第五章 工程测量学 (1)

1、海洋科学学院海洋信息工程系海洋科学学院海洋信息工程系涂辛茹涂辛茹 博士博士本章内容什麽是工程测量？什麽是工程测量？一个例子什么什么 是是 工程工程 测量测量 ？ 以以 隧道隧道 工程工程 为例为例什么什么 是是 工程工程 测量测量 ？ 以以 隧道隧道 工程工程 为例为例 1.1.历史悠久历史悠久 公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔公元前二十七世纪建设的埃及大金字塔 我国早在二千多年前的夏商时代夏禹治水我国早在二千多年前的夏商时代夏禹治水 秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程秦代李冰父子领导修建的都江堰水利枢纽工程 北宋时沈括治理汴渠北宋时沈括治理汴渠 马王堆汉墓出土的地图（地形图、驻军图和

2、城邑图）马王堆汉墓出土的地图（地形图、驻军图和城邑图） 公元前十四世纪幼发拉底河与尼罗河流域土地边界的划分测量公元前十四世纪幼发拉底河与尼罗河流域土地边界的划分测量 我国的地籍管理和土地测量我国的地籍管理和土地测量 四大发明之一的指南针有二千多年历史，对矿山测量等勘测的贡献四大发明之一的指南针有二千多年历史，对矿山测量等勘测的贡献 战争的促进：著名的军用道路战争的促进：著名的军用道路 战国时期秦始皇修建的千八百里战国时期秦始皇修建的千八百里直道直道 古罗马构筑的兵道古罗马构筑的兵道 218218年欧洲修建的通向意大利的年欧洲修建的通向意大利的“汉尼拨通道汉尼拨通道” 万里长城万里长城 2.2.

3、近现代大发展近现代大发展 三次技术革命三次技术革命5050年代，大型工程建设的需要年代，大型工程建设的需要6060年代，空间技术的发展年代，空间技术的发展7070年代，巨型实验室年代，巨型实验室2020世纪末，工程测量的外延和内涵不断扩展世纪末，工程测量的外延和内涵不断扩展测绘学是一个古老而现代的学科l测绘学是高科技学科测绘学是高科技学科 l测绘学属于信息学科测绘学属于信息学科 l测绘学有三个国家级重点学科测绘学有三个国家级重点学科 测绘工作是一个普通而广泛的职业l德国：巴伐利亚州有德国：巴伐利亚州有8000人在测人在测绘部门工作，全国平均每绘部门工作，全国平均每1000人人中就有一人在测绘部

4、门工作中就有一人在测绘部门工作 l比利时王子洛朗娶的平民美女克比利时王子洛朗娶的平民美女克莱尔莱尔.库布斯是一名土地测量员库布斯是一名土地测量员与测绘有关的名人知多少？ l林肯、华盛顿、拿破伦、赫鲁晓夫、林肯、华盛顿、拿破伦、赫鲁晓夫、勃列日涅夫作过测量员勃列日涅夫作过测量员 l李瑞环是工民建专业李瑞环是工民建专业 l温家宝是地质测量和找矿专业温家宝是地质测量和找矿专业 测绘界的院士知多少？ 夏坚白、王之卓、方俊 陈永龄、陈俊勇、刘先林 李德仁、宁津生、刘经南 许厚泽、魏子卿、王家耀 王任享、高 俊、张祖勋 许其凤、叶淑华定义一：定义一：工程测量学是研究各项工程在规划设计、施工工程测量学是研究

5、各项工程在规划设计、施工建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。建设和运营管理阶段所进行的各种测量工作的学科。 定义二：定义二：工程测量学主要研究在工程建设各个阶段所进工程测量学主要研究在工程建设各个阶段所进行的行的地形和有关信息的采集和处理，施工放样及设备安装、地形和有关信息的采集和处理，施工放样及设备安装、变形监测分析和预报等变形监测分析和预报等的理论、方法和技术，的理论、方法和技术，以及研究对以及研究对测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科。测量和工程有关的信息进行管理和使用的学科。 定义三：定义三：工程测量学是研究地球空间（包括地面、地下、工程测量学是研究地球空间（包括地面、地

6、下、水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体水下、空中）中具体几何实体的测量描绘和抽象几何实体的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。的测设实现的理论、方法和技术的一门应用性学科。 “广义工程测量学广义工程测量学”： 苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：苏黎世高等工业大学马西斯教授指出： “一切不属于地球测量，不属于国家地图一切不属于地球测量，不属于国家地图集的集的 陆地测量，和不属于公务测量的应陆地测量，和不属于公务测量的应用测量，都属于工程测量用测量，都属于工程测量”。 工程测量的任务：工程测量的任务： 为工程建设提供测绘保障，满足工程各为工程建设提供测绘保障，满足工程各种需

