土木工程测量讲义1测量学绪论

《测量学》（第四版）1测量学的教学学目的《测量学》是城市规划、、土木工程、、道路交通工工程、测绘工工程、地质工工程、港口航航道与海岸工工程等专业必必修的专业基基础课，是一一门实践性强强，理论和实实践相结合的的课程。掌握测量的基基本理论，基基本方法和基基本技能，培培养学生动手手、实践和创创新能力，为为学生从事城城市规划、土土木工程勘测测、设计、施施工、管理奠奠定基础。2第一章绪绪论§1-1测量学的任务务与主要内容容生产、生活的的需要城市建设、农农田、水利建建设等交通运输的需需要物流流运运输输、、航航空空、、航航海海、、旅旅行行等等军事事的的需需要要3一、、测测量量学学的的产产生生(一)测量量学学在在生生活活上上的的作作用用城市交通图1104二、、测测量量学学的的作作用用(二)测量量学学在在军军事事的的作作用用“天时时，，地地利利，，人人和和””是是打打胜胜仗仗的的三三大大要要素素。。地利利就就要要了了解解和和利利用用地地形形。。地图图上上详详细细表表示示着着山山脉脉、、河河流流、、道道路路、、居居民民点点等等地地形形和和地地物物，，具具有有确确定定距距离离、、位位置置、、辨辨识识方方向向的的作作用用。。5(三)测量量学学在在国国土土管管理理中中的的作作用用城市市土土地地的的规规划划，，城城市市道道路路的的红红线线规规划，，房房地地产产开开发发，，地地籍籍的的界界址址点点测测定定,都需要要由由测测量量提提供供地地形形图图和和有有关关土土地地信信息息。。用高高科科技技测测量量手手段段标标定定国国界界，，常常在在国国家间间的的领领土土争争执执中中起起到到重重要要作作用用;也常常以以对方方出出版版的的地地图图上上对对国国境境线线的的表表示示,作为为有利利于于己己方方的的证证据据。。6(四)测量量学学在在工工程程建建设设中中的的作作用用在工工程程建建设设的的规规划划设设计计中中，，首首先先需需要要有有地地形形图图。。在在修修建建工工厂厂和和居居民民点点时时，，须须要要先先平平整整地地基基和和设设计计房房屋屋的的放放样样。。在在建建设设城城市市道道路路网网（（包包括括高高架架道道路路、、地地下下铁铁道道和和桥桥梁梁)，都需要要用测量量方法精精确地定定向,定位和定定高程。。我国的考考古工作作者研究究证实，，早在2000多年前已已经有在在修建帝帝都、宫宫殿时大大规模平平整地基基和定街街道与建建筑轴线线的措施施，当时时也需要要有原始始的测量量手段。。7工程的竣竣工和变变形监测测为了保障障建筑物物的施工工和运行行时的安安全，需需要测量量工作者者以技术术上可行行的最高高精度，，监测建建筑物的的变形量量和变形形的发展展情况。。经常需需要在一一段时间间内进行行连续观观测，为为此要使使用自动动化的监监测和记记录的测测量仪器器，在各种工工程建设设中的应应用愈来来愈广泛泛。8§1-2测绘学科科的内涵涵和发展简简史9一、测绘绘学科的的定义和和内涵二、测绘绘科学的的历史和和近代发发展三、测绘绘学科的的分支一、测量量学的定定义和内内涵1.早期的定定义研究地球球的形状状和大小小，确定定地面点点的坐标标的学科科。2.当前的定定义研究测定定和描绘绘地球及及其表面面的各种种形态的的理论和和方法的学科。10测绘和采采集表示示各种地地物和地地貌的形形状、大大小、位位置等空空间几何何数据，，进行数数字化管管理，提提供工程程设计所所必要的的地形信信息(地形图和和地形数数据)。把设计的的建筑物物、大型型设备等等按设计计的形状状、大小小和位置置准确地地在实地地标定出出来，才才能进行行施工(称为测设设或施工工放样，，并贯穿穿于施工工全过程程)。11测量工作作在工程程建设中中作用这是人类类为了生生存和发发展，在在历史上上长期探探索的问问题，并并知道需需要用大大地测量量的方法法来解决决。早在公元元前6世纪,古希腊的的毕达哥哥拉斯(Pythagoras)就提出了了地球形形态的概概念。