土木工程测量(第二版)1绪论

土木工程测量(第二版)1绪论第一页，共52页。中国工程院院士、武汉大学教授宁津生

宁津生院士序言指出三大特点

1.结合土木类专业，应用的特色非常明显，教学内容针对性强；2.教材结构体系新，教材内容脉络清晰，便于理解掌握；3.引进测绘新技术，更具时代特色。第二页，共52页。学习“工程测量”课程的性质工程测量，土木工程测量。专业基础课；土木工程等专业的基本技术；工程建设的主要导向技术。学习理论教学、实验教学、实习教学。根据理论教学需要开展实验教学，完成必要的作业；实习教学将作为独立课程在理论教学之后进行。通过理论教学、实验教学、实习教学达到掌握工程测量技术的目的。希望努力学习，刻苦训练，真正掌握土木工程测量技术，为工程建设服务。

测量科学技术在国民经济建设和社会可持续发展以及国防建设中的重要地位不断提高，应用不断扩大。----宁津生第三页，共52页。第一章绪论学习目标：

理解测量科学技术在土木工程的意义。掌握坐标系统、高程系统的概念和应用。理解测量定位概念与技术过程。把握绪论对于学习工程测量技术的基本导向。第四页，共52页。§1.1土木工程测量学的任务和作用§1.2测量的坐标系统§1.3地面点定位的基本概念§1.4用水平面代替水准面的限度§1.5测量常用的计量单位第五页，共52页。1.1土木工程测量学的任务测量学研究的对象

测量学是研究地球形状和大小，确定地球表面各种物体的形状、大小和空间位置的一门科学。按照研究对象及采用的技术不同分为：大地测量学摄影测量学地形测量学工程测量学地图制图学海洋测量、GPS测量第六页，共52页。工程建设三阶段土木工程测量的任务勘察、规划、设计施工建设运营管理测图、用图施工测设-放图变形监测、测绘竣工图土木工程测量的任务第七页，共52页。土木工程测量的作用1、与人类生存息息相关的测量科学。人类在地球上的生存、发展离不开点位置的确定，测量科学正是适应人类生存、发展和土木工程建设的定位技术需求而发展起来。2.现代科技条件下的测量科学。激光红外测距、卫星全天候定位、摄影与遥感、数字化测量技术及现代平差等、地球空间信息工程学3.应用范围和服务对象不断地扩大国家经济建设、国防建设中与地球空间信息有关的各个领域第八页，共52页。视频欣赏测绘外业测绘新技术国家测绘局宣传片第九页，共52页。应掌握的基本测量内容掌握测量基本理论和测量原理熟练操作常规仪器能够测绘小范围区域一定比例尺地形图具备从地形图获取规划设计所需的数据具备施工放样、变形观测等独立工作能力第十页，共52页。1.2测量常用坐标系高山陆地丘陵

海洋马里亚纳海沟珠穆朗玛峰地球的形状和大小第十一页，共52页。大地水准面所包围的代表地球形状和大小的形体称为大地体。设想处于完全静止的平均海水面向陆地和岛屿延伸所形成的闭合曲面。大地水准面：测量基准面第十二页，共52页。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：①形状接近地球自然形体；②可以用简单的数学公式表示。第十三页，共52页。参考椭球体及参考椭球面参考椭球面参考椭球面参考椭球体外表面，是球面坐标系的基准面。参考椭球体一个非常接近大地体，并可用数学式表示几何形体，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。测量基准面第十四页，共52页。

