山东理工大学建筑测量1～2章

1,建筑测量,制作：郭丰伦,山东理工大学建筑工程学院,第一章测量学的基本知识,1-1测绘学,一、测绘学研究的对象和内容测绘学研究的对象是地球及其表面和外层空间中的各种自然物体和人造物体的有关信息。它研究的内容是测定空间点的几何位置、地球形状和大小、地球重力场及各种动力现象，研究采集和处理地球表面各种形态及其变化信息并绘制成图的理论、技术和方法以及各种工程建设中的测量工作的理论、技术和方法。,二、测绘学的分类普通测量学：是研究小区域地球表面的各类物体形状和大小的测绘科学。大地测量学：是把地表上一个较大区域或整个地球作为研究对象的测绘科学（常规大地测量和卫星大地测量）。摄影测量学：是利用摄影或遥感技术来研究地表形状和大小的测绘科学（地面摄影测量学、航空摄影测量学和卫星摄影测量学）。工程测量学（勘测、设计、施工和运营管理）地图制图学：研究地图投影、变换及成图技术和制图工艺等方面的科学。海洋测绘学：是研究测绘海岸、水面及海底自然与人工形态及其变化的理论、方法和技术的综合性学科。,1-1测绘学,三、测绘学的任务1、建立控制网；2、提供地形图、点位坐标；3、施工放样、设备安装、竣工测量等。四、测绘学的作用在国民经济建设（城市规划、道路建设、土地规划、管理、水利建设等）、国防建设、地震预测预报、资源勘测、地下电缆埋设、宇宙空间技术、灾情监视与调查等其它科学研究方面有着极其重要的作用。例如，一项工程从勘测、设计、施工和运营管理。,1-1测绘学,5,GPS,接收机,全站,仪,测量学常用仪器,1-2地球的形状及其地面点位置的确定,一、地球的形状和大小地球的表面高低起伏很不规则，最高达8848.43m（2005/10/10公布，原数据8848.13m为1975年数据，已停止使用）（位于我国与尼泊尔交界的珠穆琅玛峰），最低深达11022m（位于太平洋西部的马里亚纳海沟）相对高差约20km。相对地球半径约0.17%,在地球的表面海洋约占71%，陆地占29%，因此人们把地球总的形状看作是被海水包围的球体，设想有一个静止的海水面，向陆地延伸形成一个封闭的曲面，这个曲面称水准面。水准面是一个重力等位面，水准面的特性是它处处与铅垂线成正交。静止的水面就是一个水准面。重力是地球自转产生的离心力和地球引力的合力，重力的作用线又称铅垂线，铅垂线是测量工作的基准线。,1-2地球的形状及其地面点位置的确定,大地水准面,大地水准面：平均海水面是海水静止时的水面，是一个特定重力位的水准面，称为大地水准面。（由于地球内部的质量分布不均匀，使得地面上各点得铅垂线方向产生不规则变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的不规则曲面。）是测量工作的基准面。旋转椭球面：旋转椭球体：长半轴：a=6378.140km,短半轴：b=6356.755km,扁率：,参考椭球体的定位：大地水准面与参考椭球面的关系及参考椭球体的定位见下图：,10,参考椭球体的几何元素,长半轴a；短半轴b;扁率几种参考椭球的元素值见下表：,1、地面点的坐标,（一）地理坐标球面坐标系，以经、纬度表示地面点在球面上的位置。几个概念子午面、子午线、赤道面、赤道、经度、纬度、经线、纬线等。天文地理坐标（,）大地地理坐标（L、B）,(L),(B),S,N,W,E,首,子,午,线,A,O,地理坐标系,把地面点沿着铅垂线投影在大地水准面上用(,H)来表示；或投影在参考椭球面上用(L,B,H)来表示,淄博市张店区的地理位置为:东经1180011804.9，北纬3643.73649.6,二、地面点位的确定,(二)、高斯平面直角坐标,参考椭球面是不可展开的面，如何投影到平面上?方法：在参考椭球上横套一个椭圆柱面，让参考椭球上的某一子午线与之相切，将中央子午线两側范围内的地区投影到椭圆柱上，然后沿某一棱线展开，构成高斯平面坐标系。,(1)6投影带从零子午线开始每隔6为一个投影带，第一个6带的中央子午线的经度为3，第二个6带的中央子午线的经度为9，依次类推。