12二、测绘绘学科的的历史和和近代进进展“地球的形形状是什什么样的的？”“如何何用图形形来表示示地面形形态？””亚里士多多德（Aristotle）作了了进一步步论证，，支持持这一学学说。又又一世纪纪后，，埃拉托托斯特尼尼（Eratosthenes）用在在南北两两地同时时观测日日影的办办法,首次推算算出地球球子午圈圈的周长长。我国唐代代僧人一一行根据据天文观观测，计计算出地地球子午午线1°的长度。。测绘地图图是地球球表面形形态认识识的开始始。晋代代裴秀总总结出““制图六六体”，，为当时““地图制制图”订订立标准准。13古希腊托托勒密(C.Ptolemeaus)提出“地地图投影影”概念念和测经经纬度定定地面点点位方法法。此后，一一系列重重大科学学发明与与测绘学学科相辅辅相成地地发展：：17世纪初发发明望远远镜，1730年,英国西森森(Sisson)制成测角角用的经经纬仪，，促进三三角测量量的发展展。1795年,德国高斯斯(C.F.Gauss)提出最小小二乘法法(LeastSquareMethod)为测量数据处处理奠定数学学基础。14高斯又提出将将椭球面变换换为平面的地地图投影方法法,后经克吕格尔尔(J.Krüger)扩充完善，称称为“高斯-克吕格尔投影影”，沿用至至今。19世纪50年代,发明了摄影测测量,后来发展成为为航空、航天天摄影测量和和遥感。1948年发明电磁波波测距仪，解解决了远程精精密测距的测测量难题。20世纪60年代,发明电子计算算机，应用于于测绘界,创立“计算机机辅助成图””,出现了数字地地图,开创了数字化化新时代。15三、测量学科科的分支大地测量学研究和测定地地球的形状、、大小、重力力场和地面点点几何位置及及其变化的理理论和技术的的学科。地球球的形状大小小以大地水准准面为代表。。大地点的定定位，用经纬纬度或空间直直角坐标，定定位方法有几几何法大地测测量、物理法法大地测量和和近代的卫星星法大地测量量。16用经纬仪作三三角高程测量量17用水准仪作精精密水准测量量18上述:三角高程测量量和水准测量量,都属于几何大地测测量，几何大大地测量中还还包括三角测量和和天文测量等等。天文测量研究究测定恒星的的坐标，以及及利用观测恒星星确定地面点点的大地位置置(经度、纬度、方方位角)和十分精确的的时间(世界时、恒星星时)，它对于地球球科学和空间技术(卫星发射、定定位和宇宙航航行)都十分重要。。19天文台的天文文观测20天文台外观用天文望远镜镜观测物理大地测量量学研究地球球的重力测量量方法,重力分布情况况(重力场)及其应用。测定重力加速速度G的目的：1.建立国家重力力基准网和基基本网；2.确定全球重力力场模型及其其变化；3.确定区域的和和地球的大地地水准面及其变化(重力异常使大大地水准面产产生不规则变化化)。21在大地重力点点上作重力测测量22在珠峰高山地地区作重力测测量23摄影测量与遥遥感学研究利用摄影影或遥感手段段，获取地面面目标物的影影像数据，从从中提取几何何或物理信息息，用图形、、图像和数字字信息表达的的理论和方法法的学科。摄影测量的方方法有地面摄摄影、航空摄影和航天摄摄影和遥感。。小范围的地地形测量或工程程测量可利用用地面摄影测测量方法。24机载空间三维维数据采集系系统25航空摄影测量量机身利用卫星星定位工程测量学研究工程建设设和自然资源源开发中进行行的控制测量量、地形测绘绘、施工放样样和变形监测测的理论和技技术的学科。。是测绘学科科在国民经济济和国防建设设中的直接应应用。工程规划设计计阶段：提供地形资料料；施工兴建阶段段：标定设计建筑筑的位置；运行管理阶段段：竣工测量和变变形监测。高精度工程测测量用于大型型、精密工程程和设备的精确定定位、安装和和变形观测。26道路测量道路建筑高程程放样用数字水准仪仪和条码水准尺尺。