的测量工作时，可以不必考虑地球曲率；也就是说可以把水准面当作水平面看待，即实际沿圆弧丈量所得距离作为水平距离，其误差可忽略不计。二、水准面的曲率对水平角度的影响：计算表明，对于面积在100km2以内的多边形，地球曲率对水平角度的影响只有在最精密的测量中才需要考虑，一般不必考虑。三、地球曲率对高差的影响：地球曲率的影响对高差而言，即使在很短的距离内也必须加以考虑。,用水平面代替水准面的限度,一、对距离的影响水准面上弧长为S，