第N带的中央子午线经度为：例如：淄博11804(2)3投影带从东经130的子午线开始经差每隔3划分一个投影带，其第一带的中央子午线是东经3，第二带中央子午线是东经6,依次类推。第N带的中央子午线经度为：例如：北京11624,高斯平面直角坐标系的建立,以中央子午线为x轴，以赤道的投影线为y轴,两者的交点为原点。每一带构成一独立的坐标系。,注意以下问题：1、与数学上的平面直角系有区别；2、为保证y为正y加500km；3、为区分各带，y前加带号。4、地面的点位用（x,y,H)来表示。如某点的高斯平面坐标为：xA=42345678.87mYA=20638543.51mHA=32.456m,国家地理范围：约从东经:72138，北纬：2546带（1223）；3带（2444）,A4045520.87939581899.120B4045196.43620712654.761C4068949.45239796847.525,X,X,Y,Y,B,Y,a,Xb,y,b,X,a,A,(b),(a),O,O,Y,Xb,A,B,y,a,X,b,a,O,500km,高斯平面直角坐标,（三）独立平面直角坐标,当测区较小时，可以把测区的一小块球面看作平面，将坐标原点选在测区西南角，使坐标为正值。以测区中心的子午线为x轴方向，建立独立平面直角坐标系。,（四）空间大地直角坐标系,空间大地直角坐标系分为参心直角坐标系与地心直角坐标系。前者在坐标系的转换中起作用；后者是卫星大地测量中的一种常用坐标系。,C80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向0经度方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系。,WGS84地心坐标系，该坐标系是美国国防部研制确定的大地坐标系。其坐标系的几何定义是：原点在地球质心,z轴指向BIH19840定义的协议地球极(CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点。Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。,（四）空间大地直角坐标系,注：WGS84（WorldGeodeticSystem1984年）CTP是协议地球极(ConventionalTerrestrialPole)的简称；BIH是国际时间局(BureauInternationaldeIHeure)的简称；除上述几何定义外，WGS84还有它严格的物理定义，它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS84椭球的大地水准面差距。,三、地面点的高程,绝对高程：HA、HB，相对高程：HA、HB高差：hAB=HB-HA=HB-HA,四、国家大地坐标系介绍,1、1954年北京坐标系建国初期，一方面废除了南京大地原点，又由于当时工作的急需和历史原因，从前苏联原点传算过来的北京地区某大地点的坐标作为我国的大地测量的起算数据，既所谓的1954年北京坐标系实际上它是以原苏联当时采用的1942年普尔科沃坐标系为基础建立起来的。采用克氏椭球，大地原点在现在俄罗斯的普尔科沃。,2、1980年国家大地坐标系鉴于1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准拟合不好等缺点。建立我国新的大地坐标系是必要的。1980年国家大地坐标系采用IGA-75椭球，大地原点在陕西省泾阳县永乐镇，按局部密切条件重新定位。,五、国家高程系介绍,1、1956年黄海高程系根据青岛验潮站1950-1956年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。由此建立的水准原点其高程为72.289m。