27渠道水位监测测28面水准测量–场地平整29大桥变形监测测11030隧道工程测量量11031海洋测绘学研究以海洋水水体和海底为为对象的学科科。包括：海洋大大地测量、海海底地形测量量、海道测量、海洋洋专题测量等等。海洋测区条件件复杂,受潮汐、气象象、透明度差等影响响，需用特种种仪器和方法法:卫星导航、惯性组组合导航、天天文测量、水水声定位系统、水下下摄影测量等等。11032地图制图学研究模拟地图图和数字地图图的设计、编编绘、复制的的理论和方法法的科学。主主要内容：地图投影地图编绘地图整饰地图出版1103311034世界地图测量仪器学研究测量仪器器的制造、改改进和创新的的学科。测绘学科的发发展离不开测测绘理论的进进展和测绘仪仪器的发明和和创新。17世纪发明了望望远镜、经纬纬仪、水准仪仪、平板仪，，使控制测量量和地形测量量精度提高。。19世纪摄影技术术发明，便应应用于测量，，到20世纪初，创造造出自动航空空摄影机，实实现了大面积积航空摄影测测量。11035地形测量学研究将地球表表面局部地区区的地貌和地地物测绘成地地形图、编制制地籍图和房房产图等的基基本理论和方方法的科学。。1103611037地形测量及施施工放样在控制测量的的基础上,测绘地形图(表示地物和地地貌),或进行施工放放样。地形图图例211038地形图图例1地形图图例211039认识地球是人人类探索自然然的目标之一一，也是测量量学的任务务之一。绝大多数测量量工作是在地地球面上进行行，以地球作作为参考系。。因此，有必要要首先讨论地地球的形状和和大小。11040§1-3地面点位的确确定和坐标系系一、地球的形形状和大小地球的制高点点－珠穆穆朗玛峰海拔高程8844.43m11041马里亚纳海沟沟－斐斐查兹海渊渊剖面图11042地球球海海面面下下最最深深处处高程程为为－－11000m大地地水水准准面面与平平静静的的平平均均海海水水面面相相重重合合，，并并延延伸伸通通过过陆陆地地而而形形成成的的封封闭闭曲曲面面称称为为“大地地水水准准面面”11043液体体受受重重力力而而形形成成的的静静止止表表面面称称为为水水准准面面旋转转椭椭球球体体由于于大大地地水水准准面面受受地地球球内内部部质质量量分分布布不不均均匀匀影影响响，，是是不不规规则则曲曲面面，，无无法法用用数数学学方方法法准准确确描描述述和和计计算算，，也也难难以以在在其其面面上上处处理理测测量量成成果果。。11044旋转转椭椭球球体体用一一非非常常接接大大地地水水准准面面的数数学学面面－－旋旋转转椭椭球球面面代替替大大地地水水准准面面，，用用旋旋转椭椭球球体体描描述述地地球球，，称称参考考椭椭球球体体。。椭椭球球参参数数：：11045长半半径径a=6378137m短半半径径b=6356752m扁率率f=(a-b)/a=1/298.257二、、确确定定地地面面点点位位的的坐坐标标系系子午午面面－地球球上上任任一一点点与与地球球旋旋转转轴轴所所组组成的的平平面面。。首子子午午面面－通过过英英国国格格林林尼尼治(Greenwich)天文文台台的的子子午午面面。。11046G（一一））大地地坐坐标标系系A首子子午午面面地球球旋旋转转轴轴赤道道平平面面格林林尼尼治治A点子子午午面面大地地经经度度－通过过A点的的子子午午面面与首首子子午午面面之之间间的夹夹角角(L)大地地纬纬度度－通过过A点的的椭球球面面法法线线与与赤道道平平面面的的交交角角(B)11047（一一））大大地地坐坐标标系系（（地地理理坐坐标标系系））11048以经经度度与与纬纬度度表表示示点点位位的的坐坐标标系系(球面面坐坐标标系系统统)中国国的的法法定定大大地地坐坐标标中中心心—中华华人人民民共共和和国国大大地地原原点点，，坐坐落落在在西西安安之之北北约约100公里里的的泾泾阳阳县县内内。。大地原点点的地面面海拔高高程为417.7米，它距距我国陆陆边正北北880公里，东东北2500公里，正正东1000公里，正正南1750公里，西西南2250公里，正正西2930公里，西西北2500公里。