旋转椭球体由长半轴a（或短半轴b）和扁率α决定。我国目前采用的参考椭球体的参数为：

长半轴a=6378140m短半轴b=6356755m扁率α==

测量精度要求不高时，可把地球看作圆球，其平均半径测量基准面第十五页，共52页。

测量工作的基准线和基准面测量外业工作的基准面—大地水准面

测量外业工作的基准线—铅垂线

测量内业计算的基准面—参考椭球面测量内业计算的基准线—法线OG地球表面

大地水准面铅垂线第十六页，共52页。

测量工作的基准线和基准面

铅垂线：过地面任一点垂直于大地水准面的线称为该点的铅垂线。法线：过地面一点垂直于参考椭球面的线称为该点的法线。测量基准面第十七页，共52页。坐标系统测量的任务：测定和测设；测量的目的：确定地面点的位置确定地面点位的方法—坐标系大地坐标系（B,L,H）或（X,Y,Z）高斯平面直角坐标系（X,Y）+高程系统（H）独立平面直角坐标系+相对高程（H’）第十八页，共52页。一、大地坐标系大地坐标系统是以参考椭球面为基准面的坐标系通常以大地经度L、大地纬度B、大地高H来表示地面点的空间位置第十九页，共52页。大地经度：过P点的子午面NPS与首子午面NMS所构成的二面角叫做P点的大地经度，用L表示。大地纬度：过P点的法线Pn与赤道面的夹角叫做P点的大地纬度，用B表示。赤道平面OPM大地经度L大地纬度BnLB起始子午面（首子午面）

SNL取值范围：东经0~180˚西经0~180˚B取值范围：南纬0~90˚北纬0~90˚第二十页，共52页。我国常用的大地坐标系有：1954年北京坐标系：采用克拉索夫斯基椭球，大地原点位于前苏联的普尔科沃，点位精度不高。1980国家大地坐标系：采用IUGG-75椭球，大地原点位于陕西省泾阳县永乐镇。WGS-84坐标系：采用WGS-84椭球，坐标原点在地球质心，GPS卫星定位系统得到的坐标。也称为1984世界大地坐标系。第二十一页，共52页。二、高斯平面直角坐标系由于地理坐标是球面坐标，在工程建设规划、设计、施工中，测量和计算十分不便。投影：将球面坐标按一定的数学法则归算到平面上。即X=F1（L，B）

Y=F2（L，B）我国采用高斯平面直角坐标，小地区范围内也可采用独立平面直角坐标。第二十二页，共52页。

高斯投影的概念

高斯投影是一种等角投影。它是由德国数学家高斯(Gauss，1777~1855)提出，后经德国大地测量学家克吕格(Kruger，1857～1923)加以补充完善，故又称“高斯—克吕格投影”，简称“高斯投影”。第二十三页，共52页。NSc中央子午线赤道高斯投影平面赤道中央子午线

高斯投影的原理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。第二十四页，共52页。高斯投影必须满足：1．高斯投影为正形投影，即等角投影；2．中央子午线投影后为直线，且为投影的对称轴；3．中央子午线投影后长度不变。高斯投影平面赤道中央子午线第二十五页，共52页。高斯投影的特性（1）中央子午线和赤道投影后为直线，且长度不变。（2）除中央子午线外，其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，并以中央子午线为对称轴。投影后有长度变形。赤道中央子午线平行圈子午线Oxy第二十六页，共52页。（3）除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴。（4）经线与纬线投影后仍然保持正交。（5）离中央子午线愈远，长度变形愈大。赤道中央子午线平行圈子午线Oxy第二十七页，共52页。投影带的划分我国规定按经差6º和3º进行投影分带。6º带自首子午线开始，按6º的经差自西向东分成60个带。3º带自1.5º开始，按3º的经差自西向东分成120个带。第二十八页，共52页。3º带的中央子午线与6º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3º带，特殊工程可采用1.5º带或任意带。6º带与3º带中央子午线之间的关系如图:第二十九页，共52页。按照6º带划分的规定，第1带中央子午线的经度为3º，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：

L。=6ºN－3º（N为6º带的带号）例：20带中央子午线的经度为

L。＝6º×20－3º＝117º

第三十页，共52页。按照3º带划分的规定，第1带中央子午线的经度为3º，其余各带中央子午线经度与带号的关系是：

L。=3ºn（n为3º带的带号）例：38带中央子午线的经度为

L。＝3º×38＝114º38第三十一页，共52页。例：北京某地的经度为116°28′,它属于6°带的几带？中央子午线的经度为多少？3°带呢？解：6º带:int(116°28′/6°)+1=20L。=6ºN－3º=6º*20-3º=117º3º带：116°28′/3°=38.8≈39（四舍五入）L。=3ºn=3º*39=117º中央子午线6°带3°带117°114°第三十二页，共52页。若已知某点的经度为L，则该点的6º带带号N由下式计算：