2、1985年国家高程基准由于1956年黄海高程系采用的资料较短，不到一个潮汐周期（18.61)。根据青岛验潮站1952-1979年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。水准原点的高程为72.260m。,国家大地原点外貌,中华人民共和国大地原点，占地570平方米，主体建筑面积500平方米。大地原点的整个设施由主体建筑、中心标志、仪器台、投影台四部分组成。主体建筑为7层圆顶塔楼，高26米，顶部是玻璃钢整体半圆形屋顶，可自动启闭，以便进行天文观测。中心标志是位于地十室中心标石上的玛瑙标志。原点标石为整块花岗岩凿成，重7吨。原点标志用红色玛瑙石制成，直径10厘米，精美坚固。仪器台设在第7层仪器室内。投影台设于主体外北、东南、西南三个方向的三个亭式建筑中，亭中有仪器墩。大地原点对外开放，可参观游览，也是开展科普知识教育的好地方。,国家水准原点外貌,位于青岛观象山,一、水准面的曲率对水平距离的影响如右图所示用水平线段AC（t)代替弧线AE（S），其距离误差：s=t-s其中t=Rtgs=R则s=R（tg-）,地球表面,水平面,大地水准面,D,E,C,S,R,R,t,1-3用水平面代替水准面的限度,A,25,又角一般很小，tg+则s=R=其相对精度：若R=6371KM,则,结论：在半径为10KM的圆面积内进行长度测量时，可不考虑地球曲率的影响（因为最精密距离测量为1/100万）。,26,二、水准面的曲率对水平角度的影响同一个空间多边形它在球面上投影比它在平面上投影的内角和大一个球面角超：式中：为以秒计的弧度（1弧度=206265秒)；P为球面多边形面积；R为地球曲率半径。,从上表看对于面积在100平方公里的范围以内，地球曲率对水平角的影响只有在最精密的测量中才需考虑。,27,三、地球曲率对高差的影响,如右图可知：即,O,s,B,R,h,t,C,A,由此可知：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。,1-4测图原理与测量工作概述,一、测图原理测图过程（投影过程）见下图：测量基本工作：角度测量、距离测量、高程测量。测量三个基本要素：水平角度、水平距离、高差,二、测量工作的原则和程序测量工作所必须遵循的原则：在布局上“先整体，后局部”在程序上“先控制，后碎部”在精度上“由高级到低级”另外还要做到“步步检核，随时检查”,控制测量与碎部测量,测量工作可分两类：测量：将地面上各种自然和人工地物及地貌的平面位置和高程，按某种投影用规定的符号表示于图纸或数字地图上；测设：又称施工放样。是将图纸（或电子地图）上设计好的建筑物或构筑物的平面位置和高程标定在实地,本章小结主要内容如下：1、几个概念：水准面、大地水准面、参考椭球面、绝对高程、相对高程、大地（天文）经度、大地（天文）纬度。2、测量工作的基准面和基准线3、高斯-克吕格坐标轴系的建立过程。4、测量上的平面直角坐标与数学上的平面直角坐标有什么区别和联系。5、在实际测量工作中应遵循的原则。作业：P131、4、6、7、8、9、11、12,第二章水准测量,本章主要内容：一、高程测量的概念二、水准测量原理三、水准和水准尺四、水准测量的实施及成果整理五、水准仪的检验和校正六、水准测量误差及注意事项,本章重点及目的要求,本章重点：1、了解水准测量原理；2、掌握水准测量方法；3、掌握成果整理。目的与要求:1、了解水准仪的结构及使用；2、掌握水准测量的外业工作；3、掌握水准测量的内业计算工作。,高程测量的概念,高程测量就是根据一点的已知高程，测定该点与未知点的高差，从而计算未知点高程的方法。高程测量方法有：水准测量、三角高程测量、气压高程测量（通过气压变化）GPS高程测量四种。,2-1水准测量原理,水准测量原理是利用一条水平视线和水准尺来测定地面两点间的高差,由已知点高程推算未知点高程。