7、要。种需要。总的来说：总的来说： 以以工程建筑工程建筑为对象的工程测量为对象的工程测量 以以机器和设备机器和设备为对象的工业测量为对象的工业测量 技术方法上可分为：技术方法上可分为：普通工程测量普通工程测量精密工程测量精密工程测量按工程建设阶段划分 工程建设工程建设规划设计阶段规划设计阶段的测量工作的测量工作 工程建设工程建设施工阶段施工阶段的测量工作的测量工作 工程建设工程建设运营管理阶段运营管理阶段的测量工作的测量工作 建筑工程测量 水利工程测量 军事工程测量 海洋工程测量 地下工程测量 三维工业测量 铁路工程测量 公路工程测量 管线工程测量(输电线路、输油管道） 桥梁工程测量 隧道工程测

8、量 港口工程测量 城市建设测量 按服务对象划分 大地测量学大地测量学 （天文大地测量、几何大地测量、物理大地测（天文大地测量、几何大地测量、物理大地测量空间大地测量、卫星大地测量、海洋大地测量）量空间大地测量、卫星大地测量、海洋大地测量） 工程测量学工程测量学 （地形测量、矿山测量、施工放样、变形监测（地形测量、矿山测量、施工放样、变形监测 、不动产地籍与土地管理）不动产地籍与土地管理） 航空摄影测量与遥感学航空摄影测量与遥感学 地图制图学地图制图学 地理信息系统（工程）地理信息系统（工程） 1 1工程测量中的地形图测绘工程测量中的地形图测绘 1:11:1万至万至1:101:10万的国家地形图

9、系列万的国家地形图系列 ；1:20001:20001:50001:5000的局部性的局部性或带状地形图或带状地形图 ； 1:5001:500，1:10001:1000乃至更大比例尺的地形图、乃至更大比例尺的地形图、竣工图或专题图竣工图或专题图 ；水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘；水下（含江、河、库、湖、海等）地形测绘和各种纵横断面图。和各种纵横断面图。 2 2工程控制网布设及优化设计工程控制网布设及优化设计 测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网测图控制网、施工控制网、变形监测网和安装控制网 、纯测角、纯测角网网 、边角网、导线网、边角网、导线网、GPSGPS网。网。 3 3施工

10、放样技术和方法施工放样技术和方法 -点、线、面、体的点、线、面、体的 放样放样 4 4工程的变形监测分析和预报工程的变形监测分析和预报-多学科的多学科的 交叉领域交叉领域 5 5工程测量的通用和专用仪器工程测量的通用和专用仪器 经纬仪、水准仪、全站仪、经纬仪、水准仪、全站仪、GPSGPS接收机，测方向、角度、距接收机，测方向、角度、距离、高差、坐标差等几何量；测量机器人；专用仪器离、高差、坐标差等几何量；测量机器人；专用仪器: : 基基维线测量维线测量/ /准直测量、距离测量、高程测量、倾斜测量、三准直测量、距离测量、高程测量、倾斜测量、三维激光扫瞄仪。维激光扫瞄仪。 6 6工程测量学中的误差

11、及测量平差理论工程测量学中的误差及测量平差理论 最小二乘法；稳健估计最小二乘法；稳健估计p 第一章第一章 绪论绪论 p 第一篇第一篇 工程测量学的基本理论、方法与技术工程测量学的基本理论、方法与技术 p 第二章第二章 工程建设中的测量工作与信息管理工程建设中的测量工作与信息管理 p 第三章第三章 工程控制网布设的理论与方法工程控制网布设的理论与方法 p 第四章第四章 工程测量学的仪器与方法工程测量学的仪器与方法 p 第五章第五章 工程建设中的地形图测绘工程建设中的地形图测绘 p 第六章第六章 工程建筑物的施工放样工程建筑物的施工放样 p 第七章第七章 工程建筑物的变形监测工程建筑物的变形监测

12、p 第八章第八章 工业设备的安装和检校测量工业设备的安装和检校测量 p 第二篇第二篇 典型工程的测量和实践典型工程的测量和实践 p 第九章第九章 线状工程测量线状工程测量 p 第十章第十章 桥梁工程测量第十一章桥梁工程测量第十一章 水利工程测量水利工程测量 p 第十二章第十二章 工业与民用建筑测量工业与民用建筑测量 p 第十三章第十三章 地下工程测量地下工程测量 p 第十四章第十四章 大型粒子加速器中的精密测量大型粒子加速器中的精密测量 p 第十五章第十五章 展望展望 大地测量学大地测量学是基础是基础 小比例尺的地形图系列、数字或电子地图小比例尺的地形图系列、数字或电子地图地图制图学地图制图学

13、 中、小小比例尺的地形图生产中、小小比例尺的地形图生产航空摄影测量和遥感航空摄影测量和遥感 误差理论误差理论、测量平差测量平差、数理统计、数理统计 高等数学高等数学：级数、微积分、微分方程：级数、微积分、微分方程 物理学：电磁波传播、力学、光学物理学：电磁波传播、力学、光学 土建工程土建工程、机械工程、工程地质、水文地质和环境地质方、机械工程、工程地质、水文地质和环境地质方 面的知识面的知识 数据处理数据处理、图形图像处理，建立信息系统以及基于知识的专、图形图像处理，建立信息系统以及基于知识的专家系统都离不开计算机科学与技术方面的知识家系统都离不开计算机科学与技术方面的知识 国内外的学术交流要