N＝（取整）+1

若已知某点的经度为L，则该点所在3º带的带号按下式计算：

n＝（四舍五入）我国横跨11个6°带，即13~23带，21个3°带，即24~45带第三十三页，共52页。高斯平面直角坐标系坐标系的建立：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oxyP（X，Y）高斯自然坐标注：X轴向北为正，

y轴向东为正。赤道中央子午线N！！测量坐标系与数学坐标系的区别第三十四页，共52页。xyo500km=500000+=+636780.360m=

500000+=+227559.720m国家统一坐标：（带号）（带号）坐标值的规定第三十五页，共52页。例：有一国家控制点的坐标:x=3102467.280m,y=19367622．380m，（1）该点位于6˚带的第几带？（2）该带中央子午线经度是多少？（3）该点在中央子午线的哪一侧？（4）该点距中央子午线和赤道的距离为多少？（第19带）（L。=6º×19-3º=111˚）（先去掉带号，原来横坐标y＝367622.380—500000＝-132377.620m，在西侧）（距中央子午线132377.620m，距赤道3102467.280m）第三十六页，共52页。三、独立平面直角坐标当测区范围较小时(半径<10km)，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。OXY测区北第三十七页，共52页。四、高程系统1.高程系统的一般概念2.实际应用中的地面点高程的概念3.我国的高程系统第三十八页，共52页。1.高程系统的一般概念大地高：以参考椭球面为高程基准面，是地面点沿法线到椭球面的距离。用H大表示。如图HB’，大地坐标（L,B,H大）绝对高程：以大地水准面为高程基准面，即地面点沿铅垂线到大地水准面的距离，也称为绝对高程或海拔，用H表示,如图HB。第三十九页，共52页。2.实际应用中的地面点高程的概念绝对高程：地面点到大地水准面的铅垂距离。用H表示相对高程：地面点到假定水准面的铅垂距离。用H’表示高差：地面上两点间的绝对高程或相对高程之差。用h表示第四十页，共52页。主要有：（1）1985国家高程基准（2）1956年黄海高程系（3）地方高程系统。如：珠江高程系统。注：水准原点：青岛市观象山H0=72.260m（85黄海系）=72.289m（56黄海系）3.我国的高程系统第四十一页，共52页。1.3地面点定位的基本概念地面点定位，亦即以某种技术过程确定地面点的位置。包括测绘和测设两部分。1.测绘：以测量技术手段测定地面点位置并用图象或图形和数据等形式表示出来，这种技术过程称为测绘。第四十二页，共52页。2、测设。利用测量技术手段把设计上拟定的地面点测定到实地上，这种技术过程称为测设，或工程放样，简称放样。第四十三页，共52页。一、地面点定位元素定位参数定位原理：几何测量定位：通过角度测量、距离测量、高差测量确定地面点点位坐标。三维：B,L,H；x,y,H二维：B,L；x,y第四十四页，共52页。测量得到的角度(β)、距离(D)、高差(h)是地面点定位的基本元素，称为直接定位元素，简称定位元素。定位元素的特性：独立性、直接可量性测量三项基本工作：高程测量（第二章）角度测量（第三章）距离测量（第四章）定位元素第四十五页，共52页。二、测量的基本原则测量工作的程序：※先在测区选择若干有控制意义的点称为控制点，精确地测量出少数点的位置。控制点相互连接构成一定的几何图形称为控制网。测量控制点的工作称为控制测量。

※

然后以控制点为基础，测量它周围的地形，也就是测量每一控制点周围各地形特征点的位置称为碎部测量。※它可以减少误差积累，保证测图精度分布均匀，还可以分幅测绘，加快测图进度。※地物：地表上的固定的自然或人工物体如河流、道路、房屋等。

※地貌：地面高低起伏的形态。

※地形：地物和地貌的总称。第