如下图所示：,如图下所示：测定A、B两点之间的高差1、安置水准仪与A、B两点之间,在A、B两点上各竖水准尺一根；2、当仪器视线水平,分别读取a尺读数,b尺读数；,水准测量原理,两点间高差计算：,如图1-1所示由A点向B点进行测量,规定:A为后视点，a为后视读数；B为前视点，b为前视读数。两点间高差为:高差=后视读数-前视读数则hAB=a-b(2-1式),高差正负号区分,当ab时,高差为正值,说明前视点高于后视点；当ab时,高差为负值,说明前视点低于后视点；如果由AB测高差,则用hAB表示；如果由BA测高差，则用hBA表示；如果A到B的高差为正，则B到A的高差为负绝对值相同，符号相反。,带有转点的高差测定,如下图所示传递高程的立尺点，称为转点1）高差h1=a1-b1h2=a2-b2h3=a3-b3则hAB=h1+h2+h3=(a1-b1)+(a2-b2)+(a3-b3)=a-b2）高程,2-2水准测量仪器、工具及使用,水准测量仪器叫水准仪,工具有水准尺、尺垫一水准仪构造1、水准仪简介水准仪的作用:为两点间高差测定提供一条水平视线。仪器的类型:按精度分:DS05；DS1；DS3；DS10；DS20D表示大地测量仪器，汉语拼音开头的第一个字母。S表示水准仪，汉语拼音开头的第一个字母。仪器的精度：以每公里往返测高差中数的中误差表示。如DS3每公里测高差其中误差可达到3mm的精度。,水准仪简介,水准仪构造:水准仪由望远镜，水准器，和基座三个主要部分组成。1）望远镜望远镜的基本构造物镜、目镜、十字丝分划板、调焦透镜、物镜对光螺旋、目镜对光螺旋。,望远镜各部件的作用,物镜目镜物镜对光螺旋目镜对光螺旋十字丝分划板望远镜放大倍数。,十字丝分划板,如下图所示,中间一条叫中丝(水平丝)用中丝在水准尺上读取读数平行两个短丝为视距丝,用以测定仪器至标尺的距离,分别称上、下丝，中间一根为竖丝，竖丝用来精确照准目标(平分水准尺)。,望远镜放大倍数,1、放大倍数是测量仪器上的一个重要指标,S3水准仪放大倍数30,S1水准仪放大倍数45,放大倍数越大,仪器精度越高。S3望远200m以内,S1望远1km左右,S051km以上。2、视差及消除。（见下页图）,水准器,水准器用途和分类,圆水准器,水准器,水准器结构原理水准器置中精度分划值:,水准管分划值DS3=20/2mm圆水准器DS3=8/2mm,管水准器,圆水准器,水准器,（4）观察气泡方式：,3)基座基座支撑仪器，有三个脚螺旋起到整平仪器用。,符合水准器,水准尺及尺垫,1、水准尺1）简介2）水准尺类型单面尺双面尺3）水准尺读数方法2、尺垫,尺垫,尺桩,水准尺读数方法,以尺子的零端开始，在望远镜里从上往下（或者从下往上），从小到大读取水准尺上的读数。记录分别记为：米、分米、厘米、毫米。如1235、0842、0096、1530等。,水准仪的使用,操作步骤:1.水准仪粗平2.瞄准水准尺3.水准仪精平（如右图所示）4.读取水准尺上的读数注意：读数前一定精平（即气泡居中）读数后检查气泡居中情况。,2-3水准测量方法及成果整理,几个概念：1）水准点用国家等级水准测量的方法在全国各地埋设，并测定起一定控制作用的高程点,这些高程点称为水准点（BenchMark），记为BM，水准点是作为引测其它高程点的起始点。我国1985国家高程基准：72.260米2）水准点类型:永久性水准点、临时性水准点。,3）水准路线布设形式闭合水准路线（见图a)；附合水准路线(见图b)；支水准路线(见图c)；水准网（见图d）,一、水准路线的测量方法（外业）,1）测量水准路线各段之间的高差，并记录水准尺的读数。2）计算各段高差3）检核各段高差计算正确否(1)计算检核hAB=h1+h2+h3=(a1-b1)+(a2-b2)+(a3-b3)=a-b(2)测站检核变动仪器方法（双仪高法）双面尺法（双面尺法）,双仪高法,普通水准测量记录（两仪高法）,双面尺法,普通水准测量记录（双面尺法）,二、水准测量成果整理,(一)计算高差闭合差1.闭合水准路线闭合水准路线终点是起点，则闭合水准路线的高差闭合差理论值h理=0,则高差闭合差fh=h测.2.