14、有较好的人文管理方面的知识，还要学国内外的学术交流要有较好的人文管理方面的知识，还要学一至二门一至二门外语外语，具有较好的听、说、阅读理解乃至思维能力，具有较好的听、说、阅读理解乃至思维能力 工程建设工程建设规划设计阶段规划设计阶段工程建设工程建设施工阶段施工阶段工程建设工程建设运营管理阶段运营管理阶段提供地形资料，配合地质勘探和水文观提供地形资料，配合地质勘探和水文观测数据进行测量。测数据进行测量。以长江三峡水利枢纽工程为例：以长江三峡水利枢纽工程为例：三峡大坝工程三峡大坝工程按照设计要求，在实地准确地标定出建按照设计要求，在实地准确地标定出建筑物各部分的平面和高程的测量作为施筑物各部分的平

15、面和高程的测量作为施工和安装的依据。工和安装的依据。工程竣工后为监视工程状况，保证安全，工程竣工后为监视工程状况，保证安全，进行周期性的重复测量，观测其变形情况进行周期性的重复测量，观测其变形情况测量测量和和放样放样，都是使用工程测量的仪器和，都是使用工程测量的仪器和方法通过获得方法通过获得角度、距离、高差角度、距离、高差等观测量等观测量来实现的。来实现的。p 测量机器人 绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺陀螺(top),利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪陀螺仪(gyroscope)。 通过测量物体的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得物体瞬时速度和瞬时位置数据的技术。

16、惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合， 3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。Cyrax 25003D 激光扫描仪激光扫描仪 地面三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanner ,TLS）技术又称“实景复制技术”，它以激光作为测量的载体，以扫描的方式直接将各种大型的复杂的不规则实体或实景的三维数据完整的快速的采集到电脑中，进而通过软件算法快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。coscoscos sinsinSSSXSYSZSTLS获取的原始数据是三维的点云数据，即X、Y、Z坐标的文本数

17、据，绘制在三维空间后形似云状的点集，如图所示：TLS获取的原始点云数据多视点数据配准原始点云1合并后的完整场景数据原始点云2原始点云3数据精炼数据分割数据平滑数据分析三维模型纹理映射数据网格化地物三维建模TLS数据处理流程配准示意图 1 1、工程控制网坐标系、工程控制网坐标系l国家坐标系（国家坐标系（5454、8080） l城市坐标系城市坐标系l工程坐标系工程坐标系2 2、工程控制网的作用和分类、工程控制网的作用和分类作用：作用：控制全局、提供基准、控制误差控制全局、提供基准、控制误差分类：分类：1）测图控制网）测图控制网2）施工控制网）施工控制网3）变形监测网）变形监测网4）安装测量控制网）

18、安装测量控制网 城市导线网1 1）测图控制网）测图控制网隧道（洞）洞外GPS平面控制网布设示意图 J1 J2 J3 JC1 CC3 C2 贯通面贯通点 隧道（洞）轴线出口端 XY进口端2 2）施工控制网）施工控制网隧道（洞）洞内导线网布设示意图隧道（洞）轴线J1 XYJ2 J3 JD1 D3 D5 D7 D2 D4 D6 D8 进口端杭州湾GPS首级控制网三峡大坝施工控制网上海磁浮铁路地面控制网上海磁浮铁路地面控制网大伙房水库85km输水隧洞GPS施工控制网3 3）变形监测控制网）变形监测控制网4 4）安装测量控制网）安装测量控制网 核聚变装置主机安装测量核聚变装置主机安装测量超高层大跨度钢结

19、构安装测量超高层大跨度钢结构安装测量特大型矿井井架安装控制测量特大型矿井井架安装控制测量 玻璃幕墙控制测量玻璃幕墙控制测量大型锅炉安装测量大型锅炉安装测量天然气管道安装测量天然气管道安装测量竣竣工工测测量量施工放样概念：施工放样概念： 亦称亦称“放样放样”或或“测设测设”，施工测量中的，施工测量中的一项工作，是按设计和施工的要求，将设计图一项工作，是按设计和施工的要求，将设计图上建筑物的空间位置和形状在实地标定出来的上建筑物的空间位置和形状在实地标定出来的测量工作。点的标定称为测量工作。点的标定称为定位定位，轴线标定称为，轴线标定称为定线定线。 平面位置放样的方法有平面位置放样的方法有极坐标法、直角坐极坐标法、直角坐标法、正倒镜投点法、交会法及归化法标法、正倒镜投点法、交会法及归化法等等.其其中交会法又包括中交会法又包括前方交会、方向线交会、轴线前方交会、方向线交会、轴线交会和距离角度交会交会和距离角度交会等等.高程放样主要采用高程放样主要采用几几何水准法何水准法和和电磁波测距三角高程法电磁波测距三角高程法。高程放样主要采用高程放样主要采用几何水准法