大大致位于于我国大大陆领土土的中心心。1104911050我国大地地坐标系系原点所所在地的的大门国家测绘绘地理信信息局建建立的““大地原原点”11051中国大地地坐标系系的基准准点建筑外观观11052国家大地地原点地地面标志志11053大地原点点玛瑙中中心标志志（二）高高斯平面面直角坐坐标系高斯投影影是等角角横切椭椭圆柱投投影。等等角投影影就是正正形投影影。就是是在极小小的区域域内椭球球面上的的图形，，投影影后保持持形状相相似。即即投影后后角度不不变形。。11054高斯投影影的分带带和编号号11055中央子午午线经度度投影分带带号N点在高斯斯平面直直角坐标标系中的的坐标值值中央子午午线的投投影是X轴，赤道道的投影影是Y轴，其交点是坐坐标原点点。点的X坐标是点点至赤道道的距离离,赤道以北北x值为正；；点的Y坐标是点点至中央央子午线线的距离离，y值有正有负。11056点在高斯斯平面直直角坐标标系中的的坐标值值为了避免免Y坐标出现现负值，，把Y坐标值加加500公里。。11057为了区分分不同投投影带中中的点，，在点的的Y坐标值上上加带号号N所以点的的横坐标标以下式式表示：：Y=N×1000000+500000+y（三）地地平坐标标系地平坐标标系为小小范围的的平面直直角坐标标系地平坐标标系以当当地的水水平面为为投影面面通常以当当地的正正北方向向为X坐标轴的的正方向向某一建筑筑地区的的“建筑筑坐标系系”也是是一种地地平坐标标系地平坐标标系为独独立坐标标系应与与国家或或城市坐坐标系进进行连测测11058（四）平平面坐标标变换—坐标轴的的平移和和旋转11059建筑坐标标系(x′,y′)变换为为城市坐坐标系系(x,y)变换参参数(x,y),α00平移量量(x0,y0)旋转角角α（五））平面面坐标标变换换11060城市坐坐标系系(x,y)变换为为建筑坐坐标系系（x′,y′）变换参参数(x0,y0),α（六））地面点点的高高程高程（（绝对对高程程、海海拔））－地地面面点到到大地地水准准面的的铅垂垂距离离。假定高高程（（相对对高程程）－－地地面点点到假假定水水准面面的铅铅垂距距离。11061高差－两点间间的高高程之之差(不论绝绝对高高程或或相对对高程程)测定平平均海海水面面(高程为为零)的验潮潮站11062水准原原点至至1985国家高高程基基准““零海海平面面”的的高程程72.2604m11063青岛观观象山山水准准原点点11064水准原原点旱旱井11065水准原原点玛玛瑙石石标志志11066水准原原点标标牌11067从水准准原点点测定定全国国各基基准点点高程程的精精密水水准测测量11068§1-4测量工工作的的程序序及基基本内内容基本原原则控制测测量地形测测量施工放放样基本观观测量量：距距离,角度,高差11069布局上上：由整体体到局局部精度上上：由高级级到低低级次序上上：先控制制后细细部一、测测量工工作的的基本本原则则所有测测量工工作都都必须须遵循循以上上原则则也是测测量的的工作作程序序11070测量工工作的的程序序由整体体到局局部由高级级到低低级先控制制后细细部110712.一等三三角锁锁二等等连续续网11072一等三三角锁锁为国国家平平面控控制网网的基基础传统平平面控控制网网布置置形式式二、控控制测测量11073三、细部测测量11074在控制制测量量基础础上，，测绘绘地形形细部部或进行行建筑筑物的的细部部放样样。浦东运运河小小湾桥桥扩建建工程程细部部测绘绘11075四、基基本观观测量量－－确定地地面点点位的的三个个基本本要素素:11076距离-S角度-α,β高差-h§1-5水准面面曲率率对观观测量量的影影响在小测测区内内，用水平平面代代替水准准面，，讨论由由此对对距离和和高差差测量的的影响响：11077一、水水准面面曲率率对距距离测测量的的影响响11078S(km