附和水准路线水准点A、B的高程是已知的，所以这两点之间理论高差值为h理=H终-H起=HB-HA则高差闭合差fh=h测-h理3.支水准路线h往,h返应绝对值相同,符号相反。h理=+h往=-h返则高差闭合差fh=h往+h返,二、水准测量成果整理,（二）高差闭合差限差(即允许范围)普通水准测量的容许高差闭合差规定:fh容=40(mm)适用于平原地区fh容=12(mm)适用于高山地区fh表示容许闭合差(mm)L水准路线总长（KM）N测站总数(三)高差闭合差分配1.计算每公里(每测站)高差改正数2.计算各段高差改正数（用两点间距离或测站数计算各段高差改正数）3.计算改正后高差(mm)(四)高程计算(m),水准测量例题,如下图所示,附合水准路线从BM.ABM.B,已知AB高程,求1、2、3点高程。,水准测量例题,一.计算闭合差fh=h测-h理=+4.330-4.293=+37（mm）fh容=40=40=109（mm）fhfh容,成果合格,可以分配计算二.闭合差分配1.每公里高差改正数vh公里=fh/S=37/7.4=5mm/km,2.各段改正数=每公里高差改正数Di见下页表所示总改正数大小等于闭合差总和，但符号相反。,水准测量成果整理,水准测量例题,3改正后高差hBM.A-2.331-0.008=+2.323h132.813-0.011=+2.802h23-2.244-0.008=-2.252h3-BM.B=1.430-0.010=+1.420h=4.293改正后高差应等于理论值,二.高程计算HA=45.286；H1=47.609；H2=50.411H3=48.159；HB=49.579已知A点高程利用高差推算B点高程等于理论高程.说明计算无误,2-4水准仪的检验与校正,一、水准仪轴线应满足的条件（一）水准仪主要轴线1、望远镜的视准轴CC；2、水准管的水准轴LL；3、仪器旋转轴（竖轴）VV；4、圆水准器的水准轴LL。,（二）各轴线应满足的条件1、CCVV；CC/LL；VV/LL。2、十字丝分划板横丝必须水平。,2-4水准仪的检验与校正,二、水准仪的检验与校正（一）圆水准器的检验与校正目的：使LL/VV检验：转动脚螺旋，使圆水准气泡居中，将仪器绕竖轴旋转180，若气泡仍居中，说明此条件满足，否则需校正。校正：用改锥拧松圆水准器底部中央的固定螺丝，再用校正针拨动圆水准器的校正螺丝，使气泡返回一半，然后转动角螺旋使气泡居中，复重检验校正，直至圆水准器的气泡在任何位置都在核划圈内为止，最后拧紧固定螺丝。,2-4水准仪的检验与校正,（二）十字丝横丝的检验与校正目的：使十字丝分划板横丝保持水平。检验：校正：,2-4水准仪的检验与校正,（三）水准管轴平行于视准轴的检验和校正(i角检验)目的：使LL/CC检验：在地面上选A、B两点，相距约80100m，各点钉木桩（或放置尺垫）立水准尺。安置水准仪于距A、B两点等距离处，用变动仪器高（或双面尺）法正确测出A、B两点高差，两次高差之差不大于3mm时，取其平均值，用hAB表示。再在B点附近23m处安置水准仪，分别读取A、B两点的水准尺读数a2、b2，应用公式a2=b2hAB求得B尺上的水平视线读数。若a2a2，则说明水准管轴平行于视准轴，若a2a2应计算I角，当i角20时需要校正。计算i角的公式为：式中：DABA、B两点间距离；=206265。校正：转动微倾螺旋，使横丝对准正确读数a2，这时水准管气泡偏离中央，用校正针拨动水准管一端的上、下两个校正螺丝，使气泡居中。再重复检验校正，直到i20为止。,见下页图,2-4水准仪的检验与校正,2-5水准测量误差注意事项,一.水准测量误差（一）仪器误差（二）观测误差(三)外界条件影响二注意事项1每次读数前都应使气泡居中。2读数时应看准尺底注记，不要误读。3观测者移动仪器到下一站，尺子才能动。4使用塔尺时应防止尺子下滑。5不要看错十字丝。,本章小结,基本内容：1.利用水准仪进行两点间高差的测定。2.水准路线各点高程的计算。重点掌握：1、水准测量的原理。2、水准测量的外业实施与内业成